光電效應(yīng)及普朗克常數(shù)測定_第1頁
光電效應(yīng)及普朗克常數(shù)測定_第2頁
光電效應(yīng)及普朗克常數(shù)測定_第3頁
光電效應(yīng)及普朗克常數(shù)測定_第4頁
光電效應(yīng)及普朗克常數(shù)測定_第5頁
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光電效應(yīng)及普朗克常Z量子論是近代物理的基礎(chǔ)之一,而光電效應(yīng)可以給量子論以直觀、鮮明的物理圖像,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,光電效應(yīng)已廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防和許多科技領(lǐng)域。普朗克常數(shù)(公認(rèn)值h=6.62619X10-3J.s.)是自然科學(xué)中一個很重要的常數(shù),它可以用光電效應(yīng)法簡單而又準(zhǔn)確地求出,所以,進行光電效應(yīng)實驗并通過實驗求取普朗克常數(shù)有助于學(xué)生理解量子理論和更好地認(rèn)識h這個常數(shù)。1887年H?赫茲在驗證電磁波存在時意外發(fā)現(xiàn),一束光照射到金屬表面,會有電子從金屬表面逸出,這個物理現(xiàn)象被稱為光電效應(yīng)。1888年以后,W?哈耳瓦克期、A-T斯托列托夫、P?勒納德等人對光電效應(yīng)作了長時間地研究,并總結(jié)了光電效應(yīng)的基本實驗事實:光電流與光強成正比;光電效應(yīng)存在一個截止頻率,當(dāng)入射光的頻率低于某一閾值u0時,不論光的強度如何,都沒有光電子產(chǎn)生;光電子的動能與光強無光,但與入射光的頻率成正比;光電效應(yīng)是瞬時效應(yīng),一經(jīng)光線照射,立刻產(chǎn)生光電子,停止光照,即無光電子產(chǎn)生。一、 實驗?zāi)康耐ㄟ^對實驗現(xiàn)象的觀測與分析,了解光電效應(yīng)的規(guī)律和光的量子性。觀測光電管的弱電流特性,找出不同光頻率下的截止電壓。了解光的量子理論與波動理論,并驗證愛因斯坦方程進而求出普朗克常數(shù)。二、 實驗儀器THQPC-1型普朗克常數(shù)測定儀微電流測試儀;THQPC-1型普朗克常數(shù)測定儀測試臺。三、實驗原理愛因斯坦認(rèn)為從一點發(fā)出的光,不是按麥克斯韋電磁學(xué)說指出的那樣以連續(xù)分布的形式把能量傳播到空間,而是以hu為能量單位(光量子)的形式一份一份地向外輻射,至于光電效應(yīng),是具有能量hu的一個光子作用于金屬中的一個自由電子,并把它的全部能量都交給這個電子而造成的。如果電子脫離金屬表面所需的能量為W的話,則由光電效應(yīng)中被光電打出來的電子的動能為:E=hu-W 或mv2/2=hu-W (1)式中:h--普克朗常數(shù):公認(rèn)值為6.62916X10-3J.s.u--入射光的頻率m--電子的質(zhì)量v--光電子逸出金屬表面時的初速度W--受光線照射的金屬材料的逸出功(或功函數(shù))在(1)式中,mv2/2是沒有受到空間電荷阻止,從金屬中逸出的電子的最大初動能。由(1)式可見,入射到金屬表面的光頻率越高,逸出來的電子最大初動能必然也越大(如圖1、d)。正因為光電子具有最大初動能,所以既使陽極不加電壓也會有光電子落入而形成光電流,甚至陽極電位低于陰極電位低時,也會有光電子落到陽極,直到陽極電位低于某一數(shù)值時,所有光電子都不能到達陽極,光電流才為零。(如圖1、a)。這個相對于陰極為負(fù)值的陽極電位Us被稱為光電效應(yīng)的截止電位(或稱作截止電壓)。顯然此時有 eUs-1/2mv2=0 (2)代入(1)式即有 eUs=hu-W (3)

由于金屬材料的逸出功W是金屬的固有屬性,對于給定的金屬材料W是一個定值,它與入射光的頻率無關(guān)。令Ws=hu0,U0一截止頻率;即具有截止頻率U。的光子恰恰具有逸出功Ws而沒有多余的動能。TOC\o"1-5"\h\z將(3)式改寫為 Us=hu/e-Ws/e=h(u-uo) (4)(4)式表明,截止電位Us是入射光頻率u的線性函數(shù)。當(dāng)入射光的頻率u=uo時,截止電壓Us=0時,沒有光電子逸出。(圖1-c)上式的斜率K=h/e是一個正常數(shù)。 ° S于是可寫成:h=ek (5)可見,只要用實驗方法作出不同頻率下的Us-u曲線,并求出此曲線的斜率K,就可以通過(5),求出普朗克常數(shù)h的數(shù)值,其中e=1.60X10-19C是電子電荷量。圖1 圖2圖1用光電管進行光電效應(yīng)實驗、測量普朗克常數(shù)的實驗原量圖。頻率為U、強度為P的光線照射到光電管陰極上,即有光電子從陰極逸出,如圖所示在陰極K和陽極A之間加有反向電位UKA,它使電極K、A之間建立起的電場對光電陰極逸出的電子起減速作用,隨著電位UKA的增加,到達陽極的光電子(光電流)將逐漸減小。當(dāng)Uka=Us時光電流降為零。見圖2光電管的起始I-V特性。不同頻率光的照射,可以得到與之相對應(yīng)的I-V特性曲線和對應(yīng)的Us電壓值。在直角坐標(biāo)中作出Us-u關(guān)系曲線,如果它是一根直線,就證明了愛因斯坦光電效應(yīng)方程的正確。而由該直線的斜率K則可求出普朗克常數(shù)(h=ek)。另外,由該直線與坐標(biāo)橫軸的交點,又可求出該光電陰極的截止頻率(閾頻率)U°。必須指出:在實際測量時,因為光電流很小,需考慮由其它因素引起的干擾電流。干擾電流有下面三種:(1) 暗電流:光電管在沒有受到光照時,也會產(chǎn)生電流,稱為暗電流。暗電流與外加電壓成線性變化。它由熱電流(在一定溫度下,陰極發(fā)射的熱電子形成的電流)和漏電流(由于陽極和陰極之間的絕緣材料不是理想的絕緣材料而形成的電流)組成。(2) 本底電流:因周圍雜散光進入光電管而形成的電流。(3) 反向電流:在制作光電管時,陽極A上往往濺有陰極材料,所以當(dāng)光射到A上時,陽極A上也會逸出光電子;另外,有一些由陰極K飛向陽極A的光電子會被A表面反射回來。當(dāng)在A、K之間加反向電壓U時,對K逸出的光電子來說起了減速作用,而對A逸出和反射的光電子來說卻起加速作用,于是形成反向電流。由于上述干擾的存在,當(dāng)分別用不同頻率的入射光照射光電管時,實際測得光電效應(yīng)的伏安特性曲線如圖2。實測光電流曲線上的每一個點的電流為正向光電流、反向光電流、本底電流和暗電流的代數(shù)和,致使光電流的截止電壓點也從Us下移到%點。它不是光電流為零的點,而是實測曲線中直線部分抬頭和曲線部分相接處的點,稱為“抬頭點”?!疤ь^點”所對應(yīng)的電壓相當(dāng)于截止電壓US。四、實驗內(nèi)容與步驟 s1、 測試前的準(zhǔn)備:(1) 安放好儀器,用隨機附帶的屏蔽線將測定儀的“電流輸入”端和“電壓輸出”端分別連接至光電管暗盒上的“K”和“A”端。(2) 用轉(zhuǎn)盤遮住光孔,按通電源,讓微電流測定儀預(yù)熱20-30分鐘,汞燈預(yù)熱10分鐘以上。(3) 充分預(yù)熱后,先調(diào)整零點,后校正滿度。2、 任意選擇一種濾光片,改變采光孔或者改變光電暗盒的位置,觀察光電流的變化;3、 任意選擇一個采光孔并選擇合適的光電暗盒位置,依次改變?yōu)V光片觀察光電流的變化;4、 選擇合適的光孔和位置,依次選取各種濾光片,從-5V開始緩慢的改變陽極電壓,觀測光電流的變化;5、 選擇合適的光孔和位置,依次選取各種濾光片,從-2V開始每隔0.05V記錄一次光電流的數(shù)值,并記入表(1)(在電流開始變化的地方多讀幾個值)。繪制出相應(yīng)的曲線并找出“抬頭點”即截止電壓,根據(jù)相應(yīng)的頻率計算出h;五、 實驗數(shù)據(jù)處理表(1) 距離L=cm 光孑匕(p= mm 365mmUka(V)-2.0-1.95-1.90-1.85-1.80-1.75-1.70-1.65-1.60Lka 405mmUKA(V)-1.60-1.55-1.50-1.45-1.40-1.35-1.30-1.25-1.20

Aa436mmUka(V)-1.40-1.35-1.30-1.25-1.20-1.15-1.10-1.05-1.00L546mmUka(V)-0.80-0.75-0.70-0.65-0.60-0.55-0.50-0.45-0.40Aa—577mmUka(V)-0.60-0.55-0.50-0.45-0.40-0.35-0.30-.025-0.20-Ika作U-I關(guān)系曲線由表(1)數(shù)據(jù),用Excel中的“圖表向?qū)А弊鞒霾煌l率下的U-I關(guān)系曲線,并從中找出曲線的“抬頭點”所對應(yīng)的截止電壓US,并記入表格(2)中。表(2) 距離L=cm 光孔?=mm波長(nm)365405436546577hX10-34J.so(%)頻率(X1014H7)8.227.416.885.495.20us(v)作Us-u關(guān)系曲線由表(2)的數(shù)據(jù),用Excel中的“圖表向?qū)А弊鞒鯱s-u曲線,觀察其線性,并求出直線的斜率。(表2中的數(shù)據(jù)不可能完全在一條直線上,做直線時要

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