光電效應實驗

PAGEPAGE4光電效應光電效應當光束照射到某些金屬表面上時,會有電子從金屬表面即刻逸出,這種現(xiàn)象稱為“光電效應”。1905年愛因斯坦圓滿地解釋了光電效應的實驗現(xiàn)象，使人們進一步認識到光的波粒二象性的本質,促進了光的量子理論的建立和近代物理學的發(fā)展,愛因斯坦因此獲得了1921年的諾貝爾獎。現(xiàn)在利用光電效應制成的各種光電器件(如光電管、光電倍增管、夜視儀等)已經被廣泛應用于工農業(yè)生產、科研和國防等領域。[實驗目的]1.加深對光的量子性的認識;2.驗證愛因斯坦方程,測定普朗克常數(shù);3.測定光電管的伏安特性曲線。[實驗原理]當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。所產生的電子,稱為光電子。根據(jù)愛因斯坦的光電效應方程有hν=1/2mvm2+W(1)其中ν為光的頻率,h為普朗克常數(shù),m和vm是光電子的質量和最大速度,W為電子擺脫金屬表面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ν的光子具有能量hν,當金屬中的電子吸收一個頻率為ν的光子時,便獲得這個光子的全部能量。如果光子的能量hν大于電子擺脫金屬表面的約束所需要的逸出功W,電子就會從金屬中逸出,1/2mvm是光電子逸出表面后所具有的最大動能;光子能量hν小于W時,電子不能逸出金屬表面,因而沒有光電效應產生。能產生光電效應的入射光最低頻率ν0,稱為光電效應的截止(或極限)頻率。由方程(1)可得v0=W/h(2)不同的金屬材料有不同的逸出功,因而ν0也是不同的。利用光電管可以進行研究光電效應規(guī)律、測量普朗克常數(shù)的實驗,實驗原理可參考圖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上產生光電效應時,逸出的光電子在電場的作用下由陰極向陽極運動,并且在回路中形成光電流。當陽極A電勢為正,陰極K電勢為負時,光電子被加速。當K電勢為正,A電勢為負時,光電子被減速;而當A、K之間的電勢差足夠大時，具有最大動能的光電子也被反向電場所阻擋,光電流將實驗儀實驗儀12345671汞燈電源2汞燈3濾色片4光闌5光電管6基座7實驗儀圖4儀器結構示意圖圖4儀器結構示意圖電流量程電流量程電壓調節(jié)電流調零電源AV電壓10-910-810-1310-1010-1110-12ZKY-GD-3普朗克常數(shù)測試儀-2+2-2+30開關-2--+30-2--+2圖圖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365.0nm、404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm光闌：3片，直徑2mm、4mm、8mm光電管：光譜響應范圍320-700nm，暗電流：I≤2×10-12A（-2V≤UAK≤光電管電源：2檔，－2—＋2V，－2—＋30V，三位半數(shù)顯，穩(wěn)定度≤0.1%微電流放大器：6檔，10-8—10-13A，分辨率10-14A，三位半數(shù)顯，穩(wěn)定度[實驗內容]（1）測試前準備 把汞燈及光電管暗盒遮光蓋蓋上，將汞燈暗盒光輸出口對準光電管暗盒光輸入口，調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—藍）。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，預熱20分鐘。將“電流量程”選擇開關置于所選檔位，儀器在充分預熱后，進行測試前調零，旋轉“調零”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-2V—+2V檔；將“電流量程”選擇開關置于10-13A檔，將測試儀電流輸入電纜斷開，調零后重新接上；將直徑4mm從低到高調節(jié)電壓，用“零電流法”測量該波長對應的截止電壓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應的截止電壓U0。表1、U0—ν關系光闌孔Φ=mm電流量程：L=mm波長λi(nm)365.0404.7435.8546.1577.0頻率νi(×1014Hz)8.2147.4086.8795.4905.196截止電壓U0i(V) 利用表1中的數(shù)據(jù)在坐標紙上作U0—ν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的公認值hO比較，求出相對誤差×100%，式中，。（3）測光電管的伏安特性曲線=1\*GB3①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-2V—+30V檔，“電流量程”選擇開關置于10-10A檔，把測試儀電流輸入電纜斷開，調零后重新接上,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。從低到高調節(jié)電壓，記錄電流從零到非零點所對應的電壓值作為第一組數(shù)據(jù)，以后電壓每變化一定值記錄一組數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)記于表2中。=2\*GB3②換上直徑2mm的光闌，“電流量程”選擇開關置于10-11A檔，把測試儀電流輸入電纜斷開，調零后重新接上,重復上述測量，并將數(shù)據(jù)記于表2中。用表2數(shù)據(jù)在坐標紙上作對應于以上兩種光闌（兩種光強）的伏安特性曲線，對兩條曲線進行比較分析。表1、I—UAK關系L=mm435.8nm光闌4UAK（V）I（×10-10435.8nm光闌2UAK（V）I（×10-11A[注意事項]1.微電流測量放大器必須充分預熱測量方能準確。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。為避免強光直射陰極縮短光電管壽命,更換濾色片時以及實驗完畢后，用遮光罩蓋住光電管暗盒進光窗。3.保持濾色片表面光潔,小心使用防止損壞。4.實驗中應減少雜散光的干擾。