光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

1、光 電 效 應(yīng) 光電效應(yīng) 當(dāng)光束照射到某些金屬外表上時(shí), 會(huì)有電子從金屬外表即刻逸出,這種現(xiàn)象稱為“光電效應(yīng)。1905年愛因斯坦圓滿地解釋了光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，使人們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到光的波粒二象性的本質(zhì),促進(jìn)了光的量子理論的建立和近代物理學(xué)的開展,愛因斯坦因此獲得了1921年的諾貝爾獎(jiǎng)?，F(xiàn)在利用光電效應(yīng)制成的各種光電器件(如光電管、光電倍增管、夜視儀等)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科研和國防等領(lǐng)域。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.加深對(duì)光的量子性的認(rèn)識(shí);2.驗(yàn)證愛因斯坦方程,測定普朗克常數(shù);3.測定光電管的伏安特性曲線。 實(shí)驗(yàn)原理 當(dāng)一定頻率的光照射到某些金屬外表上時(shí), 可以使電子從金屬外表逸出,這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)

2、。所產(chǎn)生的電子, 稱為光電子。根據(jù)愛因斯坦的光電效應(yīng)方程有 h=1/2 mvm2+ W (1)其中為光的頻率,h為普朗克常數(shù),m和vm是光電子的質(zhì)量和最大速度,W為電子擺脫金屬外表的約束所需要的逸出功。按照愛因斯坦的光量子理論:頻率為的光子具有能量h,當(dāng)金屬中的電子吸收一個(gè)頻率為的光子時(shí),便獲得這個(gè)光子的全部能量。如果光子的能量h大于電子擺脫金屬外表的約束所需要的逸出功W,電子就會(huì)從金屬中逸出,1/2mvm 是光電子逸出外表后所具有的最大動(dòng)能;光子能量 h小于W時(shí),電子不能逸出金屬外表,因而沒有光電效應(yīng)產(chǎn)生。能產(chǎn)生光電效應(yīng)的入射光最低頻率0,稱為光電效應(yīng)的截止(或極限)頻率。由方程(1)可得v

3、0=W/h (2)不同的金屬材料有不同的逸出功, 因而0也是不同的。 利用光電管可以進(jìn)行研究光電效應(yīng)規(guī)律、測量普朗克常數(shù)的實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)原理可參考圖1。圖中K為光電管的陰極,A為陽極,微安表用于測量微小的光電流, 電壓表用于測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差。單色光照射到光電管的陰極K上產(chǎn)生光電效應(yīng)時(shí),逸出的光電子在電場的作用下由陰極向陽極運(yùn)動(dòng),并且在回路中形成光電流。當(dāng)陽極A電勢為正,陰極K電勢為負(fù)時(shí),光電子被加速。當(dāng)K電勢為正,A電勢為負(fù)時(shí),光電子被減速;而當(dāng)A、K之間的電勢差足夠大時(shí)，具有最大動(dòng)能的光電子也被反向電場所阻擋,光電流將為零。此時(shí),有e U

4、0 =1/2 mvm2 (3)式中e為電子電量,U0 稱為截止電壓。 光電管的伏安特性曲線(光電流與所加電壓的I-U關(guān)系)如圖2所示。當(dāng)用一定強(qiáng)度的光照射在光電管陰極K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ü鈴?qiáng)下,單位時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的光電子數(shù)目一定,而且這些電子在電場的作用下已全都跑向陽極A,從而到達(dá)飽和。稱此時(shí)的電流為飽和電流Im。由于光電子從陰極外表逸出時(shí)具有一定的初速度,所以當(dāng)兩極間電壓為零時(shí),仍有光電流I存在。假設(shè)在兩極間施加一反向電壓,光電流隨之減小;當(dāng)反向電壓到達(dá)截止電壓U0時(shí),光

5、電流為零。由式(1)、式(2)及式(3)可得e U0= h-W = h- h0即 U0 =(h-W)/e= h/e(-0) (4)式(4)說明,截止電壓U0是入射光頻率的線性函數(shù),其直線的斜率等于h/e?？梢?只要用實(shí)驗(yàn)方法測量不同頻率光的截止電壓,做出U0-圖形,從圖中求得直線的斜率h/e,即可求出普朗克常數(shù)h。另外,從直線和坐標(biāo)軸的交點(diǎn)還可求出截止頻率0 。 圖1 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)原理圖 圖.2 光電管的伏安特性曲線測定普朗克常數(shù)h的關(guān)鍵是正確地測定截止電壓U0 。但實(shí)際的光電管由于制作工藝等原因,給準(zhǔn)確測定截止電壓帶來一些困難。對(duì)測量產(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

6、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極間絕緣電阻漏電而產(chǎn)生的漏電流兩局部組成。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)陽極上往往濺有陰極材料,所以當(dāng)光照到陽極上或雜散光漫射到陽極上時(shí),陽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極的外表所反射。當(dāng)陽極A為負(fù)電勢,陰極K為正電勢時(shí),對(duì)陰極K上發(fā)射的光電子而言起減速作用,而對(duì)陽極A發(fā)射或反射的光電子而言卻起了加速作用,使陽極A發(fā)出的光電子也到達(dá)陰極K,形成反向電流。由于上述原因, 實(shí)測的光電管伏安特性(I-U)曲線與理

7、想曲線是有區(qū)別的。且不同的光電管的伏安特性曲線的特點(diǎn)也不同。一般光電管的伏安特性曲線的特點(diǎn),可以參考圖3,其中實(shí)線表示實(shí)測曲線,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)測曲線上每一點(diǎn)的電流值是以上3個(gè)電流值的代數(shù)和。顯然,實(shí)測曲線上光電流I為零的點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓值并不是截止電壓。從圖3可看出,陽極光電流(即反向電流和暗電流)的存在,使陰極光電流曲線下移,實(shí)測曲線的抬頭點(diǎn)處的電壓值與截止電壓近似相等,可代替截止電壓。因此,在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中可以通過找出實(shí)測伏安特性曲線的抬頭點(diǎn)來確定截止電壓U0。 圖3 光電流曲線分析本實(shí)驗(yàn)儀器采用了新型結(jié)構(gòu)的光電管。由于其特殊結(jié)

8、構(gòu)使光不能直接照射到陽極，由陰極反射照到陽極的光也很少，加上采用新型的陰、陽極材料及制造工藝，使得陽極反向電流大大降低，暗電流水平也很低。由于本儀器的特點(diǎn)，在測量各譜線的截止電壓U0時(shí)，可不用難于操作的“抬頭點(diǎn)法，而用“零電流法。零電流法是直接將各譜線照射下測得的電流為零時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓UAK的絕對(duì)值作為截止電壓U0。此法的前提是陽極反向電流、暗電流和本底電流都很小，用零電流法測得的截止電壓與真實(shí)值相差很小。且各譜線的截止電壓都相差U對(duì)U0-n曲線的斜率無大的影響，因此對(duì)h的測量不會(huì)產(chǎn)生大的影響。 實(shí)驗(yàn)儀器ZKY-GD-3光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀。儀器由汞燈及電源，濾色片，光闌，光電管、測試儀含光電管電源和

9、微電流放大器構(gòu)成，儀器結(jié)構(gòu)如圖4所示，測試儀的調(diào)節(jié)面板如圖5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基座 7實(shí)驗(yàn)儀圖4 儀器結(jié)構(gòu)示意圖電流量程電壓調(diào)節(jié)電流調(diào)零電 源AV電 壓10-910-810-1310-10 10-1110-12ZKY-GD-3 普朗克常數(shù)測試儀-2+2-2+30開 關(guān)-2-+30-2-+2圖5 儀器前面板示意圖汞燈：可用譜線365.0nm、404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm濾色片：5片, 透射波長365.0 nm、404.7 nm、435.8 nm、546.1 nm、577.0nm 光闌：3片，

10、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，22V，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% 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1測試前準(zhǔn)備把汞燈及光電管暗盒遮光蓋蓋上，將汞燈暗盒光輸出口對(duì)準(zhǔn)光電管暗盒光輸入口，調(diào)整光電管與汞燈距離L為約40cm并保持不變。用專用連接線將光電管暗盒電壓輸入端與測試儀電壓輸出端后面板上連接起來紅紅，藍(lán)藍(lán)。用屏蔽電纜將光電管暗盒電流輸出端K與測試儀微電流輸入端后面板上連接起來。將測試儀及汞燈電源接通，預(yù)熱2

11、0分鐘。將“電流量程選擇開關(guān)置于所選檔位，儀器在充分預(yù)熱后，進(jìn)行測試前調(diào)零，旋轉(zhuǎn)“調(diào)零旋鈕使電流指示為000.0。2測普朗克常數(shù)h將電壓選擇按鍵置于-2 V+2 V檔；將“電流量程選擇開關(guān)置于10-13A檔，將測試儀電流輸入電纜斷開，調(diào)零后重新接上；將直徑4mm的光闌及365.0nm的濾色片裝在光電管暗盒光輸入口上。從低到高調(diào)節(jié)電壓，用“零電流法測量該波長對(duì)應(yīng)的截止電壓U0，并將數(shù)據(jù)記于表1中。按表1更換不同波長的濾光片，測量不同波長的光對(duì)應(yīng)的截止電壓U0。表1、U0關(guān)系 光闌孔= mm 電流量程： L= mm波長i(nm)365.0404.7435.8546.1577.0頻率i(×

12、1014Hz)8.2147.4086.8795.4905.196截止電壓U0i(V) 利用表1中的數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上作U0直線，由圖求出直線斜率k，根據(jù)斜率K用用h=ek求出普朗克常數(shù)h，并與h的公認(rèn)值hO比擬，求出相對(duì)誤差 ×100%，式中 ，。3測光電管的伏安特性曲線 光電管與汞燈距離L為約40cm并保持不變，將電壓選擇按鍵置于-2 V+30 V檔，“電流量程選擇開關(guān)置于10-10A檔，把測試儀電流輸入電纜斷開，調(diào)零后重新接上,將直徑4mm,的光闌及435.8nm的濾色片裝在光電管暗盒光輸入口上。從低到高調(diào)節(jié)電壓，記錄電流從零到非零點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓值作為第一組數(shù)據(jù)，以后電壓每變化一定值

13、記錄一組數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)記于表2中。 換上直徑2mm的光闌，“電流量程選擇開關(guān)置于10-11A檔，把測試儀電流輸入電纜斷開，調(diào)零后重新接上,重復(fù)上述測量，并將數(shù)據(jù)記于表2中。用表2數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上作對(duì)應(yīng)于以上兩種光闌兩種光強(qiáng)的伏安特性曲線，對(duì)兩條曲線進(jìn)行比擬分析。表1、 IUAK關(guān)系 L= mm 435.8nm光闌4mmUAKVI×10-10A435.8nm光闌2mmUAKVI×10-11A 考前須知1. 微電流測量放大器必須充分預(yù)熱測量方能準(zhǔn)確。2. 在儀器的使用過程中，汞燈不宜直接照射光電管，也不宜長時(shí)間連續(xù)照射加有光闌和濾光片的光電管，如此將減少光電管的使用壽命。為防止強(qiáng)光直射陰極縮短光電管