光電效應(yīng)測(cè)普朗克常量試驗(yàn)報(bào)告95402

1、光電效應(yīng)測(cè)普朗克常量實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、實(shí)驗(yàn)題目光電效應(yīng)測(cè)普朗克常數(shù)二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、通過實(shí)驗(yàn)深刻理解愛因斯坦的光電效應(yīng)理論，了解光電效應(yīng)的基本規(guī)律；2、掌握用光電管進(jìn)行光電效應(yīng)研究的方法；3、學(xué)習(xí)對(duì)光電管伏安特性曲線的處理方法，并用以測(cè)定普朗克常數(shù)。三、儀器用具ZKY -GD-3光電效應(yīng)測(cè)試儀、 汞燈及電源、 濾色片（五個(gè)）、光闌（兩個(gè)）、光電管、測(cè)試儀四、實(shí)驗(yàn)原理1、光電效應(yīng)與愛因斯坦方程用合適頻率的光照射在某些金屬表面上時(shí)，會(huì)有電子從金屬表面逸出，這種現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)，從金屬表面逸出的電子叫光電子。為了解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象，精品資料愛因斯坦提出了 “光量子”的概念，認(rèn)為對(duì)于頻率為7的光波，每個(gè)光子的能

2、量為E-hy式中，方為普朗克常數(shù)，它的公認(rèn)值是h=6.626 X10-340s。按照愛因斯坦的理論，光電效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是當(dāng)光子和電子相碰撞時(shí)，光子把全部能量傳遞給電子，電子所獲得的能量，一部分用來克服金屬表面對(duì)它的約束，其余的能量則成為該光電子逸出金屬表面后的動(dòng)能。愛因斯坦提出了著名的光電方程：=+ 取9式中，為入射光的頻率，m為電子的質(zhì)量， v為光電子逸出金屬表面的初mv速度，"為被光線照射的金屬材料的逸出功，2為從金屬逸出的光電子的最大初動(dòng)能。由（1）式可見，入射到金屬表面的光頻率越高，逸出的電子動(dòng)能必然也越大，所以即使陰極不加電壓也會(huì)有光電子落入陽極而形成光電流，甚至陽極電位比陰極

3、電位低時(shí)也會(huì)有光電子落到陽極，直至陽極電位低于某一數(shù)值時(shí)，所有光電子都不能到達(dá)陽極，光電流才為零。這個(gè)相對(duì)于陰極為負(fù)值的陽極電位U 0被稱為光電效應(yīng)的截止電壓。顯然，有 - -wv2 = 0 / 代入（1）式，即有由上式可知，若光電子能量 h W,則不能產(chǎn)生光電子。產(chǎn)生光電效應(yīng)的最精品資料W0低頻率是h ,通常稱為光電效應(yīng)的截止頻率。不同材料有不同的逸出功，因而0也不同。由于光的強(qiáng)弱決定于光量子的數(shù)量，所以光電流與入射光的強(qiáng)度成正比。又因?yàn)橐粋€(gè)電子只能吸收一個(gè)光子的能量，所以光電子獲得的能量與光強(qiáng)無關(guān)，只與光子的頻率成正比，將(3)式改寫為hy W h人二二二一f y i y.)i 0f r

4、0see(4)上式表明，截止電壓 U 0是入射光頻率的線性函數(shù)，如圖 2,當(dāng)入射光的頻h k -率一 0時(shí)，截止電壓 U 0 一0,沒有光電子逸出。圖中的直線的斜率e是一個(gè)正的常數(shù)：人次(5)由此可見，只要用實(shí)驗(yàn)方法作出不同頻率下的U0 ,曲線，并求出此曲線的斜率，就可以通過式(5)求出普朗克常數(shù) h。其中e=L60、1?！?C是電子的電U0-v宜線精品資料2、光電效應(yīng)的伏安特性曲線下圖是利用光電管進(jìn)行光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的原理圖。頻率為U、強(qiáng)度為P的光線照射到光電管陰極上，即有光電子從陰極逸出。如在陰極K和陽極A之間加正向電壓U AK ,它使K、A之間建立起的電場(chǎng)對(duì)從光電管陰極逸出的光電子起加速 作

5、用，隨著電壓U AK的增加，到達(dá)陽極的光電子將逐漸增多。當(dāng)正向電壓 口就增加到U m時(shí)，光電流達(dá)到最大，不再增加，此時(shí)即稱為飽和狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的光電流即稱為飽和光電流。光電效應(yīng)原理圖由于光電子從陰極表面逸出時(shí)具有一定的初速度，所以當(dāng)兩極間電位差為零時(shí)，仍有光電流I存在，若在兩極間施加一反向電壓，光電流隨之減少；當(dāng)反向電壓達(dá)到截止電壓時(shí)，光電流為零。愛因斯坦方程是在同種金屬做陰極和陽極，且陽極很小的理想狀態(tài)下導(dǎo)出的。實(shí)際上做陰極的金屬逸出功比作陽極的金屬逸出功小，所以實(shí)驗(yàn)中存在著如下問題:1）暗電流和本底電流存在，可利用此，測(cè)出截止電壓（補(bǔ)償法） 。精品資料2）陽極電流。制作光電管陰極時(shí)，陽極上也會(huì)

6、被濺射有陰極材料，所以光入射到陽極上或由陰極反射到陽極上，陽極上也有光電子發(fā)射， 就形成陽極電流五、實(shí)驗(yàn)步驟1、調(diào)整儀器（1）連接儀器；接好電源，打開電源開關(guān)，充分預(yù)熱（不少于 20分鐘）。在測(cè)量電路連接完畢后，沒有給測(cè)量信號(hào)時(shí)，旋轉(zhuǎn)“調(diào)零”旋鈕調(diào)零。每 換一次量程，必須重新調(diào)零。（3）取下暗盒光窗口遮光罩，換上365.0nm 濾光片，取下汞燈出光窗口的遮光罩，裝好遮光筒，調(diào)節(jié)好暗盒與汞燈距離。2、測(cè)量普朗克常數(shù)h1 ）將電壓選擇按鍵開關(guān)置于 2+ 2V檔，將“電流量程”選擇開關(guān)置于1043A檔。將測(cè)試儀電流輸入電纜斷開，調(diào)零后重新接上。2 ）將直徑為4mm的光闌和365.0nm的濾色片裝在光

7、電管電暗箱輸入口上。3 從高到低調(diào)節(jié)電壓，用“零電流法”測(cè)量該波長對(duì)應(yīng)的 U 0,并數(shù)據(jù)記錄。精品資料4)依次換上 404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm 的濾色片,重復(fù)步驟（1）、（ 2）、（ 3）。5）測(cè)量三組數(shù)據(jù)你，然后對(duì) h取平均值。3、測(cè)量光電管的伏安特性曲線（1）暗盒光窗口裝 365.0nm 濾光片和4mm光闌，緩慢調(diào)節(jié)電壓旋鈕，令電壓 輸出值緩慢由0V伏增加到30V,每隔1V記一個(gè)電流值。但注意在電流值為零 處記下截止電壓值.（2）在暗盒光窗口上換上404.7nm 濾光片，仍用4mm的光闌，重復(fù)步驟（1）（3）選擇合適的坐標(biāo)，分別作出兩種光闌下的光電管伏安

8、特性曲線UI。六、實(shí)驗(yàn)記錄與處理1、零電流法測(cè)普朗克常量 h （光闌=2mm）波長入（nm )365405436546577頻率 v(X1014Hz)8.2147.4086.8795.4905.196截止電第一次1.7161.3681.1730.6200.492壓 U 0 (V)第二次1.7121.3981.1790.6150.491第三次1.7001.3901,1650.6180.485第一次測(cè)量結(jié)果及處理:精品資料V-Vv 4 7、Uq113計(jì)宜建）A關(guān)閉（X）相對(duì)誤差CE):293%E= (h-ho)/hohd=6. 626xlOE-34 T , S普朗克常數(shù)(h)=613E-034h-

9、ek e=l. 602X10E-19 C實(shí)驗(yàn)曲攜西A斜率W >4.01E-015頻率 V ( 10E+14X=)-料率£ LJC與數(shù)據(jù)成都世紀(jì)中科儀器仃限2第二次測(cè)量結(jié)果及處理：精品資料光電效應(yīng)（普朗克常數(shù)）實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算成都世紀(jì)中.n回國波長入i （）365.0404.7435. 7456, 1578.0頻聿八(lOE+KKz)8.2147.4086.8795.4905.1961.712 SH L 398 a k 179 H 0.615 H| 0,491 fil美閉（X）藏止電由V）Ag田»T加斜率（k）4.05E-015普朗克常數(shù)(hY7 6.49E-034 h=e

10、ke=1.602xl0E'19 C相對(duì)誤差（E） .-1.99%E=(h-ho)/ho ho=6. 626x1 OE-34T- S成都世紀(jì)中儀器有限公司第三次測(cè)量結(jié)果及處理:目光電效應(yīng)（普朗克常數(shù)）實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算成都世紀(jì)中.一 EJS區(qū)波長A i Cm)柳交7 i11S+14Hk j瑟止電JEuoi(v)365.0404.7435.7456. 1578.0U（u）；8.214 | 7.4082.879 | 5.480| 5,196L& a|1 L16518|b.618 .lI 0.a5 聞弄臟曲線目2345678910頰率 v ( 10E+14H;)斜率(k) |除 02E915

11、H -啖 V -V而無常虹畫一- 6.44E-034h=ekE. 602x1PET 9 C相對(duì)誤差(E)：-2.85%E= (h-ho)/hoho=6. 626xlOE-34 I S成都世紀(jì)中科儀器有限司精品資料2、補(bǔ)償法測(cè)普朗克常量h波長入（nm ）365405436546577頻率 丫（X1014 Hz）8.2147.4086.8795.4905.196截止電壓U 0 （V）1.7241.4081.1830.6240.504日光電效應(yīng)（普朗克常數(shù)）實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算成都世紀(jì)中. 匚叵國波長365,0404.7435,7456.1578.0薇止電壓Uoi（V）鈍率】(1QE+HH: )8,214目

12、讓 1工£必A關(guān)閉（S）?onwffi1七福斜率（k）； 4.05E-015 廠方一，5普朗克常數(shù)(h).6.49E-034h 二 eke=l. 602x1OB-19 C相對(duì)誤谷也7-2.05%E=(h-ho)/hoho=6. 626xlOE-34 S3、測(cè)量光電管的伏安特性曲線（ 波長入=436nm 光闌=2mm ）U (V),_ 11、I (x 10 A)U (V),_ 11、I (x10 A)U (V),_ 11、I (x10 A)-2-0.2944.32071.9-10.41048.02173.704.21151.42275.1精品資料111.11254.92376.6217

13、.81357.92477.8324.01460.32579.6426.91562.52681.4530.11664.52782.5633.51766.52882.8737.01868.32983.4840.81969.93085.2光電管的伏安特性曲線系列1七、誤差計(jì)算由上面圖表，零電流法三次測(cè)量的結(jié)果誤差依次為:Ei=-2.93%E2=-1.99%E3=-2.85%補(bǔ)償法測(cè)量的結(jié)果誤差為:E=-2.05%精品資料八、實(shí)驗(yàn)分析討論本實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用不同的方法都測(cè)出了普朗克常數(shù)，但都有一定的實(shí)驗(yàn)誤差，據(jù)分析誤差產(chǎn)生原因是：1、暗電流的影響，暗電流是光電管沒有受到光照射時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生電流，它是由于熱電子發(fā)

14、射、和光電管管殼漏電等原因造成；2、本底電流的影響，本底電流是由于室內(nèi)的各種漫反射光線射入光電管所致，它們均使光電流不可能降為零且隨電壓的變化而變化。3、光電管制作時(shí)產(chǎn)生的影響：（1）、由于制作光電管時(shí)，陽極上也往往濺射有陰極材料，所以當(dāng)入射光射到陽極上或由陰極漫反射到陽極上時(shí)，陽極也有光電子發(fā)射，當(dāng)陽極加負(fù)電位、 陰極加正電位時(shí)，對(duì)陰極發(fā)射的光電子起了減速的作用，而對(duì)陽極的電子卻起了加速的作用，所以I U關(guān)系曲線就和IKA、UKA曲線圖所示。為了精確地確定截止電壓US,就必須去掉暗電流和反向電流的影響。以使由1 = 0時(shí)位置來確定截止電壓US的大??；制作上的其他誤差。4、實(shí)驗(yàn)者自身的影響：（

15、1）從不同頻率的伏安特性曲線讀到的“抬頭電壓”（截止電壓），不同人讀得的不一樣，經(jīng)過處理后的到 U s v曲線也不一樣，測(cè)出的數(shù)值就不一樣；（2）調(diào)零時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)誤差，及在測(cè)量時(shí)恐怕也會(huì)使 原來調(diào)零的系統(tǒng)不再準(zhǔn)確。5、參考值本身就具有一定的精確度，本身就有一定的誤差。6、理論本身就有一定的誤差，例如， 1963年Ready等人用激光作光電發(fā)射實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了與愛因斯坦方程偏離的奇異光電發(fā)射。1968年Teich和Wolga用GaAs激光器發(fā)射的h v=1.48eV的光子照射逸出功為A=2.3eV的鈉金屬時(shí)，精品資料發(fā)現(xiàn)光電流與光強(qiáng)的平方成正比。按愛因斯坦方程， 光子的頻率處于鈉的閥頻率以下，不

16、會(huì)有光電子發(fā)射，然而新現(xiàn)象卻發(fā)生了，不但有光電子發(fā)射，而且光電 流不是與光強(qiáng)成正比，而是與光強(qiáng)的平方成正比。于是，人們?cè)O(shè)想光子間進(jìn)行了“合作”，兩個(gè)光子同時(shí)被電子吸收得以躍過表面能壘，稱為雙光子光電發(fā)射。后 來，進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明，可以三個(gè)、多個(gè)、甚至40個(gè)光子同時(shí)被電子吸收而發(fā)射光電子，稱為多光子光電發(fā)射。人們推斷，n光子的光電發(fā)射過程的光電流似乎應(yīng)與光強(qiáng)的 n次方成正比。九、附錄1 .光電效應(yīng)歷史光電效應(yīng)由德國物理學(xué)家赫茲于1887年發(fā)現(xiàn)，對(duì)發(fā)展量子理論起了根本性作用。1887年，首先是赫茲(M.Hertz )在證明波動(dòng)理論實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)時(shí)， 赫茲發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)鋅質(zhì)小球之一用紫外線照射，則

17、在兩個(gè)小球之間就非常容易跳過電花。大約1900年， 馬克思？布蘭科(Max Planck )對(duì)光電效應(yīng)作出最初解釋， 并引出了光具有的能量包裹式能量(quantised )這一理論。他給這一理論歸咎成一個(gè)等式，也就是E=hf , E就是光所具有的“包裹式”能量，h是一個(gè)常數(shù),統(tǒng)稱布蘭科常數(shù)(Planck's constant ), 而f就是光源的頻率。也就是說，光能的強(qiáng)弱是有其頻率而決定的。但就是布蘭科自己對(duì)于光線是包裹式的說法也不太肯定。精品資料1902年，勒納（Lenard）也對(duì)其進(jìn)行了研究，指出光電效應(yīng)是金屬中的電子吸收了入射光的能量而從表面逸出的現(xiàn)象。但無法根據(jù)當(dāng)時(shí)的理論加以解

18、釋；1905年，愛因斯坦 26歲時(shí)提出光子假設(shè)，成功解釋了光電效應(yīng)，因此獲得1921年諾貝爾物理獎(jiǎng)。他進(jìn)一步推廣了布蘭科的理論，并導(dǎo)出公式，Ek=hf-W ,W便是所需將電子從金屬表面上自由化的能量。而Ek呢就是電子自由后具有的勢(shì)能。2 .測(cè)量普朗克常量h的其他方法1、 2光電效應(yīng)法（補(bǔ)償法、零電流法、拐點(diǎn)法）2、 X射線光電效應(yīng)法3、 X射線原子游離法4、黑體輻射計(jì)算法5、電子衍射法6、康普頓波長移位法7、 X射線連續(xù)譜短波限法8、電子-正電子對(duì)湮沒輻射法9、 1962年由約瑟夫森提出的測(cè)定2 e/ h 的交流約瑟夫森效應(yīng)法10、 由馮克利青于1980年發(fā)現(xiàn)的量子霍爾效應(yīng)，測(cè)定h/ e2的量子霍爾效應(yīng)法11、 由英國國家物理實(shí)驗(yàn)室的基布爾等人于1990 年采用的直接測(cè)定h的通電動(dòng)圈法12、 用磁化率測(cè)量普朗克常量（基于測(cè)量弱磁物質(zhì)磁化率的基本原理精品資料使用大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)用的（Gouy） 磁天平）3 .光電管為什么要