光电效应讲义

1、光电效应讲义实验三光电效应【实验目的】1. 加深对光的量子性的认识。2. 验证爱因斯坦方程，测定普朗克常数。3. 测定光电管的伏安特性曲线。【实验原理】当一定频率的光照射到某些金属表面上时，可 以使电子从金属表面逸出，这种现象称为光电效 应.所产生的电子，称为光电子。光电效应是光 的经典电磁理论所不能解释的。1905年爱因斯坦 依照普朗克的量子假设，提出了光子的概念。他 认为光是一种微粒一光子；频率为 的光子具 有能量h，h为普朗克常数，目前国际公认值为Q Ah=(6. 6260755土 0. 0000040) X 10- J s。当金 属中的电子吸收一个频率为的光子时，便获得这光子的全部能量

2、h ，如果这能量大于电子摆脱 金属表面的约束所需要的逸出功 W，电子就会从 金属中逸出按照能量守恒原理有：1 2. mVm W2上式称为爱因斯坦方 程，其中m和Vm是光 电子的质量和最大速度，2mvm是光电子逸出 表面后所具有的最大动(3.1)能.它说明光子能量h 小于W时，电子不能逸 出金属表面，因而没有 光电效应产生；产生光 电效应的入射光最低频 率=W/h ,称为光电 效应的极限频率（又称 红限）。不同的金属材 料有不同的逸出功，因 而也是不同的。用光电管进行光电 效应实验，测量普朗克常数的实验原理如图3.1所示。图中K为图3.1光电效应实验原理图光电管的阴极，A为阳极，微安表用于测量微

3、小 的光电流，电压表用于测量光电管两极间的电压， E为电源，R提供的分压可以改变光电管两极间 的电势差。当单色光入射到光电管的阴极 K上时, 如有光电子逸出，则当阳极 A加正电势，K加负 电势时，光电子就被加速；而当 K加正电势，A 加负电势时，光电子就被减速。当 A K之间所 加电压U足够大时，光电流达到饱和值Im,当UW-U。，并满足方程eUo =1 2mvm2(3.2） 时，光电流将为零，此时的Uo称为截止电压。式 中e为电子电量。光电管的伏安特性曲线（光电流与所加电压 的I U关系）如图3.2所示。当用一定强度 的光照射在光电管阴极 K上时，光电流I随两极 间的加速电压改变而改变，开始

4、光电流 I随两极 间的加速电压增加而增加，当加速电压增加到一 定值后，光电流不再增加.这是因为在一定照度 下，单位时间内所产生的光电子数目一定，而且这些电子在电 场的作用下已全都跑向阳极 A,从而达到饱和。 我们称此时的电流为饱和电流Im。由于光电子从 阴极表面逸出时具有一定的初速度，所以当两极 间电势差为零时，仍有光电流I存在。若在两极 间施加一反向电压，光电流随之减小；当反向电 压达到截止电压Uo时，光电流为零。将式(3.2) 代人式(3.1)可得eUo = hW即Uo=h W 匕 o(3.3)e e e上式表明，截止电压Uo是入射光频率 的线性函 数，其直线的斜率等于 h/e。可见，只要

5、用实 验方法，测量不同频率光的截止电压，作出Uo 图线，如图3.3所示。从图中求得直线的斜率丄，e即可求出普朗克常数h。另外，从直线和横坐标 的交点还可求出极限频率 。因此，由光电效应测定普朗克常数 h的关键 是正确地测定截止电压 Uo。需要指出的是，实际 的光电管由于制作工艺等原因，给测定截止电压 带来一些困难。对测量产生影响的主要因素如下：(1) 暗电流和本底电流光电管在没有受到光照时，也会产生电流， 称为暗电流。它是由阴极在常温下的热电子发射 形成的热电流和封闭在暗盒里的光电管在外加电 压下因管子阴极和阳极间绝缘电阻漏电而产生的 漏电流两部分组成。本底电流是周围杂散光射入 光电管所致。(

6、2) 反向电流 由于制作光电管时阳极上往往溅有阴极材 料，所以当光照到阳极上或杂散光漫射到阳极上 时，阳极上也往往有光电子发射；此外，阴极发 射的光电子也可能被阳极的表面所反射。当阳极A 加负电势，阴极 K 加正电势时，对阴极 K 上发 射的光电子而言起减速作用，而对阳极 A 发射或 反射的光电子而言却起了加速作用，使阳极 A 发 出的光电子也到达阴极 K,形成反向电流。由于上述种种原因，实测的光电管伏安特性(I U )曲线与理想曲线是有区别的。图 3.4 中实线表示实测曲线,虚线表示理想曲 线即阴极光电流曲线, 点划线代表影响较大的 反 向 电 流 及暗 电 流 曲线。实测曲线上每一点 的电

7、流值是以上三个电 流值的代数和。显然, 实测曲线上光电流 I 为 零的点所对应的电压值图3.4对光电流曲线的分析并不是截止电压。从图 3.4可看出，阳极光电 流（即反向电流和暗电 流）的存在，使阴极光 电流曲线下移，实测曲 线的拐点（或称抬头点 处的电压值与截止电压 近似相等，可代替截止电压。因此，光电效应实验是通过找 出实验伏安特性曲线的拐点来确定截止电压Uo的。【仪器介绍】1. GDHI型光电管：阳极为镍圈，阴极为银一氧-钾（Ag-0-K），光谱范围 340. 0700. 0nm 光窗口为无铅多硼硅玻璃，最高灵敏波长是410. 0 10. 0nm阴极光灵敏度为1 pA/Lm ， 暗电流为1

8、0-12A。为了避免杂散光和外界电磁 场对微弱光电流的干扰，光电管安装在可升降 的铝质暗盒中，暗盒窗口可以安放光阑孔和滤 色片。2. 光源：高压汞灯，谱线范围在302.3 872.0nm。3. NG型滤色片：一组有色玻璃滤色片。滤通的谱 线波长分别为 365 nm , 404 nm , 436 nm , 546 nm, 577 nm。4. gp- :n型微电流测量放大器：电流测量范围为 10一610 3 A，分六档十进变换；工作电源为 -3+3V连续可调，电压量程分 0V土 1V 2V土 3V六段读数，读数精度 0. 02V。测 量放大器可以连续地工作8小时以上。15000 = 0E777图3

9、.5光电效应实验装置示意图【实验内容】1. 测试前的准备(1) 将光源、光电管暗盒、微电流测量放大 器安放在适当位置，连接好光电管暗盒与测量放 大器之间的屏蔽电缆、地线和阳极电源线。参见 图 3.5 和图 3.6 。将微电流测量放大器面板上各开关、旋钮置于下列位置：“倍率”开关置“ZERO; “电流极性”置“-”； “工作选择”置“ DC; “扫描平移”任意；“电 压极性”置“ -”；“电压量程”置“ -3”；“电压 调节”反时针调到头。(2) 打开微电流测量放大器电源开关让其预 热 20-30 分钟。在光电管暗盒的光窗上装 光阑；并盖上遮光罩，打开光源开关，让汞灯预 热。2. 测量光电管的

10、I U 特性 使暗盒离开光源3050 cm,基本等高， 暗盒窗口正对光源出射孔。(2) 取去暗盒窗口上的遮光罩，换上波长入=365 nm 的滤色片。将倍率旋钮置于“ 10-7” 档，此时光电流大小应在此量程范围内(注 意，光电管暗盒正对汞灯时，电流最小) 。(3) 选择合适的电流和电压量程，测出 -3 3V时不同电压下的光电流。测量时， -3 0V 时每 0.1V 测一个点，0V以上可加大间隔3. 测量光电管拐点和本底电流。(1) 依次调换不同波长的滤色片，重复上面的 测量，只测-30V时的光电流，每0.1V 测一个点。(2) 挡住汞灯出光口，测量 0V时光电管的本 底电流(每个滤色片都测)。

11、4. 测量光电管的暗电流。用遮光罩罩住光电管暗盒，测量0V时光电管 的暗电流。5. 求普朗克常数h把不同频率下的截止电压描绘在方格纸上， 如果实验结果准确，则 Uo =f( v关系曲线是一直 线，求出直线的斜率，从而可算出普朗克常数h， 并将结果与公认值比较，求出百分误差。【注意事项】1.在数据表格后加拐点及本底电流数据表(365nm的本底电流记在I V表中)电压(V)-3.0-2.9-2.8-2.7-2.6-2.5-2.4-2.3-2.2-2.1-2.0405nm436nm546nm577nm电压(V)-1.9-1.8-1.7-1.6-1.5-1.4-1.3-1.2-1.1-1.0-0.9405nm436nm546nm577nm电压(V)-0.8-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.10本底405nm4