光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

1、光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)一定頻率的光照射在金屬表面時(shí), 會(huì)有電子從金屬表面逸出,這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。1887 年赫茲發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)現(xiàn)象，以后又經(jīng)過許多人的研究，總結(jié)出一系列實(shí)驗(yàn)規(guī)律。1905 年，愛因斯坦在普朗克能量子假設(shè)的基礎(chǔ)上，提出了光量子理論，成功地解釋了光電效應(yīng)的全部規(guī)律。實(shí)驗(yàn)原理光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)原理如圖1 所示。用強(qiáng)度為釋放出的光電子在電場的加速作用下向陽極板P 的單色光照射到光電管陰極A 遷移，在回路中形成光電流。K 時(shí)，陰極圖 1實(shí)驗(yàn)原理圖圖 2 光電管同一頻率不同光強(qiáng)的伏安特性曲線用實(shí)驗(yàn)得到的光電效應(yīng)的基本規(guī)律如下：1、光強(qiáng) P 一定時(shí)， 改變光電管兩端的電壓U AK ，測量出光電流 I

2、的大小，即可得出光電管的伏安特性曲線。隨U AK 的增大， I 迅速增加，然后趨于飽和，飽和光電流的大小與入射光的強(qiáng)度P 成正比。2、當(dāng)光電管兩端加反向電壓時(shí)，光電流將逐步減小。當(dāng)光電流減小到零時(shí)，所對應(yīng)的反向電壓值，被稱為截止電壓U 0（圖 2）。這表明此時(shí)具有最大動(dòng)能的光電子剛好被反向電場所阻擋，于是有1 mV02eU 0 （式中 m、V 0、 e 分別為電子的質(zhì)量、速度和電荷量）。（ 1）2不同頻率的光，其截止電壓的值不同（圖3）。3、改變?nèi)肷涔忸l率時(shí)，截止電壓U0 隨之改變，與成線性關(guān)系（圖4）。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)入射光頻率低于 (隨不同金屬而異，稱為截止頻率)時(shí)，不論光的強(qiáng)度如何，照射時(shí)間

3、多長，都沒有光電流產(chǎn)生。圖 3 光電管不同頻率的伏安特性曲線圖 4 截止電壓U0 與頻率的關(guān)系4、光電效應(yīng)是瞬時(shí)效應(yīng)。即使入射光的強(qiáng)度非常微弱，只要頻率大于，在開始照射后立即有光電子產(chǎn)生，延遲時(shí)間最多不超過10 9秒。經(jīng)典電磁理論認(rèn)為，電子從波陣面上獲得能量，能量的大小應(yīng)與光的強(qiáng)度有關(guān)。因此對于任何頻率， 只要有足夠的光強(qiáng)度和足夠的照射時(shí)間， 就會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)， 而上述實(shí)驗(yàn)事實(shí)與此直接矛盾。 顯然經(jīng)典電磁理論無法解釋在光電效應(yīng)中所顯示出的光的量子性質(zhì)。按照愛因斯坦的光量子理論，光能是集中在被稱之為光子的微粒上，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 E h ，為普朗克常

4、數(shù)。當(dāng)光束照射金屬時(shí)，是以光粒子的形式打在它的表面上。金屬中的電子要么不吸收能量，要么就吸收一個(gè)光子的全部能量，而無需積累能量的時(shí)間。只有當(dāng)這能量大于電子擺脫金屬表面約束所需的逸出功 A 時(shí)，電子才會(huì)以一定的初動(dòng)能逸出金屬表面。按照能量守恒原理，愛因斯坦提出了著名的光電效應(yīng)方程：hv1 mV02A（ 2）22式中，為金屬的逸出功，1 mV0 為光電子獲得的初始動(dòng)能。2由該式可見，入射到金屬表面的光頻率越高，逸出的電子動(dòng)能越大。光子的能量h 0A 時(shí)，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(yīng)的最低頻率（截止頻率）是0A h 。將（ 2）式代入（ 1）式中可得：eU 0hA（3）U 0h

5、 ( v v0 )e此式表明截止電壓是頻率的線性函數(shù)。只要用實(shí)驗(yàn)方法得出不同的頻率的截止電壓，由直線斜率和截距，就可分別算出普朗克常數(shù)h 和截止頻率。 基于此，在愛因斯坦光量子理論提出約十年后，密立根用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了愛因斯坦的光電效應(yīng)方程，并精確地測定了普朗克常數(shù)。兩位物理大師在光電效應(yīng)等方面的杰出貢獻(xiàn)，分別于1921 年和 1923年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)， 使人們對光的波粒二象性的本質(zhì)有了更深的認(rèn)識。對光電效應(yīng)現(xiàn)象的研究， 促進(jìn)了光的量子理論的建立和近代物理學(xué)的發(fā)展。今天，利用光電效應(yīng)制成的各種光電器件，如光電池、光電管、光電倍增管等，已被廣泛的應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防和科研等各個(gè)領(lǐng)域

6、。實(shí)驗(yàn)儀器ZKY-GD-4 智能光電效應(yīng)（普朗克常數(shù)）實(shí)驗(yàn)儀，儀器由光電檢測裝置（含光電管暗箱，高壓汞燈燈箱， 高壓汞燈電源和實(shí)驗(yàn)基準(zhǔn)平臺(tái)）及實(shí)驗(yàn)主機(jī) -光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀 （含微電流放大器、掃描電壓源發(fā)生器兩部分）構(gòu)成。儀器結(jié)構(gòu)如圖5 所示。1.汞燈電源， 2.汞燈， 3.濾光片， 4.光闌， 5.光電管， 6.光電效應(yīng)測試儀，7.基座圖 5儀器結(jié)構(gòu)圖主要技術(shù)參數(shù)：1、微電流放大器：電流測量范圍：10 8 10 13 A ，分 6 檔，三位半數(shù)顯，最小顯示位10-14A 。零漂：開機(jī) 20 分鐘后、 30分鐘內(nèi)不大于滿度的0.2%(10 13 A 檔) 。2、光電管工作電源：電壓調(diào)節(jié)范圍： 0

7、2V 檔，示值精度，最小調(diào)節(jié)電壓2mV ；1 50V 檔，示值精度，最小調(diào)節(jié)電壓0.5V 。3、光電管： 光譜響應(yīng)范圍340-700nm ，最小陰極靈敏度1 A Lm ，陽極：鎳圈。暗電流： I 2 10 12A （2V UAK0V ）4、濾光片： 5 片，透射波長365.0nm 、 404.7nm、 435.8nm 、546.1nm 、 578.0nm光闌： 3 片，直徑2mm， 4mm， 8mm5、汞燈：可用譜線 365.0nm 、 404.7nm、 435.8nm、 546.1nm 、 578.0nm 測量誤差：實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一、必做部分：1 了解光電效應(yīng)的基本規(guī)律。2 測定光電管伏安特性曲線

8、和入射光頻率與光電管截止頻率間的關(guān)系，計(jì)算普朗克常數(shù)。注意事項(xiàng)：1、 做好測試前準(zhǔn)備：1）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（注意導(dǎo)線與接口的顏色） 。2）將汞燈及光電管暗箱遮光蓋蓋上，將汞燈暗箱光輸出口對準(zhǔn)光電管暗箱光輸入口，調(diào)整光電管與汞燈距離約為40cm 并保持不變。3）將測試儀及汞燈電源接通，預(yù)熱20 分鐘。2、測定普朗克常數(shù)時(shí)注意調(diào)零和汞燈的遮蓋：理論上，測出各頻率的光照射下陰極電流為零時(shí)對應(yīng)的U AK ，其絕對值即為該頻率的截止電壓 (零電流法 ) ，然而實(shí)際上由于光電管的陰極反向電流（陽極制作過程沾上少許陰極材料， 入射光照射陽極或入射光從陰

9、極反射到陽極之后都會(huì)造成陽極光電子發(fā)射）、暗電流（無光照時(shí)，陰極本身的熱電子發(fā)射）、本底電流（外界各種漫反射光照射所致）的影響，實(shí)測電流并非陰極電流，實(shí)測電流為零時(shí)對應(yīng)的U AK 也并非截止電壓。由于本實(shí)驗(yàn)儀器的電流放大器靈敏度高、穩(wěn)定性好。光電管陽極反向電流、暗電流也較低。在測量各譜線的截止電壓時(shí)，可采用“零電流法”。1）將“電流量程”選擇開關(guān)置于所選檔位（伏安特性測試時(shí)用 10-10A ，截止電壓測試時(shí)用 10-13A ），將光電管暗箱電流輸出端從實(shí)驗(yàn)儀后面板斷開，進(jìn)行測試前調(diào)零。 （注意：每次實(shí)驗(yàn)儀開機(jī)或改變電流量程后都要調(diào)零）2）待電流指示為000.0，電壓指示為- - - -后，將光

10、電管暗箱電流輸出端與測試儀微電流輸入端連接起來，按調(diào)零確認(rèn)鍵，系統(tǒng)進(jìn)入測試狀態(tài)。3）選擇手動(dòng)測量截止電壓模式。4）將直徑 4mm 的光闌及 365.0nm 的濾光片裝在光電管暗箱光輸入口上（注意：安裝、更換光闌或?yàn)V光片時(shí)，要將汞燈的遮光蓋蓋好，以免強(qiáng)光直射光電管）。5）從低到高調(diào)節(jié)電壓，觀察電流值的變化。用“零電流法”測量該波長對應(yīng)的，并將測量數(shù)據(jù)記入表中。6）依次換上 404.7nm ， 435.8nm， 546.1nm ， 578.0nm 的濾光片，重復(fù) 5）的測量步驟。數(shù)據(jù)記錄參考表光闌mm波長 (nm)365.0404.7435.8546.1578.0頻率（1014Hz ）8.2147

11、.4086.8795.4905.196截止電壓 U 0i （ V ）3、測光電管的伏安特性曲線時(shí)注意掃描區(qū)域和存儲(chǔ)空間的選擇：1）進(jìn)行測試前調(diào)零，選擇伏安特性測試的自動(dòng)模式。2)測定光電管同一光強(qiáng)不同波長的伏安特性曲線。a. 將直徑 2mm 的光闌及 365.0nm 的濾光片裝在光電管暗箱光輸入口上。b. 設(shè)置掃描起始和終止電壓（-150V ）。c. 按存儲(chǔ)區(qū) 1 鍵，自動(dòng)掃描開始。掃描結(jié)束時(shí)，查詢燈亮。d. 用電壓調(diào)節(jié)鍵改變電壓值， 查閱并記錄 （數(shù)據(jù)記錄表自擬） 掃描到的電壓及相應(yīng)的電流值后，滅查詢燈，進(jìn)入新的測試狀態(tài)。e.依次換上435.8nm ， 578.0nm 的濾光片，重復(fù)b、 c

12、、d 的測量步驟。f. 測量結(jié)束時(shí)，示波器上應(yīng)留有三條伏安特性曲線。二、選作部分（自選測量方式、自擬數(shù)據(jù)記錄表格）1、 用“補(bǔ)償法”測截止電壓求普朗克常數(shù)：補(bǔ)償法是調(diào)節(jié)電壓U AK 使電流為零后，保持U AK 不變，遮擋汞燈光源，此時(shí)測得的電流為電壓接近截止電壓時(shí)的暗電流和本底電流。重新讓汞燈照射光電管，調(diào)節(jié)電壓U AK 使電流值至，將此時(shí)對應(yīng)的電壓U AK 的絕對值作為截止電壓。此法可補(bǔ)償暗電流和本底電流對測量結(jié)果的影響。2、 測定光電管同一波長不同光強(qiáng)的伏安特性曲線， 驗(yàn)證光電管的飽和光電流與入射光強(qiáng)成正比（光強(qiáng)與光闌面積成正比） 。數(shù)據(jù)處理要求：1、用最小二乘法得出直線的斜率。根據(jù)線性回歸理論，直線的斜率的最佳擬合值為：kU 0U 0其中：221 n表示頻率的平均值n ii121n2表示頻率的平方的平均值in i 1(v )21 n)2表示頻率的平(in i1均值的平方U 01nU 0i表示截止電壓的平均值n i 1U 01niU 0i表示頻率與截止電壓的乘積的平均值n i1求出直線斜率k 后，可