[整理]光電效應(yīng)測(cè)普朗克常數(shù)實(shí)驗(yàn)講義

1、光電效應(yīng)測(cè)普朗克常數(shù)實(shí)驗(yàn)講義引言1887年H.赫茲發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)，此后許多物理學(xué)家對(duì)光電效應(yīng)作了深入的研 究，總結(jié)出光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。1905年愛因斯坦提出“光量子”假說，圓滿 地解釋了光電效應(yīng)，并給出了光電方程。密立根用了十年的時(shí)間對(duì)光效應(yīng)作進(jìn)行 定量的實(shí)驗(yàn)研究，證實(shí)了愛因斯坦光電方程的正確性，并精確測(cè)量出了普朗克常 數(shù)h。愛因斯坦和密立根因光電效應(yīng)等方面的杰出貢獻(xiàn)，分別于 1921年和1923 年獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)。利用光電效應(yīng)已制成光電管、光電倍增管等光電器件，在科學(xué)技術(shù)中得到廣 泛應(yīng)用。參考資料1 B.凱格納克等著，近代原子物理學(xué)（上冊(cè)），科學(xué)出版社，1980。2 A.M.波蒂斯、H.B

2、楊著，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)（伯克利物理實(shí)驗(yàn)），科學(xué)出版社， 1982。3 H.F邁納斯等著，惲瑛等譯，普通物理實(shí)驗(yàn)，科學(xué)出版社，1987。4 史玖德編著，光電管與光電倍增管，國(guó)防工業(yè)出版社，1981。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解光電效應(yīng)及其規(guī)律，理解愛因斯坦光電方程的物理意義。2、用減速電位測(cè)量光電子初動(dòng)能，求普朗克常數(shù)。實(shí)驗(yàn)原理1. 光電效應(yīng)金屬在光的照射下釋放出電子的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)。根據(jù)愛因斯坦的“光量子概念”，每一個(gè)光子具有能量-,當(dāng)光照射到金屬上時(shí)，其能量被電子吸收，一部分耗于電子的逸 出功魁;，另一部分轉(zhuǎn)換為電子逸出金屬表面后的動(dòng)能。由能量守恒定律得 hv二如1? +憶（2.2-1）1-3F£

3、;此式稱為愛因斯坦光電方程。式中h為普朗克常數(shù)，為入射光的頻率，m為電 子質(zhì)量，為電子的最大速度，上式右邊第一項(xiàng)為電子最大初動(dòng)能。用光電方程 圓滿解釋了光電效應(yīng)的基本實(shí)驗(yàn)事實(shí)：電子的初動(dòng)能與入射光頻率呈線性關(guān)系，與入射光的強(qiáng)度無關(guān)。任何金屬都存在一截止頻率I，, 一 ' ,:又稱紅限，當(dāng)入射光的頻率小于 I時(shí)，不論光的強(qiáng)度如何，都不產(chǎn)生光電效應(yīng)。此外，光電流大?。措娮訑?shù)目）只決定于 光的強(qiáng)度。2. 驗(yàn)證愛因斯坦光電方程，求普朗克常數(shù)本實(shí)驗(yàn)采用“減速電位法”決定電子的最大初動(dòng)能，并由此求出普朗克常數(shù) h。實(shí)驗(yàn)原理如圖2.2-1所示。圖中K為光電管陰極，A為陽極。當(dāng)頻率為v的單色光入射到

4、光電管陰極上時(shí)，電子從陰極逸出，向陽極運(yùn)動(dòng)，形成電流。當(dāng)二二為正值時(shí)，U：h越大，光電流：酥越大，當(dāng)電壓1鵡達(dá)到一定值時(shí)，光電流飽和，如圖2.2-2中虛線所示。若達(dá)到某一負(fù)值一時(shí)，光電流為零，_ 稱為遏止電位或截止電壓。這是因?yàn)閺年帢O逸出的具有最大初動(dòng)能的電子不能穿 過反向電場(chǎng)到達(dá)陽極，即陰扱電更實(shí)測(cè)電飯陽極電直二 7二（2.2-2）耳 2將（2.2-2）代入（2.2-1）式得hv = e|UB| + WB當(dāng)用不同頻率的單色光照射時(shí)，有h班=収+嘰hv2 =611）1 +W,聯(lián)立其中任意兩個(gè)方程，得h二伽-唧Vj-Vj由此可見，愛因斯坦光電方程提供了一種測(cè) 量普朗克常數(shù)的方法，如果從實(shí)驗(yàn)所得的

5、匸辱(2.2-3)關(guān)系是一條直線（如圖2.2-3），其斜率k=h/e,e為電子電荷，由此可求出常數(shù) h。這也就證實(shí)了光電方程的正確性。3. 光電管的實(shí)際U-I特性曲線由于下述原因光電管的實(shí)測(cè) U-I特性曲線如圖2.2-2中實(shí)線所示，光電流沒有一 個(gè)銳截止點(diǎn)。（1）在光電管制造過程中，有些光陰極物質(zhì)濺射到陽級(jí)上，受光照射（包括漫反射光）時(shí)，陽極也會(huì)發(fā)射光電子，使光電管極間出現(xiàn)反向電流（陽極電流）。（2）無光照射時(shí)，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面的漏電造成 的。 陽極和陰極材料不同引起的接觸電位差。4、遏止電位的確定

6、由于上述原因使遏止電位_的確定帶有很大的任意性。實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)根據(jù)光電管 的不同結(jié)構(gòu)與性能，采用不同方法確定一。（1）陰極是平面電極、陽極做成大環(huán)形可加熱結(jié)構(gòu)的光電管（如國(guó)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(diǎn)可近似 當(dāng)作遏止電壓，這種方法稱為“交點(diǎn)法”。（2）陰極為球殼形、陽極為半徑比陰極小得我的同心小球的光電管（如GD-4開 型），反向電流容易飽和，可以把反向電流進(jìn)入飽和時(shí)的拐點(diǎn)（圖 2.2-2中）電 壓近似作為遏止電位，這種方法叫做“拐點(diǎn)法”。不過，不論采用什么方法，均在不同程度不同上引起系統(tǒng)誤差，使測(cè)量h的誤差較大。實(shí)驗(yàn)儀器 本實(shí)驗(yàn)采用 部分：G

7、D-IV型微機(jī)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀，其原理框圖如圖2.2-4所示。包括四幟電流測(cè)氏效大圖2.2-4實(shí)驗(yàn)儀器原理框圖1. 光源。用高壓汞燈，燈泡先用 GGQ-50WHg型，光譜范圍在302.3872.0nm 之間。2. 光電管。采用GDh-1型光電管，陽極為鎳圈，陰極為銀-氧-鉀（Ag-0-K,光譜 范圍為340700nm。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。暗盒面板如圖2.2-5所示。3. 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、435.8、546.1、577.0nm 譜線的 能力。4. 微電流

8、測(cè)量放大器。電流測(cè)量范圍 述廠；? 蝕型A,分6檔，十進(jìn)變換，微電流指示用3位 半數(shù)字電流表，讀數(shù)精度分0.1卩A（用于調(diào)零和 校準(zhǔn)）和1卩A（用于測(cè)量）兩檔。機(jī)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(dòng)調(diào)節(jié)電壓，掃描用于記錄儀或微機(jī)自動(dòng)測(cè)量時(shí)，自動(dòng)改變電壓。直流電壓輸出 0±3V,周圖2.2-5光電管暗盒面板期50s。微電流測(cè)量放大器面板和后面板分別如圖2.2-6和圖2.2-7所示。1. 電流調(diào)節(jié)開關(guān)2.微電流指示3.調(diào)零4.校準(zhǔn)5. 調(diào)零校準(zhǔn)與測(cè)量轉(zhuǎn)換開關(guān)6.電壓指示7.電壓調(diào)節(jié)8.電壓選擇開關(guān)圖2.2-6微電流測(cè)量放大器面板示意圖999991. 電壓輸出 2.PC-

9、XY接口輸出 3.電流輸入 4.X 輸出5.Y輸出6. 電源開關(guān)7.電源插座圖2.2-7微電流測(cè)量放大器后面板示意圖實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 手動(dòng)測(cè)量光電管的U-I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(cè)量放大器電源， 預(yù)熱1020分鐘，進(jìn)行微電流測(cè)量放大器的調(diào)零和校準(zhǔn)。方法是：“校準(zhǔn)、調(diào)零、 測(cè)量”開關(guān)置于“調(diào)零校準(zhǔn)”檔，置“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

10、陰級(jí)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面板的“電壓輸出”插座上。點(diǎn)亮汞燈。(3) 測(cè)量光電管的暗電流.用遮光罩蓋住光電管暗盒窗口 ，將“調(diào)零、校準(zhǔn)、測(cè) 量”開關(guān)置于“測(cè)量”，測(cè)量放大器的電壓選擇置于“直流”，電流調(diào)節(jié)置廠廠或 代泮，旋動(dòng)“電壓調(diào)節(jié)”旋鈕，讀出-3+3V間若干電壓下相應(yīng)的電流值，即光 電管暗電流。(4) 測(cè)不同波長(zhǎng)的單色光照射時(shí)光電管的 U-I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(gè)濾色片，測(cè)出不同波長(zhǎng)下的 U-I曲線，在電流變化明顯的地方多 測(cè)幾點(diǎn)，以便準(zhǔn)確定出.02.

11、用X-Y函數(shù)記錄儀自動(dòng)描繪U-I特性曲線。將記錄儀的X、丫輸入分別與微電流放大器后面板上的 X、丫輸出相連，將“ X 量程”置100mV/cm “Y量程”置1mV/cm保持手動(dòng)測(cè)試時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件，每換上 一個(gè)濾色片后，將放大器的“電壓選擇”開關(guān)置“掃描”，自動(dòng)描繪U-I特性曲 線。自動(dòng)記錄時(shí)必須密切注視記錄筆的移動(dòng)情況，及時(shí)關(guān)掉“丫輸入”開關(guān)或者令記錄筆抬起，以免記錄儀過載。3. 用微機(jī)測(cè)繪U-I特性曲線，并求普朗克常數(shù)。、(1)在微機(jī)的ISA總線插槽上插入PC-X丫接口卡，安裝電腦X-Y記錄儀軟件和光 電效應(yīng)測(cè)普朗克常數(shù)軟件。 用多芯接口電纜將測(cè)量放大器后面板 PX-XY接口輸出與微機(jī)PC-X

12、Y接口卡相 連。(3) 參照GD-IV微機(jī)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀使用說明書附錄進(jìn)行 X、Y調(diào)零，用電腦X-Y 記錄儀軟件采集5種波長(zhǎng)下的U-I特性曲線存成數(shù)拓文件(.XYD)。(4) 用光電效應(yīng)測(cè)普朗克常數(shù)分析軟件，測(cè)量普朗克常數(shù)，并計(jì)算實(shí)驗(yàn)誤差(相 對(duì)h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。注意事項(xiàng)1微機(jī)PC-X丫接口卡上一定不要接其他外設(shè)，否則會(huì)損壞主機(jī)和外設(shè)。2. 汞燈熄掉后要等幾分鐘才能再點(diǎn)燃，所以一般不要輕易關(guān)汞燈。數(shù)據(jù)處理1. 手動(dòng)測(cè)量的數(shù)據(jù)處理(1) 在同一張坐標(biāo)線上，作不同波長(zhǎng)的單色光照射時(shí)的 U-I特性曲線，確定.對(duì) 應(yīng)的一。(2) 作一-|圖線。若為直線，則愛因斯坦方程得到驗(yàn)證。(3) 同_- |圖線的斜率求出普朗克常數(shù)h。并與h的公認(rèn)值比較，估計(jì)h的測(cè) 口 辛.量誤。2. 自動(dòng)描繪的數(shù)據(jù)處理在描繪的U-I特性曲線上作出縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)軸線，并確定 對(duì)應(yīng)的_，仿 照上述數(shù)據(jù)處理方法，求出h以及相對(duì)公認(rèn)值的誤差。如僅憑作圖法所得結(jié)果精確度不高，可用最小二乘法處理數(shù)據(jù)，求出ho*選做項(xiàng)目 測(cè)定光電管的光電特性曲線，即飽和光電流和照射光強(qiáng)度的關(guān) 系。這時(shí)選用的陽極電壓應(yīng)大于飽和電壓， 采用某種波長(zhǎng)的單色光，改變光源與 光