試驗一光電效應(yīng)講義

實驗一光電效應(yīng)1887年，赫茲在研究電磁輻射時意外發(fā)現(xiàn)，光照射金屬表面時，在一定的條件下,有電子從金屬的表面溢出，這種物理現(xiàn)象被稱作光電效應(yīng)，所溢出的電子稱光電子。由此光電子的定向運(yùn)動形成的電流稱光電流。1888年以后，W.哈爾瓦克斯、A.r.斯托列托夫、P.勒納德等人對光電效應(yīng)進(jìn)行了長時間的研究，并總結(jié)出了光電效應(yīng)的基本實驗事實：.光強(qiáng)一定時，光電管兩端電壓增大時，光電流趨向一飽和值。對于同一頻率不同光強(qiáng)時，光電發(fā)射率（光電流強(qiáng)度或逸出電子數(shù)）與光強(qiáng)P成正比，見圖1（a）、（b）。.對于不同頻率的光,其截止電壓不同，光電效應(yīng)存在一個閾頻率（截止頻率、極限頻率或紅限頻率），當(dāng)入射光頻率低于某一閾值時，不論光的強(qiáng)度如何，都沒有光電子產(chǎn)生，見圖1（c）、（d）。.光電子的動能與入射光強(qiáng)無關(guān)，但與入射光的頻率成線性關(guān)系。.光電效應(yīng)是瞬時效應(yīng)，一經(jīng)光束照射立即產(chǎn)生光電子。圖1 光電效應(yīng)規(guī)律上述實驗事實用麥克斯韋的經(jīng)典電磁理論無法作出圓滿的解釋。1905年，愛因斯坦用光量子理論圓滿解釋了光電效應(yīng)，并得出愛因斯坦光電效應(yīng)方程。后來密立根對光電效應(yīng)展開全面的實驗研究，證明了愛因斯坦光電效應(yīng)方程的正確性，并精確測出普朗克常數(shù)h。因為在光電效應(yīng)等方面的杰出貢獻(xiàn)，愛因斯坦和密立根分別于1921年和1923年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。光電效應(yīng)和光量子理論在物理學(xué)的發(fā)展史上具有劃時代的意義，量子論是近代物理的理論基礎(chǔ)之一。而光電效應(yīng)則可以給量子論以直觀鮮明的物理圖像。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，利用光電效應(yīng)制成的光電元件在許多科技領(lǐng)域得到廣泛的應(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。本實驗利用“減速電勢法”測量光電子的動能，從而驗證愛因斯坦方程，并測得普朗克常數(shù)。經(jīng)過本實驗有助于進(jìn)一步理解量子理論?！緦嶒?zāi)康摹?通過實驗了解光的量子性。.測量光電管的弱電流特性，找出不同光頻率下的截止電壓。.驗證愛因斯坦方程，并由此求出普朗克常數(shù)。【實驗原理】當(dāng)一定頻率的光照射某些金屬表面時，可以使電子從金屬表面逸出，這就是光電效應(yīng)現(xiàn)象。1900年德國物理學(xué)家普朗克^h欣）在研究黑體輻射時，提出輻射能量不是連續(xù)的的假設(shè)。1905年愛因斯坦在解釋光電子效應(yīng)時，將普朗克也珀欣）的輻射能量不連續(xù)的假設(shè)作了重大發(fā)展。提出光并不是由麥克斯韋（Maxwell）電磁場理論提出的傳統(tǒng)意義上的波。而是由能量為hv的光電子（簡稱光子）構(gòu)成的粒子流。他認(rèn)為光是以能量Ehv的光量子的形式一份一份向外輻射。具有能量hv的一個光子作用于金屬中的一個自由電子，光子能量hv或者被完全電子吸收，或者完全不吸收。電子吸收光子能量hv后，一部分用于逸出功人，剩余部分成為逸出電子的最大動能，如果此能量大于或等于電子擺脫金屬表面約束的逸出功，電子就能從金屬中逸出。按照能量守恒定律有：(1)%mV2A(1)(1)式即為愛因斯坦方程，其中卜為普朗克常量，為光電子頻率，囁表示逸出光電子的最大速率，12mV2為光電子逸出金屬表面時所具有的最大初動能，A為光束照/乙m射金屬材料逸出功。此式表明：光電子的初動能與入射光的頻率有線性關(guān)系，而與入射光強(qiáng)度無關(guān)。若入射光頻率低，光子能量小于逸出功人時，將不會產(chǎn)生光電效應(yīng)。此時對應(yīng)入射光頻率為：0Ah ⑶。為極限頻率。不同金屬材料因逸出功不同，其極限頻率也各不相同。本實驗采用減速電場法，實驗原理如圖2所示，當(dāng)單色光照射到光電管的陽極K上時，有光電子逸出。若給陽極A加上正向電壓，陽極K加上反向電壓，光電子被加速，光電流增加。而當(dāng)陽極K加上正向電壓，陽極A加上反向電壓時，光電子減速。由于光電子具備初動能，即使不加外加速電壓時，仍然有光電子落到陽極。當(dāng)光電管加反向電壓(A反向，K正向)光電流減少，直到電壓達(dá)至|」Ua時，光電流為0，此時沒有光電子逸出，U稱為截止電壓。與此對應(yīng)的光電子最大初動能應(yīng)等a于它克服電場力所做的功。(3)光電流與外加電壓的伏安特性曲線如圖3所示。

圖2實驗原理圖頻率為了強(qiáng)度為產(chǎn)的光束圖2實驗原理圖頻率為了強(qiáng)度為產(chǎn)的光束將（1）和（2）代入（3）式可得（4）TOC\o"1-5"\h\zh A h（4）U — — —\o"CurrentDocument"a e e e 0(4)式表明：截止電壓(4)式表明：截止電壓Ua與入射光頻率是線性關(guān)系，只要測出不同頻率下的U值,a做出u曲線，該曲線應(yīng)為一直線，見圖4。其斜率為he，從而可以求出卜。a e實際測出的曲線較圖4復(fù)雜，如圖實際測出的曲線較圖4復(fù)雜，如圖5所示：圖4Ua曲線 圖5"一?曲線主要影響因素有以下幾個方面：.暗電流和本底電流：當(dāng)光電管在沒有受到光照時產(chǎn)生的電流叫做暗電流。它主要是由陽極(K)在常溫下的電子熱運(yùn)動產(chǎn)生的熱電流和光電子等漏電形式下的漏電流組成。本底電流是由于各種漫反射光照在對光電二電極上引起的電流。這兩種電流都會隨外電壓的變化而變化,且二者都使外電壓為-Ua時，光電流不能降為0。為此應(yīng)盡量減少雜散光進(jìn)入光電管，并保持底座、引腳和玻璃泡的清潔與干燥。因暗電流和本底電流均屬于直流，可使用交流電光源和交流放大器，以減少上述因素的影響。.反向電流：在制作和使用光電管時，陽極A上會濺有陽極材料，當(dāng)光束照射到陽極A上時，陽極也會發(fā)射電子，陽極K上發(fā)射的光電子也可能被A表面所反射，反向的電壓對陽極發(fā)射的光電子起加速作用，形成反向飽和電流。因此在實驗時，應(yīng)適當(dāng)減小光闌的孔徑，并調(diào)整暗盒的方向避免光直接照射到陽極上，從而使反向電流最小。.接觸電位差：必須指出，愛因斯坦方程是在同種金屬做發(fā)射體（陽極）和接受體（陽極）的情況下導(dǎo)出的。不同的兩種金屬相接觸的地方存在著接觸電位差。接觸電位差的大小與金屬的逸出功有關(guān)。由于陽極、陽極和導(dǎo)線的材料不同而形成的電位差為接觸電壓。此電壓難以測量，因而給實驗帶來誤差。由于接觸電壓是不隨入射光的頻率變化的常數(shù)，只影響U的準(zhǔn)確性，不影響U圖的直線斜率，：，對測定h無影響。a a ，e【實驗配置】.實驗裝置：ZKY-GD-3普朗克常數(shù)測試儀。.實驗儀器：本儀器主要由汞燈及光源，濾色片，光闌，光電管，微電流測量儀四部分組成。如圖6所示：圖6 實驗原理圖(1)光電管：GDH-1型。陽極為鎳圈。陽極為銀-氧-鉀，光譜范圍分300-700nm,最小陽極光靈敏度1A/Lm，暗電流21012A(2VUAK0V)。(2)光源儀器用高壓汞燈。在3023-8720的譜線范圍內(nèi)有6條譜線可供使用。如表1所示：表1TOC\o"1-5"\h\z波長/3650 4047 4358 5461 5770 5790(3)濾色片:一組5片，它可以透射中心波長為：3650、 4047、4358、 5461 、5770 。(4)光闌3片，直徑2mm,4mm,8mm。(5)微電流測量放大器：控制面板如圖7。電流測量范圍在108—1013A,三位半數(shù)顯。機(jī)內(nèi)附有兩檔-2V-+2V,-2—+30V精密連續(xù)可調(diào)的光電管工作電壓源，穩(wěn)定度力猿，三位半數(shù)顯。圖7 微型電流放大器面板圖【實驗內(nèi)容及步驟】.測試前的準(zhǔn)備(1)認(rèn)真閱讀光電效應(yīng)實驗儀的使用說明書。(2)安放好儀器，用遮光罩罩住暗盒的光窗。(3)將光源、光電管暗盒、微電流測量儀安排在適當(dāng)位置。光源汞燈與光電管距離約40cm在暗盒上裝入直徑4mm的光闌，并用遮光罩蓋住光電管暗盒的光窗。(4)接好電源，打開微電流放大器的電源開關(guān)和光源開關(guān)，預(yù)熱20―30分鐘然后調(diào)整測量放大器的零點(diǎn)和滿度。注意：汞燈一旦開啟，不要隨意關(guān)閉。點(diǎn)亮的汞燈如熄滅需經(jīng)3-5分鐘冷卻后才能再次開啟。.測量內(nèi)容(1)測量光電管的暗電流和本底電流用遮光罩蓋住光電管暗盒的光窗，順時針緩慢旋轉(zhuǎn)“電壓調(diào)節(jié)”旋鈕，并合適地改變“電壓量程”和“電壓極性”開關(guān)，從-2V-+2V之間每變化0.2V測量一組數(shù)據(jù)，記錄電壓及對應(yīng)電流值.該電流為光電管的暗電流和本底電流。做出暗電流的IU特性曲線并給出結(jié)論。⑵手動測量不同波長下光電管的1U特性。①取下暗盒遮光罩，分別換上365.0nm、435.8nm的濾色片和2mm的光闌，微電流放大器倍率置10JA或1012A檔（只是作為參考，具體量程應(yīng)根據(jù)實際情況確定）,“電壓調(diào)節(jié)選擇-2—+30V檔，從低到高調(diào)節(jié)電壓記錄對應(yīng)的電流值，做出1U特性曲線并求出截止電壓。②分別測出波長為365.0、404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm的截止電壓（可用零電流法或補(bǔ)償法）。（3）驗證光電流與光強(qiáng)的關(guān)系①在同一波長（如365.0nm）下，同一入射光距離不變的情況下，分別放置2mm,4mm,8mm光闌時，按上述方法測量IU值。驗證光電流與光強(qiáng)的關(guān)系。②在同一波長（如365.0nm）下，同一光闌（2mm,4mm,8mm）時，光電管與入射光不同距離時（如300mm,400mm）按上述方法測量IU值。驗證光電流與光強(qiáng)的關(guān)系。（4）數(shù)據(jù)處理①所有的測量數(shù)據(jù)均要列出表格，給出相應(yīng)結(jié)論。@.作出暗電流和本底電流的IU特性曲線并給出結(jié)論。b.做出365.0nm、435.8nmIU特性曲線并求出截止電壓?？跍y出波長為365.0、404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm的截止電壓并求h值。利用以下兩種方法求出卜值并計算誤差，分析誤差的產(chǎn)生原因：▲以Ua為縱坐標(biāo)，以為橫坐標(biāo)在坐標(biāo)紙上繪制出對應(yīng)直線。求出直線的斜率k。將其代入人巾求出卜。并計算出測量值和公認(rèn)值之間的誤差?！镁€形回歸法（最小乘法）求出最佳直線斜率k,然后求出八，并計算出測量值和公認(rèn)值之間的誤差。 — jkUaUaZ—/ 2 2d.驗證光電流與光強(qiáng)的關(guān)系，并得出結(jié)論。【注意事項】.濾色片一定安裝在暗盒光窗上。.更換濾色片是，一定使用遮光罩蓋住暗盒光圈。.不能用手觸摸濾光片?！舅伎碱}】.實驗時，如果改變光電管與暗盒的距離對IU曲線有無影響？.為什么利用作圖法求卜不受接觸電壓的影響？.光電流或截止電壓隨光源光強(qiáng)變化嗎？對這些現(xiàn)象的解釋與光的波動理論是否一致？.光電管的陽極用涂有溢出功小的光敏材料，而陽極則采用溢出功大的金屬材料制造，為什么？.本實驗有哪些誤差來源，實驗中如何減小誤差，你有何改進(jìn)建議？光電效應(yīng)在技術(shù)中的應(yīng)用利用光電效應(yīng)制成的光電管在工業(yè)生產(chǎn)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，這里僅舉兩例。光控制電器利用光電管制成的光控制電器，可以用于自動控制，如自動計數(shù)、自動報警、自動跟蹤等等，圖8是光控繼電器的示意圖，它的工作原理是：當(dāng)光照在光電管上時，光電管電路中產(chǎn)生電光流，經(jīng)過放大器放大，使電磁鐵M磁化，而把銜鐵N吸住，當(dāng)光電管上沒有光照時，光電管電路中沒有電流，電磁鐵M就自動控制，利用光電效應(yīng)還可測量一些轉(zhuǎn)動物體的轉(zhuǎn)速。圖8圖8光控制電器原理圖9 光電倍增管結(jié)構(gòu)圖光電倍增管利用光電效應(yīng)還可以制造多種光電器件，如光電倍增管、電視攝像管、光電管、電光度計等，這里介紹一下光電倍增管。這種管子可以測量非常微弱的光。圖9是光電倍增管的大致結(jié)構(gòu)，它的管內(nèi)除有一個陽極K和一個陽極A外，還有若干個倍增電極K1、K2、K3、K4、K5等。使用時不但要在陰極和陽極之間加上電壓，各倍增電極也要加上電壓，使陽極電勢最低，各個倍增電極