光电效应实验报告

北京科技大学【2】大学物理试验报告光电效应【试验目标】懂得光电效应的纪律,加深对光的量子性的生疏.测量普朗克常量h.【试验仪器】ZKY-GD-4光电效应试验仪,其构成为：微电流放大器,光电督工作电源,光电管,滤色片,汞灯.如以下图所示.【试验道理】光电效应的试验道理如图1所示.入射光照耀到光电管阴极K上,产生的光电子在电场的感化下朝阳极A迁徙构成光电流,转变外加电压,测量出光电流I的大小,即可得出光电管的伏安特征曲线.第112页北京科技大学【2】大学物理试验报告北京科技大学【2】大学物理试验报告第第10页，－共12页光电效应的根本试验事实如下：〔1〕对应于某一频率,光电效应的I-关系如图2所示.从图中可见,对必定的频率,有一电压U0,当≦时,电流为零,这个相对于阴极的负值的阳极电压U0,被称为截止电压.(2)当≧后,I灵敏增长,然后趋于饱和,饱和光电流IM的大小与入射光的强度P成正比.(3)对于不同频率的光,其截止电压的值不同,如图3所示.截止电压U0与频率的关系如图4所示,与成正比.当入射光频率低于某极限值〔随不同金属而异〕时,不管光的强度假设何,照耀时间多长,都没有光电流产生.光电效应是瞬时效应.即使入射光的强度特别微弱,只要频率大于,在开端照耀后马上有光电子产生,所经由的时间至多为秒的数目级.依据爱因斯坦的光量子理论,光能并不像电磁波理论所想象的那样,散布在波阵面上,而是分散在被称之为光子的微粒上,但这种微粒仍旧保持着频率〔或波长〕的概念,频率为的光子具有能量E=h,h为普朗克常数.当光子照耀到金属外表上时,一次被金属中的电子全体接收,而无需积聚能量的时间.电子把这能量的一局部用来战胜金属外表临它的吸引力,余下的就变为电子分开金属外表后的动能,依据能量守恒道理,爱因斯坦提出了知名的光电效应方程：〔1〕式中,A为金属的逸出功,为光电子获得的初始动能.由该式可见,入射到金属外表的光频率越高,逸出的电子动能越大,所以即使阳极电位比阴极电位低时也会有电子落入阳极形成光电流,直至阳极电位低于截止电压,光电流才为零,此时有关系：〔2〕阳极电位高于截止电压后,跟着阳极电位的上升,阳极对阴极放射的电子的收集感化越强,光电流随之上升;当阳极电压高到必定程度,已把阴极放射的光电子几乎全收集到阳极,再增长时I不再变化,光电流消逝饱和,饱和光电流的大小与入射光的强度P成正比.光子的能量<A时,电子不能离开金属,因而没有光电流产生.产生光电效应的最低频率〔截止频率〕是=A/h.将(2)式代入(1)式可得：〔3〕此式说明截止电压是频率的线性函数,直线斜率kh/e,只要用试验方法得出不同的频率对应的截止电压,求出直线斜率,就可算出普朗克常数h.爱因斯坦的光量子理论成功地说清楚明白光电效应纪律.【试验步骤】1将试验仪及汞灯电源接通〔汞灯及光电管暗盒遮光盖盖上〕,预热20min.调剂光电管与汞灯距离为约40cm并保持不变.用专用连接线将光电管暗箱电压输入端与试验仪电压输出端〔后面板上〕连接起来〔红—红,蓝—蓝〕.将“电流量程”选择开关置于所选档位,进展测试前调零.调零时应将光电管暗盒电流输出端K与试验仪微电流输入端〔后面板上〕断开,且必需断开连线的试验仪一端.扭转“调零”旋钮使电流指导为000.0.调整好后,用高频匹配电缆将电流输入连接起来,按“调零确认/体系清零”键,体系进入测试状况.假设要动态显示采集曲线,需将试验仪的“旌旗灯号输出”端口接至示波器的“Y”输入端,“同步输出”端口接至示波器的“外触发”输入端 .示波器“触发源”开关拨至“外”,“Y衰减”旋钮拨至约“1V/格”,“扫描时间”旋钮拨至约“20μs/格”.此时示波器将用轮番扫描的方法显示5个存储区中存储的曲线,横轴代表电压,纵轴代表电流I.测普朗克常数h：测量截止电压时,“伏安特征测试/截止电压测试”状况键应为截止电压测试状况,“电流量程”开关应处于A档.1〕手动测量①使“手动/主动”模式键处于手动模式.②将直径4mm的光阑及365.0nm的滤色片装在光电管暗盒光输进口上,翻开汞灯遮光盖.此时电压表显示的值,单位为伏;电流表显示与对应的电流值I,单位为所选择的“电流量程”.用电压调整键→.←.↑.↓可调整的值,→.←键用于选择调整位,↑.↓键用于调整值的大小.③从低到高调整电压〔确定值减小〕,不雅察电流值的变化,查找电流为零时对应的,以其确定值作为该波长对应的的值,并将数据记于表1中.为尽快找到的值,调整时应从高位到低位,先确定高位的值,再按序往低位调整.④依次换上365.0nm,435.8nm,546.1nm,404.7nm的滤色片,反复以上测量步骤.2〕主动测量①按“手动/主动”模式键切换到主动模式.此时电流表左边的指导灯闪耀,表示体系处于主动测量扫描规模设置状况,用电压调整键可设置扫描肇端和终止电压.〔注：显区左边设置肇端电压,右边设置终止电压〕5500该存储区已存稀有据,灯不亮为空存储区,灯闪耀表示体系预选的或正在存储数据的存储区.②设置好扫描肇端和终止电压后,按动响应的存储区按键,仪器将先消退存储区原稀有304mV仪器主动进入数据查询状况,此时查询指导灯亮,显示区显示扫描肇端电压和响应的电流值.用电压调整键转变电压值,就可查阅到在测试进程中,扫描电压为当前显示值时响应的电流U1波长λi(nm)365.0404.7435.8546.1577.0(×Hz)8.214波长λi(nm)365.0404.7435.8546.1577.0(×Hz)8.2147.4086.8795.4905.196截止电压V)手动主动按“查询”键,查询指导灯灭,体系答复到扫描规模设置状况,可进展下一次测量.将仪器与示波器连接,可不雅察到为负值时各谱线在选定的扫描规模内的伏安特征曲线.测光电管的伏安特征曲线：此时,将“伏安特征测试/截止电压测试”状况键切换至伏安特征测试状况.“电流量A将直径4mm的光阑及所选谱线的滤色片装在光电管暗盒光输进口上.测伏安特征曲线可选用“手动/主动”两种模式之一,测量的最大规模为-1～50V.手动测量时每隔0.5V记载一1V.记载所测及I①从低到高调整电压,记载电流从零到非零点所对应的电压值并作为第一组数据,以后电压没变化必定值〔1V〕记载一组数据到数据记载表中.546nm②在为50V时,将仪器设置为手动模式,测量记载统一谱线.统一入射距离.光阑分别为2mm,4mm,8mm③在为50V时,将仪器设置为手动模式,测量并记载统一谱线.统一光阑.不同入射距离时对应的电流值于数据记载表中.【试验数据处理】求普朗克常数试验中测得的数据如下表所示：与关系数据记载表光缆孔4mm 365.0波长i/nm

404.7

435.8

546.1

577.0频率i

/(1014)

8.214

7.408

6.897

5.490

5.196截止电压U/V0i

-1.838

-1.460

-1.326

-0.812

-0.668由试验数据得到的截止电压U与光频率的关系如以下图所示：00-0.20123456789-0.4-0.6-0.8截止电压与光频率的关系曲线h由可知,e,则普朗克常量为：h0.374610141.6021019Js6.01014Jsbs 0.013945 而由最小二乘法的得到的斜率的标准差为 ,则可知所求的普朗克常量的不b确定度为：U eU et (3)s 1.60210193.180.01394510140.71034Jsh b 0.95 bh h测得的普朗克常量与公认值0的相对误差为：hhE h0

6.01034Js6.6261034Js0.0946.6261034Js压压电-1-1.2-1.4-1.6-1.8-2y=-0.3746x+1.2673R2=0.9959光的频率Vi/(10^14Hz)试验得到的普郎克常数为：

h(6.00.7)1034Js.做出两种波长及光强的伏安特征曲线试验中,得到的试验数据记载表如下：435.8nm的滤色片,入射距离L=400mm4nm,数据记载为：U /V -1 0 1 2 3 4 5 6AKI/(1010A) 0 1.5 2.7 4.1 6.3 7.5 8.6 10.2U /V 10 11 12 13 14 15 16 17AKI/(1010A) 15.917.018.119.219.520.321.1 21.5U /V 21 22 23 24 25 26 27 28AKI/(1010A) 24.024.725.325.826.326.627.1 27.2U /V 32 33 34 35 36 37 38 39AKI/(1010A) 28.829.029.429.730.130.330.5 30.8U /V 43 44 45 46 47 48 49 50AKI/(1010A) 31.631.832.132.632.833.233.3 33.4546.1nm的滤色片,入射距离L=400mm4nm,数据记载为：关系IU关系AKU /V -1 0 1 2 3 4 5 6AKI/(1010A) -0.4 0.4 1.3 2.2 3.3 4.1 4.6 5.2U /V 10 11 12 13 14 15 16 17AKI/(1010A) 7.0 7.2 7.6 8.1 8.3 8.4 8.7 9.0U /V 21 22 23 24 25 26 27 28AKI/(1010A) 9.8 10.010.110.310.410.510.6 10.7U /V 32 33 34 35 36 37 38 39AKI/(1010A) 11.111.211.211.311.411.411.6 11.6U /V 43 44 45 46 47 48 49 50AKI/(1010A) 11.711.811.912.112.112.212.2 12.3

7 811.813.618 1922.422.929 3027.828.240 4131.131.17 85.7 6.618 199.2 9.429 3011.011.040 4111.611.6

914.82023.63128.54231.497.0209.63111.04211.6波长为435.8nm波长为435.8nm波长为546.1nm流电光阴极电流为零时对应电压V/v由试验得到的数据绘制出的两种波长及光强的伏安特征曲线如下：4035302520151050-10-50102030405060不同波长及光强下的伏安特征曲线由于照到光电管上的光强与光阑面积成正比,用②中数据验证光电管的饱和光电流与入射光强成正比;同样用③中数据验证光电流与入射光强成正比.50V2mm,4mm,8mmIMP关系光阑孔2mm4mm8mmI/(1010A)9.3光阑孔2mm4mm8mmI/(1010A)9.333.8140.3光阑孔2mm4mm8mmI/(1010A)3.412.349.5435.8nm546.1nm由试验数据得到饱和光电流与光阑面积的关系曲线如下：波长为435.8nm波长为435.8nm波长为546.1nm)160A01-1(/流电光和饱140120100806040200y=2.7923x-0.2695^0R2=0.9998y=0.9805x+0.1715R2=10102030405060I与光阑面积S由图可知,饱和光电流I与光阑面积S在入射光波长不变时成正比例关系,而光强又与光阑面积成正比,从而验证了光电管的饱和电流与入射光强成正比.对于试验③,在为50V时,将仪器设置为手动模式,测量并记载统一谱线.统一光阑.不同入射距离时对应的电流值,来验证光电流与入射光强成正比.数据记载表如下：IMP关系UAK50VL400nm20025020025030035040051.028.318.212.59.320025030035040019.010.46.84.63.4435.8nm546.1nm

L/mmI/(1010A)入射距离L/mmI/(1010A)对于光阑面积S不变时,由于入射距离的变化,使统一波长光的光强产生转变.尝试将光源看做点光源,其发出的光为球状,则必定距离处的光强与距离的平方成反比,与距离的平方分之一成正比.假设要验证光电流与入射光强成正比,可经由过程验证光电流与距离的平方分波长为435.8nm波长为546.1nm波长为435.8nm波长为546.1nm05060- y=2.2344x-5.8665040(30R2=0.9951y=0.8338x-2.2535I R220=0.994410光0051015202530入射距离平方分之一L^-2/(M^-2)之一成线性关系而间接征得.依据M 关系,得到光电流与距离的平方分之一的关系曲线如下图:光电流强度与入射距离平方分之一的关系曲线由图可知,其间关系在试验误差许可的规模内,较好的相符了某种线性关系,证清楚明白这种假设具有成立的可能性.从而也证清楚明白光电流与入射光强成正比.【试验剖析与误差评论辩论】阳极反向电流,暗电流,本底电流假设何影响测量成果？答：阳极反向电流是由于光电管束造时由于光电管阳极沾上少数阴极材料,则在入射光照耀或入射光从阴极