光電效應(yīng)法測(cè)量普朗克常量

1、實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介1905年，年僅26歲的愛因斯坦（A.Einstein）提出光量子假說(shuō)，發(fā)表了在物理學(xué)發(fā)展史上具有里程碑意義的光電效應(yīng)理論，10年后被具有非凡才能的物理學(xué)家密里根（Robert Millikan）用光輝的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了。兩位物理大師之間微妙的默契配合推動(dòng)了物理學(xué)的發(fā)展，他們都因光電效應(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)及其光量子理論的解釋在量子理論的確立與發(fā)展上，在解釋光的波粒二象性等方面都具有劃時(shí)代的深遠(yuǎn)意義。利用光電效應(yīng)制成的光電器件在科學(xué)技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用，并且至今還在不斷開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。本實(shí)驗(yàn)的目的是了解光電效應(yīng)基本

2、規(guī)律，并用光電效應(yīng)方法測(cè)量普朗克常量和測(cè)定光電管的光電特性曲線。 實(shí)驗(yàn)原理當(dāng)光照在物體上時(shí)，光的能量?jī)H部分地以熱的形式被物體吸收，而另一部分則轉(zhuǎn)換為物體中某些電子的能量，使電子逸出物體表面，這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)，逸出的電子稱為光電子。在光電效應(yīng)中，光顯示出它的粒子性質(zhì)，所以這種現(xiàn)象對(duì)認(rèn)識(shí)光的本性，具有極其重要的意義。光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)原理如圖n        光電流與入射光強(qiáng)度的關(guān)系光電流隨加速電位差U的增加而增加，加速電位差增加到一定量值后，光電流達(dá)到飽和值，飽和電流與光強(qiáng)成正比，而與入射光的頻率無(wú)關(guān)。當(dāng)變成負(fù)值時(shí)，光

3、電流迅速減小。實(shí)驗(yàn)指出，有一個(gè)遏止電位差存在，當(dāng)電位差達(dá)到這個(gè)值時(shí)，光電流為零。n        光電子的初動(dòng)能與入射光頻率之間的關(guān)系光電子從陰極逸出時(shí)，具有初動(dòng)能，在減速電壓下，光電子在逆著電場(chǎng)力方向由K極向A極運(yùn)動(dòng)。當(dāng) 時(shí)，光電子不再能達(dá)到A極，光電流為零。所以電子的初動(dòng)能等于它克服電場(chǎng)力所作的功。即 (1)根據(jù)愛因斯坦關(guān)于光的本性的假設(shè)，光是一粒一粒運(yùn)動(dòng)著的粒子流，這些光粒子稱為光子。每一光子的能量為，其中為普朗克常量，為光波的頻率。所以不同頻率的光波對(duì)應(yīng)光子的能量不同。光電子吸收了光子的能量之后，一部分消耗于克服電子

4、的逸出功A，另一部分轉(zhuǎn)換為電子動(dòng)能。由能量守恒定律可知 (2)式（2）稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程。由此可見，光電子的初動(dòng)能與入射光頻率成線性關(guān)系，而與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)。n        光電效應(yīng)有光電閾存在實(shí)驗(yàn)指出，當(dāng)光的頻率時(shí)，不論用多強(qiáng)的光照射到物質(zhì)都不會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)，根據(jù)式（2）， ，稱為紅限。愛因斯坦，光電效應(yīng)方程同時(shí)提供了測(cè)普朗克常量的一種方法：由式（1）和（2）可得： 。當(dāng)用不同頻率（ ）的單色光分別做光源時(shí)，就有任意聯(lián)立其中兩個(gè)方程就可得到由此若測(cè)定了兩個(gè)不同頻率的單色光所對(duì)應(yīng)的遏止電位差及可算出普朗克常量，也可

5、由直線的斜率求出。因此，用光電效應(yīng)方法測(cè)量普朗克常量的關(guān)鍵在于獲得單色光、測(cè)得光電管的伏安特性曲線和確定遏止電位差值。實(shí)驗(yàn)中，單色光可由水銀燈光源經(jīng)過單色儀選擇譜線產(chǎn)生。水銀燈是一種氣體放電光源，點(diǎn)燃穩(wěn)定后，在可見光區(qū)域內(nèi)有幾條波長(zhǎng)相差較遠(yuǎn)的強(qiáng)譜線，如表-1所示。單色儀的鼓輪讀數(shù)與出射光的波長(zhǎng)存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，由單色儀的定標(biāo)曲線，即可查出出射單色光的波長(zhǎng)（有關(guān)單色儀的結(jié)構(gòu)和使用方法請(qǐng)參閱有關(guān)說(shuō)明書），也可用水銀燈（或白熾燈）與濾光片聯(lián)合作用產(chǎn)生單色光。為了獲得準(zhǔn)確的遏止電位差值，本實(shí)驗(yàn)用的光電管應(yīng)該具備下列條件：l      

6、0; 對(duì)所有可見光譜都比較靈敏。l        陽(yáng)極包圍陰極，這樣當(dāng)陽(yáng)極為負(fù)電位時(shí)，大部分光電子仍能射到陽(yáng)極。l        陽(yáng)極沒有光電效應(yīng)，不會(huì)產(chǎn)生反響電流。l        暗電流很小。但是實(shí)際使用的真空型光電管并不完全滿足以上條件。由于存在陽(yáng)極光電效應(yīng)所引起的反向電流和暗電流（即無(wú)光照射時(shí)的電流），所以測(cè)的得電流值，實(shí)際上包括上述兩種電流和由陰極光電效應(yīng)所產(chǎn)生的正向電流三個(gè)部

7、分，所以伏安曲線并不與U軸相切。由于暗電流是由陰極的熱電子發(fā)射及光電管管殼樓電等原因產(chǎn)生，與陰極正向光電流相比，其值很小，且基本上隨電位差U呈線性變化，因此可忽略其對(duì)遏止電位差的影響。陽(yáng)極反向光電流雖然在實(shí)驗(yàn)中較顯著，但它服從一定規(guī)律。據(jù)此，確定遏止電位差值，可采用以下兩種方法：l        交點(diǎn)法光電管陽(yáng)極用逸出功較大的材料制作，制作過程中盡量防止陰極材料蒸發(fā)，實(shí)驗(yàn)前對(duì)光電管陽(yáng)極通電，減少其上濺射的陰極材料，實(shí)驗(yàn)中避免入射光直接照射到陽(yáng)極上，這樣可使它的反向電流大大減少，器伏安特性曲線與圖-2十分接近，因此曲線與U軸交

8、點(diǎn)的電位差近似等于遏止電位差，此即交點(diǎn)法。l        拐點(diǎn)法光電管陽(yáng)極反向光電流雖然較大，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，若是反向光電流能較快地飽和，則伏安特性曲線在反向電流進(jìn)入飽和段后有著明顯的拐點(diǎn)，如圖-3所示，此拐點(diǎn)的電位差即為遏止電位差。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容通過實(shí)驗(yàn)了解光電效應(yīng)的基本規(guī)律，并用光電效應(yīng)法測(cè)量普朗克常量。n        在577.0nm、546.1nm、435.8nm、404.7nm四種單色光下分別測(cè)出光電管的伏安特性曲線，并根據(jù)此曲線確定遏止電位差值，

9、計(jì)算普朗克常量。本實(shí)驗(yàn)所用儀器有：光電管、單色儀（或?yàn)V波片）、水銀燈、檢流計(jì)（或微電流計(jì)）、直流電源、直流電壓計(jì)等，接線電路圖如圖-4所示。實(shí)驗(yàn)中光電流比較微弱，其值與光電管類型，單色光強(qiáng)弱等因素有關(guān)，因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選用合適的測(cè)量?jī)x器。例如，選用GD-4、GD-5、或1977型光電管，選用的檢流計(jì)的分度值應(yīng)在A/分度左右。如果要測(cè)量更微弱的電流可用微電流計(jì)，可測(cè)量A的電流。由于光電管的內(nèi)阻很高，光電流如此之微弱，因此測(cè)量中要注意抗外界電磁干擾。并避免光直接照射陽(yáng)極和防止雜散光干擾。n        作的關(guān)系曲線，用一元線

10、性回歸法計(jì)算光電管陰極材料的紅限頻率、逸出功及值，并與公認(rèn)值比較。n        選做l        測(cè)量光電管在正壓下的伏安特性曲線。l        測(cè)定光電管的光電特性曲線，即飽和光電流與照射光強(qiáng)度的關(guān)系。l        自行設(shè)計(jì)方案測(cè)量光電管陰極光電流在加速電壓下的伏安特性曲線，改變光源與光電管的距離，光強(qiáng)正比于，利用此測(cè)量光電管的光電特性曲線。 實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)n        從光電管的伏安特性曲線，驗(yàn)證愛因斯坦光電效應(yīng)方程。n        正確學(xué)會(huì)數(shù)據(jù)處理的方法，計(jì)算普朗克常量和光電管陰極材料的紅限值。 實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)n        本實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證愛因斯坦光電效應(yīng)方程時(shí)，需要測(cè)出光電管的正向和反向特性曲線，如何正確設(shè)計(jì)光電管陽(yáng)極和陰極與電源的接線圖