光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

PAGEPAGE4光電效應(yīng)光電效應(yīng)當(dāng)光束照射到某些金屬表面上時(shí),會(huì)有電子從金屬表面即刻逸出,這種現(xiàn)象稱為“光電效應(yīng)”。1905年愛因斯坦圓滿地解釋了光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，使人們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到光的波粒二象性的本質(zhì),促進(jìn)了光的量子理論的建立和近代物理學(xué)的發(fā)展,愛因斯坦因此獲得了1921年的諾貝爾獎(jiǎng)。現(xiàn)在利用光電效應(yīng)制成的各種光電器件(如光電管、光電倍增管、夜視儀等)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科研和國防等領(lǐng)域。[實(shí)驗(yàn)?zāi)康腯1.加深對(duì)光的量子性的認(rèn)識(shí);2.驗(yàn)證愛因斯坦方程,測定普朗克常數(shù);3.測定光電管的伏安特性曲線。[實(shí)驗(yàn)原理]當(dāng)一定頻率的光照射到某些金屬表面上時(shí),可以使電子從金屬表面逸出,這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。所產(chǎn)生的電子,稱為光電子。根據(jù)愛因斯坦的光電效應(yīng)方程有hν=1/2mvm2+W(1)其中ν為光的頻率,h為普朗克常數(shù),m和vm是光電子的質(zhì)量和最大速度,W為電子擺脫金屬表面的約束所需要的逸出功。按照愛因斯坦的光量子理論:頻率為ν的光子具有能量hν,當(dāng)金屬中的電子吸收一個(gè)頻率為ν的光子時(shí),便獲得這個(gè)光子的全部能量。如果光子的能量hν大于電子擺脫金屬表面的約束所需要的逸出功W,電子就會(huì)從金屬中逸出,1/2mvm是光電子逸出表面后所具有的最大動(dòng)能;光子能量hν小于W時(shí),電子不能逸出金屬表面,因而沒有光電效應(yīng)產(chǎn)生。能產(chǎn)生光電效應(yīng)的入射光最低頻率ν0,稱為光電效應(yīng)的截止(或極限)頻率。由方程(1)可得v0=W/h(2)不同的金屬材料有不同的逸出功,因而ν0也是不同的。利用光電管可以進(jìn)行研究光電效應(yīng)規(guī)律、測量普朗克常數(shù)的實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)原理可參考圖1。圖中K為光電管的陰極,A為陽極,微安表用于測量微小的光電流,電壓表用于測量光電管兩極間的電壓,E為電源,R提供的分壓可以改變光電管兩極間的電勢(shì)差。單色光照射到光電管的陰極K上產(chǎn)生光電效應(yīng)時(shí),逸出的光電子在電場的作用下由陰極向陽極運(yùn)動(dòng),并且在回路中形成光電流。當(dāng)陽極A電勢(shì)為正,陰極K電勢(shì)為負(fù)時(shí),光電子被加速。當(dāng)K電勢(shì)為正,A電勢(shì)為負(fù)時(shí),光電子被減速;而當(dāng)A、K之間的電勢(shì)差足夠大時(shí)，具有最大動(dòng)能的光電子也被反向電場所阻擋,光電流將實(shí)驗(yàn)儀實(shí)驗(yàn)儀12345671汞燈電源2汞燈3濾色片4光闌5光電管6基座7實(shí)驗(yàn)儀圖4儀器結(jié)構(gòu)示意圖圖4儀器結(jié)構(gòu)示意圖電流量程電流量程電壓調(diào)節(jié)電流調(diào)零電源AV電壓10-910-810-1310-1010-1110-12ZKY-GD-3普朗克常數(shù)測試儀-2+2-2+30開關(guān)-2--+30-2--+2圖圖5儀器前面板示意圖汞燈：可用譜線365.0nm、404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm濾色片：5片,透射波長365.0nm、404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm光闌：3片，直徑2mm、4mm、8mm光電管：光譜響應(yīng)范圍320-700nm，暗電流：I≤2×10-12A（-2V≤UAK≤光電管電源：2檔，－2—＋2V，－2—＋30V，三位半數(shù)顯，穩(wěn)定度≤0.1%微電流放大器：6檔，10-8—10-13A，分辨率10-14A，三位半數(shù)顯，穩(wěn)定度[實(shí)驗(yàn)內(nèi)容]（1）測試前準(zhǔn)備 把汞燈及光電管暗盒遮光蓋蓋上，將汞燈暗盒光輸出口對(duì)準(zhǔn)光電管暗盒光輸入口，調(diào)整光電管與汞燈距離L為約40cm并保持不變。用專用連接線將光電管暗盒電壓輸入端與測試儀電壓輸出端（后面板上）連接起來（紅—紅，藍(lán)—藍(lán)）。用屏蔽電纜將光電管暗盒電流輸出端K與測試儀微電流輸入端（后面板上）連接起來。將測試儀及汞燈電源接通，預(yù)熱20分鐘。將“電流量程”選擇開關(guān)置于所選檔位，儀器在充分預(yù)熱后，進(jìn)行測試前調(diào)零，旋轉(zhuǎn)“調(diào)零”旋鈕使電流指示為000.0。（2）測普朗克常數(shù)h將電壓選擇按鍵置于-2V—+2V檔；將“電流量程”選擇開關(guān)置于10-13A檔，將測試儀電流輸入電纜斷開，調(diào)零后重新接上；將直徑4mm從低到高調(diào)節(jié)電壓，用“零電流法”測量該波長對(duì)應(yīng)的截止電壓U0，并將數(shù)據(jù)記于表1中。按表1更換不同波長的濾光片，測量不同波長的光對(duì)應(yīng)的截止電壓U0。表1、U0—ν關(guān)系光闌孔Φ=mm電流量程：L=mm波長λi(nm)365.0404.7435.8546.1577.0頻率νi(×1014Hz)8.2147.4086.8795.4905.196截止電壓U0i(V) 利用表1中的數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上作U0—ν直線，由圖求出直線斜率k，根據(jù)斜率K用用h=ek求出普朗克常數(shù)h，并與h的公認(rèn)值hO比較，求出相對(duì)誤差×100%，式中，。（3）測光電管的伏安特性曲線=1\*GB3①光電管與汞燈距離L為約40cm并保持不變，將電壓選擇按鍵置于-2V—+30V檔，“電流量程”選擇開關(guān)置于10-10A檔，把測試儀電流輸入電纜斷開，調(diào)零后重新接上,將直徑4mm,的光闌及435.8nm的濾色片裝在光電管暗盒光輸入口上。從低到高調(diào)節(jié)電壓，記錄電流從零到非零點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓值作為第一組數(shù)據(jù)，以后電壓每變化一定值記錄一組數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)記于表2中。=2\*GB3②換上直徑2mm的光闌，“電流量程”選擇開關(guān)置于10-11A檔，把測試儀電流輸入電纜斷開，調(diào)零后重新接上,重復(fù)上述測量，并將數(shù)據(jù)記于表2中。用表2數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上作對(duì)應(yīng)于以上兩種光闌（兩種光強(qiáng)）的伏安特性曲線，對(duì)兩條曲線進(jìn)行比較分析。表1、I—UAK關(guān)系L=mm435.8nm光闌4UAK（V）I（×10-10435.8nm光闌2UAK（V）I（×10-11A[注意事項(xiàng)]1.微電流測量放大器必須充分預(yù)熱測量方能準(zhǔn)確。2.在儀器的使用過程中，汞燈不宜直接照射光電管，也不宜長時(shí)間連續(xù)照射加有光闌和濾光片的光電管，如此將減少光電管的使用壽命。為避免強(qiáng)光直射陰極縮短光電管壽命,更換濾色片時(shí)以及實(shí)驗(yàn)完畢后，用遮光罩蓋住光電管暗盒進(jìn)光窗。3.保持濾色片表面光潔,小心使用防止損壞。4.實(shí)驗(yàn)中應(yīng)減少雜散光的干擾。