光電效應(yīng)和普朗克常量課件

光電效應(yīng)和普朗克常數(shù)的測(cè)量1光電效應(yīng)和普朗克常數(shù)的測(cè)量背景資料實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)儀器數(shù)據(jù)處理A.愛(ài)因斯坦M.普朗克拓展－應(yīng)用

2背景資料

光電效應(yīng)現(xiàn)象：1887年德國(guó)物理學(xué)家H.R.赫茲發(fā)現(xiàn)電火花間隙受到紫外線照射時(shí)會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的電火花。赫茲的論文《紫外光對(duì)放電的影響》發(fā)表在1887

年《物理學(xué)年鑒》上。論文詳細(xì)描述了他的發(fā)現(xiàn)。赫茲的論文發(fā)表后，立即引起了廣泛的反響，許多物理學(xué)家紛紛對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行了研究，用紫外光或波長(zhǎng)更短的X光照射一些金屬，都觀察到金屬表面有電子逸出的現(xiàn)象，稱之為光電效應(yīng)。

對(duì)于光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，經(jīng)典的波動(dòng)理論無(wú)法給出圓滿的解釋。1905年愛(ài)因斯坦受普朗克量子假設(shè)的啟發(fā)，提出了光量子假說(shuō)，即：一束光是一粒一粒以光速C運(yùn)動(dòng)的粒子流，這些粒子稱為光子，光子的能量為E＝hv（h為普朗克常數(shù)，v為光的頻率）。根據(jù)光量子假說(shuō)，愛(ài)因斯坦給出了著名的光電效應(yīng)方程，并成功地解釋了光電效應(yīng)的各條實(shí)驗(yàn)規(guī)律。

然而，愛(ài)因斯坦的光量子假說(shuō)和光電效應(yīng)方程并沒(méi)有立即得到人們的承認(rèn)，原因是經(jīng)典的電磁理論的傳統(tǒng)觀念束縛了人們的思想，同時(shí)這個(gè)假說(shuō)未獲得全面的驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)據(jù)處理拓展-應(yīng)用

3實(shí)驗(yàn)原理

當(dāng)一定頻率的光照射到某些金屬表面上時(shí)，可以使電子從金屬表面逸出，這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)，所產(chǎn)生的電子稱為光電子。光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律：飽和光電流與入射光強(qiáng)成正比；(頻率相同）光電效應(yīng)存在一個(gè)截止頻率，當(dāng)入射光的頻率時(shí)，不論光的強(qiáng)度如何都沒(méi)有光電子產(chǎn)生；光電子的初動(dòng)能與光強(qiáng)無(wú)關(guān)，而與入射光的頻率成正比；只要，無(wú)論光強(qiáng)如何，都會(huì)立即引起光電子發(fā)射，。對(duì)于這些實(shí)驗(yàn)事實(shí)，經(jīng)典的波動(dòng)理論無(wú)法給出圓滿的解釋。

愛(ài)因斯坦光量子理論：愛(ài)因斯坦受普朗克量子假設(shè)的啟發(fā)，提出了光量子假設(shè)，當(dāng)光子照射金屬時(shí)，金屬中的電子全部吸收光子的能量hv，電子把光子能量的一部分變成它逸出金屬表面所需的功W，另一部分轉(zhuǎn)化為光電子的動(dòng)能，即：——愛(ài)因斯坦方程愛(ài)因斯坦光量子理論圓滿地解釋了光電效應(yīng)的各條實(shí)驗(yàn)規(guī)律。背景資料實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)據(jù)處理拓展-應(yīng)用

5實(shí)驗(yàn)原理圖1光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)原理圖UG0圖2I－U特性曲線（頻率相同）光強(qiáng)較大光強(qiáng)較小截止頻率：根據(jù)愛(ài)因斯坦方程，只有當(dāng)才會(huì)有光電子發(fā)射，即截止頻率為（值隨金屬種類不同而不同）普朗克常數(shù)的測(cè)量：反向遏止電壓：使光電流為零而在光電管兩端所加的反向電壓（如圖2所示），顯然，反向遏止電壓的物理含義為背景資料實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)據(jù)處理拓展-應(yīng)用

6實(shí)驗(yàn)原理根據(jù)普朗克常數(shù)的測(cè)量：

上式說(shuō)明與入射光頻率成直線關(guān)系，實(shí)驗(yàn)中可用不同頻率的入射光照射，分別找到相應(yīng)的遏止電壓，就可作出的實(shí)驗(yàn)直線，此直線的斜率就是由該直線與橫軸的交點(diǎn)，可求出“紅限”頻率。這就是密立根驗(yàn)證愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程的主要實(shí)驗(yàn)思想。則普朗克常數(shù)背景資料實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)據(jù)處理拓展-應(yīng)用

7實(shí)驗(yàn)儀器

GD—1型微電流測(cè)試儀

GDh—45型光電管

GGQ—50WHg儀器用高壓汞燈

背景資料實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)據(jù)處理拓展-應(yīng)用

9實(shí)驗(yàn)儀器型號(hào)NG365NG405NG436NG546NG577選用波長(zhǎng)（A）36504047435854615770透過(guò)率（％）4840203025濾色片:是一組外徑為36mm的寬帶通型有色玻璃組合濾色片,具有濾選

3650A,4047A,4358A,5461A和5770A等譜線的能力。

濾色片性能表

中性減光片:是三塊一組外徑為36mm的中性減光片。光通過(guò)減光片后,光強(qiáng)將減弱。在單色光為5770A時(shí)，其減光率分別可達(dá)25%、50%、和75%。背景資料實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)據(jù)處理拓展-應(yīng)用

10實(shí)驗(yàn)儀器

開(kāi)機(jī)前準(zhǔn)備:按照光源、光電管暗盒和微電流測(cè)試儀的順序?qū)x器安放在適當(dāng)位置，并將微電流測(cè)試儀面板上各個(gè)開(kāi)關(guān)旋鈕置于下列位置；“電流量程”置“1μA”；“電壓量程”置“30V”；“電壓極性”置“+”；“電壓調(diào)節(jié)”逆時(shí)針調(diào)到最小。將光源上出光孔和暗盒上入光孔分別用擋光蓋蓋上；把暗盒上“K”端用屏蔽電纜與微電流測(cè)試儀面板上“K”端連接，再用普通導(dǎo)線將二者對(duì)應(yīng)的“A”和“⊥”連接好。先將電源開(kāi)關(guān)打開(kāi)，讓汞燈預(yù)熱15—20分鐘，然后再打開(kāi)微電流測(cè)試儀電源開(kāi)關(guān)。讓光源出光孔與暗盒入光孔水平對(duì)準(zhǔn)，二者間距由以下方法確定：將365濾色片裝在暗盒光窗上，電流測(cè)試儀上輸出電壓調(diào)為－3V，移動(dòng)光電管，使電流測(cè)試儀上電流讀數(shù)在－0.4μA～－0.3μA變動(dòng)并停留在－0.3μA，此時(shí)二者間距最為合適。實(shí)驗(yàn)儀器的使用及注意事項(xiàng)注意事項(xiàng)：更換濾色片時(shí)注意避免污染，以免除不必要的折射光帶來(lái)實(shí)驗(yàn)誤差；更換濾色片時(shí)先將光源出光孔遮住，而且做完實(shí)驗(yàn)后也要用遮光罩蓋住光電管入光孔，避免強(qiáng)光直接照射陰極而縮短光電管壽命；光電管入光孔勿對(duì)著其他強(qiáng)光源，以減少雜散光干擾。汞燈光源外殼加熱后溫度較高，試驗(yàn)過(guò)程中不要接觸到光源外殼。電壓從大量程換為小量程要先調(diào)節(jié)旋鈕使指針偏轉(zhuǎn)到最小，以免損壞儀表。背景資料實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)據(jù)處理拓展-應(yīng)用

11數(shù)據(jù)處理一、根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)作出5種不同頻率的照射光所對(duì)應(yīng)的I—U伏安特性曲線，由此確定5種不同頻率的照射光所對(duì)應(yīng)截止電壓值。型號(hào)NG365NG405NG436NG546NG577選用波長(zhǎng)（A）36504047435854615770頻率×1014（Hz）8.227.416.885.945.20截至電壓US（V）參考表格：數(shù)據(jù)擬合：1>作圖法作出US－v的實(shí)驗(yàn)直線，求此直線的斜率k；普朗克常數(shù)h＝ek（與公認(rèn)值進(jìn)行比較，計(jì)算相對(duì)不確定度）該直線與橫軸的交點(diǎn)即“紅限”頻率v0。

背景資料實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)儀器拓展-應(yīng)用

13數(shù)據(jù)處理2>最小二乘法根據(jù)最小二乘法求出直線方程普朗克常數(shù)“紅限”頻率計(jì)算不確定度、表達(dá)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。二、根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)作出不同照度下I—U伏安特性曲線和I—P特性(光電特性)曲線。背景資料實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)儀器拓展-應(yīng)用

14拓展-應(yīng)用

光照射在物體上可以看成是一連串的具有一定能量的光子轟擊這些物體的表面；光子與物體之間的聯(lián)接體是電子。所謂光電效應(yīng)是指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量而產(chǎn)生的電效應(yīng)。光電效應(yīng)可分成外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩類。一．外光電效應(yīng)(Externalphotoelectriceffect)

在光的照射下，使電子逸出物體表面而產(chǎn)生光電子發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。外光電效應(yīng)從光開(kāi)始照射至金屬釋放電子幾乎在瞬間發(fā)生，所需時(shí)間不超過(guò)10-9S?；谕夤怆娦?yīng)原理工作的光電器件有光電管和光電倍增管。圖1光電管

圖2光電管受光照發(fā)射電子

實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)據(jù)處理背景資料

15拓展-應(yīng)用二.內(nèi)光電效應(yīng)(Internalphotoelectriceffect)光照射在半導(dǎo)體材料上，材料中處于價(jià)帶的電子吸收光子能量，通過(guò)禁帶躍入導(dǎo)帶，使導(dǎo)帶內(nèi)電子濃度和價(jià)帶內(nèi)空穴增多，即激發(fā)出光生電子-空穴對(duì)，從而使半導(dǎo)體材料產(chǎn)生電效應(yīng)。光子能量必須大于材料的禁帶寬度ΔEg才能產(chǎn)生內(nèi)光電效應(yīng)。由此可得內(nèi)光電效應(yīng)的臨界波長(zhǎng)λo=1293/ΔEg(nm)。通常純凈半導(dǎo)體的禁帶寬度為1eV左右。內(nèi)光電效應(yīng)按其工作原理可分為兩種：光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。1.光電導(dǎo)效應(yīng)半導(dǎo)體受到光照時(shí)會(huì)產(chǎn)生光生電子－空穴對(duì)(electron-holepairs)，使導(dǎo)電性能增強(qiáng)，光線愈強(qiáng)，阻值愈低。這種光照后電阻率變化的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)?；谶@種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻和反向偏置工作的光敏二極管與三極管。實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)據(jù)處理背景資料

17拓展-應(yīng)用圖4光敏電阻的工作原理(1)

光敏電阻(photoresistors)光敏電阻是一種電阻器件，其工作原理如圖4所示。使用時(shí)，可加直流偏壓(無(wú)固定極性)，或加交流電壓。光敏電阻中光電導(dǎo)作用的強(qiáng)弱是用其電導(dǎo)的相對(duì)變化來(lái)標(biāo)志的。禁帶寬度較大的半導(dǎo)體材料，在室溫下熱激發(fā)產(chǎn)生的電子－空穴對(duì)較少，無(wú)光照時(shí)的電阻(暗電阻)較大。因此光照引起的附加電導(dǎo)就十分明顯，表現(xiàn)出很高的靈敏度。為了提高光敏電阻的靈敏度，應(yīng)盡量減小電極間的距離。對(duì)于面積較大的光敏電阻，通常采用光敏電阻薄膜上蒸鍍金屬形成梳狀電極。為了減小潮濕對(duì)靈敏度的影響，光敏電阻必須帶有嚴(yán)密的外殼封裝。光敏電阻靈敏度高，體積小，重量輕，性能穩(wěn)定，價(jià)格便宜，因此在自動(dòng)化技術(shù)中應(yīng)用廣泛。實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)據(jù)處理背景資料

18拓展-應(yīng)用圖6光敏電阻梳狀電極

圖5光電二極管原理圖

(2)光敏二極管(photodiode)

PN結(jié)可以光電導(dǎo)效應(yīng)工作，也可以光生伏特效應(yīng)工作。如圖5所示，處于反向偏置的PN結(jié)，在無(wú)光照時(shí)具有高阻特性，反向暗電流很小。當(dāng)光照時(shí)，結(jié)區(qū)產(chǎn)生電子－空穴對(duì)，在結(jié)電場(chǎng)作用下，電子向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，空穴向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，形成光電流，圖6光敏電阻梳狀電極

方向與反向電流一致。光的照度愈大，光電流愈大。由于無(wú)光照時(shí)的反偏電流很小，一般為納安數(shù)量級(jí)，因此光照時(shí)的反向電流基本上與光強(qiáng)成正比。實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)據(jù)處理背景資料

19拓展-應(yīng)用圖9PN結(jié)光生伏特效應(yīng)原理圖

2.光生伏特效應(yīng)

光生伏特效應(yīng)是光照引起PN結(jié)兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。當(dāng)PN結(jié)兩端沒(méi)有外加電場(chǎng)時(shí)，在PN結(jié)勢(shì)壘區(qū)內(nèi)仍然存在著內(nèi)建結(jié)電場(chǎng)，其方向是從N區(qū)指向P區(qū)，如圖9所示。當(dāng)光照射到結(jié)區(qū)時(shí)，光照產(chǎn)生的電子－空穴對(duì)在結(jié)電場(chǎng)作用下，電子推向N區(qū)，空穴推向P區(qū)；電子在N區(qū)積累和空穴在P區(qū)積累使PN結(jié)兩邊的電位發(fā)生變化，PN結(jié)兩端出現(xiàn)一個(gè)因光照而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，這一現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。由于它可以像電池那樣為外電路提供能量，因此常稱為光電池。實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)據(jù)處理背景資料

21拓展-應(yīng)用實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)據(jù)處理背景資料

圖10光電池的開(kāi)路電壓輸出(a)和短路電流輸出(b)光電池(photocell)與外電路的連接方式有兩種(圖10)：一種是把PN結(jié)的兩端通過(guò)外導(dǎo)線短接，形成流過(guò)外電路的電流，這電流稱為光電池的輸出短路電流(IL)，其大小與光強(qiáng)成正比；另一種是開(kāi)路電壓輸出，開(kāi)路電壓與光照度之間呈非線性關(guān)系；光照度大于1000lx時(shí)呈現(xiàn)飽和特性。因此使用時(shí)應(yīng)根據(jù)需要選用工作狀態(tài)。硅光電池是用單晶硅制成的。在一塊N型硅片上用擴(kuò)散方法滲入一些P型雜質(zhì)，從而形成一個(gè)大面積PN結(jié)，P層極薄能使光線穿透到PN結(jié)上。硅光電池也稱硅太陽(yáng)能電池，為有源器件。它輕便、簡(jiǎn)單，不會(huì)產(chǎn)生氣體污染或熱污染，特別適用于宇宙飛行器作儀表電源。硅光電池轉(zhuǎn)換效率較低，適宜在可見(jiàn)光波段工作。22拓展-應(yīng)用實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)據(jù)處理背景資料

光電式傳感器一.光電式傳感器的類型光電式傳感器按其輸出量性質(zhì)可分為兩大類：1.模擬式光電傳感器這類傳感器將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流，要求光電元件的光照特性為單值線性，而且光源的光照均勻恒定。(1)輻射式

被測(cè)物體本身是光輻射源，由它釋出的光射向光電元件。光電高溫計(jì)、光電比色高溫計(jì)、紅外偵察、紅外遙感和天文探測(cè)等均屬于這一類。這種方式還可用于防火報(bào)警，火種報(bào)警和構(gòu)成光照度計(jì)等。(2)吸收式被測(cè)物體位于恒定光源與光電元件之間，根據(jù)被測(cè)物對(duì)光的吸收程度或?qū)ζ渥V線的選擇來(lái)測(cè)定被測(cè)參數(shù)。如測(cè)量液體、氣體的透明度、混濁度，對(duì)氣體進(jìn)行成分分析，測(cè)定液體中某種物質(zhì)的含量等。23拓展-應(yīng)用實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)據(jù)處理背景資料

圖12透射式光電傳感器示意圖(4)投射式（遮光式）被測(cè)物位于恒定光源與光電元件之間，根據(jù)被測(cè)物阻檔光通量的多少來(lái)測(cè)