大學物理實驗：光電效應.

1、光電效應測普朗克常數(shù)光電效應測普朗克常數(shù) 光電效應實驗組光電效應實驗組2013-8-30魏合林魏合林特別注意：特別注意：光電管易損壞！光電管易損壞！實驗前切勿打開桌面電源！實驗前切勿打開桌面電源！【實驗目的實驗目的】1、測定光電效應的基本特性曲線，加深對光的量子、測定光電效應的基本特性曲線，加深對光的量子性的認識；性的認識；2、驗證愛因斯坦方程，并測量普朗克常數(shù)以及陰極、驗證愛因斯坦方程，并測量普朗克常數(shù)以及陰極材料的材料的“紅限紅限”頻率。頻率。1. 測量普朗克常數(shù)測量普朗克常數(shù)h及及“紅限紅限”頻率頻率 0；2.測定光電管的伏安特性（測定光電管的伏安特性（I-U）曲線；）曲線；3.測量飽和

2、電流與光強（測量飽和電流與光強（Im-P）關(guān)系。）關(guān)系?！緦嶒瀮?nèi)容實驗內(nèi)容】普朗克常數(shù)介紹普朗克常數(shù)介紹黑體輻射黑體輻射 251M21hckTTceh普朗克公式：紫外災難 43M-TCT瑞利 金斯公式： 251MCTTCe維恩公式：引入引入h后使公后使公式完全符合實式完全符合實驗曲線！驗曲線！SJh34106260755. 6光照射到金屬上，引起物質(zhì)的光照射到金屬上，引起物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化。這類光變致電的現(xiàn)象被電性質(zhì)發(fā)生變化。這類光變致電的現(xiàn)象被人們統(tǒng)稱為光電效應。人們統(tǒng)稱為光電效應。赫茲在做電磁波實驗的時候，赫茲在做電磁波實驗的時候，發(fā)現(xiàn)了光電效應。發(fā)現(xiàn)了光電效應。H. R. Hertz1

3、857 - 1894初次試驗初次試驗：1887年光電效應是赫茲（年光電效應是赫茲（H.R.Hertz）于驗證電磁波存在時意外發(fā)現(xiàn)的，然而這一現(xiàn)于驗證電磁波存在時意外發(fā)現(xiàn)的，然而這一現(xiàn)象是無法用麥克斯韋的經(jīng)典電磁理論對其做出象是無法用麥克斯韋的經(jīng)典電磁理論對其做出成功解釋的。成功解釋的。理論解釋理論解釋：1905年愛因斯坦在普朗克（年愛因斯坦在普朗克（M.Planck）量子假設的基礎上提出了光量子（光子）概念，并量子假設的基礎上提出了光量子（光子）概念，并由此圓滿地解釋了光電效應的各種實驗規(guī)律。由此圓滿地解釋了光電效應的各種實驗規(guī)律。再次試驗再次試驗：10年后密立根（年后密立根（R.A.Mill

4、ikan）以精湛）以精湛的實驗技術(shù)驗證了愛因斯坦的光電效應方程。的實驗技術(shù)驗證了愛因斯坦的光電效應方程。獲得成就獲得成就：愛因斯坦和密立根主要因光電效愛因斯坦和密立根主要因光電效應方面的杰出貢獻分別榮獲應方面的杰出貢獻分別榮獲1921年和年和1923年年的諾貝爾物理學獎。的諾貝爾物理學獎。光電效應光電效應的發(fā)現(xiàn)和解釋極大推動了量子力學的發(fā)展！的發(fā)現(xiàn)和解釋極大推動了量子力學的發(fā)展！推動了現(xiàn)代科學技術(shù)的快速發(fā)展！推動了現(xiàn)代科學技術(shù)的快速發(fā)展！使得人類生活發(fā)生極大的變化！使得人類生活發(fā)生極大的變化！利用光電效應可以把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)槔霉怆娦梢园压庑盘栟D(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，動作迅速靈敏，因此利用電信號，動作

5、迅速靈敏，因此利用光電效應制作的光電器件在工農(nóng)業(yè)光電效應制作的光電器件在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學技術(shù)和文化生活領(lǐng)域內(nèi)生產(chǎn)、科學技術(shù)和文化生活領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應用光電管就是應得到了廣泛的應用光電管就是應用最普遍的一種光電器件用最普遍的一種光電器件 電磁波（光）電磁波（光）電信號電信號光電器件（光敏管、光敏電阻、光電器件（光敏管、光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光光敏二極管、光敏三極管、光敏組件、色敏器件、光敏可控敏組件、色敏器件、光敏可控硅器件、光耦合器等光電器硅器件、光耦合器等光電器件）。件）。太陽能電池。太陽能電池。成像系統(tǒng)（成像系統(tǒng)（CCD、微光夜視）。、微光夜視）。光電倍增管光電倍增管 圖中

6、的圖中的Im是飽和光電流，它與是飽和光電流，它與“單位時間內(nèi)發(fā)單位時間內(nèi)發(fā)射出的光電子數(shù)射出的光電子數(shù)”有關(guān)，由入射光的強度決定；有關(guān)，由入射光的強度決定； 圖中的圖中的Us是反向截止電壓是反向截止電壓(遏止電壓遏止電壓)，它與，它與“光光電子的最大初動能電子的最大初動能”有關(guān)，由入射光的頻率決有關(guān)，由入射光的頻率決定定：如圖所示的是光電流強度：如圖所示的是光電流強度I隨光電隨光電管兩極間電壓管兩極間電壓U的變化曲線，相應的物理意義是：的變化曲線，相應的物理意義是：入射光照射到陰極入射光照射到陰極K時，由光電效應產(chǎn)生的光電時，由光電效應產(chǎn)生的光電子以某一初動能飛出，光電子受電場力的作用向子以某

7、一初動能飛出，光電子受電場力的作用向陽極陽極A遷移而構(gòu)成光電流。遷移而構(gòu)成光電流。 每一種金屬都有一極限頻率（或稱每一種金屬都有一極限頻率（或稱截止截止頻率頻率），即照射光的頻率不能低于某一），即照射光的頻率不能低于某一臨界值。相應的波長被稱做極限波長臨界值。相應的波長被稱做極限波長（或稱（或稱紅限波長紅限波長）。當入射光的頻率低）。當入射光的頻率低于極限頻率時，無論多強的光都無法使于極限頻率時，無論多強的光都無法使電子逸出。電子逸出。光電效應中產(chǎn)生的光電子的光電效應中產(chǎn)生的光電子的速度與光的速度與光的頻率有關(guān)頻率有關(guān)，而，而與光強無關(guān)與光強無關(guān)。光電效應的光電效應的瞬時性瞬時性。實驗發(fā)現(xiàn)，只

8、要光。實驗發(fā)現(xiàn)，只要光的頻率高于金屬的極限頻率，光的亮度的頻率高于金屬的極限頻率，光的亮度無論強弱，光子的產(chǎn)生都幾乎是瞬時的，無論強弱，光子的產(chǎn)生都幾乎是瞬時的，即幾乎在照到金屬時立即產(chǎn)生光電流。即幾乎在照到金屬時立即產(chǎn)生光電流。響應時間不超過響應時間不超過10-9秒（秒（1ns）。）。入射光的強度只影響光電流的強弱，即入射光的強度只影響光電流的強弱，即只影響在單位時間單位面積內(nèi)逸出的光只影響在單位時間單位面積內(nèi)逸出的光電子數(shù)目。在光頻率不變的情況下，入電子數(shù)目。在光頻率不變的情況下，入射光越強，飽和電流越大，即一定頻率射光越強，飽和電流越大，即一定頻率的光，入射光越強，一定時間內(nèi)發(fā)射的的光，

9、入射光越強，一定時間內(nèi)發(fā)射的電子數(shù)目越多。電子數(shù)目越多。在光電效應中，要釋放光電子在光電效應中，要釋放光電子顯然需要有足夠的能量。根據(jù)顯然需要有足夠的能量。根據(jù)經(jīng)典電磁理論，光是電磁波，經(jīng)典電磁理論，光是電磁波，電磁波的能量決定于它的強度，電磁波的能量決定于它的強度，即只與電磁波的振幅有關(guān)，而即只與電磁波的振幅有關(guān)，而與電磁波的頻率無關(guān)。而實驗與電磁波的頻率無關(guān)。而實驗規(guī)律中的第一、第二兩點顯然規(guī)律中的第一、第二兩點顯然用經(jīng)典理論無法解釋。用經(jīng)典理論無法解釋。經(jīng)典解釋經(jīng)典解釋存在截止頻率、光電效應與光的頻率有關(guān)，而與光強無關(guān)。存在截止頻率、光電效應與光的頻率有關(guān)，而與光強無關(guān)。第三條也不能解釋

10、，因為根據(jù)經(jīng)典理論，對很弱的光要想使第三條也不能解釋，因為根據(jù)經(jīng)典理論，對很弱的光要想使電子獲得足夠的能量逸出，必須有一個能量積累的過程而不電子獲得足夠的能量逸出，必須有一個能量積累的過程而不可能瞬時產(chǎn)生光電子?？赡芩矔r產(chǎn)生光電子。量子解釋（愛因斯坦）量子解釋（愛因斯坦）hE Ahmm221221mm軌道能軌道能脫出功脫出功量子解釋（愛因斯坦）量子解釋（愛因斯坦）Ahmm221光電子的最大初動能光電子的最大初動能 入射到金屬表面的光頻率越高，逸出的電子動能必然也越大，所以即使陰極入射到金屬表面的光頻率越高，逸出的電子動能必然也越大，所以即使陰極不加電壓也會有光電子落入陽極而形成光電流，甚至陽極

11、電位比陰極電位低不加電壓也會有光電子落入陽極而形成光電流，甚至陽極電位比陰極電位低時也會有光電子落到陽極，直至陽極電位低于某一數(shù)值時，所有光電子都不時也會有光電子落到陽極，直至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。這個相對于陰極為負值的陽極電位能到達陽極，光電流才為零。這個相對于陰極為負值的陽極電位US被稱為被稱為光電效應的截止電壓光電效應的截止電壓(遏止電壓遏止電壓)。 SmeUm221AeUhShA0截止頻率截止頻率愛因斯坦光愛因斯坦光電效應方程電效應方程“紅限紅限”頻頻率率要想發(fā)射光電子流，必須要想發(fā)射光電子流，必須Ahh0 橫軸上的截距的物理含義是光電管橫軸上

12、的截距的物理含義是光電管陰極材料的陰極材料的極限頻率極限頻率； 縱軸上的截距的物理含義是光電管縱軸上的截距的物理含義是光電管陰極材料的陰極材料的溢出功溢出功的負值；的負值； 斜率的物理含義是斜率的物理含義是普朗克常數(shù)普朗克常數(shù)AeUhSAmhm221量子解釋（愛因斯坦）量子解釋（愛因斯坦）AhEkm：如圖所示的是光電子最：如圖所示的是光電子最大初動能大初動能Ekm隨入射光頻率隨入射光頻率v的變化曲線，的變化曲線，相應的物理意義為相應的物理意義為:1912-1915年間，密立根：如：如圖所示的是光電流圖所示的是光電流強度強度I隨光電管兩隨光電管兩極間電壓極間電壓U的變化的變化曲線。曲線。實際實際

13、“IU ”曲線曲線：實驗中影響光電效應伏安特性的實驗中影響光電效應伏安特性的因素很多：因素很多：暗電流、陽極電流、不同材料的接暗電流、陽極電流、不同材料的接觸電壓以及照射光的非單色性。觸電壓以及照射光的非單色性。曲線的下部轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€，轉(zhuǎn)變曲線的下部轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€，轉(zhuǎn)變點點B(抬頭點抬頭點)對應的外加電壓值對應的外加電壓值才是遏止電壓才是遏止電壓US。影響準確測量的因素：影響準確測量的因素： 暗電流或本底電流暗電流或本底電流：當光電管陰極沒有受到光線照射時也會產(chǎn)生電子流，：當光電管陰極沒有受到光線照射時也會產(chǎn)生電子流，稱為暗電流。它是由電子的熱運動和光電管管殼漏電等原因造成的。室稱為暗電流。它是由電

14、子的熱運動和光電管管殼漏電等原因造成的。室內(nèi)各種漫反射光射入光電管造成的光電流稱為本底電流。暗電流和本底內(nèi)各種漫反射光射入光電管造成的光電流稱為本底電流。暗電流和本底電流隨著電流隨著K、A之間電壓大小變化而變化。之間電壓大小變化而變化。陽極電流陽極電流：陽極的光電子發(fā)射：陽極的光電子發(fā)射是陽極材料在光照下發(fā)射的光是陽極材料在光照下發(fā)射的光電子，對這些光電子而言，外電子，對這些光電子而言，外加反向電場是加速電場，因此加反向電場是加速電場，因此它們很容易到達陰極，形成反它們很容易到達陰極，形成反向電流（陽極電流）。由于它向電流（陽極電流）。由于它們的存在，使得們的存在，使得IU曲線較理曲線較理論曲

15、線下移，如圖所示。論曲線下移，如圖所示。ZKY-GD-3型光型光電效應實驗儀電效應實驗儀SUv0v上式表明上式表明 與入射光頻率與入射光頻率 成直線關(guān)系，實驗中可用不同成直線關(guān)系，實驗中可用不同頻率的入射光照射，分別測量相應的截止電壓頻率的入射光照射，分別測量相應的截止電壓 ，就可作，就可作出出 的實驗直線，此直線的斜率就是的實驗直線，此直線的斜率就是 SU由該直線與橫軸的交點，可求出由該直線與橫軸的交點，可求出“紅限紅限”頻率頻率 。這就是。這就是密立根驗證愛因斯坦光電效應方程的主要實驗思想。密立根驗證愛因斯坦光電效應方程的主要實驗思想。vUSehk 則普朗克常數(shù)則普朗克常數(shù)ekh普朗克常數(shù)

16、的測量原理普朗克常數(shù)的測量原理SmeUm221AeUhSAh0)(0ehUSZKY-GD-3型光電效應實驗儀型光電效應實驗儀 普朗克常數(shù)的測量普朗克常數(shù)的測量 濾光片及光闌濾光片及光闌 普朗克常數(shù)的測量普朗克常數(shù)的測量測試儀測試儀光電管暗盒光電管暗盒光電管光電管光闌光闌濾光片濾光片高壓汞燈高壓汞燈汞燈電源汞燈電源ZKY-GD-3光電效應實驗儀結(jié)構(gòu)示意圖光電效應實驗儀結(jié)構(gòu)示意圖五種帶通型濾光片安裝在接收暗盒的進光窗口上，以獲得所需要的單色光。五種帶通型濾光片安裝在接收暗盒的進光窗口上，以獲得所需要的單色光。普朗克常數(shù)的測量普朗克常數(shù)的測量光闌光闌濾光片濾光片普朗克常數(shù)的測量普朗克常數(shù)的測量ZKY

17、-GD-3光電效應實驗儀結(jié)構(gòu)示意圖光電效應實驗儀結(jié)構(gòu)示意圖實驗（實驗（1）用）用實驗（實驗（23）用）用調(diào)零和測調(diào)零和測量切換量切換調(diào)零調(diào)零量程量程ZKY-GD-3型光電效應實驗儀特點型光電效應實驗儀特點 由于其特殊結(jié)構(gòu)使光不能直接照射由于其特殊結(jié)構(gòu)使光不能直接照射到陽極；到陽極；由陰極反射照到陽極的光也很少；由陰極反射照到陽極的光也很少；加上采用新型的陰、陽極材料及制加上采用新型的陰、陽極材料及制造工藝，使得陽極反向電流、光電造工藝，使得陽極反向電流、光電管暗電流大大降低；管暗電流大大降低；0U由此測定的光電管的伏安特性曲線由此測定的光電管的伏安特性曲線 點與點與 點基本重合。點基本重合。因

18、而可以把實測電流為零時對應的光電管電壓值作為截止因而可以把實測電流為零時對應的光電管電壓值作為截止電壓，此種方法稱為電壓，此種方法稱為零電流法零電流法。0U普朗克常數(shù)的測量普朗克常數(shù)的測量ZKY-GD-3型光電效應實驗儀采用了新型結(jié)構(gòu)的光電管。型光電效應實驗儀采用了新型結(jié)構(gòu)的光電管。普朗克常數(shù)的測量普朗克常數(shù)的測量（1）把汞燈及光電管暗盒）把汞燈及光電管暗盒遮光蓋蓋上遮光蓋蓋上，將汞燈暗盒光輸出口，將汞燈暗盒光輸出口對準光電管暗盒光輸入口，調(diào)整光電管與汞燈距離為約對準光電管暗盒光輸入口，調(diào)整光電管與汞燈距離為約40cm并保持不變。將測試儀及汞燈電源接通，預熱并保持不變。將測試儀及汞燈電源接通，

19、預熱20分分鐘。（鐘。（）（2）測試儀調(diào)零測試儀調(diào)零：將：將“電流量程電流量程”選擇開關(guān)置于選擇開關(guān)置于10-13A檔位，檔位，儀器在充分預熱后，進行測試前調(diào)零。調(diào)零時，將儀器在充分預熱后，進行測試前調(diào)零。調(diào)零時，將“調(diào)調(diào)零零/測量測量”切換開關(guān)切換到切換開關(guān)切換到“調(diào)零調(diào)零”檔位，旋轉(zhuǎn)檔位，旋轉(zhuǎn)“電流調(diào)電流調(diào)零零”旋鈕使電流指示為旋鈕使電流指示為“000”。調(diào)節(jié)好后，將。調(diào)節(jié)好后，將“調(diào)零調(diào)零/測測量量”切換開關(guān)切換到切換開關(guān)切換到“測試測試”檔位，就可以進行實驗了。檔位，就可以進行實驗了。普朗克常數(shù)的測量普朗克常數(shù)的測量1.測量普朗克常數(shù)測量普朗克常數(shù)、“紅限紅限”頻率頻率本實驗采用本實驗

20、采用ZKY-GD-3型光電效應實驗儀。由于其特殊結(jié)構(gòu)使型光電效應實驗儀。由于其特殊結(jié)構(gòu)使暗電流大大降低，由此測定的光電管的伏安特性曲線與基本重暗電流大大降低，由此測定的光電管的伏安特性曲線與基本重合。因而可以把實測電流為零時對應的光電管電壓值作為截止合。因而可以把實測電流為零時對應的光電管電壓值作為截止電壓，此種方法稱為電壓，此種方法稱為零電流法零電流法。（1）用零電流法測定）用零電流法測定h和和 由于光電管的陽極反向電流、暗電流、由于光電管的陽極反向電流、暗電流、本底電流及極間接觸電位差等因素的影本底電流及極間接觸電位差等因素的影響，實測電流為零時對應的光電管的電響，實測電流為零時對應的光電

21、管的電壓并非截止電壓，而對應于壓并非截止電壓，而對應于UI實驗曲實驗曲線反向電流開始趨于常量的點（拐點），線反向電流開始趨于常量的點（拐點），因此，通過實驗測量光電管的伏安特性，因此，通過實驗測量光電管的伏安特性，根據(jù)根據(jù)UI實驗曲線分析其實驗曲線分析其“拐點拐點”，由，由此得出截止電壓。此方法稱為此得出截止電壓。此方法稱為“拐點拐點法法”。普朗克常數(shù)的測量普朗克常數(shù)的測量1.測量普朗克常數(shù)測量普朗克常數(shù)、“紅限紅限”頻率頻率將電壓選擇按鍵置于將電壓選擇按鍵置于-2V0V檔，電流量程選擇在檔，電流量程選擇在10-13A擋，重新調(diào)節(jié)測試擋，重新調(diào)節(jié)測試儀零點。將直徑為儀零點。將直徑為4mm的光闌

22、及的光闌及365.0nm的濾色片裝在光電管暗盒光輸入的濾色片裝在光電管暗盒光輸入口上。調(diào)節(jié)電壓口上。調(diào)節(jié)電壓UAK，使光電流指示為零，此時測試儀所顯示的電壓值即，使光電流指示為零，此時測試儀所顯示的電壓值即為與入射光頻率對應的截止電壓。更換其余四個濾光片（為與入射光頻率對應的截止電壓。更換其余四個濾光片（注意注意：更換濾光：更換濾光片時先將汞燈用遮光蓋蓋上！片時先將汞燈用遮光蓋蓋上?。?，測出各頻率的光所對應的截止電壓。重），測出各頻率的光所對應的截止電壓。重復上述測量步驟，測量復上述測量步驟，測量4組數(shù)據(jù)。組數(shù)據(jù)。平均值4321 截止電壓5.1965.4906.8797.4088.214頻率

23、（1014Hz）577.0546.1435.8404.7365.0波長 （nm）)(VUS數(shù)據(jù)記錄表格一數(shù)據(jù)記錄表格一(每種情況測量四次每種情況測量四次)普朗克常數(shù)的測量普朗克常數(shù)的測量將電壓選擇按鍵置于將電壓選擇按鍵置于-2V+30V檔；將檔；將“電流量程電流量程”選擇開關(guān)置于選擇開關(guān)置于10-12A檔檔, 重新調(diào)節(jié)測試儀零點重新調(diào)節(jié)測試儀零點。將直徑。將直徑2mm的光闌及的光闌及577nm的濾色的濾色片裝在光電管暗盒光輸入口上。片裝在光電管暗盒光輸入口上。從低到高調(diào)節(jié)電壓，記錄電流從低到高調(diào)節(jié)電壓，記錄電流從零到非零從零到非零點點所對應的電壓值作為所對應的電壓值作為第一組數(shù)據(jù)，之后電壓間隔

24、取第一組數(shù)據(jù)，之后電壓間隔取1.5V，一直測到，一直測到UAK=30.0V左右為止。左右為止。 換上直徑換上直徑4mm及及8mm的光闌的光闌,重復上述測量步驟。重復上述測量步驟。2.測量光電管的伏安特性曲線測量光電管的伏安特性曲線（IU曲線）曲線）577nm光闌光闌2mmUAK（V）I（10-12）577nm光闌光闌4mmUAK（V）I（10-12）數(shù)據(jù)記錄表格二數(shù)據(jù)記錄表格二577.0nm光闌光闌8mmUAK（V）I（10-12）普朗克常數(shù)的測量普朗克常數(shù)的測量3.驗證光電管的飽和光電流與驗證光電管的飽和光電流與入射光強的正比關(guān)系入射光強的正比關(guān)系 將將“電流量程電流量程”選擇開關(guān)置于選擇開

25、關(guān)置于10-11A檔，檔，重新調(diào)節(jié)測試儀零重新調(diào)節(jié)測試儀零點點。將電壓調(diào)到。將電壓調(diào)到25V，在同一譜線，在同一譜線,在同一入射距離下在同一入射距離下,記錄記錄光闌分別為光闌分別為2mm，4mm，8mm時對應的電流值。時對應的電流值。由于照到光電管上的光強與由于照到光電管上的光強與光闌面積光闌面積成正比，用表三數(shù)據(jù)成正比，用表三數(shù)據(jù)驗證光電管的飽和光電流與入射光強成正比。驗證光電管的飽和光電流與入射光強成正比。435.8nm光闌光闌 2mm 4mm 8mmI（10-11A）546.1nm光闌光闌 2mm 4mm 8mmI（10-11A）數(shù)據(jù)記錄表格三數(shù)據(jù)記錄表格三由于照到光電管上的光強與光闌由于照到光電管上的光強與光闌面積面積成正比，用表三成正比，用表三數(shù)據(jù)驗證光電管的飽和光電流與入射光強成正比。數(shù)據(jù)驗證光電管的飽和光電流與入射光強成正比。【數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理】普朗克常數(shù)的測量普朗克常數(shù)的測量（一）根據(jù)表格一測量數(shù)據(jù)（一）根據(jù)表格一測量數(shù)據(jù)11作圖法作圖法 作出作出U US Sv v的實驗直線，由此直線的斜的實驗直線，由此直線的斜率率k k計算普朗克常數(shù)計算普朗克常數(shù)h hekek，與公認值，與公認值進行比較計算相對不確定度。進行比較計算相對不確定度。 由該直線與橫軸的交點得出由該