光電效應(yīng)測(cè)普朗克常量實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、光電效應(yīng)測(cè)普朗克常量實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、實(shí)驗(yàn)題目光電效應(yīng)測(cè)普朗克常數(shù)二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、通過(guò)實(shí)驗(yàn)深刻理解愛因斯坦的光電效應(yīng)理論，了解光電效應(yīng)的基本規(guī)律；2、掌握用光電管進(jìn)行光電效應(yīng)研究的方法；3、學(xué)習(xí)對(duì)光電管伏安特性曲線的處理方法，并用以測(cè)定普朗克常數(shù)。三、儀器用具ZKY GD 3光電效應(yīng)測(cè)試儀、汞燈及電源、濾色片（五個(gè)）、光闌（兩個(gè)）、光電管、測(cè)試儀四、實(shí)驗(yàn)原理1、光電效應(yīng)與愛因斯坦方程用合適頻率的光照射在某些金屬表面上時(shí)，會(huì)有電子從金屬表面逸出，這種現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)，從金屬表面逸出的電子叫光電子。為了解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象，愛因斯坦提出了 “光量子”的概念，認(rèn)為對(duì)于頻率為的光波，每個(gè)光子的能量E = hy式

2、中，上為普朗克常數(shù)，它的公認(rèn)值是 吆=6.626- 匚。按照愛因斯坦的理論，光電效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是當(dāng)光子和電子相碰撞時(shí)，光子把全 部能量傳遞給電子，電子所獲得的能量，一部分用來(lái)克服金屬表面對(duì)它的約束， 其余的能量則成為該光電子逸出金屬表面后的動(dòng)能。愛因斯坦提出了著名的光電 方程：1 , + 呼2 （ 1）式中， 為入射光的頻率，m為電子的質(zhì)量，v為光電子逸出金屬表面的初1 2-mv速度，；為被光線照射的金屬材料的逸出功，2為從金屬逸出的光電子的最大初動(dòng)能。由（1）式可見，入射到金屬表面的光頻率越高，逸出的電子動(dòng)能必然也越大， 所以即使陰極不加電壓也會(huì)有光電子落入陽(yáng)極而形成光電流，甚至陽(yáng)極電位比陰極電

3、位低時(shí)也會(huì)有光電子落到陽(yáng)極， 直至陽(yáng)極電位低于某一數(shù)值時(shí)，所有光電子 都不能到達(dá)陽(yáng)極，光電流才為零。這個(gè)相對(duì)于陰極為負(fù)值的陽(yáng)極電位U。被稱為光電效應(yīng)的截止電壓。顯然，有1 ：、 pnv = 0 2 （ 2）代入（1）式，即有1 匚 +!（ 3）由上式可知，若光電子能量hW，則不能產(chǎn)生光電子。產(chǎn)生光電效應(yīng)的最W0低頻率是h，通常稱為光電效應(yīng)的截止頻率。不同材料有不同的逸出功,因而0也不同。由于光的強(qiáng)弱決定于光量子的數(shù)量，所以光電流與入射光的強(qiáng)度成正比。又因?yàn)橐粋€(gè)電子只能吸收一個(gè)光子的能量， 所以光電子獲得的能量與光強(qiáng)無(wú)關(guān)，只與光子 的頻率成正比，將（3）式改寫為Word資料上式表明，截止電壓U0

4、是入射光頻率 的線性函數(shù)，如圖2,當(dāng)入射光的頻e是一0時(shí)，截止電壓Uo 0，沒(méi)有光電子逸出。圖中的直線的斜率個(gè)正的常數(shù):七=孑叮（5）由此可見，只要用實(shí)驗(yàn)方法作出不同頻率下的 u。曲線，并求出此曲線的斜率，就可以通過(guò)式（5）求出普朗克常數(shù)h。其中1 -是電子的電2、光電效應(yīng)的伏安特性曲線下圖是利用光電管進(jìn)行光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的原理圖。頻率為：、強(qiáng)度為F的光線照射到光電管陰極上，即有光電子從陰極逸出。如在陰極K和陽(yáng)極A之間加正向電壓Uak，它使k、A之間建立起的電場(chǎng)對(duì)從光電管陰極逸出的光電子起加速 作用，隨著電壓Uak的增加，到達(dá)陽(yáng)極的光電子將逐漸增多。當(dāng)正向電壓上：增 加到Um時(shí)，光電流達(dá)到最大，不

5、再增加，此時(shí)即稱為飽和狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的光電流 即稱為飽和光電流。F 卜光電效應(yīng)原理圖由于光電子從陰極表面逸出時(shí)具有一定的初速度，所以當(dāng)兩極間電位差為零 時(shí)，仍有光電流I存在，若在兩極間施加一反向電壓，光電流隨之減少；當(dāng)反向 電壓達(dá)到截止電壓時(shí)，光電流為零。愛因斯坦方程是在同種金屬做陰極和陽(yáng)極， 且陽(yáng)極很小的理想狀態(tài)下導(dǎo)出的。 實(shí)際上做陰極的金屬逸出功比作陽(yáng)極的金屬逸出功小， 所以實(shí)驗(yàn)中存在著如下問(wèn) 題：（1）暗電流和本底電流存在，可利用此，測(cè)出截止電壓（補(bǔ)償法）。(2) 陽(yáng)極電流。制作光電管陰極時(shí)，陽(yáng)極上也會(huì)被濺射有陰極材料，所以光入射到陽(yáng)極上或由陰極反射到陽(yáng)極上，陽(yáng)極上也有光電子發(fā)射，就形成陽(yáng)極

6、電流五、實(shí)驗(yàn)步驟1、調(diào)整儀器(1) 連接儀器；接好電源，打開電源開關(guān)，充分預(yù)熱(不少于 20分鐘)。(2) 在測(cè)量電路連接完畢后，沒(méi)有給測(cè)量信號(hào)時(shí)，旋轉(zhuǎn)“調(diào)零”旋鈕調(diào)零。每 換一次量程，必須重新調(diào)零。(3) 取下暗盒光窗口遮光罩，換上 365.0nm濾光片，取下汞燈出光窗口的遮 光罩，裝好遮光筒，調(diào)節(jié)好暗盒與汞燈距離。2、測(cè)量普朗克常數(shù)h(1) 將電壓選擇按鍵開關(guān)置于-2+ 2V檔，將“電流量程”選擇開關(guān)置 于一八A檔。將測(cè)試儀電流輸入電纜斷開，調(diào)零后重新接上。(2) 將直徑為4mm的光闌和365.0nm的濾色片裝在光電管電暗箱輸入口 上。(3) 從高到低調(diào)節(jié)電壓，用“零電流法”測(cè)量該波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)

7、的Uo，并數(shù)據(jù)記錄(4) 依次換上 404.7nm、435.8nm、546.1 nm、577.0nm 的濾色片，重復(fù) 步驟(1)、( 2 )、( 3)。(5)測(cè)量三組數(shù)據(jù)你，然后對(duì)h取平均值。3、測(cè)量光電管的伏安特性曲線暗盒光窗口裝365.0nm濾光片和4mm光闌，緩慢調(diào)節(jié)電壓旋鈕，令電 壓輸出值緩慢由0V伏增加到30V，每隔1V記一個(gè)電流值。但注意在電流值為 零處記下截止電壓值.（2）在暗盒光窗口上換上404.7nm 濾光片，仍用4mm 的光闌，重復(fù)步驟（1）選擇合適的坐標(biāo)，分別作出兩種光闌下的光電管伏安特性曲線UI六、實(shí)驗(yàn)記錄與處理1、零電流法測(cè)普朗克常量h（光闌=2mm）波長(zhǎng)入(nm )

8、365405436546577頻率V x1014Hz)8.2147.4086.8795.4905.196截止電第一次1.7161.3681.1730.6200.492壓u。（ V）第二次1.7121.3981.1790.6150.491第三次1.7001.3901,1650.6180.485第一次測(cè)量結(jié)果及處理:實(shí)髓曲線團(tuán)-斜率k I 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)t應(yīng)(普朗克常數(shù))實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算- -成都世紀(jì)中破展A i ( nm )3S5.0404.7435.7450.1573.0甌率 ( 10E+14Kj& 2L47. 4060.8795.400朮1SB議止電UikTT *、1.716 亙1.3fiS 膽1.1

9、73 B0.62 M|0.492 B|世計(jì)算5)表關(guān)閉4)斜率(k)=4.01E-015 一瓦-耳普朗克常數(shù)(h).6.43E-034h=eke=l. 602x1 OE-19 C 相對(duì)誤差(E)I -2.93%E= Ch-ho) /hoho=6.626x1 OE-34 T* S成都世紀(jì)中科儀器有限公司第二次測(cè)量結(jié)果及處理:匠光電效應(yīng)（普朗克常數(shù)）實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算成都世紀(jì)中nrnifxi彼檜入i ( nm )355,0 | 404.7| 435. 74M.157E.O頻率 * i ( 10E+14Hi )S.214 J 7.406 6.675P 5.4305.1S6截止電壓IhM V91.712 S

10、| L398 H| 1.179 B| 0.615 9|0.401 回A 天SJHJA 田w:nw實(shí)臉曲霾團(tuán)4.05E-015昔朗克常數(shù)(h):6.49E-034h=ek e=L&02xl0E-19 C 相對(duì)誤差 ；-L99%-斜率kx實(shí)齡數(shù)據(jù)E=(h-ho)/ho ho=6.626x1 OE-34 T* S成都世紀(jì)中科儀器有限公司第三次測(cè)量結(jié)果及處理:匹光電效應(yīng)（普朗克常數(shù)）實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算成都世紀(jì)中叵區(qū)披檜入i ( nm )355.0404.74 35? 745S?1578 頻|vi( 10Efl4Hz?8.2147.4086.8795.4905.196註止電壓Uoi（ V）1, 7l.sg i

11、a|1.1650.618 a|0.485實(shí)馳曲變圖化天ifl （崔J/X0 1234557頻率* ( lOE+UHz)一斜率k實(shí)監(jiān)數(shù)據(jù)2 1 也神弋囁斜率(k):4.02E-015? _ v. -v幷r=V -v普朗克常數(shù)(h):6.44E-034h-eke=l. 602x1 OE-19 C成都世紀(jì)中科儀器有限公司相對(duì)誤差(E):-2.85%E- (hho) /hoho=6. 626x1 OE-34 T S2、補(bǔ)償法測(cè)普朗克常量h波長(zhǎng)入（nm ）365405436546577頻率v( x 1014Hz)8.2147.4086.8795.4905.196截止電壓U。（V）1.7241.4081.

12、1830.6240.504攪長(zhǎng)A ( nm )3S5.O404.7435.745fi.l57S.O頻率 i ( 1JE+14He)8.2147.40G6.S795.4905.19G戡止電壓謚（W ）| 1. 7241.403 B1.183 jH|0.624 B|0. 504 星|匠光電效應(yīng)（普朗克常數(shù)）賓驗(yàn)結(jié)果計(jì)算- -成都世紀(jì)中* 關(guān)Sim 3n可區(qū)04C2實(shí)臉曲線團(tuán)斜率(k):4.05E-015花-=5v -V普朗克常數(shù)Ch):6.49E-034hreke=l. 602xlOE-19 C相對(duì)課差CE):-2.05%E= (h-ho) /hoho=6.626ilOE-34 T- S成都世紀(jì)小

13、科儀器有限公司3、測(cè)量光電管的伏安特性曲線（波長(zhǎng)入=436nm 光闌=2mm ）U (V)1( x 1011A)U (V)I (x 1011A)U (V)I ( x 1011A)-2-0.2944.32071.9-10.41048.02173.704.21151.42275.1111.11254.92376.6217.81357.92477.8324.01460.32579.6426.91562.52681.4530.11664.52782.5633.51766.52882.8737.01868.32983.4840.81969.93085.2光電管的伏安特性曲線七、誤差計(jì)算由上面圖表，零電流

14、法三次測(cè)量的結(jié)果誤差依次為:日=-2.93%=-1.99%呂=-2.85%補(bǔ)償法測(cè)量的結(jié)果誤差為：E=-2.05%八、實(shí)驗(yàn)分析討論本實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用不同的方法都測(cè)出了普朗克常數(shù)， 但都有一定的實(shí)驗(yàn)誤差， 據(jù) 分析誤差產(chǎn)生原因是：1、暗電流的影響，暗電流是光電管沒(méi)有受到光照射時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生電流，它是 由于熱電子發(fā)射、和光電管管殼漏電等原因造成；2、本底電流的影響，本底電流是由于室的各種漫反射光線射入光電管所致， 它們均使光電流不可能降為零 且隨電壓的變化而變化。3、光電管制作時(shí)產(chǎn)生的影響：（ 1）、由于制作光電管時(shí)，陽(yáng)極上也往往濺 射有陰極材料， 所以當(dāng)入射光射到陽(yáng)極上或由陰極漫反射到陽(yáng)極上時(shí)， 陽(yáng)極也

15、有 光電子發(fā)射， 當(dāng)陽(yáng)極加負(fù)電位、 陰極加正電位時(shí)， 對(duì)陰極發(fā)射的光電子起了減速 的作用，而對(duì)陽(yáng)極的電子卻起了加速的作用， 所以 IU 關(guān)系曲線就和 IKA、UKA 曲線圖所示。為了精確地確定截止電壓 US,就必須去掉暗電流和反向電流的影 響。以使由1= 0時(shí)位置來(lái)確定截止電壓US的大小；制作上的其他誤差。4、實(shí)驗(yàn)者自身的影響：（1）從不同頻率的伏安特性曲線讀到的“抬頭電壓”（截止電壓），不同人讀得的不一樣，經(jīng)過(guò)處理后的到U sv曲線也不一樣，測(cè)出的數(shù)值就不一樣；（ 2）調(diào)零時(shí),可能會(huì)出現(xiàn)誤差,及在測(cè)量時(shí)恐怕也會(huì)使 原來(lái)調(diào)零的系統(tǒng)不再準(zhǔn)確。5、參考值本身就具有一定的精確度，本身就有一定的誤差。

16、6、理論本身就有一定的誤差，例如， 1963 年 Ready 等人用激光作光電發(fā)射實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了與愛因斯坦方程偏離的奇異光電發(fā)射。1968年Teich和Wolga 用 GaAs 激光器發(fā)射的 h =1.48eV 的光子照射逸出功為 A=2.3eV 的鈉 金屬時(shí)，發(fā)現(xiàn)光電流與光強(qiáng)的平方成正比。 按愛因斯坦方程， 光子的頻率處于鈉 的閥頻率以下，不會(huì)有光電子發(fā)射，然而新現(xiàn)象卻發(fā)生了，不但有光電子發(fā)射， 而且光電流不是與光強(qiáng)成正比， 而是與光強(qiáng)的平方成正比。 于是，人們?cè)O(shè)想光子 間進(jìn)行了“合作”， 兩個(gè)光子同時(shí)被電子吸收得以躍過(guò)表面能壘， 稱為雙光子光 電發(fā)射。后來(lái)，進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明，可以三個(gè)、多個(gè)

17、、甚至 40 個(gè)光子同時(shí)被電 子吸收而發(fā)射光電子，稱為多光子光電發(fā)射。人們推斷， n 光子的光電發(fā)射過(guò)程 的光電流似乎應(yīng)與光強(qiáng)的 n 次方成正比。九、附錄1. 光電效應(yīng)歷史光電效應(yīng)由德國(guó)物理學(xué)家赫茲于 1887 年發(fā)現(xiàn)，對(duì)發(fā)展量子理論起了根本性 作用。1887 年，首先是赫茲( M.Hertz )在證明波動(dòng)理論實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)時(shí)， 赫茲發(fā)現(xiàn)， 兩個(gè)鋅質(zhì)小球之一用紫外線照射， 則在兩個(gè)小球之間就非常容易跳過(guò) 電花。大約1900年，馬克思？布蘭科Max Planek )對(duì)光電效應(yīng)作出最初解釋， 并引出了光具有的能量包裹式能量( quantised )這一理論。 他給這一理論歸 咎成一個(gè)等式，也

18、就是 E=hf ， E 就是光所具有的“包裹式”能量， h 是一個(gè) 常數(shù)，統(tǒng)稱布蘭科常數(shù)( Planeks eonstant )， 而 f 就是光源的頻率。 也就 是說(shuō)，光能的強(qiáng)弱是有其頻率而決定的。 但就是布蘭科自己對(duì)于光線是包裹式的 說(shuō)法也不太肯定。1902 年，勒納（ Lenard） 也對(duì)其進(jìn)行了研究，指出光電效應(yīng)是金屬中的電子 吸收了入射光的能量而從表面逸出的現(xiàn)象。但無(wú)法根據(jù)當(dāng)時(shí)的理論加以解釋 ；1905 年，愛因斯坦 26 歲時(shí)提出光子假設(shè)，成功解釋了光電效應(yīng)，因此獲得 1921 年諾貝爾物理獎(jiǎng)。他進(jìn)一步推廣了布蘭科的理論，并導(dǎo)出公式， Ek=hf-W ， W 便是所需將電子從金屬表面上自由化的能量。 而 Ek 呢就是電子自由后具有的 勢(shì)能。2. 測(cè)量普朗克常量 h 的其他方法1、 2 光電效應(yīng)法（補(bǔ)償法、零電流法、拐點(diǎn)法）2、 X 射線光電效應(yīng)