光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的理論與實(shí)驗(yàn)

光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的理論與實(shí)驗(yàn)

1887年，英國(guó)發(fā)現(xiàn)了電子在一定條件下蒸發(fā)的光電效應(yīng)。1905年，愛(ài)因斯坦引入了光量子理論，這成功地解釋了光電效應(yīng)。這表明物理學(xué)從經(jīng)典物理向現(xiàn)代物理的轉(zhuǎn)變。光電效應(yīng)在過(guò)去的100年里被廣泛用于工業(yè)和軍事領(lǐng)域?，F(xiàn)在，高科技軍事產(chǎn)品之一的夜視儀是光電效應(yīng)應(yīng)用的典范。夜視器材在微弱的天光、星光對(duì)光電管陰極的照射下產(chǎn)生光電流,并將此微小的光電流進(jìn)行加速并多次轟擊多個(gè)陰極,使光電流得以放大,再將之轉(zhuǎn)化成光(可視圖像),從而成功地?cái)[脫了夜暗對(duì)作戰(zhàn)的種種限制.通過(guò)實(shí)驗(yàn)課可以了解光電效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理,熟悉光電效應(yīng)產(chǎn)生的條件、原理,對(duì)依此原理而制成的夜視器材的性能有深刻的理解,明了其優(yōu)、缺點(diǎn),為在將來(lái)高技術(shù)條件下的戰(zhàn)爭(zhēng)中使用和對(duì)付夜視器材打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ).1電子反向遏制能力測(cè)量光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)主要是測(cè)量普朗克常數(shù).實(shí)驗(yàn)中使用的光電效應(yīng)測(cè)試儀,主要由光電管、微電流測(cè)試儀、光源及濾色片四大部分構(gòu)成,如圖1為光電效應(yīng)測(cè)試儀的結(jié)構(gòu)示意圖,圖2為光電效應(yīng)電路原理圖.采用反向遏止電壓法進(jìn)行測(cè)量,其原理為:由愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程:hυ=12mv2+W(1)hυ=12mv2+W(1)其中:h為普朗克常數(shù),υ為光的頻率,1/2mv2為光子逸出的初動(dòng)能,W為金屬的逸出功.直接測(cè)量初動(dòng)能較困難,但可以通過(guò)對(duì)陰極加上高電位,陽(yáng)極自然成為低電位,從而遏止陰極電子飛向陽(yáng)極,調(diào)節(jié)兩極的電位差,使電位差恰好能阻止陰極電子飛達(dá)陽(yáng)極,此時(shí)的電勢(shì)能就等于電子的初動(dòng)能.即:e|Ua|=12mv2e|Ua|=12mv2其中:|Ua|為反為遏止電壓的絕對(duì)值.對(duì)不同頻率的光,得到不同的反向遏止電壓:hυi=e|Ua|+W(2)于是可以建立起頻率和反向遏止電壓之間的函數(shù)關(guān)系,從(2)式中可得:|Ua|i=heυi?We(3)|Ua|i=heυi-We(3)由式(3)中可知反向遏止電壓與光頻率是線性關(guān)系,于是可求出此直線的斜率h/e,由于電子的電量已知的,所以普朗克常數(shù)就可以用斜率與電子的電量乘積求得.實(shí)驗(yàn)中測(cè)量若干個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的反向遏止電壓,通過(guò)作圖求得斜率K=h/e.2影響測(cè)量精度的主要原因在實(shí)驗(yàn)中影響測(cè)量精度的主要原因有暗電流、反向電流和本底電流.2.1儀器的電流和速度暗電流是由于殼管漏電,在通電時(shí)沒(méi)有光照的條件下,微電流測(cè)量?jī)x的電流.本實(shí)驗(yàn)是采用華北水利水電學(xué)院生產(chǎn)的GD-1型光電效應(yīng)測(cè)示儀,其暗電流的量級(jí)是10-11的量級(jí),而儀器的精度是10-7的量級(jí),所以暗電流的影響可以忽略.2.2對(duì)光電流的影響反向電流是由于是熱電子發(fā)射,致使微電子測(cè)量?jī)x的電流不是完全由光電效應(yīng)產(chǎn)生的光電流.但在實(shí)驗(yàn)中當(dāng)達(dá)到光電效應(yīng)的飽和電流時(shí),隨著電壓(正向或反向)的增加,光電流的變化極微弱,即由于熱電子發(fā)射而引起的反向電流所帶來(lái)的誤差十分微小,并且在測(cè)量時(shí)反向遏止電壓最大也不超過(guò)2V,因此,影響可以不計(jì).2.3光電效應(yīng)電極材料的去除能力影響測(cè)量精度的主要原因是本底電流,本底電流產(chǎn)生的原因是由于加工工藝本身引起的,即在制造光電管時(shí),往陰極上噴涂光電效應(yīng)陰極材料時(shí),免不了要有一些陰極材料濺到陽(yáng)極上,而且無(wú)法去除.在進(jìn)行光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)時(shí),光照在光電管上,不僅陰極有電子逸出,同樣陽(yáng)極也會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)有電子逸出,測(cè)量飽和光電流時(shí),陰極上加的是低電位,陽(yáng)極是高電位,本底電流對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響不大.但是,用反向遏止電壓法測(cè)定普朗克常數(shù)時(shí),其影響就顯著地表現(xiàn)出來(lái)了.3反向阻止電壓的下降在測(cè)量反向遏止電壓時(shí),陰極是高電位,陽(yáng)極是低電位,恰好是陽(yáng)極上的陰極材料在光電效應(yīng)中的加速電場(chǎng),所產(chǎn)生的本底電流就是在加上反向電壓后總有0.2～0.4μA反向電流(隨頻率不同而異)的光電流的原因.實(shí)驗(yàn)得知隨著反向電壓增加到一定的值時(shí)(2V左右),這一電流呈飽和值不再增加,這正好應(yīng)驗(yàn)了光電效應(yīng)的規(guī)律之一:在一定的光照條件下發(fā)射的光電子數(shù)目是一定的,即所有陽(yáng)極光電子都到了陰極上形成光電流.同時(shí)也表明濺到陽(yáng)極上的陰極材料是微小的,并區(qū)別于暗電流和反向電流.也正是這一本底電流極大地干擾正常讀數(shù),使反向遏止電壓的測(cè)量值全體偏小,其原因是隨著反向遏止電壓的下降,當(dāng)電子從陰極由被遏制到能飛出并達(dá)到陽(yáng)極形成光電流,這一過(guò)程經(jīng)歷了由負(fù)到零再到正,當(dāng)光電流為零時(shí)對(duì)應(yīng)的反向電壓并不是反向遏止電壓的準(zhǔn)確值.由于本底電流的影響,在陰極電子向陽(yáng)極飛的時(shí)候,同時(shí)陽(yáng)極上也有少量電子在加速電壓的作用下飛向陰極,因此真正的反向遏止電壓應(yīng)當(dāng)是隨著反向電壓的下降,反向光電流脫離飽和區(qū)而開始變小的轉(zhuǎn)折點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的反向電壓值,而不是光電流所對(duì)應(yīng)的反向電壓值.在電流為零時(shí)由于本底電流的影響,此時(shí)的遏止電壓是在克服本底電流的作用后,即抵消了本底電流影響后的電壓,所以“真實(shí)”的反向遏止電壓一定是在光電流為零之前.實(shí)際測(cè)量中引入“圖形法”解決這個(gè)問(wèn)題,使得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理變得直觀、形象,從而達(dá)成對(duì)原理的透徹理解.如圖3為五條波長(zhǎng)(頻率)光照時(shí)的I—V曲線示意圖(實(shí)驗(yàn)時(shí)用坐標(biāo)紙精確描圖).從圖中可以明顯看到本底電流的影響,加上反向電壓時(shí),存在本底電流,且其飽和值與頻率有關(guān),當(dāng)頻率較小時(shí),該電流很小,只有0.1μA左右,當(dāng)頻率增加時(shí),該電流增長(zhǎng)很快,在頻率最大的λ3650濾色片時(shí),本底電流達(dá)0.4μA左右.這也是光電效應(yīng)的又一規(guī)律:對(duì)同一種材料,飽各光電流隨著入射光的頻率增加而增加,即光電流的大小與入射光的頻率成正比.從圖中可以很好地消除本底電流的影響,隨著反向電壓的下降,很容易確定曲線中反向光電流脫離飽和區(qū)而開始變小的“抬頭點(diǎn)”,從而讀出電流開始變化時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓值,即反向遏止電壓值.從圖3中可讀出反向遏止電壓值,并列于下表:例如:取λ1=5770·,λ5=3650·進(jìn)行計(jì)算,兩波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的頻率為5.20×1014Hz和8.22×1014Hz,求得斜率K為(1.75-0.52)/[(8.22-5.20)×1014],由此普朗克常數(shù)為h=K×e=6.52×10-34(JS),其理論值為6.63×10-34(JS),相對(duì)誤差為0.2%.可見(jiàn)此法很好地消除了本底電流的影響.4光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中用反向遏止電壓法測(cè)量普朗克常數(shù)原理的分析,討論了影響實(shí)驗(yàn)精