光电效应以及普朗克常数的测量

1、实验29光电效应和普朗克常数测量光电效应是指当一定频率的光照射金属表面时，电子从金属表面逃逸的现象。光电效应实验对于理解光的本质和早期量子理论的发展具有里程碑意义。普朗克常数是量子力学中的一个基本常数。它是由普朗克在研究黑体辐射时首次提出的，其价值约为。用光电效应法可以简单而准确地计算出它。1905年，爱因斯坦借鉴普朗克黑体辐射中辐射能不连续的观点，将其应用于光辐射，提出“光量子”的概念，建立了光电效应的爱因斯坦方程，从而成功地解释了光电效应的基本规律，使人们对光的本质有了一个飞跃的认识。1916年，密立根通过实验验证了爱因斯坦的上述理论，并精确测量了普朗克常数，从而证实了爱因斯坦的方程。爱因

2、斯坦和密立根分别于1921年和1923年因对光电效应的杰出贡献而获得诺贝尔奖。作为历史上第一个测量普朗克常数的物理实验，光电效应的意义不言而喻。一、实验目的1.理解光电效应定律，加深对光的量子本质的理解。2.测量普朗克常数h。二、实验仪器图1仪器结构示意图1 2 3 4 5 6 7 8 91台测试仪；2个光电池盒；3个光电池；4光圈选择圈；5彩色滤光片选择圈；6个碱基；7个汞灯盒；8盏汞灯；9汞灯电源该仪器由汞灯和电源、滤色器、光阑、光电池和测试仪(包括光电池电源和微电流放大器)组成。仪器的结构如图1所示，测试仪的调节面板如图2所示。汞灯：可用谱线为365.0纳米、404.7纳米、435.8纳

3、米、546.1纳米、577.0纳米和579.0纳米5个滤色器，透射波长为365.0纳米、404.7纳米、435.8纳米、546.1纳米和577.0纳米隔膜：3片，直径分别为2毫米、4毫米和8毫米光电池：阳极为镍环，阴极为银氧钾(银氧钾)，光谱响应范围为320 700纳米，暗电流：1210-13a(-2vuak0v)光电池电源：二档，-2 0v，-2 30v，三位半显示，稳定性0.1%微电流放大器：6档，10-8 10-13a，分辨率10-13a，3位半显示，稳定性0.2%。图2测试仪面板图三、实验原理1.光效应爱因斯坦认为光的能量在传播时是量子化的。其能量的量子称为光子，每个光子的能量与其频率

4、成正比。比例系数是普朗克常数，即e=hn。当光子照射金属表面时，金属中的所有电子同时被吸收，而不积累能量。电子利用这一能量的一部分来克服金属表面的吸引力，其余部分在离开金属表面后成为电子的动能。根据能量守恒原理，爱因斯坦提出了著名的光电效应方程：(1)在这个公式中，a是金属的功函数，光电子获得的初始动能，最大速度，m是光电子的质量，光的频率，h是普朗克常数。光电效应的实验原理如图3所示。入射光照射光电池的阴极k，产生的光电子在电场作用下迁移到阳极a，形成光电流。通过改变外加电压uak和测量光电流i的大小，可以得到光电池的伏安特性曲线。n1n2n0n图3实验示意图图4光电管在相同频率和不同光强下

5、的伏安特性曲线图5不同频率下光电池的伏安特性曲线图6截止电压u0和入射光频率n之间的关系光电效应的基本实验原理如下：(1)对于某一频率，光电效应的i-uak关系如图4所示。从图中可以看出，对于某个频率，有一个电压u0，当uaku0时，电流为零，也就是说，这个负电压产生的势能完全抵消了由于吸收光子而从金属表面逸出的电子的动能。相对于阴极的负阳极电压u0被称为截止电压。(2)当uaku0时，势能不足以抵消逃逸电子的动能，因此模块产生电流i. i迅速增加，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，逃逸电子的动能不同，因为它们的光子能量不同。显然，光子的频率越高

6、，逃逸电子的能量越高，因此截止电压越高，如图5所示。(4)截止电压u0和频率n之间的关系如图6所示。u0与n成正比.显然，当入射光的频率低于某个极限值n0(n0随不同的金属而变化)时，不管光的强度和照射时间如何，都不会产生光电流。(5)光电效应是瞬时效应。即使入射光的强度非常弱，只要频率大于n0，光电子将在照射开始后立即产生，并且经过的时间最多为10-9秒。注意：实际上，反向电流不是零。图4和图5从零开始，因为反向电流很小，只有10-13 10-14个数量级，所以它不能反映在坐标上。从公式(1)可以看出，入射到金属表面上的光的频率越高，电子逃逸的动能越大，因此即使阳极电势低于阴极电势，电子也会落入阳极形成光电流，并且光电流将为零，直到阳极电势低于截止电压。这时，有一种关系：(2)当阳极电位高于截止电压后，随着阳极电位的增加，阳极对阴极发射的电子的收