光電效應(yīng)實驗報告

1、光電效應(yīng)【實驗目的】(1)了解光電效應(yīng)的規(guī)律，加深對光的量子性的認識。(2)測量普朗克常量h?！緦嶒瀮x器】ZKY-GD-4光電效應(yīng)實驗儀，其組成為：微電流放大器，光電管工作電源，光電管，濾色片， 汞燈。如下圖所示?！緦嶒炘怼抗怆娦?yīng)的實驗原理如圖1所示。入射光照射到光電管陰極K上，產(chǎn)生的光電子在電場 的作用下向陽極A遷移構(gòu)成光電流，改變外加電壓 ，測量出光電流I的大小，即可得出光 電管的伏安特性曲線。光電效應(yīng)的基本實驗事實如下：有一電壓U0,當時，電流為零，這個相對于陰極的負值的陽極電壓U0,被稱為截止電壓。(2)當0稠仝5)后，|迅速增加，然后趨于飽和，飽和光電流IM的大小與入射光的強度P

2、成正比。(3)對于不同頻率的光，其截止電壓的值不同，如圖3所示。(4)截止電壓UC與頻率的關(guān)系如圖4所示，與成正比。當入射光頻率低于某極 吟bfJ限值 (隨不同金屬而異)時，不論光的強度如何，照射時間多長，都沒有光電流產(chǎn)生。(5)光電效應(yīng)是瞬時效應(yīng)。即使入射光的強度非常微弱，只要頻率大于，在開始照射后立即有光電子產(chǎn)生，所經(jīng)過的時間至多為1秒的數(shù)量級。(1)對應(yīng)于某一頻率，光電效應(yīng)的I-關(guān)系如圖2所示。從圖中可見，對一定的頻率,實驗原理圖特性曲線按照愛因斯坦的光量子理論，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）的概念，頻

3、率為的光子具有能量E = h ”，h為普朗克常數(shù)。當光子照射到金屬表面上時，一次被金屬中的電子全部吸收，而無需積累能量的時間。電子把這能量的一部分用來克服金屬表面對它的 吸引力，余下的就變?yōu)殡娮与x開金屬表面后的動能，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)由該式可見，入射到金屬表面的光頻率越高， 逸出的電子動能越大， 所以即使陽極電位 比陰極電位低時也會有電子落入陽極形成光電流， 直至陽極電位低于截止電壓， 光電流才為 零，此時有關(guān)系：式中，A為金屬的逸出功,為光電子獲得的初始動能。2e 垢=-mv （2）陽極電位高于截止電壓后，隨著陽極電位的升高，陽極對陰極發(fā)射的電子的

4、 收集作用越強，光電流隨之上升；當陽極電壓高到一定程度，已把陰極發(fā)射的光 電子幾乎全收集到陽極，再增加時 I 不再變化，光電流出現(xiàn)飽和，飽和光電流 的大小與入射光的強度 P 成正比。光子的能量A 時，電子不能脫離金屬，因而沒有光電流產(chǎn)生。產(chǎn)生光電效應(yīng)的最低頻率（截止頻率）是=Alh。將式代入式可得:(3)此式表明截止電壓是頻率創(chuàng)的線性函數(shù)，直線斜率 k = hle，只要用實驗方法得出不同的頻率對應(yīng)的截止電壓，求出直線斜率，就可算出普朗克常數(shù) h0愛因斯坦的光量子理論成功地解釋了光電效應(yīng)規(guī)律?！緦嶒灢襟E】1、 測試前準備1）將實驗儀及汞燈電源接通（汞燈及光電管暗盒遮光蓋蓋上），預熱20mino2

5、）調(diào)整光電管與汞燈距離為約40cm并保持不變。3）用專用連接線將光電管暗箱電壓輸入端與實驗儀電壓輸出端（后面板上）連接起來 （紅一紅，藍一藍）。4） 將“電流量程”選擇開關(guān)置于所選檔位，進行測試前調(diào)零。調(diào)零時應(yīng)將光電管暗盒 電流輸出端K與實驗儀微電流輸入端（后面板上）斷開，且必須斷開連線的實驗儀一端。旋轉(zhuǎn)“調(diào)零”旋鈕使電流指示為000.0。5） 調(diào)節(jié)好后，用高頻匹配電纜將電流輸入連接起來，按“調(diào)零確認/系統(tǒng)清零”鍵，系 統(tǒng)進入測試狀態(tài)。如果要動態(tài)顯示采集曲線， 需將實驗儀的“信號輸出”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”，“

6、Y衰減”旋鈕撥至約“1V/格”，“掃描時間”旋鈕撥至約“20卩s/格”。此時示波器將用輪 流掃描的方式顯示5個存儲區(qū)中存儲的曲線，橫軸代表電壓U，縱軸代表電流I。2、 測普朗克常數(shù)h:測量截止電壓時，“伏安特性測試/截止電壓測試”狀態(tài)鍵應(yīng)為截止電壓測試狀態(tài)，“電in _ 1流量程”開關(guān)應(yīng)處于|A檔。1）手動測量1使“手動/自動”模式鍵處于手動模式。2將直徑4mn的光闌及365.0nm的濾色片裝在光電管暗盒光輸入口上， 打開汞燈遮光蓋。此時電壓表顯示 UAK的值，單位為伏；電流表顯示與對應(yīng)的電流值|，單位為所選擇的“電 流量程”。用電壓調(diào)節(jié)鍵可調(diào)節(jié)的值，T、J 鍵用于選擇調(diào)節(jié)位，f、J鍵用于調(diào)節(jié)

7、值的大小。3從低到高調(diào)節(jié)電壓（絕對值減?。^察電流值的變化，尋找電流為零時對應(yīng)的、，以其絕對值作為該波長對應(yīng)的的值，并將數(shù)據(jù)記于表1中。為盡快找到的值，調(diào)節(jié)時應(yīng)從高位到低位，先確定高位的值，再順次往低位調(diào)節(jié)。4依次換上365.0 nm，435.8 nm，546.1 nm，404.7 nm的濾色片，重復以上測量步驟。2）自動測量1按“手動/自動”模式鍵切換到自動模式。此時電流表左邊的指示燈閃爍，表示系統(tǒng)處于自動測量掃描范圍設(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：顯區(qū)左邊設(shè)置起始電壓，右邊設(shè)置終止電壓） 實驗儀設(shè)有5個數(shù)據(jù)存儲區(qū)，每個存儲區(qū)可存儲500組數(shù)據(jù)，由指示燈表示其狀態(tài)。

8、 燈亮表 示該存儲區(qū)已存有數(shù)據(jù)， 燈不亮為空存儲區(qū)，燈閃爍表示系統(tǒng)預選的或正在存儲數(shù)據(jù)的存儲區(qū)。2設(shè)置好掃描起始和終止電壓后，按動相應(yīng)的存儲區(qū)按鍵，儀器將先清除存儲區(qū)原有數(shù)據(jù)，等待約30秒，然后按4mV的步長自動掃描，并顯示、存儲相應(yīng)的電壓、電流值。掃描數(shù)據(jù)記于表1中。表1 UoI#關(guān)系光闌孔=mm波長入i(nm)365.0404.7435.8546.1577.0頻率匚(xHz)8.2147.4086.8795.4905.196截止電壓手動自動按“查詢”鍵，查詢指示燈滅，系統(tǒng)回復到掃描范圍設(shè)置狀態(tài)，可進行下一次測量。將儀器與示波器連接，可觀察到為負值時各譜線在選定的掃描范圍內(nèi)的伏安特性曲線。3

9、、測光電管的伏安特性曲線：此時，將“伏安特性測試/截止電壓測試” 狀態(tài)鍵切換至伏安特性測試狀態(tài)?！半娏髁砍獭遍_關(guān)應(yīng)撥至1 A檔，并重新調(diào)零。將直徑4mm的光闌及所選譜線的濾色片裝在光電管暗盒光輸入口上。測伏安特性曲線可選用“手動/自動”兩種模式之一，測量的最大范圍為-150V。手動測量時每隔0.5V記錄一組數(shù)據(jù)，自動測量時步長為IV。記錄所測扎及|的數(shù)據(jù)。1從低到高調(diào)節(jié)電壓，記錄電流從零到非零點所對應(yīng)的電壓值并作為第一組數(shù)據(jù)，以后電壓沒變化一定值(可選為1V)記錄一組數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)記錄表中。換上546nm的濾色片，重復上述實驗步驟。2在為50V時，將儀器設(shè)置為手動模式，測量記錄同一譜線、同一入射距

10、離、光闌分別為2mm,4mm,8m耐對應(yīng)的電流值于數(shù)據(jù)記錄表中。3在 UA!:為50V時，將儀器設(shè)置為手動模式，測量并記錄同一譜線、同一光闌、不同入射距離時對應(yīng)的電流值于數(shù)據(jù)記錄表中?！緦嶒灁?shù)據(jù)處理】(1) 求普朗克常數(shù)實驗中測得的數(shù)據(jù)如下表所示：完成后，儀器自動進入數(shù)據(jù)查詢狀態(tài),此時查詢指示燈亮，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,就可查閱到在測試過程中，掃描電壓為當前顯示值時相應(yīng)的電流值。讀取電流為零時對應(yīng)的蚯，以其絕對值作為該波長對應(yīng)的U的值，并將與必關(guān)系數(shù)據(jù)記錄表光的頻率Vi/(10A14Hz)截止電壓與光頻率的關(guān)系曲線由叫二肚可知，上述直線的斜率為-，則普朗

11、克常量為：e而由最小二乘法的得到的斜率的標準差為Sb0.013945，則可知所求的普朗克常量h的不確定度為：測得的普朗克常量h與公認值h0的相對誤差為：實驗得到的普郎克常數(shù)為：h (6.0 0.7) 1034J s。(2)做出兩種波長及光強的伏安特性曲線實驗中，得到的實驗數(shù)據(jù)記錄表如下：對于435.8nm的濾色片，入射距離L=400mm光闌4nm,數(shù)據(jù)記錄為：I UAK關(guān)系波長i/nm365.0404.7435.8546.1577.0頻率i/( 1014)8.2147.4086.8975.4905.196截止電壓U0i/V-1.838-1.460-1.326-0.812-0.668光纜孔由實驗

12、數(shù)據(jù)得到的截止電壓Ub與光頻率的關(guān)系如下圖所示:4mm4 6 8-1壓電止截8-26o-1012345678901.52.74.16.37.58.610.211.813.614.8101112131415161718192015.917.018.119.219.520.321.121.522.422.923.6212223242526272829303124.024.725.325.826.326.627.127.227.828.228.5323334353637383940414228.829.029.429.730.130.330.530.831.131.131.4434445464748

13、495031.631.832.132.632.833.233.333.4對于546.1 nm的濾色片，入射距離L=400mm光闌4nm,數(shù)據(jù)記錄為:I UAK關(guān)系-10123456789-0.40.41.32.23.34.14.65.25.76.67.010111213141516171819207.07.27.68.18.38.48.79.09.29.49.621222324252627282930319.810.010.110.310.410.510.610.711.011.011.0323334353637383940414211.111.211.211.311.411.411.611.

14、611.611.611.6434445464748495011.711.811.912.112.112.212.212.3由實驗得到的數(shù)據(jù)繪制出的兩種波長及光強的伏安特性曲線如下:y波長為 435.8nm 波長為 546.1 nm陰極電流為零時對應(yīng)電壓 V/v入流電光-10-5102030405060不同波長及光強下的伏安特性曲線(3)由于照到光電管上的光強與光闌面積成正比，用中數(shù)據(jù)驗證光電管的飽和光電流與 入射光強成正比；同樣用中數(shù)據(jù)驗證光電流與入射光強成正比。對于實驗：在汀|為50V時，將儀器設(shè)置為手動模式，測量記錄同一譜線、同一入射距離、光闌分別為2mm,4mm,8m時對應(yīng)的電流值，數(shù)據(jù)

15、記錄表如下：IMP關(guān)系435.8nm光闌孔2mm4mm8mm9.333.8140.3546.1 nm光闌孔2mm4mm8mm3.412.349.5由實驗數(shù)據(jù)得到飽和光電流與光闌面積的關(guān)系曲線如下:波長為 435.8nm 波長為 546.1 nm光闌面積 S/(mmA2)飽和光電流I與光闌面積S的關(guān)系曲線圖由圖可知，飽和光電流I與光闌面積S在入射光波長不變時成正比例關(guān)系，而光強又與光闌面積成正比，從而驗證了光電管的飽和電流與入射光強成正比。對于實驗，在 為50V時，將儀器設(shè)置為手動模式，測量并記錄同一譜線、同一光 闌、不同入射距離時對應(yīng)的電流值，來驗證光電流與入射光強成正比。數(shù)據(jù)記錄表如下:IM

16、P關(guān)系435.8nm入射距離200250300350400oooooo O2 0 8 6 4 2L/mm51.028.318.212.59.3546.1 nm入射距離L/mm20025030035040019.010.46.84.63.4對于光闌面積S不變時，由于入射距離的變化， 使同一波長光的光強發(fā)生改變。 嘗試將 光源看做點光源，其發(fā)出的光為球狀，則一定距離處的光強與距離的平方成反比， 與距離的 平方分之一成正比。 若要驗證光電流與入射光強成正比， 可通過驗證光電流與距離的平方分之一成線性關(guān)系而間接征得。根據(jù)IMP關(guān)系，得到光電流與距離的平方分之一的關(guān)系曲線如圖所示：波長為 435.8nm

17、 波長為 546.1 nm051015202530入射距離平方分之一 LA-2/(MA-2)光電流強度與入射距離平方分之一的關(guān)系曲線由圖可知，其間關(guān)系在實驗誤差允許的范圍內(nèi)，較好的符合了某種線性關(guān)系，證明了這種假設(shè)具有成立的可能性。從而也證明了光電流與入射光強成正比?！緦嶒灧治雠c誤差討論】1、陽極反向電流，暗電流，本底電流如何影響測量結(jié)果？答：陽極反向電流是由于光電管制造時由于光電管陽極沾上少數(shù)陰極材料，則在入射光照射或入射光從陰極反射到陽極后都會造成陽極電子發(fā)射。當1張值為為負值時，陽極發(fā)射的電子向陰極遷移形成陽極反向電流，從而當實驗中測得電流為零時，對應(yīng)的并非截止電壓，對實驗造成誤差。而對

18、于暗電流和本底電流是熱激發(fā)產(chǎn)生的光電流和雜質(zhì)光散射光電管產(chǎn)生的光電流。們的影響是：若產(chǎn)生的光電子的初動能大于光照產(chǎn)生的光電子的最大初動能，則會使測得的的絕對值增大。o o o o o o O6 5 4 3 2 1入流電光2、在該實驗中可能存在的誤差有:（1） 在實際的測量中，由于光電管的陽極電流、暗電流、本底電流及電極間接 觸電壓的影響，給實驗結(jié)果帶來誤差。（2） 實驗中濾色片有一定的狹縫寬度，濾色片產(chǎn)生的光并不完全是單一的濾色 光。（3）實驗中以汞燈作為光源， 而汞燈在交變電壓變化的情況下并不能完全穩(wěn)定， 產(chǎn)生的光也不穩(wěn)定。（4） 在讀數(shù)時，由于產(chǎn)生的光電流的變化，儀器示數(shù)會有微小的跳動，產(chǎn)生讀 數(shù)誤差。（5） 裝有陰極管的暗箱封閉不嚴，可能會受到雜光的影響?！緦嶒灲Y(jié)論】1、實驗測得的普朗克常量為h （6.0 0.7） 1034J s，與公認值h06.626