光電效應(yīng)法測量普朗克常量

1、實驗簡介1905年，年僅26歲的愛因斯坦（A.Einstein）提出光量子假說，發(fā)表了在物理學(xué)發(fā)展史上具有里程碑意義的光電效應(yīng)理論，10年后被具有非凡才能的物理學(xué)家密里根（Robert Millikan）用光輝的實驗證實了。兩位物理大師之間微妙的默契配合推動了物理學(xué)的發(fā)展，他們都因光電效應(yīng)等方面的杰出貢獻(xiàn)分別于1921年和1923年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。光電效應(yīng)實驗及其光量子理論的解釋在量子理論的確立與發(fā)展上，在解釋光的波粒二象性等方面都具有劃時代的深遠(yuǎn)意義。利用光電效應(yīng)制成的光電器件在科學(xué)技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用，并且至今還在不斷開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。本實驗的目的是了解光電效應(yīng)基本

2、規(guī)律，并用光電效應(yīng)方法測量普朗克常量和測定光電管的光電特性曲線。 實驗原理當(dāng)光照在物體上時，光的能量僅部分地以熱的形式被物體吸收，而另一部分則轉(zhuǎn)換為物體中某些電子的能量，使電子逸出物體表面，這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)，逸出的電子稱為光電子。在光電效應(yīng)中，光顯示出它的粒子性質(zhì)，所以這種現(xiàn)象對認(rèn)識光的本性，具有極其重要的意義。光電效應(yīng)實驗原理如圖n        光電流與入射光強(qiáng)度的關(guān)系光電流隨加速電位差U的增加而增加，加速電位差增加到一定量值后，光電流達(dá)到飽和值，飽和電流與光強(qiáng)成正比，而與入射光的頻率無關(guān)。當(dāng)變成負(fù)值時，光

3、電流迅速減小。實驗指出，有一個遏止電位差存在，當(dāng)電位差達(dá)到這個值時，光電流為零。n        光電子的初動能與入射光頻率之間的關(guān)系光電子從陰極逸出時，具有初動能，在減速電壓下，光電子在逆著電場力方向由K極向A極運動。當(dāng) 時，光電子不再能達(dá)到A極，光電流為零。所以電子的初動能等于它克服電場力所作的功。即 (1)根據(jù)愛因斯坦關(guān)于光的本性的假設(shè)，光是一粒一粒運動著的粒子流，這些光粒子稱為光子。每一光子的能量為，其中為普朗克常量，為光波的頻率。所以不同頻率的光波對應(yīng)光子的能量不同。光電子吸收了光子的能量之后，一部分消耗于克服電子

4、的逸出功A，另一部分轉(zhuǎn)換為電子動能。由能量守恒定律可知 (2)式（2）稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程。由此可見，光電子的初動能與入射光頻率成線性關(guān)系，而與入射光的強(qiáng)度無關(guān)。n        光電效應(yīng)有光電閾存在實驗指出，當(dāng)光的頻率時，不論用多強(qiáng)的光照射到物質(zhì)都不會產(chǎn)生光電效應(yīng)，根據(jù)式（2）， ，稱為紅限。愛因斯坦，光電效應(yīng)方程同時提供了測普朗克常量的一種方法：由式（1）和（2）可得： 。當(dāng)用不同頻率（ ）的單色光分別做光源時，就有任意聯(lián)立其中兩個方程就可得到由此若測定了兩個不同頻率的單色光所對應(yīng)的遏止電位差及可算出普朗克常量，也可

5、由直線的斜率求出。因此，用光電效應(yīng)方法測量普朗克常量的關(guān)鍵在于獲得單色光、測得光電管的伏安特性曲線和確定遏止電位差值。實驗中，單色光可由水銀燈光源經(jīng)過單色儀選擇譜線產(chǎn)生。水銀燈是一種氣體放電光源，點燃穩(wěn)定后，在可見光區(qū)域內(nèi)有幾條波長相差較遠(yuǎn)的強(qiáng)譜線，如表-1所示。單色儀的鼓輪讀數(shù)與出射光的波長存在一一對應(yīng)關(guān)系，由單色儀的定標(biāo)曲線，即可查出出射單色光的波長（有關(guān)單色儀的結(jié)構(gòu)和使用方法請參閱有關(guān)說明書），也可用水銀燈（或白熾燈）與濾光片聯(lián)合作用產(chǎn)生單色光。為了獲得準(zhǔn)確的遏止電位差值，本實驗用的光電管應(yīng)該具備下列條件：l      

6、0; 對所有可見光譜都比較靈敏。l        陽極包圍陰極，這樣當(dāng)陽極為負(fù)電位時，大部分光電子仍能射到陽極。l        陽極沒有光電效應(yīng)，不會產(chǎn)生反響電流。l        暗電流很小。但是實際使用的真空型光電管并不完全滿足以上條件。由于存在陽極光電效應(yīng)所引起的反向電流和暗電流（即無光照射時的電流），所以測的得電流值，實際上包括上述兩種電流和由陰極光電效應(yīng)所產(chǎn)生的正向電流三個部

7、分，所以伏安曲線并不與U軸相切。由于暗電流是由陰極的熱電子發(fā)射及光電管管殼樓電等原因產(chǎn)生，與陰極正向光電流相比，其值很小，且基本上隨電位差U呈線性變化，因此可忽略其對遏止電位差的影響。陽極反向光電流雖然在實驗中較顯著，但它服從一定規(guī)律。據(jù)此，確定遏止電位差值，可采用以下兩種方法：l        交點法光電管陽極用逸出功較大的材料制作，制作過程中盡量防止陰極材料蒸發(fā)，實驗前對光電管陽極通電，減少其上濺射的陰極材料，實驗中避免入射光直接照射到陽極上，這樣可使它的反向電流大大減少，器伏安特性曲線與圖-2十分接近，因此曲線與U軸交

8、點的電位差近似等于遏止電位差，此即交點法。l        拐點法光電管陽極反向光電流雖然較大，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，若是反向光電流能較快地飽和，則伏安特性曲線在反向電流進(jìn)入飽和段后有著明顯的拐點，如圖-3所示，此拐點的電位差即為遏止電位差。實驗內(nèi)容通過實驗了解光電效應(yīng)的基本規(guī)律，并用光電效應(yīng)法測量普朗克常量。n        在577.0nm、546.1nm、435.8nm、404.7nm四種單色光下分別測出光電管的伏安特性曲線，并根據(jù)此曲線確定遏止電位差值，

9、計算普朗克常量。本實驗所用儀器有：光電管、單色儀（或濾波片）、水銀燈、檢流計（或微電流計）、直流電源、直流電壓計等，接線電路圖如圖-4所示。實驗中光電流比較微弱，其值與光電管類型，單色光強(qiáng)弱等因素有關(guān)，因此應(yīng)根據(jù)實際情況選用合適的測量儀器。例如，選用GD-4、GD-5、或1977型光電管，選用的檢流計的分度值應(yīng)在A/分度左右。如果要測量更微弱的電流可用微電流計，可測量A的電流。由于光電管的內(nèi)阻很高，光電流如此之微弱，因此測量中要注意抗外界電磁干擾。并避免光直接照射陽極和防止雜散光干擾。n        作的關(guān)系曲線，用一元線

10、性回歸法計算光電管陰極材料的紅限頻率、逸出功及值，并與公認(rèn)值比較。n        選做l        測量光電管在正壓下的伏安特性曲線。l        測定光電管的光電特性曲線，即飽和光電流與照射光強(qiáng)度的關(guān)系。l        自行設(shè)計方案測量光電管陰極光電流在加速電壓下的伏安特性曲線，改變光源與光電管的距離，光強(qiáng)正比于，利用此測量光電管的光電特性曲線。 實驗重點n        從光電管的伏安特性曲線，驗證愛因斯坦光電效應(yīng)方程。n        正確學(xué)會數(shù)據(jù)處理的方法，計算普朗克常量和光電管陰極材料的紅限值。 實驗難點n        本實驗驗證愛因斯坦光電效應(yīng)方程時，需要測出光電管的正向和反向特性曲線，如何正確設(shè)計光電管陽極和陰極與電源的接線圖