光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)校正與深入研究論文

1、吉林大學(xué)開放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目學(xué)期檢查表項(xiàng)目名稱：光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)校正與深入研究 編號(hào)：946OEP19負(fù)責(zé)人王志軍指導(dǎo)教師王志軍，何越，王連元參加學(xué)生（組）姓名學(xué)號(hào)學(xué)院專業(yè)年級(jí)51120234電子學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)二年級(jí)62120821地探學(xué)院地球物理二年級(jí)62120823地探學(xué)院地球物理二年級(jí)項(xiàng)目開始時(shí)間2013.09計(jì)劃完成時(shí)間2014.03項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)工作計(jì)劃2013.09201.10 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量及查找資料。2013.10201.12 對(duì)影響光電流的因素進(jìn)行總結(jié)、分析并測(cè)量光電效率隨光頻率的變化關(guān)系，不同光強(qiáng)與光電流的定量關(guān)系;濾波片厚度與光強(qiáng)的關(guān)系。2013.01201.03 數(shù)據(jù)整理

2、，撰寫項(xiàng)目報(bào)告。項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1， 查閱資料，研究影響光電流的主要因素并提出實(shí)驗(yàn)方案，學(xué)習(xí)光譜儀的使用。2， 測(cè)量光電效應(yīng)的光電流及對(duì)應(yīng)的光譜。3， 測(cè)量不同光強(qiáng)的光譜及對(duì)應(yīng)的光電流。4， 測(cè)量不同數(shù)量濾波片及其對(duì)應(yīng)的光電流。5， 數(shù)據(jù)處理、分析，撰寫項(xiàng)目報(bào)告。6， 撰寫相關(guān)論文。項(xiàng)目成果通過測(cè)量光譜及測(cè)量光電流，深入研究并分析了光電效率隨頻率的變化關(guān)系，及不同光強(qiáng)與光電流的定量關(guān)系。正在撰寫相關(guān)論文。項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)詳細(xì)支出明細(xì)： 光電管 2*800元，濾色片 2400元，汞管2*300元，共4600元。項(xiàng)目負(fù)責(zé)單位： 負(fù)責(zé)人（簽章） 年 月 日注：此表以項(xiàng)目為單位填寫，如多組學(xué)生進(jìn)行同一實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，每

3、組獨(dú)立填寫。此頁(yè)不夠，可加附頁(yè)。光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)校正與深入研究摘要：本文介紹了作者的光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)方法、結(jié)果及所得出的：關(guān)于飽和光電流與光強(qiáng)的關(guān)系的正確表述：在其他條件（如光電率、頻率等）一定的情況下，對(duì)于同一光波，飽和光電流與光強(qiáng)（光子數(shù)）成正比。否則，飽和光電流與光強(qiáng)（光子數(shù)）不一定成正比。介紹了通過采用減光度不同的多個(gè)減光片組合得到濾波片厚度的平滑變化，驗(yàn)證得出：對(duì)于某一光波，光強(qiáng)與濾波片厚度呈現(xiàn)嚴(yán)格的指數(shù)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：有些波長(zhǎng)的光波（如436nm的光）飽和光電流與光強(qiáng)的關(guān)系出現(xiàn)特異變化，有些減光片得到的飽和光電流陡然增長(zhǎng)。關(guān)鍵詞：光電效應(yīng) 飽和光電流 濾鏡 光電管 光強(qiáng) 入射光波長(zhǎng)目錄前

4、言11 研究任務(wù)12 實(shí)驗(yàn)原理13 實(shí)驗(yàn)方法13.1實(shí)驗(yàn)儀器介紹13.2測(cè)量光電子的初動(dòng)能23.3用不同波長(zhǎng)的光波探究飽和光電流與入射光頻率的關(guān)系33.4用減光片控制同一光波的光強(qiáng)以確定飽和光電流與光強(qiáng)的關(guān)系73.5確定光強(qiáng)與濾波片厚度的關(guān)系84 實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問題及所采取的應(yīng)對(duì)措施84.1飽和電流與入射光強(qiáng)的關(guān)系分析94.2濾光片厚度的調(diào)整9結(jié)論10致謝11前言光電效應(yīng)是指：當(dāng)以一定頻率的光照射到金屬表面時(shí)，金屬中的電子吸收光的能量，從而使電子從金屬表面逸出的現(xiàn)象，1887年由赫茲發(fā)現(xiàn)的。之后人們對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行了大量的研究實(shí)驗(yàn)，由于缺乏理論指導(dǎo)，并沒取得大的進(jìn)展和廣泛應(yīng)用。直到1905年，愛因

5、斯坦將普朗克的能量子思想引入到光電效應(yīng)中，提出光子的概念，成功地解釋了光電效應(yīng)，并提出了著名的光電效應(yīng)方程。一個(gè)多世紀(jì)以來一直成為光電效應(yīng)研究的科學(xué)指導(dǎo)依據(jù)和有力工具。人們對(duì)光電效應(yīng)的研究和應(yīng)用也由此取得巨大的成果。作者在學(xué)習(xí)和研究光電效應(yīng)中發(fā)現(xiàn)：在多數(shù)書籍中，關(guān)于飽和光電流與光強(qiáng)的關(guān)系的敘述不嚴(yán)謹(jǐn)，忽略了影響飽和光電流的其他因素，如光電率、頻率等。作者經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果補(bǔ)充校正了部分關(guān)于飽和光電流與光強(qiáng)的關(guān)系的表述，希望能同廣大同行交流共享。1.研究任務(wù)驗(yàn)證并深入研究以下基本實(shí)驗(yàn)事實(shí)：(1)飽和光電流Im與入射光強(qiáng)成正比；(2)光電效應(yīng)存在一個(gè)頻率0(截止頻率)，當(dāng)入射光的頻率低于域

6、頻率時(shí)，不論光的強(qiáng)度如何，都沒有光電效應(yīng)產(chǎn)生；(3)光電子的動(dòng)能與光強(qiáng)無(wú)關(guān)，但與入射光的頻率成線性關(guān)系；(4)光電效應(yīng)是“瞬時(shí)”的，當(dāng)入射光的頻率大于截止頻率時(shí)，一經(jīng)光照射，立刻產(chǎn)生光電子，時(shí)間的滯后不超過10-9s1。2.實(shí)驗(yàn)原理依據(jù)愛因斯坦光子概念對(duì)光電效應(yīng)的成功解釋，以及所提出的著名的光電效應(yīng)方程。他提出光并不是由麥克斯韋電磁場(chǎng)理論提出的傳統(tǒng)意義上的波，而是由能量為h的光量子構(gòu)成的粒子流。光電效應(yīng)的物理基礎(chǔ)就是光子與金屬(表面)中的自由電子發(fā)生完全彈性碰撞，電子要么全部吸收，要么根本不吸收光子的能量。并由此得光電效應(yīng)方程：（1）式中Ek為光電子的初動(dòng)能，m為電子的質(zhì)量。為光電子逸出金屬表

7、面的初速度； 為光電子的頻率；W為光照射的金屬材料的逸出功，為定值。3.實(shí)驗(yàn)方法3.1實(shí)驗(yàn)儀器介紹采用ZKY-GD-3光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。儀器由汞燈及電源，濾色片，光闌，光電管、測(cè)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2所示，測(cè)試儀的調(diào)節(jié)面板如圖3所示。實(shí)驗(yàn)儀 1 2 3 4 5 6 71汞燈電源 2汞燈 3濾色片 4光闌 5光電管 6導(dǎo)軌 7實(shí)驗(yàn)儀圖2 儀器結(jié)構(gòu)示意圖圖3 儀器前面板示意汞燈：可用譜線365.0nm、404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm濾色片：5片， 透射波長(zhǎng)365.0 nm、404.7 nm、435.8 nm、546.1 nm、5

8、77.0nm 光闌：3片，直徑 2mm、4mm、8mm光電管：光譜響應(yīng)范圍 320-700nm，暗電流：I 2×10-12A（-2 VUAK0 V）光電管電源：2檔，20V，230V，三位半數(shù)顯，穩(wěn)定度0.1%微電流放大器：6檔，10-810-13A，分辨率10-14A，三位半數(shù)顯，穩(wěn)定度0.2%3.2測(cè)量光電子的初動(dòng)能VGCK_+采用如圖1所示的電路2測(cè)量光電子的初動(dòng)能。 圖1測(cè)光電子初動(dòng)能電路圖在光電管兩端加上反向電壓，以單色光照射光電管陰極K，由陰極逸出的光電子具有相同的初動(dòng)能，克服反向電壓向下的電場(chǎng)力向上（陽(yáng)極）運(yùn)動(dòng)，隨著反向電壓的增大，光電流逐漸減小，當(dāng)反向電壓增加到U0時(shí)

9、，光電流降為0，此時(shí)反向電壓對(duì)電子作的功eU0等于光電子逸出的初動(dòng)能，即：（2）當(dāng)光子的能量h0<W時(shí)，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(yīng)的最低頻率(截止頻率)為0=W/h。將（2）式代入（1）式整理可得： （3） （4）（4）式表明截止電壓U0是頻率的線性函數(shù)，直線斜率K=h/e，只要用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量出不同的頻率對(duì)應(yīng)的截止電壓，求出直線斜率K就可算出普朗克常數(shù)h。h=6.56677422J/s光電管的光譜特性波段365 405436546577Us-1.77 -1.435-1.225-0.678-0.5133.3用不同波長(zhǎng)的光波探究飽和光電流與入射光頻率的關(guān)系光電管的伏安

10、特性U（v）I(*10-9/A)365nm405nm436nm546nm577nm-2.0 0.00 0.00 0.0 0.00 0.00 -1.0 1.2 0.00 0.0 0.00 0.00 0.0 4.0 1.27 2.9 0.59 0.15 1.0 7.9 2.72 5.6 1.48 0.48 2.0 11.7 4.04 8.5 2.15 0.72 3.0 14.9 5.22 10.9 2.79 0.92 4.0 17.8 6.13 12.6 3.23 1.09 5.0 20.4 6.99 14.3 3.67 1.26 6.0 22.7 7.51 15.8 3.98 1.37 7.0

11、25.5 8.07 17.0 4.27 1.47 8.0 28.2 8.78 18.4 4.50 1.55 9.0 30.5 9.40 19.7 4.78 1.62 10.0 33.0 9.90 21.2 5.05 1.69 11.0 35.2 10.50 22.3 5.21 1.74 12.0 37.7 11.03 23.2 5.44 1.79 13.0 39.8 11.54 24.0 5.57 1.86 14.0 42.1 12.14 25.3 5.80 1.92 15.0 43.7 12.44 25.9 5.98 1.97 16.0 45.2 12.83 27.3 6.10 2.05 1

12、7.0 46.0 13.34 27.8 6.29 2.07 18.0 47.6 13.63 28.4 6.42 2.10 19.0 48.6 13.82 29.7 6.55 2.13 20.0 50.0 14.48 29.8 6.68 2.18 21.0 51.1 14.64 30.4 6.79 2.21 22.0 52.7 15.04 31.6 6.90 2.24 23.0 54.0 15.19 31.9 7.00 2.27 24.0 54.5 15.58 32.2 7.07 2.30 25.0 56.2 15.72 32.9 7.15 2.33 26.0 57.1 16.18 33.9 7

13、.22 2.34 27.0 57.8 16.32 34.0 7.31 2.35 28.0 58.1 16.44 34.4 7.47 2.37 29.0 59.7 16.62 34.5 7.51 2.39 30.0 60.2 16.93 35.4 7.58 2.40 為了探究飽和光電流與入射光頻率的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)中分別用365nm、405nm、436nm、546nm和577nm的濾波片從汞燈發(fā)出的雜散光中分離出上述波長(zhǎng)的光波，并測(cè)出其光譜圖，結(jié)果如下：原始光譜圖濾波后光譜圖光電效應(yīng)的基本實(shí)驗(yàn)規(guī)律之一是：飽和電流與入射光強(qiáng)成正比，或者是單位時(shí)間內(nèi)自金屬表面逸出的光電子數(shù)與入射光的強(qiáng)度成正比。從光譜圖中

14、得出光強(qiáng)的大小是：I456>I365>I536>I577>I405,而飽和光電流的大小關(guān)系是：Im365>Im436>Im405>Im546>Im577，從而與實(shí)驗(yàn)規(guī)律不相符。為此在實(shí)驗(yàn)中又計(jì)算出相對(duì)光強(qiáng)及相應(yīng)的光子數(shù)，又經(jīng)過歸一化處理，得到如下數(shù)據(jù)：光子數(shù)與飽和電流波長(zhǎng)nm積分寬度(nm)積分值（光強(qiáng)）光子數(shù)（I/hv）飽和光電流 36520.11.000 1140520.10.152 0.1690.2843620.11.087 1.2980.5954620.10.557 0.8630.1357720.10.592 0.9360.04 1-1通

15、過分析，飽和光電流與入射光的光子數(shù)也不符合正比關(guān)系。尤其是577nm的光，明顯不符。在查閱了許多資料后，我們找到了燕山大學(xué)的李曙光給出的飽和光電流公式：I=*N*e=*e *P* A* sin/(h* v)其中為光電率，e為單位電荷量，P為光強(qiáng)度，A為光電陰極面積，表示入射光與陰極表面所成的角度，h為普朗克常數(shù)，v為光頻率。因而在光電陰極面積A和入射角度確定時(shí),飽和光電流與光電率成和光強(qiáng)度P成正比,與入射光頻率v成反比。3.4用減光片控制同一光波的光強(qiáng)以確定飽和光電流與光強(qiáng)的關(guān)系為此在實(shí)驗(yàn)中分別用25%、50%和75%的減光片對(duì)同一光波做實(shí)驗(yàn)，從而控制光電率和入射光頻率一定，以確定飽和光電流與

16、光強(qiáng)的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖： 實(shí)驗(yàn)事實(shí)與規(guī)律基本相符，但用75%減光片得到的飽和光電流陡然增長(zhǎng)，其原因有待進(jìn)一步探討。根據(jù)李曙光給出的公式，光電效率也是影響光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中飽和光電流的一個(gè)重要因素，因此我們利用表格1-1做簡(jiǎn)單處理，即認(rèn)為飽和光電流與光強(qiáng)成嚴(yán)格的的正比關(guān)系。得到光子數(shù)相同和光強(qiáng)相同時(shí)飽和光電流隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系，如下圖所示： 相同光強(qiáng)和相同光子數(shù)是飽和光電流與波長(zhǎng)的關(guān)系圖從上圖中可以得到光電率的大致變化趨勢(shì)，從405nm波長(zhǎng)開始，光電率隨波長(zhǎng)的增大而減小，大致呈現(xiàn)出反比例的關(guān)系。其中577nm波長(zhǎng)的光電率最小。3.5確定光強(qiáng)與濾波片厚度的關(guān)系在實(shí)驗(yàn)中，我們又使用少量濾波片進(jìn)行堆疊，

17、希望能夠測(cè)量光強(qiáng)與濾波片厚度直接的關(guān)系。在通過對(duì)不同厚度的濾波片進(jìn)行測(cè)量后，我們將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行了初步整理得出了如下圖像：光強(qiáng)與厚度關(guān)系圖圖中黑色線為實(shí)際得到的曲線，紅色曲線為用擬合曲線，其函數(shù)表達(dá)式是： Y=748.79*10(-0.06684x)在初步處理了數(shù)據(jù)之后，通過對(duì)圖線的觀察我們嘗試著對(duì)最大光強(qiáng)以10為底去對(duì)數(shù)，得出光強(qiáng)是隨著濾波片的厚度呈現(xiàn)出指數(shù)遞減的嚴(yán)格數(shù)學(xué)關(guān)系。4 實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問題及所采取的應(yīng)對(duì)措施4.1飽和電流與入射光強(qiáng)的關(guān)系分析飽和電流與入射光強(qiáng)的關(guān)系與實(shí)驗(yàn)規(guī)律不相符，飽和光電流與入射光的光子數(shù)也不符合正比關(guān)系。通過分析發(fā)現(xiàn)，不符合實(shí)驗(yàn)規(guī)律的光波是因光電率、頻率等條件不相同

18、，這些因素共同作用，飽和光電流與光強(qiáng)并不成正比。應(yīng)對(duì)措施：控制其他條件一定，反復(fù)實(shí)驗(yàn)證明飽和電流與入射光強(qiáng)成正比，反之，則不符合正比關(guān)系。4.2濾光片厚度的調(diào)整通過增加減光片的個(gè)數(shù)調(diào)節(jié)濾波片厚度，得到的濾波片厚度變化不夠平滑，有可能影響結(jié)果分析。通過采用減光度不同的多個(gè)減光片組合得到濾波片厚度的平滑變化，結(jié)果證明，用25%、50%和75%的減光片對(duì)同一光波做實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果正確可信。結(jié)論飽和光電流與光強(qiáng)的關(guān)系是：在其他條件（如光電率、頻率等）一定的情況下，對(duì)于同一光波，飽和光電流與光強(qiáng)（光子數(shù)）成正比。否則，飽和光電流與光強(qiáng)（光子數(shù)）不一定成正比。光強(qiáng)與濾波片厚度的關(guān)系是是：對(duì)于某一光波，光強(qiáng)與濾波片厚度呈現(xiàn)嚴(yán)格的指數(shù)關(guān)系，即隨著厚度的增加，光強(qiáng)指數(shù)遞減。亟需進(jìn)一步探究的方面：一方面不同波長(zhǎng)的光波，尤其是表現(xiàn)非常明顯的光波（如436nm的光）飽和光電流與光強(qiáng)的關(guān)系出現(xiàn)特異變化的規(guī)律。另一方面用75%減光片得到的飽和光電流陡然增長(zhǎng)的內(nèi)在影響因素分析，折點(diǎn)數(shù)及折點(diǎn)值。致謝在多次實(shí)驗(yàn)和本文撰寫中尤其得到王志軍老師的悉心指導(dǎo)，僅此對(duì)王志軍和各位指導(dǎo)老師表示衷心的感謝！參考文獻(xiàn)1 張鐵強(qiáng), 大