實驗五 普朗克常數(shù)測定

1、實驗五 普朗克常數(shù)測定一、實驗?zāi)康? 通過實驗深刻理解愛因斯坦的光電子理論，了解光電效應(yīng)的基本規(guī)律；2 掌握用光電管進行光電效應(yīng)研究的方法；3 學(xué)習(xí)對光電管伏安特性曲線的處理方法，并用以測定普朗克常數(shù)。二、實驗儀器高壓汞燈、濾色片、光電管、微電流放大器（含電源）三、實驗原理愛因斯坦從他提出的“光量子”概念出發(fā)，認為光并不是以連續(xù)分布的形式把能量傳播到空間，而是以光量子的形式一份一份地向外輻射。對于頻率為的光波，每個光子的能量為，其中，h6.6261×10-34焦耳·秒，稱為普朗克常數(shù)。當頻率為的光照射金屬時，具有能量 h的一個光子和金屬中的一個電子碰撞，光子把全部能量傳遞給

2、電子。電子獲得的能量一部分用來克服金屬表面對它的束縛，剩余的能量就成為逸出金屬表面后光電子的動能。顯然，根據(jù)能量守恒有： （1）這個方程稱為愛因斯坦方程。這里s為逸出功，是金屬材料的固有屬性。對于給定的金屬材料，s是一定值。KAGV圖1愛因斯坦方程表明：光電子的初動能與入射光頻率之間呈線性關(guān)系。入射光的強度增加時，光子數(shù)目也增加。這說明光強只影響光電子所形成的光電流的大小。當光子能量時，不能產(chǎn)生光電子。即存在一個產(chǎn)生光電流的截止頻率（）。本實驗采用的實驗原理圖見圖1。一束頻率為的單色光照射在真空光電管的陰極上，光電子將從陰極逸出。在陰極和陽極之間外加一個反向電壓VKA（A接負極），它對光電子運

3、動起減速作用。隨著反向電壓VKA的增大，到達陽極的光電子相應(yīng)減少，光電流減少。當VKAS時，光電流降為零。此時光電子的初動能全部用于克服反向電場作用。即 eS （2）這時的反向電壓S叫截止電壓。入射光頻率不同時，截止電壓也不同。將（2）式代入（1）式得 （3）式中h，e都是常量，對同一光電管也是常量，實驗中測量不同頻率下的Us，做出Usv曲線。在（3）式得到滿足的條件下，這是一條直線。若電子電量e為已知，由斜率k=h/e可以求出普朗克常數(shù)h，由直線在Us軸上的截距可以求出逸出功Ws，由直線在v軸上的截距可以求出截止頻率v0，見圖2。Ws/eUs0圖2 Usv曲線Is12IUs圖3 光電管伏安特

4、性曲線在實驗中測得的伏安特性曲線與理想的有所不同，這是因為：1.光電管的陰極采用逸出電位低的堿金屬材料制成，這種材料即使在高真空也有易氧化的趨向，使陰極表面各處的逸出電勢不盡相等。同時逸出具有最大動能的光電子數(shù)目大為減少。隨著反向電壓的增高，光電流不是陡然截止，而是較快降低后平緩地趨近零點。2.陽極是用逸出電勢較高的鉑、鎢等材料做成。本來只有遠紫外線照射才能逸出光電子。但在使用過程中常會沉積上陰極材料，當陽極受到部分漫反射光照射時也會發(fā)生光電子。因為施加在光電管上的外電場對于這些光電子來說正好是個加速電場，使得發(fā)射的光電子由陽極飛向陰極，構(gòu)成反向電流。3.暗盒中的光電管即使沒有光照射，在外加電

5、壓下也會有微弱電流流通，稱作暗電流。其主要原因是極間絕緣電阻漏電（包括管座以及玻璃殼內(nèi)外表面的漏電）陰極在常溫下的熱電子輻射等。暗電流與外加電壓基本上成線性關(guān)系。由于以上原因，實測曲線上每一點的電流是陰極光電子發(fā)射電流、陽極反向光電子電流及暗電流三者之和。理想光電管的伏安特性曲線如圖3的虛線所示，實際測量曲線如圖中的實線表示。光電效應(yīng)實驗儀原理見圖4。常見的GDh-1型光電管陰極為Ag-K化合物，最高靈敏度波長為410±10nm。為避免雜散光和外界電磁場的影響，光電管裝在留有窗口的暗盒內(nèi)。實驗光源為高壓汞燈，與濾色片配合使用，可以提供356.6，404.7，435.8，546.1，5

6、77.0nm五種波長的單色光。由于光電流強度非常微弱，一般需要經(jīng)過微電流放大器放大后才能讀出。微電流放大器的測量范圍10-810-13A，共分六檔。光電管的極間電壓由直流電源提供，電源可以從負到正在一定范圍調(diào)節(jié)。實驗時可以由電壓表和電流表逐點讀數(shù)，并根據(jù)測量數(shù)據(jù)做圖。也可以由鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)生隨時間連續(xù)增大的電壓加在光電管上，這時光電流也是連續(xù)變化的。直流電 源鋸齒波發(fā)生器V微電流放大器AYX圖4： 光電效應(yīng)實驗原理圖將電流、電壓量分別接在X-Y記錄儀的Y端和X輸入端（或計算機A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端），就能自動畫出光電管的伏安特性曲線。由于暗電流和陽極電流的存在，準確地測量截止電壓是困難的。一般采

7、用下述兩種方法進行近似處理：1 若在截止電壓點附近陰極電流上升很快，則實測曲線與橫軸的交點（圖3中的“1”點）非常接近于Us點。以此點代替Us點，就是“交點法”。2 若測量的反向電流飽和很快，則反向電流由斜率很小的斜線開始偏離線性的“抬頭點”（圖3中的“2”點）電壓值與Us點電壓非常接近，可以用“抬頭點”電壓值代替Us點電壓。四、實驗內(nèi)容1. 按要求布置好儀器，打開微電流放大器的電源預(yù)20分鐘。2. 罩好暗盒窗上的遮光罩，測量暗電流隨電壓的變化。3. 選擇好某一波長的入射光，由3V開始增加電壓進行粗測。注意觀察電流變化較大時對應(yīng)的電壓區(qū)間，細測時在此區(qū)間應(yīng)內(nèi)多取一些測量點，以減小描繪曲線時的誤

8、差。4. 在以上基礎(chǔ)上精確測量I隨U變化的數(shù)據(jù)。5. 更換濾色片，選擇其它波長，重復(fù)第2項和第3項實驗內(nèi)容。6. 做各波長I-U曲線，用“抬頭點”確定Us點。7. 做Us曲線，驗證愛因斯坦公式。用作圖法或最小二乘法求斜率并外推直線求截距，計算普朗克常數(shù)h、逸出功Ws和截止頻率0。8. 用鋸齒波發(fā)生器做電源，由X-Y記錄儀（或計算機）繪圖，進行第5項和第6項工作。9. 用移動光源位置或改變窗口大小的方法改變?nèi)肷涔獾膹姸?，觀測Ws、0和飽和電流Is的變化。實驗中要注意如下事項：1. 汞燈打開后，直至實驗全部完成后再關(guān)閉。一旦中途關(guān)閉電源，至少等5分鐘后再啟動。2. 注意勿使電源輸出端與地短路，以免燒毀電源。3. 實驗過程中不要改變光源與光電管之間的距離（第項內(nèi)容除外），以免改變?nèi)肷涔獾膹姸取?. 注意保持濾色片的清潔，但不要隨意擦拭濾色片。5. 實驗后用遮光罩罩住光電管暗盒，以保護光電管。五、回答問題 1.光電流是否隨光源的強度變化？截止電位是否因光源強度不同而改變，請解釋。 2.本實驗是如何滿足照到光電管的