光電效應(yīng)講義

1、光電效應(yīng)講義實(shí)驗(yàn)三光電效應(yīng)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹? .加深對(duì)光的量子性的認(rèn)識(shí)。2 .驗(yàn)證愛因斯坦方程，測(cè)定普朗克常數(shù)。3 .測(cè)定光電管的伏安特性曲線?！緦?shí)驗(yàn)原理】當(dāng)一定頻率的光照射到某些金屬表面上時(shí)，可 以使電子從金屬表面逸出，這種現(xiàn)象稱為光電效 應(yīng).所產(chǎn)生的電子，稱為光電子。光電效應(yīng)是光 的經(jīng)典電磁理論所不能解釋的。1905年愛因斯坦 依照普朗克的量子假設(shè)，提出了光子的概念。他 認(rèn)為光是一種微粒一光子；頻率為 的光子具 有能量h ,卜為普朗克常數(shù)，目前國(guó)際公認(rèn)值為 h=(6. 6260755± 0. 0000040) X 10-3j s。當(dāng)金 屬中的電子吸收一個(gè)頻率為的光子時(shí)，便獲得這光子的

2、全部能量h ，如果這能量大于電子擺脫 金屬表面的約束所需要的逸出功 W,電子就會(huì)從 金屬中逸出.按照能量守恒原理有：(3.1).12 .h-mvm W2上式稱為愛因斯坦方度，*vm是光電子逸出 程，其中m和Vm是光豐不二馨日七M(jìn)日上f 足日工日,、土表面后所具有的最大動(dòng)電子的質(zhì)重和取大速能.它說明光子能量h 小于W時(shí)，電子不能逸 出金屬表面，因而沒有 光電效應(yīng)產(chǎn)生；產(chǎn)生光 電效應(yīng)的入射光最低頻 率=W/h ,稱為光電 效應(yīng)的極限頻率（又稱 紅限）。不同的金屬材 料有不同的逸出功，因 而也是不同的。用光電管進(jìn)行光電 效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量普朗克常數(shù)的實(shí)驗(yàn)原理如圖3.1所示。圖中K為圖3.1光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)原

3、理圖光電管的陰極，A為陽(yáng)極，微安表用于測(cè)量微小 的光電流，電壓表用于測(cè)量光電管兩極間的電壓，E為電源，R提供的分壓可以改變光電管兩極間 的電勢(shì)差。當(dāng)單色光入射到光電管的陰極 K上時(shí)， 如有光電子逸出，則當(dāng)陽(yáng)極 A加正電勢(shì)，K加負(fù) 電勢(shì)時(shí)，光電子就被加速；而當(dāng) K加正電勢(shì)，A 加負(fù)電勢(shì)時(shí)，光電子就被減速。當(dāng) A K之間所加電壓U足夠大時(shí)，光電流達(dá)到飽和值Im,當(dāng)U w-U0,并滿足方程eUo =12 mvm2(3.時(shí)，光電流將為零，此時(shí)的 中e為電子電量。光電管的伏安特性曲線的I U關(guān)系）如圖3.22）Uo稱為截止電壓。式（光電流與所加電壓所示。當(dāng)用一定強(qiáng)度的線性關(guān)系圖線的光照射在光電管陰極 K

4、上時(shí)，光電流I隨兩極 間的加速電壓改變而改變，開始光電流 I隨兩極 間的加速電壓增加而增加，當(dāng)加速電壓增加到一 定值后，光電流不再增加.這是因?yàn)樵谝欢ㄕ斩?下，單位時(shí)間14內(nèi)所產(chǎn)生的光電子數(shù)目一定，而且這些電子在電場(chǎng)的作用下已全都跑向陽(yáng)極 A,從而達(dá)到飽和。我們稱此時(shí)的電流為飽和電流Im。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 間電勢(shì)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，光電流隨之減小；當(dāng)反向電 壓達(dá)到截止電壓Uo時(shí)，光電流為零。將式(3.2) 代人式(3.1)可得eU0 = hW即Uo=h W h 0(3.3)e e e上式表明，截止電壓U0是入射光頻率

5、的線性函 數(shù)，其直線的斜率等于 h/e?？梢?，只要用實(shí) 驗(yàn)方法，測(cè)量不同頻率光的截止電壓，作出Uo-圖線，如圖3.3所示。從圖中求得直線的斜率 工 e即可求出普朗克常數(shù)ho另外，從直線和橫坐標(biāo) 的交點(diǎn)還可求出極限頻率。因此，由光電效應(yīng)測(cè)定普朗克常數(shù) h的關(guān)鍵 是正確地測(cè)定截止電壓 U。需要指出的是，實(shí)際 的光電管由于制作工藝等原因，給測(cè)定截止電壓 帶來一些困難。對(duì)測(cè)量產(chǎn)生影響的主要因素如下：1） ) 暗電流和本底電流光電管在沒有受到光照時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生電流，稱為暗電流。它是由陰極在常溫下的熱電子發(fā)射形成的熱電流和封閉在暗盒里的光電管在外加電壓下因管子陰極和陽(yáng)極間絕緣電阻漏電而產(chǎn)生的漏電流兩部分組成

6、。本底電流是周圍雜散光射入 光電管所致2） 反向電流 由于制作光電管時(shí)陽(yáng)極上往往濺有陰極材料，所以當(dāng)光照到陽(yáng)極上或雜散光漫射到陽(yáng)極上 時(shí)，陽(yáng)極上也往往有光電子發(fā)射；此外，陰極發(fā) 射的光電子也可能被陽(yáng)極的表面所反射。當(dāng)陽(yáng)極A加負(fù)電勢(shì)，陰極K加正電勢(shì)時(shí)，對(duì)陰極K上發(fā) 射的光電子而言起減速作用，而對(duì)陽(yáng)極 A發(fā)射或 反射的光電子而言卻起了加速作用，使陽(yáng)極 A發(fā) 出的光電子也到達(dá)陰極 K,形成反向電流。由于上述種種原因，實(shí)測(cè)的光電管伏安特性（ I U ）曲線與理想曲線是有區(qū)別的。圖 3.4 中實(shí)線表示實(shí)測(cè)曲線，虛線表示理想曲線即陰極光電流曲線，點(diǎn)劃線代表影響較大的反向電流及暗電流曲線。實(shí)測(cè)曲線上每一點(diǎn)的

7、電流值是以上三個(gè)電流值的代數(shù)和。顯然，實(shí)測(cè)曲線上光電流I 為零的點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓值圖3.4對(duì)光電流曲線的分析并不是截止電壓。從圖 3.4可看出，陽(yáng)極光電 流（即反向電流和暗電 流）的存在，使陰極光 電流曲線下移，實(shí)測(cè)曲 線的拐點(diǎn)（或稱抬頭點(diǎn)） 處的電壓值與截止電壓 近似相等，可代替截止電壓。因此，光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)是通過找 出實(shí)驗(yàn)伏安特性曲線的拐點(diǎn)來確定截止電壓Uo的?！緝x器介紹】1.GDH-I型光電管：陽(yáng)極為銀圈，陰極為銀一 氧-鉀（Ag-O-K）,光譜范圍 34O. 0700. 0nm 光窗口為無鉛多硼硅玻璃，最高靈敏波長(zhǎng)是410. 0+ 10. 0nm,陰極光靈敏度為1 pA/Lm , 暗電流為

8、10-12A。為了避免雜散光和外界電磁 場(chǎng)對(duì)微弱光電流的干擾，光電管安裝在可升降 的鋁質(zhì)暗盒中，暗盒窗口可以安放光闌孔和濾 色片。2. 光源：高壓汞燈，譜線范圍在302.3872.0nm。3. NG型濾色片：一組有色玻璃濾色片。濾通的譜 線波長(zhǎng)分別為 365 nm, 404 nm, 436 nm , 546 nm, 577 nm。4. GP-n型微電流測(cè)量放大器：電流測(cè)量范圍為 10-610-13 A,分六檔十進(jìn)變換；工作電源為 -3+3V連續(xù)可調(diào))電壓量程分 0V土 1V 土 2V土 3V六段讀數(shù)，讀數(shù)精度 0. 02V。測(cè) 量放大器可以連續(xù)地工作8小時(shí)以上。由液梗性1作逸舞仁福-"

9、;博膽比郵號(hào)電朝？ 0 。二 0 口#,尤中和E777!£20(圖3.5光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】1.測(cè)試前的準(zhǔn)備(1) 將光源、光電管暗盒、微電流測(cè)量放大 器安放在適當(dāng)位置，連接好光電管暗盒與測(cè)量放大器之間的屏蔽電纜、地線和陽(yáng)極電源線。參見圖 3.5 和圖 3.6。將微電流測(cè)量放大器面板上各開關(guān)、旋鈕置于下列位置：“倍率”開關(guān)置“ZERO; “電流極性”置“-”；“工作選擇”置“DC”； “掃描平移”任意； “電壓極性”置“-”； “電壓量程”置“-3”； “電壓調(diào)節(jié)”反時(shí)針調(diào)到頭。(2) 打開微電流測(cè)量放大器電源開關(guān)讓其預(yù)熱 20-30 分鐘。在光電管暗盒的光窗上裝光闌；

10、并蓋上遮光罩，打開光源開關(guān)，讓汞燈預(yù)熱。2. 測(cè) 量光電管的I U 特性(1)使暗盒離開光源3050 cm,基本等高，暗盒窗口正對(duì)光源出射孔。(2)取去暗盒窗口上的遮光罩，換上波長(zhǎng)入=365 nm 的濾色片。將倍率旋鈕置于“10-7”檔，此時(shí)光電流大小應(yīng)在此量程范圍內(nèi)(注意，光電管暗盒正對(duì)汞燈時(shí)，電流最小)。(3)選擇合適的電流和電壓量程，測(cè)出 -33V時(shí)不同電壓下的光電流。測(cè)量時(shí)，-30V時(shí)每0.1V測(cè)一個(gè)點(diǎn)， 0V以上可加大間隔。3 .測(cè)量光電管拐點(diǎn)和本底電流。(1)依次調(diào)換不同波長(zhǎng)的濾色片，重復(fù)上面的 測(cè)量，只測(cè)-30V時(shí)的光電流，每0.1V 測(cè)一個(gè)點(diǎn)。(2)擋住汞燈出光口，測(cè)量 0V時(shí)

11、光電管的本 底電流(每個(gè)濾色片都測(cè))。4 .測(cè)量光電管的暗電流。用遮光罩罩住光電管暗盒，測(cè)量0V時(shí)光電管 的暗電流。5 .求普朗克常數(shù)h把不同頻率下的截止電壓描繪在方格紙上， 如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確，則 U0=f (。關(guān)系曲線是一直 線，求出直線的斜率，從而可算出普朗克常數(shù)h, 并將結(jié)果與公認(rèn)值比較，求出百分誤差。【注意事項(xiàng)】1.在數(shù)據(jù)表格后加拐點(diǎn)及本底電流數(shù)據(jù)表(365nm的本底電流記在I V表中)電壓(V)-3.0-2.9-2.8-2.7-2.6-2.5-2.4-2.3-2.2-2.1-2.0405n m436nm546n m577n m電壓(V)-1.9-1.8-1.7-1.6-1.5-1.4-1.3-1.2-1.1-1.0-0.9405n m436n m546n m577n m電壓(V)-0.8-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.10本底405n m436n m5