光電效應(yīng)測普朗克常數(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告要點(diǎn)

1、綜合、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績實(shí)驗(yàn)題目光電效應(yīng)測普朗克常數(shù)、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、通過實(shí)驗(yàn)深刻理解愛因斯坦的光電效應(yīng)理論，了解光電效應(yīng)的基本規(guī)律;2、 掌握用光電管進(jìn)行光電效應(yīng)研究的方法；3、 學(xué)習(xí)對(duì)光電管伏安特性曲線的處理方法，并用以測定普朗克常數(shù)。、儀器用具ZKYGD-3光電效應(yīng)測試儀、汞燈及電源、濾色片（五個(gè)）、光闌（兩個(gè)）、光電管、測試儀四、實(shí)驗(yàn)原理1、光電效應(yīng)與愛因斯坦方程用合適頻率的光照射在某些金屬表面上時(shí)， 會(huì)有電子從金屬表面逸出，這種現(xiàn)象叫做光電效應(yīng), 從金屬表面逸出的電子叫光電子。 為了解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象， 愛因斯坦提出了“光量子”的概念， 認(rèn) 為對(duì)于頻率為#的光波，每個(gè)光子的能量為式中，曲為

2、普朗克常數(shù)，它的公認(rèn)值是 曲=6.626 xlCT卻八5 0按照愛因斯坦的理論，光電效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是當(dāng)光子和電子相碰撞時(shí)， 光子把全部能量傳遞給電子, 電子所獲得的能量，一部分用來克服金屬表面對(duì)它的約束，其余的能量則成為該光電子逸出金屬表 面后的動(dòng)能。愛因斯坦提出了著名的光電方程：式中， 為入射光的頻率，m為電子的質(zhì)量，v為光電子逸出金屬表面的初速度， 挪為被光線12-mv照射的金屬材料的逸出功，2為從金屬逸出的光電子的最大初動(dòng)能。年級(jí)*學(xué)號(hào)*姓名*時(shí)間*由（1）式可見，入射到金屬表面的光頻率越高，逸出的電子動(dòng)能必然也越大，所以即使陰極不加電壓也會(huì)有光電子落入陽極而形成光電流，甚至陽極電位比陰極電

3、位低時(shí)也會(huì)有光電子落到陽極，直至陽極電位低于某一數(shù)值時(shí)， 所有光電子都不能到達(dá)陽極，光電流才為零。這個(gè)相對(duì)于陰極為負(fù)值的陽極電位U 0 0被稱為光電效應(yīng)的截止電壓。 顯然，有1 1T UR mv= 0 Q 2代入（1）式，即有曲卩=總4十!F由上式可知，若光電子能量h W，則不能產(chǎn)生光電子。產(chǎn)生光電效應(yīng)的最低頻率是通常稱為光電效應(yīng)的截止頻率。不同材料有不同的逸出功，因而0 0也不同。由于光的強(qiáng)弱決定于光量子的數(shù)量，所以光電流與入射光的強(qiáng)度成正比。 又因?yàn)橐粋€(gè)電子只能吸收一個(gè)光子的能量， 所%業(yè)上厶 r)e e 0 0式（5）求出普朗克常數(shù)h。其中夕二1.0燈0（7是電子的電量。U0-V直線2、

4、光電效應(yīng)的伏安特性曲線下圖是利用光電管進(jìn)行光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的原理圖。頻率為O、強(qiáng)度為戸的光線照射到光電管陰極上，即有光電子從陰極逸出。如在陰極K和陽極A之間加正向電壓UAK，它使K A之間建立起的電場對(duì)從光電管陰極逸出的光電子起加速作用，隨著電壓UAK的增加，至y達(dá)陽極的光電子將逐漸增 多。當(dāng)正向電壓九增加到Um m時(shí)，光電流達(dá)到最大，不再增加，此時(shí)即稱為飽和狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的光 電流即稱為飽和光電流。光電效應(yīng)原理圖由于光電子從陰極表面逸出時(shí)具有一定的初速度，所以當(dāng)兩極間電位差為零時(shí)，仍有光電流I存在，若在兩極間施加一反向電壓，光電流隨之減少；當(dāng)反向電壓達(dá)到截止電壓時(shí)，光電流為零。愛因斯坦方程是在同種金

5、屬做陰極和陽極，且陽極很小的理想狀態(tài)下導(dǎo)出的。實(shí)際上做陰極的 金屬逸出功比作陽極的金屬逸出功小，所以實(shí)驗(yàn)中存在著如下問題：(2)以光電子獲得的能量與光強(qiáng)無關(guān)，只與光子的頻率成正比，將（3）式改寫為上式表明，截止電壓Uo是入射光頻率的線性函數(shù)，如圖2，當(dāng)入射光的頻率0 0時(shí)，截止電壓Uo0，沒有光電子逸出。圖中的直線的斜率he是一個(gè)正的常數(shù):(5)由此可見，只要用實(shí)驗(yàn)方法作出不同頻率下的U0 0曲線，并求出此曲線的斜率，就可以通過(1)暗電流和本底電流存在， 可利用此，測出截止電壓(補(bǔ)償法)。(2) 陽極電流。制作光電管陰極時(shí)，陽極上也會(huì)被濺射有陰極材料，所以光入射到陽極上或由陰極反射到陽極上，

6、陽極上也有光電子發(fā)射，就形成陽極電流。由于它們的存在，使得IU曲線較理論曲線下移，如下圖所示。伏安特性曲線五、實(shí)驗(yàn)步驟1、調(diào)整儀器(1)連接儀器；接好電源，打開電源開關(guān)，充分預(yù)熱(不少于20分鐘)。(2)在測量電路連接完畢后，沒有給測量信號(hào)時(shí)，旋轉(zhuǎn)“調(diào)零”旋鈕調(diào)零。每換一次量程，必 須重新調(diào)零。(3)取下暗盒光窗口遮光罩，換上365.0nm濾光片，取下汞燈出光窗口的遮光罩，裝好遮光筒, 調(diào)節(jié)好暗盒與汞燈距離。2、測量普朗克常數(shù)h(1) 將電壓選擇按鍵開關(guān)置于+2V檔，將“電流量程”選擇開關(guān)置于1檔。 儀電流輸入電纜斷開， 調(diào)零后重新接上。(2)(3)(4)測量三組數(shù)據(jù)你，然后對(duì)h取平均值。3、

7、測量光電管的伏安特性曲線(1)暗盒光窗口裝365.0nm濾光片和4mn光闌，緩慢調(diào)節(jié)電壓旋鈕，令電壓輸出值緩慢由增加到30V,每隔1V記一個(gè)電流值。但注意在電流值為零處記下截止電壓值.(2)在暗盒光窗口上換上404.7nm濾光片，仍用4mm勺光闌，重復(fù)步驟(1)。(3)選擇合適的坐標(biāo)，分別作出兩種光闌下的光電管伏安特性曲線U-1。實(shí)驗(yàn)記錄與處理1、零電流法測普朗克常量h(光闌=2mm)波長入(nm365405436546577頻率V ( X1014HZ)8.2147.4086.8795.4905.196截止電第一次1.7161.3681.1730.6200.492壓U0(V)第二次1.7121

8、.3981.1790.6150.491第三次1.7001.3901,1650.6180.485將測試將直徑為4mm勺光闌和365.0nm的濾色片裝在光電管電暗箱輸入口上。 從高到低調(diào)節(jié)電壓，用“零電流法”測量該波長對(duì)應(yīng)的Uo，并數(shù)據(jù)記錄。依次換上404.7nm、435.8nm 546.1 nm、577.0nm的濾色片，重復(fù)步驟(1)、(2)0V伏八、第一次測量結(jié)果及處理：第二次測量結(jié)果及處理：第三次測量結(jié)果及處理：2、補(bǔ)償法測普朗克常量h波長入（nm）365405436546577頻率V ( X 1014HZ)8.2147.4086.8795.4905.196截止電壓U0（V）1.7241.4

9、081.1830.6240.5043、測量光電管的伏安特性曲線（波長入=436nm光闌=2mmU (V)I (X 101111A)U (V)I (X 101111A)U (V)I (X 101111A)-2-0.2944.32071.9-10.41048.02173.704.21151.42275.1111.11254.92376.6217.81357.92477.8324.01460.32579.6426.91562.52681.4530.11664.52782.5633.51766.52882.8737.01868.32983.4840.81969.93085.2七、誤差計(jì)算由上面圖表，零

10、電流法三次測量的結(jié)果誤差依次為:E=-2.93% E=-1.99%E=-2.85%補(bǔ)償法測量的結(jié)果誤差為:E=-2.05%八、實(shí)驗(yàn)分析討論本實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用不同的方法都測出了普朗克常數(shù)，但都有一定的實(shí)驗(yàn)誤差，據(jù)分析誤差產(chǎn)生原因是：1、暗電流的影響，暗電流是光電管沒有受到光照射時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生電流，它是由于熱電子發(fā)射、和光電管管殼漏電等原因造成；2、 本底電流的影響，本底電流是由于室內(nèi)的各種漫反射光線射入光電管所致，它們均使光電流 不可能降為零 且隨電壓的變化而變化。3、光電管制作時(shí)產(chǎn)生的影響：（1）、由于制作光電管時(shí)，陽極上也往往濺射有陰極材料，所以當(dāng)入射光射到陽極上或由陰極漫反射到陽極上時(shí)，陽極也有光

11、電子發(fā)射，當(dāng)陽極加負(fù)電位、陰極加正電位時(shí)，對(duì)陰極發(fā)射的光電子起了減速的作用，而對(duì)陽極的電子卻起了加速的作用，所以IU關(guān)系曲線就和IKA、UKA曲線圖所示。為了精確地確定截止電壓US就必須去掉暗電流和反向電 流的影響。以使由1=0時(shí)位置來確定截止電壓US的大小；制作上的其他誤差。4、 實(shí)驗(yàn)者自身的影響：（1）從不同頻率的伏安特性曲線讀到的“抬頭電壓”（截止電壓）， 不同人讀得的不一樣，經(jīng)過處理后的到U s_ v曲線也不一樣，測出的數(shù)值就不一樣；（2）調(diào)零時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)誤差，及在測量時(shí)恐怕也會(huì)使原來調(diào)零的系統(tǒng)不再準(zhǔn)確。5、參考值本身就具有一定的精確度，本身就有一定的誤差。&理論本身就有一定的誤差，

12、例如，1963年Ready等人用激光作光電發(fā)射實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了與 愛因斯坦方程偏離的奇異光電發(fā)射。1968年Teich和Wolga用GaAs激光器發(fā)射的h =1.48eV的光子照射逸出功為A=2.3eV的鈉金屬時(shí)，發(fā)現(xiàn)光電流與光強(qiáng)的平方成正比。 按愛因斯坦方程，光子的 頻率處于鈉的閥頻率以下，不會(huì)有光電子發(fā)射，然而新現(xiàn)象卻發(fā)生了，不但有光電子發(fā)射， 電流不是與光強(qiáng)成正比，而是與光強(qiáng)的平方成正比。于是，人們?cè)O(shè)想光子間進(jìn)行了“合作”， 光子同時(shí)被電子吸收得以躍過表面能壘，稱為雙光子光電發(fā)射。后來， 進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明，可以三 個(gè)、多個(gè)、甚至40個(gè)光子同時(shí)被電子吸收而發(fā)射光電子，稱為多光子光電發(fā)射。人們

13、推斷，n光 子的光電發(fā)射過程的光電流似乎應(yīng)與光強(qiáng)的n次方成正比。九、 附錄1.光電效應(yīng)歷史光電效應(yīng)由德國物理學(xué)家赫茲于1887年發(fā)現(xiàn)，對(duì)發(fā)展量子理論起了根本性作用。1887年，首先是赫茲(M.Hertz)在證明波動(dòng)理論實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)時(shí)，赫茲發(fā)現(xiàn)，兩個(gè) 鋅質(zhì)小球之一用紫外線照射，則在兩個(gè)小球之間就非常容易跳過電花。大約1900年， 馬克思?布蘭科(MaxPlanck)對(duì)光電效應(yīng)作出最初解釋，并引出了光具有的能 量包裹式能量(quantised)這一理論。 他給這一理論歸咎成一個(gè)等式，也就是E=hf，E就是 光所具有的“包裹式”能量，h是一個(gè)常數(shù)，統(tǒng)稱布蘭科常數(shù)(Plancks consta

14、nt)， 而f就 是光源的頻率。 也就是說，光能的強(qiáng)弱是有其頻率而決定的。但就是布蘭科自己對(duì)于光線是包裹 式的說法也不太肯定。1902年，勒納(Lenard)也對(duì)其進(jìn)行了研究，指出光電效應(yīng)是金屬中的電子吸收了入射光的能 量而從表面逸出的現(xiàn)象。但無法根據(jù)當(dāng)時(shí)的理論加以解釋 ；1905年，愛因斯坦26歲時(shí)提出光子假設(shè)，成功解釋了光電效應(yīng)，因此獲得1921年諾貝爾物理獎(jiǎng)。他進(jìn)一步推廣了布蘭科的理論，并導(dǎo)出公式，Ek=hf-W, W便是所需將電子從金屬表面上自由化的能量。而Ek呢就是電子自由后具有的勢(shì)能。2.測量普朗克常量h的其他方法1、2光電效應(yīng)法(補(bǔ)償法、零電流法、拐點(diǎn)法)2、X射線光電效應(yīng)法3、X射線原子游離法4、 黑體輻射計(jì)算法5、 電子衍射法6、 康普頓波長移位法7、X射線連續(xù)譜短波限法8、 電子-正電子對(duì)湮沒輻射法9、1962年由約瑟夫森提出的測定2 e/ h的交流約瑟夫森效應(yīng)法10、由馮克利冃于1980年發(fā)現(xiàn)的量子霍爾效應(yīng),測定h/ e2的量子霍爾效應(yīng)法11、由英國國家物理實(shí)驗(yàn)室的基布爾等人于1990年采用的直接測定h的通電動(dòng)圈法12、用磁化率測量普朗克常量(基于測量弱磁物質(zhì)磁化率的基本原理,使用大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)用的( Gouy)磁天平)3 光電管為什么要裝在暗盒中的原因 光電管裝在暗盒中一方面是防止光照射陰極