光電效應(yīng)普朗克常數(shù)的測量

1、云南大學(xué)物理實驗教學(xué)中心實驗報告課程名稱：創(chuàng)新性實驗實驗項目：光電效應(yīng)普朗克常數(shù)的測:學(xué)生姓名:朱江醒 學(xué)號:20051050148物理科學(xué)技術(shù)學(xué)院物理系2005級數(shù)理基礎(chǔ)科學(xué)專業(yè)成績指導(dǎo)教師：姜澤軍實驗時間：2007年12月1日8時30分至12時30分實驗地點： 物理館實驗類型:教學(xué)（演示口驗證口 綜合口 設(shè)計口）學(xué)生科研口課外開放口 測試口其它口云南大學(xué)物理實驗教學(xué)中心 實驗報告 實驗?zāi)康牧私夤怆娦?yīng)及其規(guī)律，理解愛因斯坦光電方程的物理意義用減速電位法測量光電子初動能，求普朗克常數(shù)匚實驗原理光電效應(yīng)金屬在光的照射下釋放岀電子的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)。根據(jù)愛因斯坦的光咼子概念二 每一個光子具有能量

2、 = “當(dāng)光照射到金屬上時，其能量被電子吸收，一部分消耗于電子的逸出功毗，另一部分轉(zhuǎn)換為電子逸出金屬表而后的動能。由能量守恒泄律得hv = - inv2 +VV(1)2此式稱為愛因斯坦光電方程。式中力為普朗克常數(shù)，”為入射 光的頻率，m為電子質(zhì)疑，v為電子的最大速度，上式右邊第 一項為電子最大初動能。用光電方程圓滿解釋了光電效應(yīng)的基 本實驗事實：何金屬電子的初動能與入射光頻率呈線性關(guān)系，與入射光的強度無關(guān)。任 都存在一截止頻率, v()=WJh9叫又稱紅限，當(dāng)入射光的頻率小于叫時，不論光的強 度如何，都不產(chǎn)生光電效應(yīng)。此外，光電流大小(即電子數(shù)目)只決上于光的強度。驗證愛因斯坦光電方程，求普朗

3、克常數(shù)本實驗采用“減速電位法冷夬圧電子的最大初動能，并由此求出普朗克常數(shù)力。實驗原理陰扱電流/ J/廠0電流陽極電淤圖2如圖1所示。圖中K為光電管陰極，A為陽極。當(dāng)頻率為 卜的單色光入射到光電管陰極上時，電子從陰極逸岀，向 陽極運動，形成光電流。當(dāng)匕K =U, -UK為正值時，UAK 越大，光電流/冰越大，當(dāng)電壓“冰達到一泄值時，光電 流飽和，如圖2中虛線所示。若“肽為負(fù)(即在光電管上加 減速電位)，光電流逐漸減小，直到沐達到某一負(fù)值”時，光電流為零，稱為遏止電位或截I匕電壓。這是因為從陰極逸出的具有最大初動能的電子不能穿過反向電場到達陽極, 即eU K = - mv2（2）5 2將（2）式代

4、入（1）式得hv = eU + 叱當(dāng)用不同頻率的單色光照射時，有圖3hv= e IU J + 叱 hv2 = e I Us21+WS聯(lián)立英中任意兩個方程，得叫一匕（3）由此可見，愛因斯坦光電方程提供了一種測量普朗克常數(shù)的方法，如果從實驗所得的1/1-關(guān)系是一條直線（如圖3）,英斜率k=h/e. 為電子電荷由此可求岀普朗克常數(shù) 力。這也就證實了光電方程的正確性。光電管的實際U-I特性曲線由于下述原因光電管的實測U-I特性曲線如圖2中實線所示，光電流沒有一個銳截止 點（1）在光電管制造過程中，有些光陰極物質(zhì)濺射到陽極上，受光照射（包括漫反射光） 時，陽極也會發(fā)射光電子，使光電管極間出現(xiàn)反向電流（陽

5、極電流）。（2）無光照射時，在外加電壓下，光電管中仍有微弱電流流過，稱為暗電流。這是由于光電管電極在常溫下的熱電子發(fā)射以及管座和管殼外表而的漏電造成的。（3）陽極和陰極材料不同引起的接觸電位差。遏止電位的確定由于上述原因使遏止電位的確左帶有很大的任意性。實驗時應(yīng)根據(jù)光電管的不同結(jié)構(gòu)與性能，采用不同方法確立（1）陰極是平而電極、陽極做成大環(huán)形可加熱結(jié)構(gòu)的光電管（如國產(chǎn)1997型或GDh-1 型）其陰極電流上升很快，反向電流較小，特性曲線與橫軸的交點可近似當(dāng)作遏止電壓， 這種方法稱為“交點法”。（2）陰極為球殼形、陽極為半徑比陰極小得多的同心小球的光電管（如GD-4型），反 向電流容易飽和，可以把

6、反向電流進入飽和時的拐點（圖2中U“）電壓近似作為遏止電位， 這種方法叫做“拐點法”。不過，不論采用什么方法，均在不同程度上引進系統(tǒng)誤差，使測量的誤差較大。三、實驗儀器本實驗采用GD-IV型微機光電效應(yīng)實驗儀，包括四部分：光源。用高壓汞燈,燈泡選用GGQ-50WHg型，光譜范圍在302.3872.0nm之間。光電管。采用GDhl型光電管，陽極為鐮圈，陰極為銀一氧一鉀（Ag-0-K）,光譜范圍 為340-700 nnu它裝在帶有入射窗口的暗盒內(nèi)。高度可調(diào)，入射窗口配有5mm孔徑光闌。濾色片。用NG型濾色片獲得單色光，它是一組（5塊）寬帶型有色玻璃組合濾色片， 有選通 365.0、405.7、43

7、5.8、546.1、577.0nm 譜線的能力。微電流測量放大器。電流測量范圍10-510-13A,分6檔，十進變換，微電流指示用3 位半數(shù)字電流表，讀數(shù)精度分0.1A （用于調(diào)零和校準(zhǔn)）和1A （用于測量）兩檔。機內(nèi) 附有光電管工作電源。分直流和掃描兩檔，直流用于手動調(diào)盯電壓，掃描用于記錄儀或微機 自動測量時，自動改變電壓。直流電壓輸出03V,連續(xù)可調(diào)。掃描電壓為三角波，幅度 03V,周期50 s。四、實驗內(nèi)容手動測量光電管的特性曲線。（1）將光源、光電管暗盒、微電流放大器等安放在適當(dāng)位置，光源與光電管的距離取3050cm,注意兩者光路共軸。暫不接線。接通微電流測量放大器電源，預(yù)熱1020分

8、鐘， 進行微電流測量放大器的調(diào)零和校準(zhǔn)。方法是：“校準(zhǔn)、調(diào)零、測量“開關(guān)置于“調(diào)零校準(zhǔn)“ 檔，宜“電流調(diào)節(jié)”開關(guān)于短路檔，調(diào)節(jié)“調(diào)零“旋鈕使電流表指零，然后“電流調(diào)節(jié)撥向“校 準(zhǔn)”，調(diào)“校準(zhǔn)”旋鈕使電流表指100,調(diào)零和校準(zhǔn)可反復(fù)調(diào)整，使之都能滿足要求。（2）用電纜將光電管陰極K與微電流放大器后面板上的“電流輸入“相連，用雙芯導(dǎo)線將 光電管陽極與地連接到后而板的“電壓輸出”插座上。點亮汞燈。（3）測呈:光電管的暗電流。用遮光罩蓋住光電管暗盒窗口，將“調(diào)零、校準(zhǔn)、測量”開關(guān) 置于“測量“，測量放大器的電壓選擇置于“直流”，電流調(diào)右置10或10,旋動“電壓調(diào)疔旋鈕，讀出-3+3V間若干電壓下相應(yīng)的

9、電流值，即為光電管暗電流。測不同波長的單色光照射時光電管的特性曲線。取下遮光罩，換上濾色片，從 -3V開始逐步改變光電管陽極電壓，記錄相應(yīng)的光電流。逐次換上5個濾色片，測出不同波長下的曲線，在電流變化明顯的地方多測幾點， 以便準(zhǔn)確定出用X-Y函數(shù)記錄儀自動描繪特性曲線。將記錄儀的X、Y輸入分別與微電流放大器后面板上的X、Y輸出相連，將“X量程豊 100niV/cm, “Y量程“這ImV/cm,保持手動測試時的實驗條件，每換上一個濾色片后，將放 大器的“電壓選擇“開關(guān)置“掃描“，自動描繪 刃特性曲線。自動記錄時必須密切注視記錄筆 的移動情況，及時關(guān)掉“Y輸入“開關(guān)或者令記錄筆抬起，以免記錄儀過載

10、。用微機測繪U-I特性曲線，并求普朗克常數(shù)。在微機的ISA總線插槽上插入PC-XY接口卡，安裝電腦X-Kid錄儀軟件和光電效 應(yīng)測普朗克常數(shù)軟件。用多芯接口電纜將測量放大器后而板PC-XY接口輸出與微機PC-XY接口卡相連。參照GD-IV微機光電效應(yīng)實驗儀使用說明書附錄進行X、丫凋零，用電腦X-Y記錄 儀軟件采集5種波長下的U-I特性曲線存成數(shù)據(jù)文件(.XYD)。用光電效應(yīng)測普朗克常數(shù)分析軟件，測疑普朗克常數(shù)，并計算實驗誤差(相對力的公 認(rèn)值)，并打印。軟件使用方法可參看該軟件的“在線幫助或者儀器使用說明書。五、注意事項微機PC-XY接口卡上一世不要接其他外設(shè)，否則會損壞主機和外設(shè)。汞燈熄掉后

11、要等幾分鐘才能再點燃，所以一般不要輕意關(guān)汞燈。六、實驗數(shù)據(jù)波長為436nm波長為546nm波長為577nm對應(yīng)波長的彼至電壓電流1(10八7)電壓U電流K10M)電壓U電流K10M)電壓U波長(nm)電壓(V)-28-1.99-42-2.01-22-2.02365-1.721-28-1.96-38-1.95-20-1.98405-1.271-27-1.87-37-1.92-19-1.89436-1.178-27-1.79-36-1.89-19-1.79564-0.623-26-1.7-36-1.83-18-1.74577-0.552-25-1.6-35-1.73-18-1.7-25-1.54-

12、34-1.57-18-1.6-25-1.49-32-1.45-17-1.5頻率(10A14)電壓(V)-25-1.4-32-1.35-16-1.31&2191.721-23-135-32-1.2-16-1.237.4071.271-21-1.3-31-1.07-16-1.066.8811.178-19-1.27-30-1-16-0.955.3190.623-18-1.25-29-0.79-15-0.895.1990.552-15-1.22-25-0.73-14-0.84-1219-22-0.7-13-0.77-816-18-0.67-12-0.68-1-10-0.65-10-0.643-1.1

13、-6-0.63-6-0.5911-1.070-0.620-0.5518-1.058-0.61-0.5424-1.0317-0.586-0.5139-138-0.5513-0.4953-0.9749-0.517-0.4864-0.93102-0.4825-0.4678-0.9113-0.4636-0.43103-0.85146-0.4350-0.4125-0.8147-0.3962-0.38148-0.75148-0.3284-0.34148-0.71148-0.24106-0.31148-0.6130-0.28148-0.53139-0.27147-0.25147-0.21147-0.17-2

14、 1K2 05-2 Obi 5S-1 50-1 AS-1 26-1 ?5-! 70-1 6S-1 60-145-1 4M 3S1 30汝長為405nm時的IH特性多f=X電列HOq140 -120-110 10-3電流對應(yīng)的I特性氏40-40-20 -.8.6.4.2.011111 nffiw從Linear Regression For Data1_B: V = A + B * XParameterUalueErrorA-1.34780.16625B0.365910.02478RSDNP0.993190.0653556.73749E-4擬合后的直線方程為：y=0. 36591 *x-1.347

15、8至電壓）;x-v（-10-4X 頻率）則 h=0.36591 *e*10ue = 1.6*1019C求得：A=5.S5456*10-34J.5標(biāo)準(zhǔn)：h, =6.626*1034J誤差:= 11.64%h-A 0.77144 x 10= 6.626 xlOM七、預(yù)習(xí)思考題試述愛因斯坦光電方程的物理意義。金屬在光的照射下釋放岀電子的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)。根據(jù)愛因斯坦的“光疑子概念，每 一個光子具有能=當(dāng)光照射到金屬上時，其能量被電子吸收，一部分消耗于電子的逸岀功叱，另一部分轉(zhuǎn)換為電子逸岀金屬表面后的動能。由能量守恒立律得hv = mv2 +W.2此式稱為愛因斯坦光電方程。式中力為普朗克常數(shù)，v為入射

16、光的頻率，m為電子質(zhì)量，v 為電子的最大速度，上式右邊第一項為電子最大初動能。用光電方程圓滿解釋了光電效應(yīng)的 基本實驗事實：電子的初動能與入射光頻率呈線性關(guān)系，與入射光的強度無關(guān)。任何金屬都存在一截止頻率叫，v0=Ws/h,叫又稱紅限，當(dāng)入射光的頻率小于叫時，不論光的強度如何，都不 產(chǎn)生光電效應(yīng)。此外，光電流大?。措娮訑?shù)目）只決泄于光的強度。2、何謂電子的逸出功?從Ux-v圖線上能決泄該金屬的逸出功嗎所謂逸出功就是金屬表面的口由電子克服金屬表面的偶電層的電場力所做的功。 能從U廠v圖線上能決定該金屬的逸岀功。八、實驗問答題為什么在光電管暗盒窗口上裝小孔光闌？為了避免光直接照射陰極帶來反向光電

17、流增大，所以測試時應(yīng)在光電管暗盒窗口上裝小 孔光闌。如何從本實驗中求出逸出功以及確定截止頻率？若電子電量e為已知，則在匕7圖象上由斜率k=h/e可以求出普朗克常數(shù)，由直線在軸上的截距可以求出逸出功，由直線在a軸上的截距可以求出截止頻率。九、在實驗中影響測量精度的主要因素：暗電流是指在通電時，完全沒有光照的條件下，微電流測量儀的電流，它主要來源于 陰極的熱電子發(fā)射及漏電流.由于暗電流的疑級為1 0一“，而儀器的精度是1 0 量級， 所以暗電流的影響可以忽略.反向電流是由于在制造過程中光陰極物質(zhì)濺射到陽極上，當(dāng)光照射時其行為與光陰極 相似，致使在截止電壓以下獲得一個反向電流，隨著反向電壓增加，反向電流趨于飽和 這是因為在測量反向遏止電壓時，陰極是高電位，陽極是低電位，陽極上的陰極材料光電 子在光電效應(yīng)中的加速電場中所產(chǎn)生的反向電流就是在加上反向電壓后總有0.20 4 u A（隨頻率不同而異）的光電流的原因?qū)嶒灥弥S著反向電壓增加到一左的值時（2V左 右），這一電流就不再增加，所有陽極光電子都到了陰極.本底電流是由于光電管