光電效應(yīng)測量普朗克常量和金屬逸出功

1、大連理工大學(xué)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報告院（系）專業(yè)班級姓名學(xué)號實(shí)驗(yàn)臺號實(shí)驗(yàn)時間年月日第周，星期第節(jié)實(shí)驗(yàn)名稱光電效應(yīng)測量普朗克常量和金屬逸出功教師評語實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求：1. 通過測量不同頻率光照下光電效應(yīng)的截止電壓來計算普朗克常量2. 獲得陰極材料的紅限頻率和逸出功主要儀器設(shè)備：1.光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀（GGQ-50高壓汞燈，GDh-I型光電管電流測量儀）3.圓孔光闌=5mm,0'10mm4.微電流儀2.濾光片組（通光中心波長分別為365.0nm,404.7nm,435.8nm,546.1nm,577.0nm）實(shí)驗(yàn)原理和內(nèi)容：1. 理想光電效應(yīng)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置如右上圖所示，陰極K收到頻率為v的單色光照射時

2、，將有光電子由K逸出到達(dá)陽極A，形成回路電流I，可以由檢流計G所檢測到。通過V來監(jiān)控KA兩端的電壓變化，結(jié)合G所得到的電流值，可以得到U與光電流I之間的關(guān)系，如右下圖所示。根據(jù)愛因斯坦的解釋，單色光光子的能量為E=hv，金屬中的電子吸收了光子而獲得了能量，其中除去與晶格的相互作用和克-14-服金屬表面的束縛（金屬的逸出功A）外，剩余的便是逸出光電子的動能，顯然僅僅損失了逸出1功的光電子具有最大動能：2mv2M=hvA。實(shí)驗(yàn)中所加的光電管電壓U起到協(xié)助光電流I形成的作用，當(dāng)不加電壓U時，到達(dá)陽極的光電子很少，光電流十分微弱；當(dāng)加上正向電壓時，便有更多的光電子到達(dá)陽極，使得I增大，而所有的光電子都

3、被吸引到陽極形成電流時，I到達(dá)最大值，此時再增大U也不會改變I，成為飽稱為陰極材料的紅限頻率，和光電流IM，飽和光電流在光頻率一定時，與光照強(qiáng)度成正比。如果在光電管兩極加反向電壓便可以組織光電子到達(dá)陽極形成光電流，當(dāng)反向電壓增大到光電流等于零時，可知光電子的動能1在電場的反向作用下消耗殆盡，有以下關(guān)系式：牙m(xù)v實(shí)驗(yàn)中相關(guān)影響因素的修正1，暗電流修正暗電流指沒有光照時，由于金屬表面的隧道效應(yīng)、光電管漏電、熱噪聲等原因造成的由K向A逸出電子形成的電流。由于暗電流對截止電壓的影響不大，實(shí)驗(yàn)中可以使用無光照測量電流的方法測出暗電流值，在后期處理中將其剔除。2，陽極電流修正由于KA兩級距離很近，光照時陽

4、極的材料同樣可以發(fā)生一定程度的光電效應(yīng)而發(fā)射光電子，當(dāng)光電管加的是反向電壓時，就會使陽極光電子到達(dá)陰極形成陽極電流。在U-I曲線上陽極電流的影響就是使在負(fù)向電壓區(qū)的陰極電流出現(xiàn)負(fù)值下沉，由于陽極光電子數(shù)目有限且相比陰極較少，故陽極電流很快達(dá)到飽和，可見實(shí)驗(yàn)中截止電壓對應(yīng)的實(shí)際情況是總體電流趨于反向穩(wěn)定時的電壓值。M二eU，a其中Ua成為截止電壓。結(jié)合以上最大動能的表達(dá)式可知，ahAU二一v-，如左圖做出其對應(yīng)的圖像，可知直線的斜率為aeehAk二，截距為U二一。圖中斜線與x軸的交點(diǎn)對應(yīng)的頻率v0e0e照射光小于這個頻率時，無法產(chǎn)生光電效應(yīng)（入射光光子能量小于電子的逸出功）。顯然，通過測量多組v

5、和Ua，便可以通過計算函數(shù)表達(dá)式而得到A、h、vO。步驟與操作方法：1. 測量各個不同波長準(zhǔn)單色光照射下光電管的U-P數(shù)據(jù)1.1 儀器使用前預(yù)熱10分鐘，同時注意關(guān)閉光電管入射孔。1.2微電流儀調(diào)零，設(shè)置滿度值（-100為宜），然后調(diào)節(jié)至10-6“A檔，電壓表量程選用20V1.3 確定入射孔大小、汞燈和光電管的距離，并在以后的實(shí)驗(yàn)過程中保持不變。1.4 選擇并以此切換濾光片，開始測量。注意：測量時正向電流不必很大，更不需要達(dá)到到達(dá)正向飽和；正電流區(qū)的數(shù)據(jù)采集不必很多，而相比之下負(fù)電流區(qū)采集應(yīng)當(dāng)更加密集，并需要一直采集到反向電流趨于穩(wěn)定。2. 暗電流的測量2.1 以上五組數(shù)據(jù)全部測量完畢以后，擋

6、住光電管的入射孔，測量每一組數(shù)據(jù)中各個電壓值對應(yīng)的暗電流i。注意：不要讓進(jìn)入光電管的光通量過大而損壞光電管；電壓調(diào)節(jié)應(yīng)緩慢進(jìn)行，以免損壞儀器。數(shù)據(jù)記錄與處理：各組數(shù)據(jù)的波長，加載電壓U,測量電流I',暗電流i和實(shí)際電流I如下入(nm)400U(V)-0.99-1.09-1.19-1.29-1.39-1.49-1.59-2.07-2.54-3.00I(E-5A)0.019.029.835.838.139.040.042.044.045.1I(E-A)1.0-18.0-28.8-34.8-37.1-38.0-39.0-41.0-43.0-44.1i(E-A)1.0入(nm)428U(V)-

7、0.86-0.96-1.06-1.16-1.26-1.36-1.46-1.56-1.64-2.12-2.74-3.00I(E-5A)0.020.129.634.336.438.139.039.940.042.044.044.1I(E-A)1.1-19.0-28.5-33.2-35.3-37.0-37.9-38.8-38.9-40.9-42.9-43.0i(E-A)1.1入(nm)461U(V)-0.74-0.84-0.94-1.04-1.14-1.24-1.34-1.44-1.45-1.91-2.48-3.00I(E-5A)0.022.031.835.937.938.239.139.840.0

8、42.044.045.0I(E-A)1.0-21.0-30.8-34.9-36.9-37.2-38.1-38.8-39.0-41.0-43.0-44.0i(E-A)1.0入(nm)500U(V)-0.61-0.71-0.81-0.91-1.01-1.11-1.21-1.51-2.00-2.78-3.00I(E-5A)0.023.932.135.236.137.938.140.042.044.044.2I(EA)1.0-22.9-31.1-34.2-35.1-36.9-37.1-39.0-41.0-43.0-43.2i(E-A)1.0入(nm)545U(V)-0.51-0.61-0.71-0.8

9、1-0.91-1.01-1.11-1.16-1.66-2.18-3.00I(E-5A)0.027.234.137.038.039.039.940.042.044.045.8I(EA)1.1-26.1-33.0-35.9-36.9-37.9-38.8-38.9-40.9-42.9-44.7i(E-A)1.1入(nm)600U(V)-0.42-0.52-0.62-0.73-0.83-1.21-1.71-2.64-3.00I(E-5A)0.033.037.239.140.042.044.046.046.8I(EA)1.0-32.0-36.2-38.1-39.0-41.0-43.0-45.0-45.8

10、i(E-A)1.0結(jié)果與分析：根據(jù)各個表格中的U-I數(shù)據(jù)，即可做出各個波長下對應(yīng)的U-I曲線圖作圖使用Matlab6.5的cftool繪圖工具箱完成，同時在圖中找到對應(yīng)的拐點(diǎn)，確認(rèn)為各個Ua作圖程序如下：第一組U-I數(shù)據(jù)>>x=-0.99-1.09-1.19-1.29-1.39-1.49-1.59-2.07-2.54-3.00Columns1through3Columns4through6Columns7through9Column10-3.0000-0.9900-1.0900-1.1900-1.2900-1.5900>>y=1.0-18.0-28.8y=Columns

11、1through9-41.0000-43.0000-1.3900-2.0700-34.8-37.11.0000-1.4900-2.5400-18.0000-38.0-39.0-41.0-43.0-28.8000-34.8000-37.1000-44.1-38.0000-39.0000Column10-44.1000>>cftool第二組U-I數(shù)據(jù)>>x=-0.86-0.96-1.06-1.16-1.26-1.36-1.46-1.56-1.64-2.12-2.74-3.00x=Columns1through7-0.8600-0.9600-1.0600-1.1600-1.2

12、600-1.3600-1.4600Columns8through12-1.5600-1.6400-2.1200-2.7400-3.0000>>y=1.1-19.0-28.5-33.2-35.3-37.0-37.9-38.8-38.9-40.9-42.9-43.0y=Columns1through71.1000-19.0000-28.5000-33.2000-35.3000-37.0000-37.9000Columns8through12-38.8000-38.9000-40.9000-42.9000-43.0000>>cftool第三組數(shù)據(jù)>>x=-0.74

13、-0.84-0.94-1.04-1.14-1.24-1.34-1.44-1.45-1.91-2.48-3.00x=Columns1through7-0.7400-0.8400-0.9400-1.0400-1.1400-1.2400-1.3400Columns8through12-1.4400-1.4500-1.9100-2.4800-3.0000>>y=1.0-21.0-30.8-34.9-36.9-37.2-38.1-38.8-39.0-41.0-43.0-44.0y=Columns1through71.0000-21.0000-30.8000-34.9000-36.9000-3

14、7.2000-38.1000Columns8through12-38.8000-39.0000-41.0000-43.0000-44.0000>>cftool第四組數(shù)據(jù)>>x=-0.61-0.71-0.81-0.91-1.01-1.11-1.21-1.51-2.00-2.78-3.00x=Columns1through7-0.6100-0.7100-0.8100-0.9100-1.0100-1.1100-1.2100Columns8through11-1.5100-2.0000-2.7800-3.0000>>y=1.0-22.9-31.1-34.2-35.1

15、-36.9-37.1-39.0-41.0-43.0-43.2y=Columns1through71.0000-22.9000-31.1000-34.2000-35.1000-36.9000-37.1000Columns8through11-39.0000-41.0000-43.0000-43.2000>>cftool第五組數(shù)據(jù)>>x=-0.51-0.61-0.71-0.81-0.91-1.01-1.11-1.16-1.66-2.18-3.00x=Columns1through7-0.5100-0.6100-0.7100-0.8100-0.9100-1.0100-1.11

16、00Columns8through11-1.1600-1.6600-2.1800-3.0000>>y=1.1-26.1-33.0-35.9-36.9-37.9-38.8-38.9-40.9-42.9-44.7y=Columns1through71.1000-26.1000-33.0000-35.9000-36.9000-37.9000-38.8000Columns8through11-38.9000-40.9000-42.9000-44.7000>>cftool第六組數(shù)據(jù)>>x=-0.42-0.52-0.62-0.73-0.83-1.21-1.71-2.64

17、-3.00x=Columns1through7-0.4200-0.5200-0.6200-0.7300-0.8300-1.2100-1.7100Columns8through9-2.6400-3.0000>>y=1.0-32.0-36.2-38.1-39.0-41.0-43.0-45.0-45.8y=Columns1through71.0000-32.0000-36.2000-38.1000-39.0000-41.0000-43.0000Columns8through9-45.0000-45.8000>>cftool5-5-40('-1.53983-46-1.8

18、,波長MOOnmI(E-5iA)光電效應(yīng)測晉朗克常量曲線=-38.535SL-Oyvs.x一fit2綜合以上六張圖，得到一系列v-Ua數(shù)據(jù)，如下所示（這里用xE+/-y的方法表示以10為基數(shù)的科學(xué)計數(shù)法）入(nm)400428461500545600v(Hz)7.5E+147.01E+146.51E+146E+145.5E+145E+14Ua(V)1.43091.300431.104520.910.848960.64138同樣，將以上數(shù)據(jù)輸入Matlab6.5,以得到其擬合的v-Ua直線程序如下：>>x=7.5E+147.00935E+146.50759E+146E+145.504

19、59E+145E+14x=1.0e+014*7.50007.00946.50766.00005.50465.0000>>y=1.43091.300431.104520.910.8489610.641381y=1.43091.30041.10450.91000.84900.6414>>cftool得到如下的函數(shù)圖像，見下頁：Ua=3.138*10-15*v-0.9228hA對應(yīng)到本實(shí)驗(yàn)中的物理量，得到二3.138*10-15,二0.9228ee經(jīng)計算得到：實(shí)驗(yàn)測得的普朗克常量為h二5.308*10-34J.s陰極電子的金屬逸出功為A二1.476*10-19J陰極材料的紅限

20、頻率v二2.781*1014Hz附加測量：波長為600nm下的正電流數(shù)據(jù)及其圖像，正電流測量的數(shù)據(jù)如下:入（nm）600U(V)-0.42-0.32-0.22-0.12-0.050.050.15I'(E-5|JA)0.081.8I'(E-4|JA)28.251.867.2I'(E-3|JA)&29.6I'(E-5|JA)0.081.8282518672820960U(V)0.250.350.490.550.650.75I'(E-5|JA)I'(E-4pA)I'(E-3|JA)10.010.110.110.911.111.1I'(E-5|JA)100010101010109011101110討論、建議與質(zhì)疑：1. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象與最后對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理時發(fā)現(xiàn)，暗電流相對于陰極電流來說很小，可以近似地認(rèn)為其在某一個波長下的實(shí)驗(yàn)中沒有發(fā)生變化，故可以在實(shí)驗(yàn)中設(shè)計增加一個步驟來消去暗電流的影響：在無光照的情況下在光電管兩端加載-3.0V的負(fù)向電壓，然后可見微安表的讀數(shù)為當(dāng)前的暗電流值；然后調(diào)節(jié)微