光電效應(yīng)測普朗克常數(shù)-實(shí)驗(yàn)報告

1、 綜合、設(shè)計性實(shí)驗(yàn)報告年級*學(xué)號*時間*成績 _一、 實(shí)驗(yàn)題目光電效應(yīng)測普朗克常數(shù)二、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、通過實(shí)驗(yàn)深刻理解愛因斯坦的光電效應(yīng)理論，了解光電效應(yīng)的基本規(guī)律；2、掌握用光電管進(jìn)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)。三、儀器用具ZKYGD3光電效應(yīng)測試儀、汞燈及電源、濾色片（五個）、光闌（兩個）、光電管、測試儀四、 實(shí)驗(yàn)原理1、光電效應(yīng)與愛因斯坦方程用合適頻率的光照射在某些金屬表面上時，會有電子從金屬表面逸出，這種現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)，從金屬表面逸出的電子叫光電子。為了解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象，愛因斯坦提出了“光量子”的概念，認(rèn)為對于頻率為的光波，每個光子

2、的能量為式中， 為普朗克常數(shù)，它的公認(rèn)值是 =6.626 。按照愛因斯坦的理論，光電效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是當(dāng)光子和電子相碰撞時，光子把全部能量傳遞給電子，電子所獲得的能量，一部分用來克服金屬表面對它的約束，其余的能量則成為該光電子逸出金屬表面后的動能。愛因斯坦提出了著名的光電方程：                  （1）式中，為入射光的頻率，為電子的質(zhì)量，為光電子逸出金屬表面的初速度，為被光線照射的金屬材料的逸出功，為從金屬逸出的光電

3、子的最大初動能。由（1）式可見，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，所有光電子都不能到達(dá)陽極，光電流才為零。這個相對于陰極為負(fù)值的陽極電位被稱為光電效應(yīng)的截止電壓。   顯然，有                     

4、（2）代入（1）式，即有                       （3）由上式可知，若光電子能量，則不能產(chǎn)生光電子。產(chǎn)生光電效應(yīng)的最低頻率是，通常稱為光電效應(yīng)的截止頻率。不同材料有不同的逸出功，因而也不同。由于光的強(qiáng)弱決定于光量子的數(shù)量，所以光電流與入射光的強(qiáng)度成正比。又因?yàn)橐粋€電子只能吸收一個光子的能量，所以光電子獲得的能量與光強(qiáng)無關(guān)，只與光子的頻率成正比，將（3）式改寫

5、為                  （4）上式表明，截止電壓是入射光頻率的線性函數(shù)，如圖2，當(dāng)入射光的頻率時，截止電壓，沒有光電子逸出。圖中的直線的斜率是一個正的常數(shù)：                     

6、0;     （5）由此可見，只要用實(shí)驗(yàn)方法作出不同頻率下的曲線，并求出此曲線的斜率，就可以通過式（5）求出普朗克常數(shù)。其中是電子的電量。U0-v 直線2、光電效應(yīng)的伏安特性曲線下圖是利用光電管進(jìn)行光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的原理圖。頻率為、強(qiáng)度為的光線照射到光電管陰極上，即有光電子從陰極逸出。如在陰極K和陽極A之間加正向電壓，它使K、A之間建立起的電場對從光電管陰極逸出的光電子起加速作用，隨著電壓的增加，到達(dá)陽極的光電子將逐漸增多。當(dāng)正向電壓增加到時，光電流達(dá)到最大，不再增加，此時即稱為飽和狀態(tài)，對應(yīng)的光電流即稱為飽和光電流。光電效應(yīng)原理圖由于光電子從陰極表面逸出時

7、具有一定的初速度，所以當(dāng)兩極間電位差為零時，仍有光電流I存在，若在兩極間施加一反向電壓，光電流隨之減少；當(dāng)反向電壓達(dá)到截止電壓時，光電流為零。愛因斯坦方程是在同種金屬做陰極和陽極，且陽極很小的理想狀態(tài)下導(dǎo)出的。實(shí)際上做陰極的金屬逸出功比作陽極的金屬逸出功小，所以實(shí)驗(yàn)中存在著如下問題：（1）暗電流和本底電流存在，可利用此，測出截止電壓（補(bǔ)償法）。（2）陽極電流。制作光電管陰極時，陽極上也會被濺射有陰極材料，所以光入射到陽極上或由陰極反射到陽極上，陽極上也有光電子發(fā)射，就形成陽極電流。由于它們的存在，使得IU曲線較理論曲線下移，如下圖所示。伏安特性曲線五、 實(shí)驗(yàn)步驟 1、調(diào)整儀器

8、0;(1)連接儀器；接好電源，打開電源開關(guān)，充分預(yù)熱（不少于20分鐘）。 (2)在測量電路連接完畢后，沒有給測量信號時，旋轉(zhuǎn)“調(diào)零”旋鈕調(diào)零。每換一次量程，必須重新調(diào)零。 (3)取下暗盒光窗口遮光罩，換上365.0nm濾光片，取下汞燈出光窗口的遮光罩，裝好遮光筒，調(diào)節(jié)好暗盒與汞燈距離。 2、測量普朗克常數(shù)（1）將電壓選擇按鍵開關(guān)置于22V檔，將“電流量程”選擇開關(guān)置于A檔。將測試儀電流輸入電纜斷開，調(diào)零后重新接上。（2）將直徑為4mm的光闌和365.0nm的濾色片裝在光電管電暗箱輸入口上。（3）從高到低調(diào)節(jié)電壓，用“零電流法”測量該波長對應(yīng)的，并數(shù)據(jù)記錄。（4）依次換上40

9、4.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm的濾色片，重復(fù)步驟（1）、（2）、（3）。（5）測量三組數(shù)據(jù)你，然后對取平均值。3、測量光電管的伏安特性曲線(1)暗盒光窗口裝365.0nm濾光片和4mm光闌，緩慢調(diào)節(jié)電壓旋鈕，令電壓輸出值緩慢由0V伏增加到30V，每隔1V記一個電流值。但注意在電流值為零處記下截止電壓值.(2)在暗盒光窗口上換上404.7nm濾光片，仍用4mm的光闌，重復(fù)步驟（1）。(3)選擇合適的坐標(biāo)，分別作出兩種光闌下的光電管伏安特性曲線UI 。六、 實(shí)驗(yàn)記錄與處理1、 零電流法測普朗克常量(光闌=2mm)波長（nm）365405436546577頻率(×

10、;1014Hz)8.2147.4086.8795.4905.196截止電壓（V）第一次1.7161.3681.1730.6200.492第二次1.7121.3981.1790.6150.491第三次1.7001.3901,1650.6180.485第一次測量結(jié)果及處理：第二次測量結(jié)果及處理：第三次測量結(jié)果及處理：2、 補(bǔ)償法測普朗克常量波長（nm）365405436546577頻率(×1014Hz)8.2147.4086.8795.4905.196截止電壓（V）1.7241.4081.1830.6240.5043、 測量光電管的伏安特性曲線（波長=436nm 光闌=2mm）U（V）I

11、（×1011A）U（V）I（×1011A）U（V）I（×1011A）-2-0.2944.32071.9-10.41048.02173.704.21151.42275.1111.11254.92376.6217.81357.92477.8324.01460.32579.6426.91562.52681.4530.11664.52782.5633.51766.52882.8737.01868.32983.4840.81969.93085.2七、 誤差計算由上面圖表，零電流法三次測量的結(jié)果誤差依次為：E1=-2.93% E2=-1.99% E3=-2.85%補(bǔ)償法測量的

12、結(jié)果誤差為：E=-2.05%八、 實(shí)驗(yàn)分析討論本實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用不同的方法都測出了普朗克常數(shù)，但都有一定的實(shí)驗(yàn)誤差，據(jù)分析誤差產(chǎn)生原因是：1、暗電流的影響，暗電流是光電管沒有受到光照射時，也會產(chǎn)生電流，它是由于熱電子發(fā)射、和光電管管殼漏電等原因造成；2、本底電流的影響，本底電流是由于室的各種漫反射光線射入光電管所致，它們均使光電流不可能降為零且隨電壓的變化而變化。3、光電管制作時產(chǎn)生的影響：（1）、由于制作光電管時，陽極上也往往濺射有陰極材料，所以當(dāng)入射光射到陽極上或由陰極漫反射到陽極上時，陽極也有光電子發(fā)射，當(dāng)陽極加負(fù)電位、陰極加正電位時，對陰極發(fā)射的光電子起了減速的作用，而對陽極的電子卻起了加速

13、的作用，所以IU關(guān)系曲線就和IKA、UKA曲線圖所示。為了精確地確定截止電壓US，就必須去掉暗電流和反向電流的影響。以使由I0時位置來確定截止電壓US的大小；制作上的其他誤差。4、實(shí)驗(yàn)者自身的影響：（1）從不同頻率的伏安特性曲線讀到的“抬頭電壓”（截止電壓），不同人讀得的不一樣，經(jīng)過處理后的到U s_ v曲線也不一樣，測出的數(shù)值就不一樣；（2）調(diào)零時，可能會出現(xiàn)誤差，及在測量時恐怕也會使原來調(diào)零的系統(tǒng)不再準(zhǔn)確。5、參考值本身就具有一定的精確度，本身就有一定的誤差。6、理論本身就有一定的誤差，例如，1963年Ready等人用激光作光電發(fā)射實(shí)驗(yàn)時，發(fā)現(xiàn)了與愛因斯坦方程偏離的奇異光電發(fā)射。1968年

14、Teich 和Wolga用GaAs激光器發(fā)射的hn=1.48eV的光子照射逸出功為A=2.3eV的鈉金屬時，發(fā)現(xiàn)光電流與光強(qiáng)的平方成正比。按愛因斯坦方程，光子的頻率處于鈉的閥頻率以下，不會有光電子發(fā)射，然而新現(xiàn)象卻發(fā)生了，不但有光電子發(fā)射，而且光電流不是與光強(qiáng)成正比，而是與光強(qiáng)的平方成正比。于是，人們設(shè)想光子間進(jìn)行了“合作”，兩個光子同時被電子吸收得以躍過表面能壘，稱為雙光子光電發(fā)射。后來，進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明，可以三個、多個、甚至40個光子同時被電子吸收而發(fā)射光電子，稱為多光子光電發(fā)射。人們推斷，n光子的光電發(fā)射過程的光電流似乎應(yīng)與光強(qiáng)的n次方成正比。九、 附錄1.光電效應(yīng)歷史光電效應(yīng)由德國物理

15、學(xué)家赫茲于1887年發(fā)現(xiàn)，對發(fā)展量子理論起了根本性作用。 1887年，首先是赫茲（M.Hertz）在證明波動理論實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)時，赫茲發(fā)現(xiàn)，兩個鋅質(zhì)小球之一用紫外線照射，則在兩個小球之間就非常容易跳過電花。 大約1900年， 馬克思布蘭科（Max Planck）對光電效應(yīng)作出最初解釋，并引出了光具有的能量包裹式能量（quantised）這一理論。 他給這一理論歸咎成一個等式，也就是 E=hf ， E就是光所具有的“包裹式”能量， h是一個常數(shù)，統(tǒng)稱布蘭科常數(shù)（Planck's constant）， 而f就是光源的頻率。 也就是說，光能的強(qiáng)弱是有其頻率而決定的。但就是布蘭科自己對于

16、光線是包裹式的說法也不太肯定。 1902年，勒納（Lenard)也對其進(jìn)行了研究，指出光電效應(yīng)是金屬中的電子吸收了入射光的能量而從表面逸出的現(xiàn)象。但無法根據(jù)當(dāng)時的理論加以解釋 ； 1905年，愛因斯坦26歲時提出光子假設(shè)，成功解釋了光電效應(yīng)，因此獲得1921年諾貝爾物理獎。他進(jìn)一步推廣了布蘭科的理論，并導(dǎo)出公式，Ek=hf-W，W便是所需將電子從金屬表面上自由化的能量。而Ek呢就是電子自由后具有的勢能。2.測量普朗克常量的其他方法1、 2光電效應(yīng)法（補(bǔ)償法、零電流法、拐點(diǎn)法）2、 X 射線光電效應(yīng)法3、 X 射線原子游離法4、 黑體輻射計算法5、 電子衍射法6、 康普頓波長移位法7、 X 射線連續(xù)譜短波限法8、 電子- 正電子對湮沒輻射法9、 1962 年由約瑟夫森提出的測定2 e/ h 的交流約瑟夫森效應(yīng)法10、 由·克利青于1980 年發(fā)現(xiàn)的量子霍爾效應(yīng), 測定h/ e2 的量子霍爾效應(yīng)法11、 由英國國家物理實(shí)驗(yàn)室的基布爾等人于1990 年采用的直接測定h 的通電動圈法12、 用磁化率測量普朗克常量（基于測量弱磁物質(zhì)磁化率的基本原理,使用大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)用的( Gouy) 磁