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外表上时，可以使电子从金属外表逸出，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h =(6 . 6260755 ± 0. 0000040) X 10-34 J s。当 金属中的电子吸收一个频率为的光子时，便获得这

2、光子的全部能量h，如果这能量大于电子摆脱金 属外表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:(3.1)2mv m 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，-mvm2是光电子逸出2外表后所具有的最大动能.它说明光子能量h 小于W时，电子不能逸 出金属外表，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

3、测量微小的 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，那么当阳极 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，光电流到达饱和值I m ,当U< -Uo，并满足方程(3.1eU 0 _mvm22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，开始光电流

4、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11图3.3截止电压 Uo是入射光频率的线性关系图线图3.2光电管的伏安特性曲线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，从而到达饱和。我 们称此时的电流为饱和电流I m。由于光电子从阴极外表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。假设在两极间施 加一反向电压，光电流随之减小；当反向电压到达 截止电压Uo时，光电流为零。将式(3.2)代人式(3.1)可得eU。= hW即U0 w ho(3.3)e e e上式说明，截止电压 Uo是

5、入射光频率 的线性函数， 其直线的斜率等于 h/e。可见，只要用实验方法， 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 勺,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

6、的 漏电流两局部组成。本底电流是周围杂散光射入 光电管所致。( 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外表所反射。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 线。实测曲线上每一点曲 线，虚线表示理想曲 的电流值是以上

7、三个电 线即阴极光电流曲线， 流值的代数和。显然，点划 线代表影响较大的 实测曲线上光电流 I 为反向电流 及暗电流曲 零的点所对应的电压值并不是截止电压。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U0的。【仪器介绍】1. GDH I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

8、光灵敏度为 1卩A/Lm , 暗电流为10-12 A。为了防止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 302.3 872.0 nm3. 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- H型微电流测量放大器：电流测量范围为10-610 -13 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

9、8小时以上。丄卜.一 -J tEZZ3图3.5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、旋钮置于以下位置：“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) 翻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，翻开光源开关，

10、让汞灯预 热。2. 测量光电管的 I U 特性(1) 使暗盒离开光源3050 cm，根本等高， 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) 选择适宜的电流和电压量程，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

11、电管的本 底电流(每个滤色片都测)。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，那么 U0 =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 结果与公认值比拟，求出百分误差。【考前须知】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.-92. -28!. -27-2.6-2.5-2.-42.-：32. -2210405nm436nm546nm577nm电压98765,-1.43211. -1.09-1.-1. -1.-1.-1. -1.-1.-0.V)405nm436nm546nm577nm电压(V)-0.3765-0.-43210.-().-0,-0.-0.-0.(0本底405nm436nm5