《工科物理实验》课件 3.18 光电效应课件

指导教师:迭东光电效应

光电效应是光具有粒子性的重要表征，是经典电磁理论无法解释的现象之一。对光电效应现象的研究，使人们进一步认识到光的波粒二象性的本质，促进了量子理论的建立和近代物理学的发展。利用光电效应制成的光电器件，如光电管、光电池、光电倍增管等，已在工农业生产、科学研究、天文和军事等方面得到了广泛的应用。一、实验目的和任务验证Einstein方程，测定Planck常数h。了解光电效应的规律，加深对光的量子性认识。

学习测定普朗克常数h的一种实验方法。

光电效应是由物理学家赫兹首先发现的。此后不久，许多的研究者做了各种实验，详细地研究了这种现象。典型实验装置如下图所示：

V光电管RKA光照G-U+U图1光电效应实验装置二、实验原理

图中光电管内装有阴极K和阳极A，阴极K为金属板。A和K两极分别与电流计G、伏特表V及电源相连。当一定频率的单色光照射到阴极K上时，①阴极K有没有光电子释放，可通过电流计有没有电流来判断；②如果有光电子释放，其最大初动能可通过改变阴极K和阳极A两端的电压来测定；③单位时间发射出的光电子数，可通过电流表的电流的大小来反映。根据前人的研究，其基本实验规律有：

1．任何一种金属，都有一个极限频率(又称红限)，入射光的频率低于这个频率就不能产生光电效应。

2.光电效应是瞬时效应，即使入射光的强度非常弱，几乎在开始照射的同时就有光电子产生，延迟的时间最多为10-9S数量级。

3.入射光频率大于极限频率时，光电管的伏安特性如图2所示，其中光电流为零时所对应的电压称为截止电压。从图中我们可以看出：饱和光电流IS（单位时间内发射的光电子数）与入射光强度成正比。

UPI大小P图2同一频率，不同光强时的伏安特性曲线IU图3不同频率时，光电管的伏安特性曲线IS

4.不同频率的光，其截止电压的值是不同的，如图3所示。显然，光电子的最大初动能与截止电压U0之间有如下关系式：式中m和e分别为电子的质量和电量，Vm是逸出光电子的最大初速率。

以上实验事实是光的波动理论所不能解释的。1905年Einstein在Plank的量子假说基础上，提出了光量子理论：光能不象波动理论所想象的那样连续分布的，而是集中在被称之为光子的微粒上；但这种微粒仍然保持着频率(或波长)的概念，频率为

的光子具有的能量E=h

，其中h为普朗克常数。当光照射在金属上时，实质上是光子和金属中的电子相互作用的一个过程，如果入射光的频率足够高，处于束缚态的电子将吸收光子的全部能量，一部分能量消耗于电子从金属表面逸出所需要的逸出功W，其余部分转变为电子的初动能，根据能量守恒原理可得，光电子的最大初动能为：上式称为爱因斯坦光电效应方程。由此可以看出，光电子的最大初动能只与入射光的频率有关，与强度无关。当光电子的最大初动能为零时，由(2)式可得截止频率为：将(1)式代入(2)

式可得(4)式表明，对同一阴极，截止电压U0与入射光频率

成线性关系（如图4所示），其斜率为K=h/e。因此，只要对不同频率

的入射光，测出相应的截止电压U0，作v-U0关系曲线图，若得到的是一条直线，则爱因斯坦方程便可得到验证。同时，求出直线斜率K，利用已知的电子电量e，即可算出普朗克常数h，再利用截距还可求出截止频率。图4截止电压U0与入射光频率的关系U0vvc斜率h/e阴极电流实测电流阳极反向电流IU···图5实测光电管的

I–U

特性曲线光电检测装置

光电管暗箱，汞灯，汞灯电源，实验基准平台，滤光片（365nm、405nm、436nm、546nm、577nm），光阑（2mm、4mm、8mm）。实验主机

GD-4型智能普朗克常数测试仪（微电流放大器、扫描电压源发生器）配套设备

控制计算机及相关软件三、实验仪器图6实验装置示意图四、参考实验步骤1.按要求完成电缆连接，盖上光盖，确定无误后，按下汞灯及普朗克常数测试仪的电源开关接通电源，预热约20分钟。2.在预热过程中，调整光电管与汞灯距离约为40cm，并保持不变。然后关闭计算机所有的活动窗口，双击桌面上的“计算机辅助实验系统”图标，在用户栏和密码栏都输入“student”后，再点击“登陆（L）”键，打开“计算机辅助实验系统—光电效应”窗口，然后暂停计算机操作。一.普朗克常数h的测定3.在汞灯和普朗克常数测试仪预热约20分钟之后，先把普朗克常数测试仪后面板上的微电流输入电缆卸掉，再将“电流量程”开关旋转至档，接着旋转“调零”旋钮使电流指示为000.0，调节好后将先前断开的微电流输入电缆与普朗克常数测试仪连接起来，最后按“调零确认/系统清零”键，系统进入测试状态。4.将光电管暗箱光盖取下，装上孔径为4mm的光阑，然后套上中心波长为“365nm”的滤光片。5.回到计算机上操作。

在“计算机辅助实验系统—光电效应”窗口中，将鼠标指

向“开始”并点击，在新的窗口中正确输入或选择相关信息，点击“开始（S）”键，选择“是（Y）”，设置实验参数”，然后点击“设置（S）”和“是”开始实验，取下汞灯的光盖等待，直到电流曲线与横轴相交，然后点击“结束”，将汞灯的光盖盖上，然后移动鼠标使“+”对准“U-I曲线”与U轴（即横轴）的交点使电流为零，此时的电压就是该频率（或波长）光对应的截止电压，并将其记录在实验预习报告的数据记录表格内。6.对于波长为405nm、436nm、546nm、578nm的光，分别重复4、5

测定其截止电压。

7.测完截止电压后，请盖上光电管暗箱和汞灯的光盖，然后点击桌面上的“光电效应数据处理”图标，在数据处理程序中输入各频率对应的截止电压U0，最后将计算结果记录下来。二.验证光电效应的伏安特性曲线（选做）1.“电流量程”开关拨至10－10A档，并重新调零。2.将直径4mm的光阑及所选谱线的滤色片装在光电管暗箱光输入口上。3.测伏安特性曲线可选用“微机显示/微机测试”两种模式之一，测量的最大范围为-1~50V，自动测量时步长为1V。4.根据实验需要可选择：（a）同时观察5条谱线在同一光阑、同一距离下的伏安饱和特性曲线。

（b）同时观察某条谱线在不同距离(即不同光强)、同一光阑下的伏安饱和特性曲线。

（c）同时观察某条谱线在不同光阑(即不同光通量)

、同一距离下的伏安饱和特性曲线。

由此可验证光电管饱和光电流与入射光强成正比。实验完毕，请老师签字，确定合格后，请关闭计算机，保持仪器整洁，放好凳子。

保护光电管。在正式测试之前或实验完毕之后，应将光电管金属罩上的入射窗口盖好；在换用滤光片或光阑时，应将汞灯的出光窗口盖住，防止光线射入，以免阴极材料老化，减弱光电转化效率，降低光电灵敏度。五、实验注意事项保护光源。汞灯的功率较大，温度很高，一旦打开，不