實驗七光電效應及普朗克常數(shù)的測定.ppt

溯源 1887年 赫茲在進行證明電磁波存在的實驗時發(fā)現(xiàn) 當接收電磁波的電極之一受到紫外光照射時 兩極之間就容易出現(xiàn)電火花 他改用了各種材料放在兩極之間 證明這種作用不是電磁的作用 他在1887年發(fā)表的 論紫外光的放電效應 一文中首先描述了這些現(xiàn)象 1888年 德國物理學家霍爾瓦克斯 意大利的里奇和俄國的斯托列托夫幾乎同時作出了新的研究 1889年 愛耳斯特和蓋特樂也作了進一步研究 指出對鉀 鈉 鋁 鋅等金屬 不僅存在著赫茲指出的紫光放電現(xiàn)象 而且對普通太陽光也有同樣的現(xiàn)象 但另一些金屬 如錫 銅 鐵 則沒有 NCIT 用鋅板作光陰極 陽極與之平行 相距約1厘米 將整個裝置放在磁場中 用紫外光照射鋅板 進行測光電流荷質(zhì)比的實驗 他根據(jù)電壓 磁場和極間距離計算得出光電流和陰極射線實質(zhì)相同的結(jié)論 從而認識到赫茲的紫外放電現(xiàn)象就是由于光 特別是紫外光照射到金屬表面 使金屬內(nèi)部自由電子獲得更大動能而從金屬表面逃逸到空間的一種現(xiàn)象 1899年 j j湯姆遜 應用下左圖所示的實驗裝置 NCIT 1902年 勒納德發(fā)表了對光電效應的第一批定量研究結(jié)果 他通過實驗 測出了紫外光照射下鋁板發(fā)出的電子的荷質(zhì)比 確定赫茲看到的火花是金屬表面發(fā)射電子的結(jié)果 他發(fā)現(xiàn)了無法用經(jīng)典理論解釋的三個現(xiàn)象 第一 出射光電子的初動能只與入射頻率有關(guān) 而與光強無關(guān) 第二 每一個金屬表面都存在著載止頻率 第三 只要入射光頻率大于載止頻率 無論它多么微弱 都會立刻引起光電子發(fā)射 勒納德還用不同材料做陰極 用不同光源照射陰極 發(fā)現(xiàn)了電子逸出金屬表面的最大速度與光強無關(guān) 光強對遏止電壓沒有影響 NCIT 為了從理論上推導出這一公式 他采用了玻爾茲曼的統(tǒng)計方法 假定黑體內(nèi)的能量是由不連續(xù)的能量子構(gòu)成 能量子的能量為h 能量子的假說具有劃時代的意義 愛因斯坦提出了光子假說并由此假說得出了著名的光電效應方程 解釋了光電效應的實驗結(jié)果 美國物理學家密立根從1904年開始光電效應實驗 1916年 他以出色的實驗得到了較好的單色光 并從實驗曲線求出了普朗克常數(shù)值 1900年 普朗克在研究黑體輻射問題時 先提出了一個符合實驗結(jié)果的經(jīng)驗公式 NCIT NCIT 這是第一次直接從光電效應測定普朗克常數(shù)h 與普朗克1900年從黑體輻射求得之值相符很好 獲得了愛因斯坦方程在很小的實驗誤差范圍內(nèi)精確有效的第一次直接實驗證據(jù) 這就從實驗現(xiàn)象到量子理論上承認了光電效應的規(guī)律 有力地證明了愛因斯坦對光電效應提出的假設 從而形成了今日大家熟知的光電效應理論 NCIT 一 實驗目的 3 利用光電效應法測定普朗克常數(shù) 加深理解光的量子性 1 了解光電效應及其規(guī)律 2 了解驗證愛因斯坦光電效應方程的基本方法 NCIT 光電子運動形成光電流 photocurrent 二 實驗原理 逸出的電子叫光電子 photoelectron 光電效應 光照射到金屬表面時 有電子從金屬表面逸出的現(xiàn)象稱為光電效應 photoelectriceffect NCIT 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 一次為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 這部分能量稱為逸出功A 余下的就變?yōu)殡娮与x開金屬表面后的初動能 NCIT 按照能量守恒原理 愛因斯坦提出了著名的光電效應方程 式中 A為金屬的逸出功 為光電子獲得的初始動能 NCIT 光電效應的實驗裝置 右圖中S是一個抽成真空的玻璃管 K為發(fā)出電子的陰極 A為陽極 石英玻璃窗對紫外線吸收很小 光電效應的入射光一般為可見到紫外 當用單色光照射K時 金屬釋放出光電子 KA之間加上一定的電勢差 由電壓表V讀出 光電子由K飛向A 回路中形成電流 由電流計G讀出 稱為光電流 NCIT 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UAK 測量出光電流I的大小 即可得出光電管的伏安特性曲線 光電效應的實驗原理如圖1所示 NCIT 光電效應的基本實驗規(guī)律如下 1 光電效應是瞬時效應 即使入射光的強度非常微弱 只要頻率大于 0 在開始照射后立即有光電子產(chǎn)生 經(jīng)過的時間至多為10 9秒的數(shù)量級 2 以頻率為 的光束照射光電管 光強改變P1 P2 P3時的伏一安曲線如圖2所示 光電流隨正向電壓的增加而增大 NCIT 當正向電壓U增大到一定值時 光電流達到飽和IH IH隨光強P增大而增大 當U 0時 光電流不為零 說明從K發(fā)射的光電子初動能不為零 當U Ua時 對同頻率 不同光強P照射的光電子都截止 即I 0 Ua稱為遏止電壓 NCIT 4 作截止電壓U0與頻率 的關(guān)系圖如圖4所示U0與 成正比關(guān)系 3 對于不同頻率的光 其截止電壓的值不同 如圖3所示 當入射光頻率低于某極限值 0 0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 當電子一次性地吸收了一個光子后 便獲得了h 的能量而立刻從金屬表面逸出 沒有明顯的時間滯后 這也正是光的 粒子性 表現(xiàn) 光電效應的瞬時效應 解釋 按照愛因斯坦光子理論 光照射到金屬k極 實際上是單個光子能量為h 的光子束入射到k極 光子與k極內(nèi)的電子發(fā)生碰撞 NCIT 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 直至陽極電位低于遏止電壓 光電流才為零 根據(jù)愛因斯坦的光電效應方程 NCIT 此時有 陽極電位高于遏止電壓后 隨著陽極電位的升高 陽極對陰極發(fā)射的電子的收集作用越強 光電流隨之上升 式中Ua為遏止電壓 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UAK時I不再變化 光電流出現(xiàn)飽和 飽和光電流IM的大小與入射光的強度P成正比 NCIT 光子的能量h 0 A時 電子不能脫離金屬 因而沒有光電流產(chǎn)生 產(chǎn)生光電效應的最低頻率 截止頻率 是 0 A h 可得 eU0 h A 此式表明止電壓U0是頻率 的線性函數(shù) 如圖 直線斜率 只要用實驗方法得出不同的頻率對應的遏止電壓 求出直線斜率 就可算出普朗克常數(shù)h NCIT 三 實驗儀器 普朗克常數(shù)測定儀 儀器由汞燈及電源 濾光片 光闌 光電管 測試儀 含光電管電源和微電流放大器 構(gòu)成 儀器結(jié)構(gòu)如圖5所示 濾色片 5片 透射波長365 0nm 404 7nm 435 8nm 546 1nm 577 0nm光闌 3片 直徑2mm 4mm 8mm NCIT 四 實驗內(nèi)容 接通汞燈電源和微電流測量放大器電源 預熱20分鐘 1 接上光電管與微電流測量放大器各對應電極的連接線 用遮光罩蓋住光電管暗盒窗口 光電管與光源的距離取40cm 2 將放大倍率置于10 12檔 在無光照的情況下 調(diào)整微電流放大器的零點 3 測量光電管伏安特性曲線 通光孔徑取2mm 取下遮光罩 選取所需單色濾光片 使單色光照射光電管 緩緩調(diào)節(jié)電壓 記錄相應的光電流I NCIT 電壓的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)為 2 0V 30 0V 分三段讀數(shù) NCIT 4 改變?yōu)V光片 按內(nèi)容3測出不同波長 取435 8nm和546 1nm 下的V I對應值 7 由實驗數(shù)據(jù)作出Ua 圖 并由這條直線的斜率k求出普朗克常數(shù)h ek的實驗值 5 電壓調(diào)至30 0V 改變通光孔徑大小 測出不同孔徑時飽和光電流的大小 觀察飽和光電流隨孔徑變化而改變的規(guī)律 6 由實驗數(shù)據(jù)作出兩條V I特性曲線 由拐點法分別得出相應單色光的遏止電壓Ua NCIT 9 計算材料的逸出功 截止頻率 8 比較普朗克常數(shù)的理論值h