光電效應實驗

1、光電效應的實驗 儀器介紹LB-PH3A光電效應（普朗克常數(shù)）實驗儀由汞燈及電源、光闌與濾色片、光電管、測試儀（含光電管電源和微電流放大器）構成，實驗儀結構如圖1所示，測試儀的調節(jié)面板如圖2所示。汞燈 刻度尺 光闌與濾色片 光電管圖1 實驗儀結構圖圖2 測試儀前面板圖LB-PH3A光電效應（普朗克常數(shù)）實驗儀有以下特點：1 在微電流測量中采用高精度集成電路構成電流放大器。對測量回路而言，放大器近似于理想電流表，對測量回路無影響。精心設計、精心選擇元器件、精心制作，使電流放大器達到高靈敏度、高穩(wěn)定性，使測量準確度大大提高。2 采用了新型結構的光電管。由于其特殊結構使光不能直接照射到陽極，由陰極反射

2、到陽極的光也很少，加上采用新型的陰、陽極材料及制造工藝，使得陽極反向電流大大降低，暗電流水平也很低。3 設計制作了一組高性能的濾色片。保證了在測量一組譜線時無其余譜線的干擾，避免了譜線相互干擾帶來的測量誤差。4 由于儀器的穩(wěn)定性好且無譜線間的相互干擾，測出的I - U特性曲線平滑、重復性好。5 通過改變實驗儀的電壓檔位的方式，利用光電效應測量普朗克常數(shù)、光電管伏安特性以及驗證飽和光電流與入射光強成正比等實驗。6 本儀器可用三種不同方法測量普朗克常數(shù)（拐點法、零電流法、補償法），因此有較好的可比性。7 采用上述測量方法，不但使得U0測量快速、重復性好，而且據(jù)此計算出的h誤差不大于3 %。其技術參

3、數(shù)如下：1 微電流放大器：電流測量范圍：10-7 10-13 A，分6檔，三位半數(shù)字顯示零漂：開機20分鐘后，30分鐘內(nèi)不大于滿讀數(shù)的 0. 2 %（10-13 A檔）2 光電管工作電源：電壓調節(jié)范圍：-2 +2 V，-2 +20 V，分兩檔，三位半數(shù)字顯示不穩(wěn)定度0. 1 %3 光電管：光譜響應范圍：340 700 nm最小陰極靈敏度1 A（-2 VUAK0 V）陽極：鎳圈暗電流I 5 10-12 A（-2 VUAK0 V）4 濾光片組：5組，中心波長為：365. 0 nm，404. 7 nm，435. 8 nm，546. 1 nm，578. 0 nm5 汞燈：可用譜線：365. 0 nm，

4、404. 7 nm，435. 8 nm，546. 1 nm，578. 0 nm6 測量誤差3 % 實驗目的與原理光電效應是，一定頻率的光照射在金屬表面時，會有電子從金屬表面逸出的現(xiàn)象。在光電效應中，光顯示出它的粒子性，這種現(xiàn)象對于認識光的本質，具有極其重要的意義。1887年赫茲發(fā)現(xiàn)了光電效應現(xiàn)象，以后又經(jīng)過許多人的研究，總結出一系列實驗規(guī)律。由于這些規(guī)律用經(jīng)典的電磁理論無法圓滿地進行解釋，愛因斯坦于1905年應用并發(fā)展了普朗克的量子理論，首次提出了“光量子”的概念，并成功地解釋了光電效應的全部規(guī)律。十年后，密立根用實驗證實了愛因斯坦的光量子理論，精確地測定了普朗克常數(shù)。兩位物理大師因在光電效應

5、等方面的杰出貢獻，分別于1921年和1923年獲得諾貝爾物理學獎。光電效應實驗和光量子理論在物理學的發(fā)展史中具有重大而深遠的意義。利用光電效應制成了許多光電器件，在科學和技術上得到了極其廣泛的應用。實驗目的：1 了解光電效應的規(guī)律，加深對光的量子性的理解。2 測量普朗克常數(shù)和測定光電管的光電特性曲線。實驗原理： 光電效應的實驗原理如圖3所示。入射光照射到光電管陰極K上，產(chǎn)生光電子在電場作用下向陽極A遷移構成光電流，改變外加電壓UAK，測量出光電流I的大小，即可得出光電管的伏安特性曲線。光電效應的基本實驗事實如下：1 對應于某一頻率，光電效應的I - UAK關系如圖4所示。從圖中可見，對一定的頻

6、率，有一電壓U0，當UAKU0時，電流為零，這個相對于陰極的負值的陽極電壓U0，被稱為截止電壓。2 當UAKU0后，I迅速增加，然后趨于飽和，飽和光電流IM的大小與入射光的強度P成正比。3 對于不同頻率的光，其截止頻率不同，如圖5所示。4 作截止電壓U0與頻率的關系圖如圖6所示，U0與成正比關系。當入射光頻率低于某極限值0（隨不同金屬而異）時，不論光的強度如何，照射時間多長，都沒有光電流產(chǎn)生。5 光電效應時瞬時效應。即使入射光的強度非常微弱，只要頻率大于0，在開始照射后立即有光電子產(chǎn)生，所經(jīng)過的時間至多為10-9秒的數(shù)量級。圖3 圖4圖 5 圖6經(jīng)典電磁理論認為，電子從波陣面上連續(xù)地獲得能量，

7、獲得的能量的大小應與光的強度有關。因此對于任何頻率，只要有足夠的光強度和足夠的照射時間，總會發(fā)生光電效應，而實驗事實與此是直接矛盾的。按照愛因斯坦的光量子理論，光能并不像電磁波理論所想象的那樣，分布在波陣面上，而是集中在被稱為光子的微粒上，但這種微粒仍然保持著頻率（或波長）的概念，頻率為的光子具有能量，h為普朗克常數(shù)。當光子照射到金屬表面上時，一次為金屬中的電子全部吸收，而無需積累能量的時間。電子把這能量的一部分用來克服金屬表面對它的吸引力，余下的就變?yōu)殡娮与x開金屬表面后的動能，按照能量守恒原理，愛因斯坦提出了著名的光電效應方程： （1）式中，A為金屬的逸出功，為光電子獲得的初始動能。由該式可

8、見，入射到金屬表面的光頻率越高，逸出的電子動能越大，所以即使陽極電位比陰極電位低時也會有電子落入陽極形成光電流，直至陽極電位低于截止電壓，光電流才為零，此時有關系： （2）陽極電位高于截止電壓后，隨著陽極電位的升高，陽極對陰極發(fā)射的電子的收集作用增強，光電流I隨之上升，當陽極電壓高到一定程度，把陰極發(fā)射的光電子幾乎全收集到陽極，再增加UAK時，I不再變化，光電流出現(xiàn)飽和，飽和光電流IM的大小與入射光的強度P成正比。光子的能量時，電子不能脫離金屬，因而沒有光電流產(chǎn)生。產(chǎn)生光電效應的最低頻率（截止頻率）是。將（2）式代入（1）式可得： （3）只要用實驗方法得出在不同頻率光照下對應的截止電壓，求出直

9、線斜率，就可以算出普朗克常數(shù)h。愛因斯坦的光量子理論成功地解釋了光電效應規(guī)律。 實驗內(nèi)容及步驟一、測試前準備將測試儀及汞燈電源接通，預熱20分鐘。把汞燈及光電管暗箱遮光蓋蓋上，將汞燈暗箱光輸出口對準光電管暗箱光輸入口，調整光電管于汞燈距離約30 cm處并保持不變。用專用連接線將光電管暗箱電壓輸入端與測試儀電壓輸出端（后面板上）連接起來（紅-紅，黑-黑）。儀器在充分預熱后，進行測試前調零：先將電器箱與光電管斷開，在無光電管電流輸入的情況下，將“電流量程”選擇開關置于10-13檔，進行測量檔調零，旋轉“電流調零”旋鈕使電流指示為0。用高頻匹配電纜將光電管暗箱電流輸出端K與測試儀微電流輸入端（后面板

10、上）連接起來。另：購買多臺的客戶應注意，在儀器的連接過程中，因為汞燈功率較大，請盡量避免將4臺以上的儀器連接在一個插座上，否則容易出現(xiàn)開機若干時間后汞燈自熄現(xiàn)象，實驗室最好是配備有空調專用插座。（注：在進行測量時，各表頭數(shù)值請在完全穩(wěn)定后記錄，如此可減小讀數(shù)誤差。）二、測光電管的伏安特性曲線1. 將“電壓量程”按鍵置于I（+2 V）檔；將“電流量程”選擇開關置于10-13檔。 2. 將濾色片旋轉365. 0 nm，調光闌到2 mm檔。3. 從低到高調節(jié)電壓，記錄電流從非零到零點所對應的電壓值作為表一數(shù)據(jù)的前面部分（精細），以后電壓每變化一定值（可調節(jié)“電壓量程”檔到II（+20 V）檔）記錄相

11、應的電流值到表一數(shù)據(jù)的后面部分（在做此步驟時，“電流量程”選擇開關應置于10-11檔）。4. 在UAK為20 V時，將“電流量程”選擇開關置于10-11檔，記錄光闌分別為4 mm，8 mm，10 mm，12 mm時對應的電流值于表二中。5. 分別換上404. 7 nm，435. 8 nm，546. 1 nm，578. 0 nm的濾色片及2 mm的光闌，重復3、4測量步驟。6. 用表一中的數(shù)據(jù)在坐標紙上作對應波長及光強的伏安特性曲線（以電壓值作橫坐標、電流值作縱坐標）。表一 I - UAK關系 光闌 = _ mm L距離 = _ cm365. 0 nmUAK（V）I404. 7 nmUAK（V）

12、I435. 8 nmUAK（V）I546. 1 nmUAK（V）I578. 0 nmUAK（V）I圖7 不同頻率伏安特性曲線圖三、驗證飽和光電流與入射光強成正比由于照到光電管上的光強與光闌面積成正比，用表二數(shù)據(jù)驗證光電管的飽和光電流與入射光強成正比。表二 IM - P關系 UAK = _ V光闌孔徑2 mm4 mm8 mm10 mm12 mmI365. 0 nmI404. 7 nmI435. 8 nmI546. 1 nmI578. 0 nm四、測普朗克常數(shù)1拐點法：圖8 拐點法測普朗克常數(shù)圖根據(jù)表一數(shù)據(jù)畫出的伏安特性圖中分別找出每條譜線的“抬頭電壓”（隨電壓緩慢增加電流有較大變化的橫坐標值），

13、記錄此值。在另一張坐標紙上以剛記錄的電壓值的絕對值為縱坐標，以相應譜線的頻率為橫坐標作出五個點，用此五點作一條U0 - 直線，在直線上找兩點求出直線斜率k，求出直線的斜率k后，可用h = ek求出普朗克常數(shù)，并與h的公認值h0比較求出相對誤差。2零電流法、補償法：理論上，測出各頻率光的照射下陰極電流為零時對應的UAK，其絕對值即該頻率的截止電壓，然而實際上由于光電管的陽極反向電流、暗電流、本底電流及極間接觸電位差的影響，實測電流并非陰極電流，實測電流為零時對應的UAK也并非截止電壓。光電管制作過程中陽極往往被污染，沾上少許陰極材料，入射光照射陽極或入射光從陰極反射到陽極之后都會造成陽極光電子發(fā)

14、射，UAK為負值時，陽極發(fā)射的電子向陰極遷移構成了陽極反向電流。暗電流和本底電流是熱激發(fā)產(chǎn)生的光電流與雜散光照射光電管產(chǎn)生的光電流，可以在光電管制作或測量過程中，采取適當措施以減小或消除它們的影響。極間接觸電位差與入射光頻率無關，只影響U0的準確性，不影響U0 - 直線斜率，對測定h無影響。此外，由于截止電壓是光電流為零時對應的電壓，若電流放大器靈敏度不夠，或穩(wěn)定性不好，都會給測量帶來較大誤差。本實驗儀器的電流放大器靈敏度高、穩(wěn)定性好。本實驗儀器采用了新型結構的光電管。由于其特殊結構使光不能直接照射到陽極，由陰極反射到陽極的光也很少，加上采用新型的陰、陽極材料及制造工藝，使得陽極反向電流大大降

15、低，暗電流水平也很低。由于本儀器的特點，在測量五個譜線的截止電壓U0時，可不用難于操作的“拐點法”，而用“零電流法”或“補償法”。零電流法：零電流法是直接將各譜線照射下測得的電流為零時對應的電壓UAK作為截止電壓U0。此法的前提是陽極方向電流、暗電流和雜散光產(chǎn)生的電流都很小，用零電流法測得的截止電壓與真實值相差很小，且各譜線的截止電壓都相差U對U0 - 曲線的斜率無大的影響，因此對h的測量不會產(chǎn)生大的影響。測量：將電壓選擇按鍵置于I（+2 V）檔；將“電流量程”選擇開關置于10-13檔，將測試儀電流輸入電纜斷開，調零后重新接上；調到直徑4 mm的光闌及365. 0 nm的濾色片。從低到高調節(jié)電

16、壓，測量該波長對應的U0，并將數(shù)據(jù)記于表三中。依次換上404. 7 nm，435. 8 nm，546. 1 nm，578. 0 nm的濾色片，重復以上測量步驟。表三 U0 - 關系 光闌 = _ mm波長（nm）365. 0 nm404. 7 nm435. 8 nm546. 1 nm578. 0 nm頻率（1014 Hz）8. 2147. 4086. 8795. 4905. 196截止電壓U0（V） 補償法：補償法是調節(jié)電壓UAK使電流為零后，保持UAK不變，遮擋汞燈光源，此時測得的電流I1為電壓接近截止電壓時的暗電流和雜散光產(chǎn)生的電流。重新讓汞燈照射光電管，調節(jié)電壓UAK使電流值至I1，將此

17、時對應的電壓UAK作為截止電壓U0。此法可補償暗電流和雜散光產(chǎn)生的電流對測量結果的影響。測量： 將電壓選擇按鍵置于I（+2 V）檔；將“電流量程”選擇開關置于10-13檔，將測試儀電流輸入電纜斷開，調零后重新接上；調到直徑4 mm的光闌及365. 0 nm的濾色片。從低到高調節(jié)電壓，測量該波長對應的U0，并將數(shù)據(jù)記于表四中。依次換上404. 7 nm，435. 8 nm，546. 1 nm，578. 0 nm的濾色片，重復以上測量步驟。表四 U0 - 關系 光闌 = _ mm波長（nm）365. 0 nm404. 7 nm435. 8 nm546. 1 nm578. 0 nm頻率（1014 H

18、z）8. 2147. 4086. 8795. 4905. 196截止電壓U0（V） 數(shù)據(jù)處理：可用以下二種方法之一處理表三、四的實驗數(shù)據(jù)，得出U0 - 直線的斜率k。法一： 根據(jù)，可用逐差法從表三的五組數(shù)據(jù)中求出四個k，將其平均值作為所求k的數(shù)值，求出直線的斜率k后，可用h = ek求出普朗克常數(shù)，并與h的公認值h0比較求出相對誤差。法二：可用表三、四數(shù)據(jù)在坐標紙上作U0 - 直線，由圖求出直線的斜率k。求出直線的斜率k后，可用h = ek求出普朗克常數(shù)，并與h的公認值h0比較求出相對誤差。標準值：e = 1. 602 10-19 Ch0 = 6. 626 10-34 Js 實驗數(shù)據(jù)記錄儀（微

19、機接口）的使用LB-PH3A光電效應（普朗克常數(shù)）實驗數(shù)據(jù)記錄儀是LB-PH3A光電效應（普朗克常數(shù)）實驗儀與微機的接口，用于將實驗數(shù)據(jù)采集到計算機中，以進行處理和分析。它通過串口與計算機通信，其工作軟件適用于Windows 9x/2000/Me/XP等操作系統(tǒng)。.1 硬件和軟件安裝請關閉各機箱的電源，然后參照下圖進行連接。完成后，再用串口線連接計算機與LB-PH3A光電效應（普朗克常數(shù)）實驗數(shù)據(jù)記錄儀后面板。連接好以后，就可以打開電源工作了。電流輸入 電壓輸入 電壓輸出信號輸出 光電管電壓輸出 光電流輸入uuuvu：雙Q9頭高頻匹配電纜v：Q9 雙夾口電纜LB-PH3A光電效應（普朗克常數(shù)）

20、實驗數(shù)據(jù)記錄儀后面板LB-PH3A光電效應（普朗克常數(shù)）測試儀后面板光電管暗箱電壓輸入端（紅/黑）光電管暗箱電流輸出端KLB-PH3A光電效應（普朗克常數(shù)）實驗儀工作軟件“planck”很簡單，也不大，將光盤里的文件復制到硬盤上即可，或直接在光盤上運行。.2 軟件介紹:查看菜單工具欄命令命令：用此命令可顯示和隱藏工具欄。工具欄包括了光電效應實驗系統(tǒng)中一些最普通命令的按鈕，如文件打開。在工具欄被顯示時，一個打勾記號出現(xiàn)在該菜單項目的旁邊；狀態(tài)欄命令命令：此命令可用來顯示和隱藏狀態(tài)區(qū)。狀態(tài)區(qū)描述了被選取的菜單項目或被按下的工具欄按鈕，以及鍵盤的鎖定狀態(tài)將要執(zhí)行的操作。當狀態(tài)區(qū)被顯示時，在菜單項目的

21、旁邊會出現(xiàn)一個打勾記號；:設置菜單通信設置對話框命令： 請選擇您的普朗克常數(shù)測定儀面板上對應的電壓量程。 請選擇您的普朗克常數(shù)測定儀面板上對應的電流量程。 請確定您的硬件通信接口位置（COM1或COM2）。圖像顯示設置命令： 請選擇您要希望的圖形顯示格式。（顯示網(wǎng)格或不顯示網(wǎng)格） 請選擇您喜歡的背景顏色。 確定您從顏色對話框中選擇的顏色將在此框當中預覽。數(shù)據(jù)顯示設置命令： 請選擇您要希望的數(shù)據(jù)顯示格式。（顯示全部數(shù)據(jù)或顯示當前正在采集的數(shù)據(jù)） 請選擇您喜歡的背景顏色。 確定您從顏色對話框中選擇的顏色將在此框當中預覽。濾色片設置命令： 請輸入您要添加的濾色片的顏色，可以是中文，也可以是英語，作為

22、濾色片的標志。 請輸入您要添加的濾色片的波長，必須為整數(shù)倍的nm，見廠家儀器標識。 確定您要添加上述輸入值。 自動列表您已添加的濾色片的顏色。 自動列表您已添加的濾色片的相應波長。 刪除您選定的一組濾色片。（包括顏色和波長） 清空所有已添加的濾色片。（包括所有顏色和波長）:實驗內(nèi)容菜單數(shù)據(jù)測試命令： 請選擇您已添加的一種濾色片。（作為待測濾色片） 開始測量已選濾色片的數(shù)據(jù)（光電管上所加的電壓和當前的光電流）。 列表已測試的濾色片。 將已測試的濾色片移動至未測量列中，以便重新測量。 顯示已測的某一種濾色片的數(shù)據(jù)及圖形。 顯示所有已測的濾色片的數(shù)據(jù)及圖形。停止采集命令：停止采集數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)過程中，

23、采用此命令來結束采集數(shù)據(jù)。清除數(shù)據(jù)命令：將所有已采集到的曲線的數(shù)據(jù)清空；:圖像縮放菜單放大當前圖像命令：單擊該按鈕可以放大當前圖像。快捷鍵為Page Up。該功能在計算結果繪圖時無效?？s小當前圖像命令：單擊該按鈕可以縮小當前圖像?？旖萱I為Page Down。該功能在計算結果繪圖時無效。顯示全部圖像命令：單擊該按鈕可以顯示全部圖像?？旖萱I為ESC。即撤消已有的所有放大縮小和上下左右的平移操作。該功能在計算結果繪圖時無效。左移當前圖像命令：單擊該按鈕可以左移當前圖像?？旖萱I為Left Arrow。該功能在計算結果繪圖時無效。右移當前圖像命令：單擊該按鈕可以右移當前圖像。快捷鍵為Right Arro

24、w。該功能在計算結果繪圖時無效。上移當前圖像命令：單擊該按鈕可以上移當前圖像。快捷鍵為Up Arrow。該功能在計算結果繪圖時無效。下移當前圖像命令：單擊該按鈕可以下移當前圖像?？旖萱I為Down Arrow。該功能在計算結果繪圖時無效。:計算結果菜單手工處理數(shù)據(jù)計算命令：您可以通過該對話框直接填入您通過觀察得到的反向截止電壓來計算普朗克常量。.3 實驗過程1. 首先打開普朗克常數(shù)測試儀主機和汞燈電源，預熱2030分鐘。其間可打開計算機和計算機接口的電源，然后把普朗克常數(shù)數(shù)據(jù)處理軟件安裝在電腦中。接著雙擊有“planck”標志的圓形圖案進入普朗克常數(shù)數(shù)據(jù)處理軟件界面。待所有儀器均穩(wěn)定后方可測量。2. 測量開始時，請先編輯您要測量的濾色片，名稱自定，濾色片的波長由廠家提供。例如：對于要測量的波長為578nm紅色濾色片，您可在濾色片編輯對話框內(nèi)編輯濾色片的名稱為“紅色”或“578”等，而波長則必須如實填寫為“578”nm。按此方法將您要測量的所有濾色片依次添加到計算機中。（本程序已預置濾色片的顏色和波長）3. 檢查軟件設置菜單中的電壓、電流量程