光電效應(yīng)和普朗克常量

光電效應(yīng)和普朗克常量1第1頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月光電效應(yīng)和普朗克常數(shù)的測量背景資料實驗原理實驗內(nèi)容實驗儀器數(shù)據(jù)處理A.愛因斯坦M.普朗克拓展－應(yīng)用

2第2頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月背景資料

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

年《物理學(xué)年鑒》上。論文詳細描述了他的發(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)家紛紛對此現(xiàn)象進行了研究，用紫外光或波長更短的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)。

對于光電效應(yīng)的實驗規(guī)律，經(jīng)典的波動理論無法給出圓滿的解釋。1905年愛因斯坦受普朗克量子假設(shè)的啟發(fā)，提出了光量子假說，即：一束光是一粒一粒以光速C運動的粒子流，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，愛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)的各條實驗規(guī)律。

然而，愛因斯坦的光量子假說和光電效應(yīng)方程并沒有立即得到人們的承認，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，同時這個假說未獲得全面的驗證。實驗原理實驗儀器實驗內(nèi)容數(shù)據(jù)處理拓展-應(yīng)用

3第3頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月背景資料1912-1915年間，密立根以卓越的研究方法和精湛的實驗技術(shù)，檢驗了愛因斯坦1905年提出的光電效應(yīng)公式。于1916年發(fā)表論文證實了愛因斯坦方程的正確性，并直接運用光電方法對普朗克常數(shù)h作了首次測量。1922年，康普頓發(fā)現(xiàn)了“康普頓效應(yīng)”，他采用單個光子和自由電子的簡單碰撞理論，對這個效應(yīng)做出了滿意的理論解釋，進一步證實了愛因斯坦的光子理論。密立根和康普頓的精密實驗研究終于確立了光量子論的地位。密立根（RobertAndrewsMillikan,1868-1953)因?qū)倦姾珊凸怆娦?yīng)的研究，獲得了1923年度的諾貝爾物理學(xué)獎。R.密粒根康普頓（ArthurHollyCompton,1892-1962）因發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)獲得了1927年度的諾貝爾物理學(xué)獎。H.康普頓愛因斯坦（AlbertEinstein,1879-1955）因在理論物理方面的成就，尤其是發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)的規(guī)律，獲得了1921年度的諾貝爾物理學(xué)獎。A.愛因斯坦實驗原理實驗儀器實驗內(nèi)容數(shù)據(jù)處理拓展-應(yīng)用

4第4頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月實驗原理當(dāng)一定頻率的光照射到某些金屬表面上時，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)的實驗規(guī)律：飽和光電流與入射光強成正比；(頻率相同）光電效應(yīng)存在一個截止頻率，當(dāng)入射光的頻率時，不論光的強度如何都沒有光電子產(chǎn)生；光電子的初動能與光強無關(guān)，而與入射光的頻率成正比；只要，無論光強如何，都會立即引起光電子發(fā)射，。對于這些實驗事實，經(jīng)典的波動理論無法給出圓滿的解釋。

愛因斯坦光量子理論：愛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，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)化為光電子的動能，即：——愛因斯坦方程愛因斯坦光量子理論圓滿地解釋了光電效應(yīng)的各條實驗規(guī)律。背景資料實驗儀器實驗內(nèi)容數(shù)據(jù)處理拓展-應(yīng)用

5第5頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月實驗原理圖1光電效應(yīng)實驗原理圖UG0圖2I－U特性曲線（頻率相同）光強較大光強較小截止頻率：根據(jù)愛因斯坦方程，只有當(dāng)才會有光電子發(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驗儀器實驗內(nèi)容數(shù)據(jù)處理拓展-應(yīng)用

6第6頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月實驗原理根據(jù)普朗克常數(shù)的測量：

上式說明與入射光頻率成直線關(guān)系，實驗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，就可作出的實驗直線，此直線的斜率就是由該直線與橫軸的交點，可求出“紅限”頻率。這就是密立根驗證愛因斯坦光電效應(yīng)方程的主要實驗思想。則普朗克常數(shù)背景資料實驗儀器實驗內(nèi)容數(shù)據(jù)處理拓展-應(yīng)用

7第7頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月實驗原理普朗克常數(shù)的測量：注：實際測量的光電管伏安特性曲線如圖3所示。這是由于在實驗進行時，光電管中還伴有兩個現(xiàn)象，即陽極的光電子發(fā)射和暗電流。陽極的光電子發(fā)射是陽極材料在光照下發(fā)射的光電子，對這些光電子而言，外加反向電場是加速電場，因此它們很容易到達陰極，形成反向電流。暗電流則是在無光照射時，外加反向電壓下光電管流過的微弱電流。由于這兩個因素的影響，實驗中實測的I—U特性曲線往往如圖3所示。曲線的下部轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€，轉(zhuǎn)變點B(抬頭點)對應(yīng)的外加電壓值才是遏止電壓。圖3I－U實驗曲線暗電流實驗曲線0B背景資料實驗儀器實驗內(nèi)容數(shù)據(jù)處理拓展-應(yīng)用

8第8頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月實驗儀器

GD—1型微電流測試儀

GDh—45型光電管

GGQ—50WHg儀器用高壓汞燈

背景資料實驗原理實驗內(nèi)容數(shù)據(jù)處理拓展-應(yīng)用

9第9頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月實驗儀器型號NG365NG405NG436NG546NG577選用波長（A）36504047435854615770透過率（％）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。光通過減光片后,光強將減弱。在單色光為5770A時，其減光率分別可達25%、50%、和75%。背景資料實驗原理實驗內(nèi)容數(shù)據(jù)處理拓展-應(yīng)用

10第10頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月實驗儀器

開機前準備:按照光源、光電管暗盒和微電流測試儀的順序?qū)x器安放在適當(dāng)位置，并將微電流測試儀面板上各個開關(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試儀面板上“K”端連接，再用普通導(dǎo)線將二者對應(yīng)的“A”和“⊥

”連接好。先將電源開關(guān)打開，讓汞燈預(yù)熱15—20分鐘，然后再打開微電流測試儀電源開關(guān)。讓光源出光孔與暗盒入光孔水平對準，二者間距由以下方法確定：將365濾色片裝在暗盒光窗上，電流測試儀上輸出電壓調(diào)為－3V，移動光電管，使電流測試儀上電流讀數(shù)在－0.4μA～－0.3μA變動并停留在－0.3μA，此時二者間距最為合適。實驗儀器的使用及注意事項注意事項：更換濾色片時注意避免污染，以免除不必要的折射光帶來實驗誤差；更換濾色片時先將光源出光孔遮住，而且做完實驗后也要用遮光罩蓋住光電管入光孔，避免強光直接照射陰極而縮短光電管壽命；光電管入光孔勿對著其他強光源，以減少雜散光干擾。汞燈光源外殼加熱后溫度較高，試驗過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。背景資料實驗原理實驗內(nèi)容數(shù)據(jù)處理拓展-應(yīng)用

11第11頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月實驗內(nèi)容一、測量I—U伏安特性曲線將擋光蓋蓋住光源出光孔，把暗盒入光孔套架上擋光蓋取下來，換上濾色片，再從光源出光孔上取下?lián)豕馍w，順時針旋轉(zhuǎn)“電壓調(diào)節(jié)”旋鈕，使電壓由-3V逐漸升高到30V，觀察光電流的變化，記下一組I—U值，由短波到長波逐次換上五種不同波長的濾色片，這樣可記5組I—U值。注意測量點應(yīng)合理分配，具體為：－3V～0V電流開始變化(急劇變化)時細測幾個點(間隔0.1V或0.2V)0V～10V每隔1V記一個電流值10V～30V每隔5V記一個電流值二、測量I—P特性(光電特性)曲線把577型濾色片裝在暗盒光窗上，電壓由0V升到30V，記下飽和電壓值，我們可視之為透光率為100%的情況，還可測出透光率分別為75%，50%和25%的三種情況，即將三塊減光片分別裝在光源出光口，電壓都是從0V升到30V的。由此可觀察飽和光電流與光的強度的關(guān)系。背景資料實驗原理實驗儀器數(shù)據(jù)處理拓展-應(yīng)用

12第12頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)據(jù)處理一、根據(jù)測量數(shù)據(jù)作出5種不同頻率的照射光所對應(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應(yīng)截止電壓值。型號NG365NG405NG436NG546NG577選用波長（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的實驗直線，求此直線的斜率k；普朗克常數(shù)h＝ek（與公認值進行比較，計算相對不確定度）該直線與橫軸的交點即“紅限”頻率v0。

背景資料實驗原理實驗內(nèi)容實驗儀器拓展-應(yīng)用

13第13頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月數(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”頻率計算不確定度、表達實驗結(jié)果。二、根據(jù)測量數(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。背景資料實驗原理實驗內(nèi)容實驗儀器拓展-應(yīng)用

14第14頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月拓展-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)從光開始照射至金屬釋放電子幾乎在瞬間發(fā)生，所需時間不超過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

實驗原理實驗儀器實驗內(nèi)容數(shù)據(jù)處理背景資料

15第15頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月拓展-應(yīng)用圖3光電倍增管

光電管種類很多，它是個裝有光陰極和陽極的真空玻璃管，結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖2陽極通過RL與電源連接在管內(nèi)形成電場。光電管的陰極受到適當(dāng)?shù)恼丈浜蟊惆l(fā)射光電子，這些光電子在電場作用下被具有一定電位的陽極吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流。電阻RL上產(chǎn)生的電壓降正比于空間電流，其值與照射在光電管陰極上的光成函數(shù)關(guān)系。如果在玻璃管內(nèi)充入惰性氣體(如氬、氖等)即構(gòu)成充氣光電管。由于光電子流對惰性氣體進行轟擊，使其電離，產(chǎn)生更多的自由電子，從而提高光電變換的靈敏度。光電倍增管的結(jié)構(gòu)如3所示。在玻璃管內(nèi)除裝有光電陰極和光電陽極外，尚裝有若干個光電倍增極。光電倍增極上涂有在電子轟擊下能發(fā)射更多電子的材料。光電倍增極的形狀及位置設(shè)置得正好能使前一級倍增極發(fā)射的電子繼續(xù)轟擊后一級倍增極。在每個倍增極間均依次增大加速電壓。設(shè)每級的培增率為δ，若有n級，則光電倍增管的光電流倍增率將為δn。實驗原理實驗儀器實驗內(nèi)容數(shù)據(jù)處理背景資料

16第16頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月拓展-應(yīng)用二.內(nèi)光電效應(yīng)(Internalphotoelectriceffect)光照射在半導(dǎo)體材料上，材料中處于價帶的電子吸收光子能量，通過禁帶躍入導(dǎo)帶，使導(dǎo)帶內(nèi)電子濃度和價帶內(nèi)空穴增多，即激發(fā)出光生電子-空穴對，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)體受到光照時會產(chǎn)生光生電子－空穴對(electron-holepairs)，使導(dǎo)電性能增強，光線愈強，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。實驗原理實驗儀器實驗內(nèi)容數(shù)據(jù)處理背景資料

17第17頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月拓展-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，可加直流偏壓(無固定極性)，或加交流電壓。光敏電阻中光電導(dǎo)作用的強弱是用其電導(dǎo)的相對變化來標(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－空穴對較少，無光照時的電阻(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。為了減小潮濕對靈敏度的影響，光敏電阻必須帶有嚴密的外殼封裝。光敏電阻靈敏度高，體積小，重量輕，性能穩(wěn)定，價格便宜，因此在自動化技術(shù)中應(yīng)用廣泛。實驗原理實驗儀器實驗內(nèi)容數(shù)據(jù)處理背景資料

18第18頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月拓展-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)，在無光照時具有高阻特性，反向暗電流很小。當(dāng)光照時，結(jié)區(qū)產(chǎn)生電子－空穴對，在結(jié)電場作用下，電子向N區(qū)運動，空穴向P區(qū)運動，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。由于無光照時的反偏電流很小，一般為納安數(shù)量級，因此光照時的反向電流基本上與光強成正比。實驗原理實驗儀器實驗內(nèi)容數(shù)據(jù)處理背景資料

19第19頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月拓展-應(yīng)用圖7光電三極管原理圖圖8入射光方向與管殼軸線夾角示意圖(3)光敏三極管(phototransistors)

它可以看成是一個bc結(jié)為光敏二極管的三極管。其原理和等效電路見圖7。在光照作用下，光敏二極管將光信號轉(zhuǎn)換成電流信號，該電流信號被晶體三極管放大。顯然，在晶體管增益為β時，光敏三極管的光電流要比相應(yīng)的光敏二極管大β倍。光敏二級管和三極管均用硅或鍺制成。由于硅器件暗電流小、溫度系數(shù)小，又便于用平面工藝大量生產(chǎn)，尺寸易于精確控制，因此硅光敏器件比鍺光敏器件更為普通。光敏二極管和三極管使用時應(yīng)注意保持光源與光敏管的合適位置(見圖8)。因為只有在光敏晶體管管殼軸線與入射光方向接近的某一方位(取決于透鏡的對稱性和管芯偏離中心的程度)，入射光恰好聚焦在管芯所在的區(qū)域，光敏管的靈敏度才最大。為避免靈敏度變化，使用中必需保持光源與光敏管的相對位置不變。實驗原理實驗儀器實驗內(nèi)容數(shù)據(jù)處理背景資料

20第20頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月拓展-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)生電動勢的效應(yīng)。當(dāng)PN結(jié)兩端沒有外加電場時，在PN結(jié)勢壘區(qū)內(nèi)仍然存在著內(nèi)建結(jié)電場，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，光照產(chǎn)生的電子－空穴對在結(jié)電場作用下，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)一個因光照而產(chǎn)生的電動勢，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。實驗原理實驗儀器實驗內(nèi)容數(shù)據(jù)處理背景資料

21第21頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月拓展-應(yīng)用實驗原理實驗儀器實驗內(nèi)容數(shù)據(jù)處理背景資料

圖10光電池的開路電壓輸出(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)的兩端通過外導(dǎo)線短接，形成流過外電路的電流，這電流稱為光電池的輸出短路電流(IL)，其大小與光強成正比；另一種是開路電壓輸出，開路電壓與光照度之間呈非線性關(guān)系；光照度大于1000lx時呈現(xiàn)飽和特性。因此使用時應(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型硅片上用擴散方法滲入一些P型雜質(zhì)，從而形成一個大面積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能電池，為有源器件。它輕便、簡單，不會產(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，適宜在可見光波段工作。22第22頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月拓展-應(yīng)用實驗原理實驗儀器實驗內(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、光電比色高溫計、紅外偵察、紅外遙感和天文探測等均屬于這一類。這種方式還可用于防火報警，火種報警和構(gòu)成光照度計等。(2)吸收式被測物體位于恒定光源與光電元件之間，根據(jù)被測物對光的吸收程度或?qū)ζ渥V線的選擇來測定被測參數(shù)。如測量液體、氣體的透明度、混濁度，對氣體進行成分分析，測定液體中某種物質(zhì)的含量等。23第23頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月拓展-應(yīng)用(3)反射式

恒定光源釋出的光投射到被測物體上，再從其表面反射到光電元件上，根據(jù)反射的光通量多少測定被測物表面性質(zhì)和狀態(tài)。例如測量零件表面粗糙度、表面缺陷、表面位移以及表面白度、露點、濕度等。實驗原理實驗儀器實驗內(nèi)容數(shù)據(jù)處理背景資料

圖11.反射式光電傳感器示意圖

圖11為反射式光電傳感器示意圖。(a)(b)是利用反射法檢測材質(zhì)表面粗糙度和表面裂紋、凹坑等疵病的傳感器示意圖。(a)為正反射接收型，用于檢測淺小的缺陷，靈敏度較高；(b)為非正反射接收型，用于檢測較大的幾何缺陷；圖(c)是利用反射法測量工件尺寸或表面位置的示意圖，當(dāng)工件位移Δh時，光斑移動Δl，其放大倍數(shù)為Δl/Δh。在標(biāo)尺處放置一排光電元件即可獲得尺寸分組信號。24第24頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月拓展-應(yīng)用實驗原理實驗儀器實驗內(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）被測物位于恒定光源與光電元件之間，根據(jù)被測物阻檔光通量的多少來測定被測參數(shù)。圖12為透射式光電傳感器示意圖。這種傳感器將被測對象作為光閘，主要用于測小孔、狹縫、細絲直