試驗(yàn)五普朗克常數(shù)測(cè)定

實(shí)驗(yàn)五普朗克常數(shù)測(cè)定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．通過實(shí)驗(yàn)深刻理解愛因斯坦的光電子理論，了解光電效應(yīng)的基本規(guī)律；2．掌握用光電管進(jìn)行光電效應(yīng)研究的方法；3．學(xué)習(xí)對(duì)光電管伏安特性曲線的處理方法，并用以測(cè)定普朗克常數(shù)。二、實(shí)驗(yàn)儀器高壓汞燈、濾色片、光電管、微電流放大器(含電源)三、實(shí)驗(yàn)原理愛因斯坦從他提出的“光量子”概念出發(fā)，認(rèn)為光并不是以連續(xù)分布的形式把能量傳播到空間，而是以光量子的形式一份一份地向外輻射。對(duì)于頻率為V的光波，每個(gè)光子的能量為hv，其中，h=6.6261X10-34焦耳?秒，稱為普朗克常數(shù)。當(dāng)頻率為V的光照射金屬時(shí)，具有能量hv的一個(gè)光子和金屬中的一個(gè)電子碰撞，光子把全部能量傳遞給電子。電子獲得的能量一部分用來克服金屬表面對(duì)它的束縛，剩余的能量就成為逸出金屬表面后光電子的動(dòng)能。顯然，根據(jù)能量守恒有：1)E二hv-W1)ks這個(gè)方程稱為愛因斯坦方程。這里W為逸出功，是金屬材料的固有屬性。對(duì)于給定的金屬S材料，W是一定值。S愛因斯坦方程表明：光電子的初動(dòng)能與入射光頻率之間呈線性關(guān)系。入射光的強(qiáng)度增加時(shí)，光子數(shù)目也增加。這說明光強(qiáng)只影響光電子所形成的光電流的大小。當(dāng)光子能量hv<W時(shí)，不能產(chǎn)生光電子。即存在一個(gè)產(chǎn)生光電流的截止頻率v(時(shí)，光子數(shù)目也增加。這說明光強(qiáng)只影響光電子所形成的光電流的大小。當(dāng)光子能量hv<W時(shí)，不能產(chǎn)生光電子。即存在一個(gè)產(chǎn)生光電流的截止頻率v(v=W/h)。00S本實(shí)驗(yàn)采用的實(shí)驗(yàn)原理圖見圖1。一束頻率為v色光照射在真空光電管的陰極K上，光電子將從陰出。在陰極K和陽極A之間外加一個(gè)反向電壓VKAKA接負(fù)極)，它對(duì)光電子運(yùn)動(dòng)起減速作用。隨著反向電VKA的增大，到達(dá)陽極的光電子相應(yīng)減少，光電流KA當(dāng)Vka=Us時(shí)，光電流降為零。此時(shí)光電子的初動(dòng)KAS部用于克服反向電場(chǎng)作用。即eU=ESk這時(shí)的反向電壓Us叫截止電壓。入射光頻率不同止電壓也不同。將(2)式代入(1)式得2)圖1單

逸

A

壓減少。能全時(shí)，截hU=—(v-V) (3)se0式中h，e都是常量，對(duì)同一光電管v也是常量，實(shí)驗(yàn)中測(cè)量不同頻率下的U,做出U—v0ss曲線。在(3)式得到滿足的條件下，這是一條直線。若電子電量e為已知，由斜率k=h/e可以求出普朗克常數(shù)h,由直線在U軸上的截距可以求出逸出功W，由直線在v軸上的截S S距可以求出截止頻率v0，見圖2。

在實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的伏安特性曲線與理想的有所不同，這是因?yàn)椋汗怆姽艿年帢O采用逸出電位低的堿金屬材料制成，這種材料即使在高真空也有易氧化的趨向，使陰極表面各處的逸出電勢(shì)不盡相等。同時(shí)逸出具有最大動(dòng)能的光電子數(shù)目大為減少。隨著反向電壓的增高，光電流不是陡然截止，而是較快降低后平緩地趨近零點(diǎn)。陽極是用逸出電勢(shì)較高的鉑、鎢等材料做成。本來只有遠(yuǎn)紫外線照射才能逸出光電子。但在使用過程中常會(huì)沉積上陰極材料，當(dāng)陽極受到部分漫反射光照射時(shí)也會(huì)發(fā)生光電子。因?yàn)槭┘釉诠怆姽苌系耐怆妶?chǎng)對(duì)于這些光電子來說正好是個(gè)加速電場(chǎng)，使得發(fā)射的光電子由陽極飛向陰極，構(gòu)成反向電流。暗盒中的光電管即使沒有光照射，在外加電壓下也會(huì)有微弱電流流通，稱作暗電流。其主要原因是極間絕緣電阻漏電（包括管座以及玻璃殼內(nèi)外表面的漏電）陰極在常溫下的熱電子輻射等。暗電流與外加電壓基本上成線性關(guān)系。由于以上原因，實(shí)測(cè)曲線上每一點(diǎn)的電流是陰極光電子發(fā)射電流、陽極反向光電子電流及暗電流三者之和。理想光電管的伏安特性曲線如圖3的虛線所示，實(shí)際測(cè)量曲線如圖中的實(shí)線表示。光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀原理見圖4。常見的GDh-1型光電管陰極為Ag-0-K化合物，最高靈敏度波長為410±10nm。為避免雜散光和外界電磁場(chǎng)的影響，光電管裝在留有窗口的暗盒內(nèi)。實(shí)驗(yàn)光源為高壓汞燈，與濾色片配合使用，可以提供356.6，404.7，435.8，546.1，577.0nm五種波長的單色光。由于光電流強(qiáng)度非常微弱，一般需要經(jīng)過微電流放大器放大后才能讀出。微電流放大器的測(cè)量范圍10-8?10-13A,共分六檔。光電管的極間電壓由直流電源提供，電源可以從負(fù)到正在一定范圍調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)時(shí)可以由電壓表和電流表逐點(diǎn)讀數(shù)，并根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)做圖。也可以由鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)生隨時(shí)間連續(xù)增大的電壓加在光電管上，這時(shí)光電流也是連續(xù)變化的。將電流、電壓量分別接在X-Y記錄儀的Y端和X輸入端（或計(jì)算機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端），就能自動(dòng)畫出光電管的伏安特性曲線。由于暗電流和陽極電流的存在，準(zhǔn)確地測(cè)量截止電壓是困難的。一般采用下述兩種方法進(jìn)行近似處理：1．若在截止電壓點(diǎn)附近陰極電流上升很快，則實(shí)測(cè)曲線與橫軸的交點(diǎn)（圖3中的“1”點(diǎn)）非常接近于U點(diǎn)。以此點(diǎn)代替U點(diǎn)，就是“交點(diǎn)法”S S2．若測(cè)量的反向電流飽和很快，則反向電流由斜率很小的斜線開始偏離線性的“抬頭點(diǎn)”（圖3中的“2”點(diǎn)）電壓值與U點(diǎn)電壓非常接近，可以用“抬頭點(diǎn)”電壓值代替U點(diǎn)S S電壓。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容按要求布置好儀器，打開微電流放大器的電源預(yù)20分鐘。罩好暗盒窗上的遮光罩，測(cè)量暗電流隨電壓的變化。選擇好某一波長的入射光，由一3V開始增加電壓進(jìn)行粗測(cè)。注意觀察電流變化較大時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓區(qū)間，細(xì)測(cè)時(shí)在此區(qū)間應(yīng)內(nèi)多取一些測(cè)量點(diǎn)，以減小描繪曲線時(shí)的誤差。在以上基礎(chǔ)上精確測(cè)量I隨U變化的數(shù)據(jù)。5.更換濾色片，選擇其它波長，重復(fù)第2項(xiàng)和第3項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。6.做各波長I-U曲線，用“抬頭點(diǎn)”確定U點(diǎn)。S7?做U—y曲線，驗(yàn)證愛因斯坦公式。用作圖法或最小二乘法求斜率并外推直線求截S距，計(jì)算普朗克常數(shù)h、逸出功W和截止頻率y0。0用鋸齒波發(fā)生器做電源，由X-Y記錄儀（或計(jì)算機(jī)）繪圖，進(jìn)行第5項(xiàng)和第6項(xiàng)工作。用移動(dòng)光源位置或改變窗口大小的方法改變?nèi)肷涔獾膹?qiáng)度，觀測(cè)W、y0和飽和電流0I的變化。S實(shí)驗(yàn)中要注意如下事項(xiàng)：汞燈打開后，直至實(shí)驗(yàn)全部完成后再關(guān)閉。一旦中途關(guān)閉電源，至少等5分鐘后再啟動(dòng)。注意勿使電源輸出端與地短路，以免燒毀電源。實(shí)驗(yàn)過程中不要改變光源與光電管之間的距離（第9項(xiàng)內(nèi)容除外），以免改變?nèi)肷涔獾膹?qiáng)度。注意保持濾色片的清潔，但不要隨意擦拭濾色片。實(shí)驗(yàn)后用遮光罩罩住光電管暗盒，以保護(hù)光電管。五、回答問題光電流是否隨光源的強(qiáng)度變化？截止電位是否因光源強(qiáng)度不同而改變，請(qǐng)解釋