光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)講義

1、光電效應(yīng)法測(cè)定普朗克常數(shù)實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用背景介紹光電效應(yīng)是指一定頻率的光照射在金屬表面時(shí)會(huì)有電子從金屬表面逸出的 現(xiàn)象。1887年物理學(xué)家赫茲用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電磁波的存在時(shí)發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象，但是 這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象無(wú)法用當(dāng)時(shí)人們所熟知的電磁波理論加以解釋。1905年，愛因斯坦大膽地把普朗克在進(jìn)行黑體輻射研究過(guò)程中提出的輻射能 量不連續(xù)觀點(diǎn)應(yīng)用于光輻射，提出“光量子”概念，從而成功地解釋了光電效應(yīng) 現(xiàn)象。1916年密立根通過(guò)光電效應(yīng)對(duì)普朗克常數(shù)的精確測(cè)量，證實(shí)了愛因斯坦 方程的正確性，并精確地測(cè)出了普朗克常數(shù)。愛因斯坦與密立根都因光電效應(yīng)等 方面的杰出貢獻(xiàn)，分別于1921年和1923年獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)對(duì)

2、于認(rèn)識(shí)光的本質(zhì)及早期量子理論的發(fā)展，具有里程碑式的意 義。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光電效應(yīng)已廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防和許多科技領(lǐng) 域。利用光電效應(yīng)制成的光電器件，如光電管、光電池、光電倍增管等，已成為 生產(chǎn)和科研中不可缺少的器件。實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮徒虒W(xué)要求1、定性分析光電效應(yīng)規(guī)律，通過(guò)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步理解光的量子性;2、學(xué)習(xí)驗(yàn)證愛因斯坦光電方程的實(shí)驗(yàn)方法，并測(cè)定普M克常數(shù)h；3、進(jìn)一步練習(xí)利用線性回歸和作圖法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)原理光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示。入射光照射到光電管陰極K,產(chǎn)生的光 電子在電場(chǎng)的作用下向陽(yáng)極A遷移構(gòu)成光電流，改變外加電壓l；AK,測(cè)量出光電 流I的大小，即可得出光電管的伏安特

3、性曲線。圖1同一頻率，不同光強(qiáng)不同頻率時(shí)光電簣截止電壓U與入射光電效應(yīng)的基本實(shí)驗(yàn)事實(shí)如下:(1) 對(duì)應(yīng)于某一頻率，光電效應(yīng)的I-Uak關(guān)系如圖2所示。從圖中可見，對(duì)一 定的頻率，有一電壓U。,當(dāng)UakUo時(shí)，電流為零，這個(gè)相對(duì)于陰極的負(fù)值的陽(yáng)極 電壓U。，被稱為截止電壓。(2) 當(dāng)UakUo后，I迅速增加，然后趨于飽和，飽和光電流h的大小與入射 光的強(qiáng)度P成正比。(3) 對(duì)于不同頻率的光，其截止電壓的值不同，如圖3所示。(4) 截止電壓U。與頻率 的關(guān)系如圖4所示，U。與 成正比。當(dāng)入射光 頻率低于某極限值 。(0隨不同金屬而異)時(shí)，不論光的強(qiáng)度如何，照射時(shí) 間多長(zhǎng)，都沒(méi)有光電流產(chǎn)生。(5)

4、光電效應(yīng)是瞬時(shí)效應(yīng)。即使入射光的強(qiáng)度非常微弱，只要頻率大于 0, 在開始照射后立即有光電子產(chǎn)生，所經(jīng)過(guò)的時(shí)間至多為10，秒的數(shù)量級(jí)。按照愛W斯坦的光量子理論，光能并不像電磁波理論所想象的那樣，分布在 波陣面上，而是集中在被稱之為光子的微粒上，但這種微粒仍然保持著頻率(或 波長(zhǎng))的概念，頻率為 的光子具有能量E = h , h為普朗克常數(shù)。當(dāng)光子 照射到金屬表面上時(shí)，一次被金屬中的電子全部吸收，而無(wú)需積累能量的時(shí)間。 電子把這能量的一部分用來(lái)克服金屬表面對(duì)它的吸引力，余下的就變?yōu)殡娮与x開 金屬表面后的動(dòng)能，按照能量守恒原理，愛因斯坦提出了著名的光電效應(yīng)方程：(1)hv =+ A2 u式中，A為金

5、屬的逸出功，上加為光電子獲得的初始動(dòng)能。2山該式可見，入射到金屬表面的光頻率越窩，逸出的電子動(dòng)能越大，所以即 使陽(yáng)極電位比陰極電位低時(shí)也會(huì)有電子落入陽(yáng)極形成光電流，直至陽(yáng)極電位低于 截心電壓，光電流才為零，此時(shí)有關(guān)系：(2)eUo =inuy陽(yáng)極電位高于截止電壓后，隨著陽(yáng)極電位的升高，陽(yáng)極對(duì)陰極發(fā)射的電子的 收集作用越強(qiáng)，光電流隨之上升；當(dāng)陽(yáng)極電壓高到一定程度，已把陰極發(fā)射的光 電子兒乎全收集到陽(yáng)極，再增加Uak時(shí)I不再變化，光電流出現(xiàn)飽和，飽和光電 流h的大小與入射光的強(qiáng)度P成正比。光子的能量h oA時(shí)，電子不能脫離金屬，因而沒(méi)有光電流產(chǎn)生。產(chǎn)生光 電效應(yīng)的最低頻率(截止頻率)是0= A/h

6、o將(2)式代入(1)式可得：eUo = h A(3)此式表明截止電壓U。是頻率的線性函數(shù)，直線斜率k二h/e,只要用實(shí)驗(yàn)方法得出不同的頻率對(duì)應(yīng)的截止電壓，求出直線斜率，就可算出普M克常數(shù)h。愛因斯坦的光量子理論成功地解禪了光電效應(yīng)規(guī)律。四、實(shí)驗(yàn)儀器介紹光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀ZKY-GD-4山光電檢測(cè)裝置和實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)兩部分組成。光電 檢測(cè)裝置包括：光電管暗盒，高壓汞燈燈箱，高壓汞燈電源和實(shí)驗(yàn)基準(zhǔn)平臺(tái)。實(shí) 驗(yàn)主機(jī)為GD-4型光電效應(yīng)（普朗克常數(shù)）實(shí)驗(yàn)儀，該實(shí)驗(yàn)儀是山微電流放大器 和掃描電壓源發(fā)生器兩部分組成的整體儀器。儀器結(jié)構(gòu)如圖5所示。TI實(shí)驗(yàn)儀34561汞燈電源2汞燈3濾色片4光闌5光電管6基座團(tuán)5

7、 2器結(jié)構(gòu)潯實(shí)驗(yàn)儀有手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作模式，具有數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，存儲(chǔ)，實(shí)時(shí)顯示采 集數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)顯示采集曲線（連接普通示波器，可同時(shí)顯示5個(gè)存儲(chǔ)區(qū)中存儲(chǔ)的 曲線），及采集完成后查詢數(shù)據(jù)的功能。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和操作提示（1）測(cè)試前準(zhǔn)備：將實(shí)驗(yàn)儀及汞燈電源接通（汞燈及光電管暗盒遮光蓋蓋上），預(yù)熱20分鐘。 調(diào)整光電管與汞燈距離為約40cm并保持不變。用專用連接線將光電管暗箱電壓 輸入端與實(shí)驗(yàn)儀電壓輸出端（后面板上）連接起來(lái)（紅一紅，藍(lán)一藍(lán)）。務(wù)必反 復(fù)檢査，切勿連錯(cuò)?。ū緦?shí)驗(yàn)已連接好，請(qǐng)不要更改）將“電流量程”選擇開關(guān)置于所選檔位，進(jìn)行測(cè)試前調(diào)零。調(diào)零時(shí)應(yīng)將光電 管暗盒電流輸出端K與實(shí)驗(yàn)儀微電流輸入端（

8、后面板上）斷開，且必須斷開連線 的實(shí)驗(yàn)儀一端。旋轉(zhuǎn)“調(diào)零”旋鈕使電流指示為000.0。調(diào)節(jié)好后，用高頻匹 配電纜將電流輸入連接起來(lái)，按“調(diào)零確認(rèn)/系統(tǒng)清零”鍵，系統(tǒng)進(jìn)入測(cè)試狀態(tài)。若要?jiǎng)討B(tài)顯示采集曲線，需將實(shí)驗(yàn)儀的“信號(hào)輸出”端口接至示波器的“Y” 輸入端，“同步輸出”端口接至示波器的“外觸發(fā)”輸入端。示波器“觸發(fā)源” 開關(guān)撥至“外”，“Y衰減”旋鈕撥至約“IV/格”，“掃描時(shí)間”旋鈕撥至約“20 s/ 格”。此時(shí)示波器將用輪流掃描的方式顯示5個(gè)存儲(chǔ)區(qū)中存儲(chǔ)的曲線，橫軸代表 電壓Uak ,縱軸代表電流I。注意：實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，儀器暫不使用時(shí)，均須將汞燈和光電暗箱用遮光蓋蓋 上，使光電暗箱處于完全閉光

9、狀態(tài)。切忌汞燈直接照射光電管。（2）測(cè)普朗克常數(shù)h：測(cè)量截止電壓時(shí)，“伏安特性測(cè)試/截止電壓測(cè)試”狀態(tài)鍵應(yīng)為截止電壓測(cè)試 狀態(tài)，“電流量程”開關(guān)應(yīng)處于10檔。 手動(dòng)測(cè)量使“手動(dòng)/自動(dòng)”模式鍵處于手動(dòng)模式。將直徑4mm的光闌及365. Onin的濾 色片裝在光電管暗盒光輸入口上，打開汞燈遮光蓋。此時(shí)電壓表顯示Uak的值， 單位為伏；電流表顯示與對(duì)應(yīng)的電流值I,單位為所選擇的“電流量程”。用 電壓調(diào)節(jié)鍵T、1、T、丄可調(diào)節(jié)Uak的值，T、J鍵用于選擇調(diào)節(jié)位，T、I 鍵用于調(diào)節(jié)值的大小。從低到高調(diào)節(jié)電壓（絕對(duì)值減?。^察電流值的變化，尋找電流為零時(shí)對(duì) 應(yīng)的Uak,以其絕對(duì)值作為該波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的U。的值

10、，并將數(shù)據(jù)記于表1中。為盡快 找到U。的值，調(diào)節(jié)時(shí)應(yīng)從高位到低位，先確定高位的值，再順次往低位調(diào)節(jié)。依次換上404. 7 nm, 435. 8 nm, 546. Inm, 577. 0 nm的濾色片，重復(fù)以上測(cè) 量步驟。注意：1、先安裝光闌及濾光片后打開汞燈遮光蓋；2、更換濾光片時(shí)需蓋上汞燈遮光蓋。 自動(dòng)測(cè)量按“手動(dòng)/自動(dòng)”模式鍵切換到自動(dòng)模式。此時(shí)電流表左邊的指示燈閃爍， 表示系統(tǒng)處于自動(dòng)測(cè)量掃描范圍設(shè)置狀態(tài)，用電壓調(diào)節(jié)鍵可設(shè)置掃描起始和終止 電壓。（注：顯示區(qū)左邊設(shè)置起始電壓，右邊設(shè)置終止電壓）對(duì)各條譜線，建議掃描范M大致設(shè)置為：波長(zhǎng)365nm405nm436nm546nm577nra電壓

11、范用-1. 90 T. 60-1. 35-0. 80-0. 65-L 50V-1.20V-0. 95V-0. 40V-0. 25V實(shí)驗(yàn)儀設(shè)有個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，每個(gè)存儲(chǔ)區(qū)可存儲(chǔ)300組數(shù)據(jù)，山指示燈表示 其狀態(tài)。燈亮表示該存儲(chǔ)區(qū)已存有數(shù)據(jù)，燈不亮為空存儲(chǔ)區(qū)，燈閃爍表示系統(tǒng)預(yù) 選的或正在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)區(qū)。設(shè)置好掃描起始和終止電壓后，按動(dòng)相應(yīng)的存儲(chǔ)區(qū)按鍵，儀器將先清除存儲(chǔ) 區(qū)原有數(shù)據(jù)，等待約30秒，然后按4niV的步長(zhǎng)自動(dòng)掃描，并顯示、存儲(chǔ)相應(yīng)的 電壓、電流值。掃描完成后，儀器自動(dòng)進(jìn)入數(shù)據(jù)查詢狀態(tài)，此時(shí)查詢指示燈亮， 顯示區(qū)顯示掃描起始電壓和相應(yīng)的電流值。用電壓調(diào)節(jié)鍵改變電壓值，就可査閱 到在測(cè)試過(guò)程中

12、，掃描電壓為當(dāng)前顯示值時(shí)相應(yīng)的電流值。讀取電流為零時(shí)對(duì)應(yīng)AK ,以其絕對(duì)值作為該波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的IS的值，并將數(shù)據(jù)記于表1中。波長(zhǎng) X 1 (run)365.0404.7435. 8546. 1577.0頻率 vi(X10Hz)8.2147. 4086. 8795. 4905. 196截止電壓UOi（V）手動(dòng)自動(dòng)表1 Uo V關(guān)系光闌孔e=mm按“查詢”鍵，査詢指示燈滅，系統(tǒng)回復(fù)到掃描范設(shè)置狀態(tài)，可進(jìn)行下一 次測(cè)量。將儀器與示波器連接，可觀察到Uak為負(fù)值時(shí)各譜線在選定的掃描范H 內(nèi)的伏安特性曲線。注意：在自動(dòng)測(cè)量過(guò)程中或測(cè)量完成后，按“手動(dòng)/自動(dòng)”鍵，系統(tǒng)回復(fù)到 手動(dòng)測(cè)量模式，模式轉(zhuǎn)換前工作的存儲(chǔ)

13、區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)將被清除。（3）測(cè)光電管的伏安特性曲線：將“伏安特性測(cè)試/截止電壓測(cè)試”狀態(tài)鍵切換至伏安特性測(cè)試狀態(tài)?！半?流量程”開關(guān)應(yīng)撥至ICr A檔，并重新調(diào)零。將直徑dnirn的光闌及所選譜線的 濾色片裝在光電管暗盒光輸入口上。測(cè)伏安特性曲線選用“手動(dòng)”模式，測(cè)量的 最大范圍為050V,每隔5V記錄一組數(shù)據(jù)。本實(shí)驗(yàn)要求做、兩個(gè)內(nèi)容。 將儀器設(shè)置為手動(dòng)模式，測(cè)量3條譜線在同一光闌、同一距離下伏安飽和 特性曲線，記錄數(shù)據(jù)同表2形式。 將儀器設(shè)置為手動(dòng)模式，測(cè)量某條譜線在2、4光闌（即不同光通量）、 同一距離下的伏安飽和特性曲，記錄數(shù)據(jù)同表2形式。山此可驗(yàn)證光電管飽和光電流與入射光成正比。表2 I

14、Uak關(guān)系Uak (V)I (XICTA)Uak (V)I (XIOD選做內(nèi)容：當(dāng)Uak為50V時(shí)，將儀器設(shè)置為手動(dòng)模式，測(cè)量并記錄對(duì)同一譜 線、同一光闌時(shí)，光電管與入射光在不同距離，如300mm、400mm等對(duì)應(yīng)的電流值于表3中，同樣驗(yàn)證光電管的飽和電流與入射 光強(qiáng)成正比。入射距離LI (XIODnme= mm表 3 ImP 關(guān)系UAK = V六、數(shù)據(jù)處理要求1、將不同頻率下的截止電壓Uo描繪在坐標(biāo)紙上，即作dl Uo- V曲線，從而 驗(yàn)證愛因斯坦方程。2、用作圖法求出U。- V直線的斜率k,利用h = ek求出普朗克常數(shù)，并算出所測(cè)值與公認(rèn)值之間的相對(duì)誤差。(e = l602xl079C)3、4、利用線性回歸法計(jì)算普IM克常數(shù)h,將結(jié)果與作圖法求出結(jié)果進(jìn)行比較。 利用表2中的數(shù)據(jù)，作出對(duì)應(yīng)于不同頻率及光強(qiáng)的伏安特性曲線。七、思考及課堂討論題 經(jīng)典的光波動(dòng)理論在哪些方面不能解釋光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果？ 光電效應(yīng)有哪