大物仿真試驗(yàn)試驗(yàn)報(bào)告

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物理仿真試驗(yàn)試驗(yàn)報(bào)告

光電效應(yīng)和普朗克常量的確定

一、試驗(yàn)簡(jiǎn)介

1905年，年僅26歲的愛(ài)因斯坦提出光量子假說(shuō)，發(fā)表了在物理學(xué)發(fā)展史上具有里程碑意義的光電效應(yīng)理論，10年后被具有非凡才能的物理學(xué)家密里根用光彩的試驗(yàn)證明白。兩位物理大師之間微妙的默契協(xié)同推動(dòng)了物理學(xué)的發(fā)展，他們都因光電效應(yīng)等方面的優(yōu)良貢獻(xiàn)分別于1921年和1923年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

光電效應(yīng)試驗(yàn)及其光量子理論的解釋在量子理論的確立與發(fā)展上，在透露光的波粒二象性等方面都具有劃時(shí)代的深遠(yuǎn)意義。利用光電效應(yīng)制成的光電器件在科學(xué)技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用，并且至今還在不斷開(kāi)拓新的應(yīng)用領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。

二、試驗(yàn)?zāi)康?/p>

（1）了解光電效應(yīng)基本規(guī)律，加深對(duì)光量子論的認(rèn)識(shí)和理解；（2）了解光電管的結(jié)構(gòu)和性能，并測(cè)定其基本特性曲線；（3）驗(yàn)證愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程，并測(cè)量普朗克常量。

三、試驗(yàn)原理

當(dāng)光照在物體上時(shí)，光的能量?jī)H部分地以熱的形式被物體吸收，而另一部分則轉(zhuǎn)換為物體中某些電子的能量，使電子逸出物體表面，這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)，逸出的電子稱為光電子。在光電效應(yīng)中，光顯示出它的粒子性質(zhì)，所以這種現(xiàn)象對(duì)認(rèn)識(shí)光的本性，具有極其重要的意義。

光電效應(yīng)試驗(yàn)原理如圖1所示。其中S為真空光電管，K為陰極，A為陽(yáng)極。當(dāng)無(wú)光照射陰極時(shí)，由于陽(yáng)極與陰極是斷路，所以檢流計(jì)G中無(wú)電流流過(guò)，當(dāng)用一波長(zhǎng)比較短的單色光照射到陰極K上時(shí)，形成光電流，光電流隨加速電位差U變化的伏安特性曲線如圖2所示。

1.光電流與入射光強(qiáng)度的關(guān)系

光電流隨加速電位差U的增加而增加，加速電位差增加到一定量值后，光電流達(dá)到飽和值IH，飽和電流與光強(qiáng)成正比，而與入射光的頻率無(wú)關(guān)。當(dāng)

U?UA?UK變成負(fù)值時(shí)，光電流迅速減小。試驗(yàn)指出，有一個(gè)遏止電位差Ua存在，當(dāng)電位差達(dá)到這個(gè)值時(shí)，光電流為零。2.光電子的初動(dòng)能與入射光頻率之間的關(guān)系

光電子從陰極逸出時(shí)，具有初動(dòng)能。在減速電壓下，光電子在逆著電場(chǎng)力方向由K極向A極運(yùn)動(dòng)。當(dāng)U?Ua時(shí)，光電子不再能達(dá)到A極，光電流為零。所以電子的初動(dòng)能等于它戰(zhàn)勝電場(chǎng)力所作的功。即

12mv?eUa(1)2根據(jù)愛(ài)因斯坦關(guān)于光的本性的假設(shè)，光是一粒一粒運(yùn)動(dòng)著的粒子流，這些光粒子稱為光子。每一光子的能量為??hv，其中h為普朗克常量，v為光波的頻率。所以不同頻率的光波對(duì)應(yīng)光子的能量不同。光電子吸收了光子的能量hv之后，一部分消耗于戰(zhàn)勝電子的逸出功A，另一部分轉(zhuǎn)換為電子動(dòng)能。由能量守恒定律可知

hv?12mv?A(2)2式（2）稱為愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程。

由此可見(jiàn)，光電子的初動(dòng)能與入射光頻率v成線性關(guān)系，而與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)。

3.光電效應(yīng)有光電閾存在

試驗(yàn)指出，當(dāng)光的頻率v?v0時(shí)，不管用多強(qiáng)的光照射到物質(zhì)都不會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)，根據(jù)式（2），v0?A，v0稱為紅限。h愛(ài)因斯坦，光電效應(yīng)方程同時(shí)提供了測(cè)普朗克常量的一種方法：由式（1）和（2）可得：hv?e|U?|?A。當(dāng)用不同頻率（v1,v2,v3,?,vn）的單色光分別做光源時(shí)，就有

hv1?e|U1|?Ahv2?e|U2|?A????

hvn?e|Un|?A

任意聯(lián)立其中兩個(gè)方程就可得到

h?e(Ui?Uj)vi?vj

由此若測(cè)定了兩個(gè)不同頻率的單色光所對(duì)應(yīng)的遏止電位差即可算出普朗克常量，也可由U?-v直線的斜率求出h。

因此，用光電效應(yīng)方法測(cè)量普朗克常量的關(guān)鍵在于獲得單色光、測(cè)得光電管的伏安特性曲線和確定遏止電位差值。

試驗(yàn)中，單色光可由水銀燈光源經(jīng)過(guò)單色儀選擇譜線產(chǎn)生。水銀燈是一種氣體放電光源，點(diǎn)燃穩(wěn)定后，在可見(jiàn)光區(qū)域內(nèi)有幾條波長(zhǎng)相差較遠(yuǎn)的強(qiáng)譜線，如表1所示。單色儀的鼓輪讀數(shù)與出射光的波長(zhǎng)存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，由單色儀的定標(biāo)曲線，即可查出出射單色光的波長(zhǎng)（有關(guān)單色儀的結(jié)構(gòu)和使用方法請(qǐng)參閱有關(guān)說(shuō)明書(shū)），也可用水銀燈（或白熾燈）與濾光片聯(lián)合作用產(chǎn)生單色光。

為了獲得確鑿的遏止電位差值，本試驗(yàn)用的光電管應(yīng)當(dāng)具備以下條件：

（1）對(duì)所有可見(jiàn)光譜都比較靈敏；

（2）陽(yáng)極包圍陰極，這樣當(dāng)陽(yáng)極為負(fù)電位時(shí)，大部分光電子仍能射到陽(yáng)極；（3）陽(yáng)極沒(méi)有光電效應(yīng)，不會(huì)產(chǎn)生反向電流；（4）暗電流很小。

但是實(shí)際使用的真空型光電管并不完全滿足以上條件。由于存在陽(yáng)極光電效應(yīng)所引起的反向電流和暗電流（即無(wú)光照射時(shí)的電流），所以測(cè)得的電流值，實(shí)際上包括上述兩種電流和由陰極光電效應(yīng)所產(chǎn)生的正向電流三個(gè)部分，所以伏安曲線并不與U軸相切。由于暗電流是由陰極的熱電子發(fā)射及光電管管殼漏電等原因產(chǎn)生，與陰極正向光電流相比，其值很小，且基本上隨電位差U呈線性變化，因此可忽略其對(duì)遏止電位差的影響。陽(yáng)極反向光電流雖然在試驗(yàn)中較顯著，但它聽(tīng)從一定規(guī)律。據(jù)此，確定遏止電位差值，可采用以下兩種方法：（1）交點(diǎn)法：

光電管陽(yáng)極用逸出功較大的材料制作，制作過(guò)程中盡量防止陰極材料蒸發(fā)，試驗(yàn)前對(duì)光電管陽(yáng)極通電，減少其上濺射的陰極材料，試驗(yàn)中避免入射光直接照射到陽(yáng)極上，這樣可使它的反向電流大大減少，其伏安特性曲線與圖2十分接近，因此曲線與U軸交點(diǎn)的電位差近似等于遏止電位差，此即交點(diǎn)法。（2）拐點(diǎn)法：

光電管陽(yáng)極反向光電流雖然較大，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，若是反向光電流能較快地飽和，則伏安特性曲線在反向電流進(jìn)入飽和段后有著明顯的拐點(diǎn)，如圖3所示，

此拐點(diǎn)的電位差即為遏止電位差。

四、試驗(yàn)儀器及使用方法

1.試驗(yàn)儀器

光電管，光源（汞燈），濾波片組（577.0nm,546.1nm,435.8nm,404.7nm,365nm濾波片），50%、25%、10%的濾光片，直流電源、檢流計(jì)（或微電流計(jì)）、直流電壓計(jì)等。2.儀器的使用方法（1）光源（汞燈）：

雙擊試驗(yàn)桌上光源小圖標(biāo)彈出光源的調(diào)理窗體，單擊調(diào)理窗體的光源開(kāi)關(guān)可以關(guān)閉或開(kāi)啟光源。光電管：

雙擊試驗(yàn)桌上光電管的小圖標(biāo)，彈出光電管的調(diào)理窗體；再單擊調(diào)理窗體中的光電管會(huì)彈出調(diào)理光電管的方向鍵?！I：光電管水平向左移動(dòng)，→鍵，光電管水平向右移動(dòng)，↑鍵：光電管垂直方向增加高度，↓鍵：光電管垂直方向減小高度。

雙擊調(diào)理窗體中光電管的后面(側(cè)面中的后面)，即可彈出顯示光電管后面信息的窗體，以便完成試驗(yàn)中的線