光電效應(yīng)和普朗克常量的測定

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(RobertMillikan)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，在揭示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1所示。其中S為真空光電管，K為陰極，A為陽極。當(dāng)無光照射陰極時，由于陽極與陰極是斷路，所以檢流計G中無電流流過，當(dāng)用一波長比較短的單色光照射到陰極K上時，形成光電流，光電流隨加速電位差U變化的伏安特性曲線如圖2所示。光電流隨加速電位差U的增加而增加，加速電位差

3、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)0=變成負(fù)值時，光電流迅速減小。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。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U二UA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-/wd：=莊工衛(wèi)（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。每一光子的能量為已現(xiàn)，其中左為普朗克常量，打為光波的頻率。所以不同頻率的光波對應(yīng)光子的能量不同。光電子吸收

4、了光子的能量加2之后，一部分消耗于克服電子的逸出功A，另一部分轉(zhuǎn)換為電子動能。由能量守恒定律可知f12.hu-mv+A2（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打成線性關(guān)系，而與入射光的強(qiáng)度無關(guān)。光電效應(yīng)有光電閾存在實驗指出，當(dāng)光的頻率U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)，5=根據(jù)式（2）,矗，厲稱為紅限。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：hv二eIUI+A。當(dāng)用不同頻率（）的單色光分別做光源時，就有a叫二pIqI+衛(wèi)F=皿+蟲任意聯(lián)立其中兩個方程就可得到馬-氣.由此若測定了兩個不同頻率的單色光所對應(yīng)

5、的遏止電位差即可算出普朗克常量，也可由Uv直線的斜率求出h。a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：對所有可見光譜都比較靈敏。陽極包圍陰極，

6、這樣當(dāng)陽極為負(fù)電位時，大部分光電子仍能射到陽極。 陽極沒有光電效應(yīng)，不會產(chǎn)生反向電流。 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），所以測得的電流值，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)射及光電管管殼漏電等原因產(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：交點法：光電管陽極用逸出功較

7、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，其伏安特性曲線與圖2十分接近，因此曲線與U軸交點的電位差近似等于遏止電位差，此即交點法。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。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，

8、并根據(jù)此曲線確定遏止電位差值，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。實驗中提供的光電效應(yīng)測試儀，除光電管S外，線路已連接好。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1汁的電流。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。作Uv的關(guān)系曲線，用一元

9、線性回歸法計算光電管陰極材料的紅限頻率、逸出功及必a值，并與公認(rèn)值比較。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，實驗室提供有透光率50%，25%，10%的濾光片，請用577.0nm波長為光源，在光電管、光源位置固定時，測光電管的正向伏安特性曲線，驗證飽和電流與光強(qiáng)關(guān)系。本實驗所用儀器有：光電管、濾波片、濾光片、水銀燈、檢流計（或微電流計）、直流電源、直流電壓計等。實驗儀器：光電效應(yīng)的實驗裝置包括一下幾個部分：光電管光源（汞燈）濾波片組（577.0nm,546.1nm,435.8nm,404.7nm,365nm濾波片），50%、25%、10%的濾光片光電效應(yīng)測試儀包括：直流電源

10、、檢流計（或微電流計）、直流電壓計等光源（汞燈）：雙擊實驗桌上光源小圖標(biāo)彈出光源的調(diào)節(jié)窗體，單擊調(diào)節(jié)窗體的光源開關(guān)可以關(guān)閉或打開光源。（光源的實物照片）（實驗中的光源）光電管：雙擊實驗桌上光電管的小圖標(biāo)，彈出光電管的調(diào)節(jié)窗體；再單擊調(diào)節(jié)窗體中的光電管會彈出調(diào)節(jié)光電管的方向鍵。J鍵：光電管水平向左移動，f鍵，光電管水平向右移動，f鍵：光電管垂直方向增加高度，（鍵：光電管垂直方向減小高度。（光電管的實物照片）（實驗中的光電管）雙擊調(diào)節(jié)窗體中光電管的背面（側(cè)面中的背面），即可彈出顯示光電管背面信息的窗體，以便完成實驗中的線路連接。（實驗中光電管的背面圖）濾波片組盒子：雙擊實驗桌上的濾波片組盒子，彈出

11、濾波片組盒子的調(diào)節(jié)窗體。盒子中存放有577.0nm,546.1nm,435.8nm,404.7nm,365nm濾波片以及50%,25%,10%的濾光片）。濾波片組盒的實物照片）（實驗中濾波片組）濾波片盒子（打開），點擊其中的片子可以拖放至光源或光電管上。打開的濾波片組盒子的實物照片）（實驗中打開的濾波片組）電源及測試系統(tǒng)：雙擊實驗桌上的電源及測試系統(tǒng)，彈出電源及測試系統(tǒng)的調(diào)節(jié)窗體。單擊電源開關(guān)可以打開或關(guān)閉電源；左擊電流檔，電流調(diào)小，右擊電流檔，電流調(diào)大；左擊電壓檔，電壓調(diào)小，右擊電壓檔，電壓調(diào)大；單擊電源極性按鈕可以改變電源輸出極性。光電效應(yīng)測試儀的實物照片電源及測試系統(tǒng)）8888電邏廉測試系藪（實驗中的光電效應(yīng)測試儀的實物照片電源及測試系統(tǒng)）雙擊調(diào)節(jié)窗體中的表盤可以彈出放大的表盤。兒濟(jì)訃咲赴我核件4L；.k恣強(qiáng)電EMUQ&二心"2