光電效應(yīng)法測普朗克常量h

1、8.2.1 光電效應(yīng)法測普朗克常量h（本文內(nèi)容選自高等教育出版社大學物理實驗）1905年，年僅26歲的愛因斯坦（A.Einstein）提出光量子假說，發(fā)表了在物理學發(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家密立根（Robert Millikan）用光輝的實驗證實了。兩位物理大師之間微妙的默契配合推動了物理學的發(fā)展，他們都因光電效應(yīng)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金。光電效應(yīng)實驗及其光量子理論的解釋在量子理論的確立與發(fā)展上，在揭示光的波粒二象性等方面都具有劃時代的深遠意義。利用光電效應(yīng)制成的光電器件在科學技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用，并且至今還在

2、不斷開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。本實驗的目的是了解光電效應(yīng)的基本規(guī)律。并用光電效應(yīng)方法測量普朗克常量和測定光電管的光電特性曲線。實驗原理當光照在物體上時，光的能量僅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)象對認識光的本性，具有極其重要的意義。光電效應(yīng)實驗原理如圖8.2.1-1所示。其中S為真空光電管，K為陰極，A為陽極。當無光照射陰極時，由于陽極與陰極是斷路，所以檢流計G中無電流流過，當用一波長比較短的單色光照射到陰極K上時，形成光電流，光電流隨加

3、速電位差U變化的伏安特性曲線如圖8.2.1-2所示。1 光電流與入射光強度的關(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，光電流達到飽和值和值IH，飽和電流與光強成正比，而與入射光的頻率無關(guān)。當U= UA-UK變成負值時，光電流迅速減小。實驗指出，有一個遏止電位差Ua存在，當電位差達到這個值時，光電流為零。2 光電子的初動能與入射頻率之間的關(guān)系光電子從陰極逸出時，具有初動能，在減速電壓下，光電子逆著電場力方向由K極向A極運動。當U=Ua時，光電子不再能達到A極，光電流為零。所以電子的初動能等于它克服電場力作用的功。即 （1）根據(jù)愛因斯坦關(guān)于光的本性的假設(shè)，光是一粒一粒運動著

4、的粒子流，這些光粒子稱為光子。每一光子的能量為，其中h為普朗克常量，為光波的頻率。所以不同頻率的光波對應(yīng)光子的能量不同。光電子吸收了光子的能量h之后，一部分消耗于克服電子的逸出功A，另一部分轉(zhuǎn)換為電子動能。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，光電子的初動能與入射光頻率呈線性關(guān)系，而與入射光的強度無關(guān)。3 光電效應(yīng)有光電存在實驗指出，當光的頻率時，不論用多強的光照射到物質(zhì)都不會產(chǎn)生光電效應(yīng)，根據(jù)式（2），0稱為紅限。愛因斯坦光電效應(yīng)方程同時提供了測普朗克常量的一種方法：由式（1）和（2）可得：，當用不同頻率（1，2，3，n）的單色光分別做光源時，就有 任意聯(lián)立其

5、中兩個方程就可得到 （3）由此若測定了兩個不同頻率的單色光所對應(yīng)的遏止電位差即可算出普朗克常量h，也可由-U直線的斜率求出h。因此，用光電效應(yīng)方法測量普朗克常量的關(guān)鍵在于獲得單色光、測得光電管的伏安特性曲線和確定遏止電位差值。實驗中，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，點燃穩(wěn)定后，在可見光區(qū)域內(nèi)有幾條波長相差較遠的強譜線，如表8.2.1-1所示。單色儀的鼓輪讀數(shù)與出射光的波長存在一對應(yīng)關(guān)系，由單色儀的定標曲線，即可查出出射單色光的波長（有關(guān)單色儀的結(jié)構(gòu)和使用方法請參閱有關(guān)說明書），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。表8.2.1-1 可見光區(qū)汞

6、燈強譜線波長/nm頻率/1014Hz顏色579.05.179黃577.05.198黃546.15.492綠435.86.882藍404.77.410紫365.08.216近紫外為了獲得準確的遏止電位差值，本實驗用的光電管應(yīng)該具備下列條件：（1） 對所有可見光譜都比較靈敏。（2） 陽極包圍陰極，這樣當陽極為負電位時，大部分光電子仍能射到陽極。（3） 陽極沒有光電效應(yīng)，不會產(chǎn)生反向電流。（4） 暗電流很小。但是實際使用的真空型光電管并不完全滿足以上條件。由于存在陽極光電效應(yīng)所引起的反向電流和暗電流（即無光照射時的電流），所以測得的電流值，實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)射及光電管管殼漏電等原因產(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，因此可忽略其對遏止電位差的影響。陽極反向光電流雖然在實驗中較顯著，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：（1） 交點法光電管陽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)，實驗前對光電管陽極通電，減少其上濺射的陰極材料，實驗中避免入射光直接照射到陽極上，這樣可使它的反向電流大大減少，其伏安特性曲線與圖8.2.1-2十分接近，因此曲線與U軸交點的電位差值近似等于遏止電位差Ua，此即交點法。（2） 拐點法光電管陽

8、極反向光電流雖然較大，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，若使反向光電流能較快地飽和，則伏安特性曲線在反向電流進入飽和段后有著明顯的拐點，如圖8.2.1-3所示，此拐點的電位差即為遏止電位差。實驗內(nèi)容通過實驗了解光電效應(yīng)的基本規(guī)律，并用光電效應(yīng)法測量普朗克常量。1 在577.0nm、546.1nm、435.8nm、404.7nm四種單色光下分別測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，計算普朗克常量h。本實驗所用儀器有：光電管、單色儀（或濾波片）、水銀燈、檢流計（或微電流計）、直流電源、直流電壓計等，接線電路如圖8.2.1-4所示。實驗中光電流比較微弱，其值與光電管類型，單色光強弱等因素有關(guān)，因此應(yīng)根據(jù)實際情況選用合適的測量儀器。例如，選用GD-4、GD-5或1977型光電管，選用的檢流計的分度值應(yīng)在A/分度左右。如果要測量更微弱的電流可用微電流計，可測量A的電流。由于光電管的內(nèi)阻很高，光電流如此之微弱，因此測量中要注意抗外界電磁干擾。并避免光直接照射陽極和防止雜散光干擾。2 作的關(guān)系曲線，用一元線形回歸法計算光電管陰極材料的紅限頻率、逸出功及h值，并與公認值比較。3 選做（1） 測量光電管在正壓下的伏安特性曲線。（2） 測量光電管的光