光电效应（实验）.doc_大学文库_中国高校课件下载中心

光电效应光电效应是指一定频率的光照射在金属表面时会有电子从金属表面逸出的现象。光电效应实验对于认识光的本质及早期量子理论的发展,具有里程碑式的意义。两位物理大师爱因斯坦和密立根分别因他们在光电效应的理论和实验方面的卓越工作,分获得1921和1923年诺贝尔物理奖。【实验目的】 1.了解光电效应的规律,加深对光的量子性的理解 2.测量普朗克常数h 【实验原理】 K 光电效应的实验原理如图1所示。当入射光照射到光电管阴极K上时,产生的光电子在电场的作用下向阳极A迁移构成光电流,改变外加电压UAK,测量光电流I的大小, 即可得出光电管的伏安特性曲线 1.光电效应的基本特点: (1)对应于某一频率光的光电效应,IUAK关系如图2 图1实验原理图所示。可见,对一定的频率,存在一电压U0,当UAk≤U 时,电流为零,U0被称为截止电压,它与阴极材料的构成有关。 (2)当UAK≥U0后,I迅速增加,然后趋于饱和,饱和光电流IM的大小与入射光的强度P成正比 (3)对于不同频率的光,其截止电压的值不同,如图3所示。 (4)作截止电压U与频率γ的关系图如图4所示。U0与v成正比关系。但当入射光频率低于某极限值1 (1不同金属有不同的值)时,不论光的强度如何,照射时间多长,都没有光电流产生 P1 图2同一频率,不同光强时图3不同频率时光电管的伏图4截止电压U与入射光频光电管的伏安特性曲线安特性曲线率1的关系图 (5)光电效应是瞬时效应。即使入射光的强度非常微弱,只要频率大于υ,一旦光照射靶上立即就有光电子产生。从光照射到光电子产生的间隔至多为109秒的数量级。 2.光电效应的基本解释按照爱因斯坦的光量子理论,光能并不像电磁波理论所想象的那样,分布在波阵面上,而是集中在被称之为光子的微粒上,但这种微粒仍然保持着频率(或波长)的概念,频率为v的光子具有能量E=h,h为普朗克常数。当光子照射到金属表面上时,一次为金属中的某个电子全部吸收,而无需积累能量的时间。电子把吸收光子的能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引力,余下的就变为该电子离开金属表面后的动能,按照能量守恒原理,爱因斯坦提出了著名的光电效应方程 h +a 1) (1)中,A为金属的逸出功,m为光电子获得的初始动能

- 1 - 图 l 实验原理图图 2 同一频率，不同光强时光电管的伏安特性曲线图 3 不同频率时光电管的伏安特性曲线图 4 截止电压 U 与入射光频率的关系图光电效应光电效应是指一定频率的光照射在金属表面时会有电子从金属表面逸出的现象。光电效应实验对于认识光的本质及早期量子理论的发展，具有里程碑式的意义。两位物理大师爱因斯坦和密立根分别因他们在光电效应的理论和实验方面的卓越工作，分获得 1921 和 1923 年诺贝尔物理奖。【实验目的】 1．了解光电效应的规律，加深对光的量子性的理解。 2．测量普朗克常数 h。【实验原理】光电效应的实验原理如图 1 所示。当入射光照射到光电管阴极 K 上时，产生的光电子在电场的作用下向阳极 A 迁移构成光电流，改变外加电压 UAK，测量光电流 I 的大小，即可得出光电管的伏安特性曲线。 1．光电效应的基本特点：（1）对应于某一频率光的光电效应，I—UAK 关系如图 2 所示。可见，对一定的频率，存在一电压 U0，当 UAK≤U0 时，电流为零，U0 被称为截止电压，它与阴极材料的构成有关。（2）当 UAK≥U0 后，I 迅速增加，然后趋于饱和，饱和光电流 IM的大小与入射光的强度 P 成正比。（3）对于不同频率的光，其截止电压的值不同，如图 3 所示。（4）作截止电压 U0 与频率 ν 的关系图如图 4 所示。U0 与 ν 成正比关系。但当入射光频率低于某极限值 ν0 (ν0 不同金属有不同的值)时，不论光的强度如何，照射时间多长，都没有光电流产生。（5）光电效应是瞬时效应。即使入射光的强度非常微弱，只要频率大于 ν0，一旦光照射靶上立即就有光电子产生。从光照射到光电子产生的间隔至多为 10-9 秒的数量级。 2．光电效应的基本解释按照爱因斯坦的光量子理论，光能并不像电磁波理论所想象的那样，分布在波阵面上，而是集中在被称之为光子的微粒上，但这种微粒仍然保持着频率(或波长)的概念，频率为 ν 的光子具有能量 E=hν，h 为普朗克常数。当光子照射到金属表面上时，一次为金属中的某个电子全部吸收，而无需积累能量的时间。电子把吸收光子的能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引力，余下的就变为该电子离开金属表面后的动能，按照能量守恒原理，爱因斯坦提出了著名的光电效应方程： h = m + A 2 0 2 1 （1） (1)式中，A 为金属的逸出功， 2 0 2 1 m 为光电子获得的初始动能

由该式可见,入射到金属表面的光频率越高,逸出的电子动能越大,所以即使阳极电位比阴极电位低时,也会有电子穿过两极间的势垒到达阳极形成光电流,直至阳极电位等于截止电压,这时光电流才为零此时有关系: e0=-mu 当阳极电位高于截止电压后,随着阳极电位的升高,阳极对阴极发射的电子的收集作用越强,光电流随之上升。当阳极电压高到一定程度,已把阴极发射的光电子几乎全收集到阳极,再增加UAK时1不再变化,这时光电流出现饱和。饱和光电流IM的大小与入射光的强度P成正比光子的能量h<A时,电子不能脱离金属,因而没有光电流产生。产生光电效应的最低频率(截止频率) 是1=A/h 将(2)式代入(1)式可得: e 此式表明截止电压Uo是频率v的线性函数,直线斜率k=h/e,只要用实验方法得出不同的频率对应的截止电压,求出直线斜率,就可算出普朗克常数h 爱因斯坦的光量子理论成功地解释了光电效应规律实验仪 1汞灯电源2汞灯3滤色片4光阑5光电管6基座7实验仪图5仪器结构图【实验仪器】 ZKY-GD-4智能光电效应实验仪仪器由汞灯及电源,滤色片,光阑,光电管、智能实验仪构成,仪器结构如图5所示,实验仪的调节面板如图6所示。实验仪有手动和自动两种工作模式,具有数据自动采集,存储,实时显示采集数据,动态显示采集曲线(连接普通示波器,可同时显示5个存储区中存储的曲线),及采集完成后查询数据的功能这里需要注意的是理论上,测出各频率的光照射下阴极电流刚好为零时所对应的UAK,其绝对值应 h围光电效应实验仪 O<():○ 图6实验仪面板图实验内容及步骤该为该频率的截止电压,但实际上由于光电管的阳极反向电流、暗电流、本底电流及极间接触电位差的影响,实测电流并非阴极电流,实测电流为零时所对应的UAK也并非截止电压

- 2 - 由该式可见，入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子动能越大，所以即使阳极电位比阴极电位低时，也会有电子穿过两极间的势垒到达阳极形成光电流，直至阳极电位等于截止电压，这时光电流才为零，此时有关系： 2 0 0 2 1 eU = m (2) 当阳极电位高于截止电压后，随着阳极电位的升高，阳极对阴极发射的电子的收集作用越强，光电流随之上升。当阳极电压高到一定程度，已把阴极发射的光电子几乎全收集到阳极，再增加 UAK 时 I 不再变化，这时光电流出现饱和。饱和光电流 IM的大小与入射光的强度 P 成正比。光子的能量 hν0<A 时，电子不能脱离金属，因而没有光电流产生。产生光电效应的最低频率(截止频率) 是 ν0=A/h。将(2)式代入(1)式可得： eU0 = hv − A (3) 此式表明截止电压 Uo 是频率 ν 的线性函数，直线斜率 k=h／e，只要用实验方法得出不同的频率对应的截止电压，求出直线斜率，就可算出普朗克常数 h。爱因斯坦的光量子理论成功地解释了光电效应规律。【实验仪器】 ZKY-GD-4 智能光电效应实验仪仪器由汞灯及电源，滤色片，光阑，光电管、智能实验仪构成，仪器结构如图 5 所示，实验仪的调节面板如图 6 所示。实验仪有手动和自动两种工作模式，具有数据自动采集，存储，实时显示采集数据，动态显示采集曲线(连接普通示波器，可同时显示 5 个存储区中存储的曲线)，及采集完成后查询数据的功能。这里需要注意的是理论上，测出各频率的光照射下阴极电流刚好为零时所对应的 UAK，其绝对值应该为该频率的截止电压，但实际上由于光电管的阳极反向电流、暗电流、本底电流及极间接触电位差的影响，实测电流并非阴极电流，实测电流为零时所对应的 UAK 也并非截止电压。 1 汞灯电源 2 汞灯 3 滤色片 4 光阑 5 光电管 6 基座 7 实验仪图 5 仪器结构图图 6 实验仪面板图实验内容及步骤

光电管制作过程中阳极往往被污染,沾上少许阴极材料,入射光照射阳极或入射光从阴极反射到阳极之后都会造成阳极光电子发射,UAK为负值时,阳极发射的电子向阴极迁移构成了阳极反向电流。暗电流和本底电流是热激发产生的光电流与杂散光照射光电管产生的光电流,可以在光电管制作,或测量过程中采取适当措施以减小它们的影响。而极间接触电位差与入射光频率无关,只影响Uo的准确性,不影响Uo-ν直线斜率,对测定h无大影响由于本实验仪器的电流放大器灵敏度高,稳定性好;光电管阳极反向电流,暗电流水平也较低。在测量各谱线的截止电压Uo时,可采用零电流法,即直接将各谱线照射下测得的电流为零时对应的电压UAK 的绝对值作为截止电压Uo。此法的前提是阳极反向电流、暗电流和本底电流都很小,用零电流法测得的截止电压与真实值相差较小。且极间接触电位差使各谱线的截止电压都相差ΔU对Uo-ν曲线的斜率无大的影响,因此对h的测量不会产生大的影响。【实验内容及步骤】测试前准备将实验仪及汞灯电源接通(汞灯及光电管暗箱遮光盖盖上),预热20分钟。调整光电管与汞灯距离为约40cm并保持不变用专用连接线将光电管暗箱电压输入端与实验仪电压输出端(后面板上)连接起来(红一红,兰一兰)。将“电流量程”选择开关置于所选档位,进行测试前调零。实验仪在开机或改变电流量程后,都会自动进入调零状态。调零时应将光电管暗箱电流输岀端K与实验仪微电流输入端(后面板上)断开,旋转“调零” 旋钮使电流指示为0000。调节好后,用高频匹配电缆将电流输入连接起来,按“调零确认/系统清零”键, 系统进入测试状态。若要动态显示采集曲线,需将实验仪的“信号输出”端口接至示波器的“Y”输入端,“同步输出”端口接至示波器的“外触发”输入端。示波器“触发源”开关拨至“外”,“Y衰减”旋钮拨至约“IV格”, “扫描时间”旋钮拨至约“20μs格”。此时示波器将用轮流扫描的方式显示5个存储区中存储的曲线,横轴代表电压UAK,纵轴代表电流I。 2.测普朗克常数h 测量截止电压时,“伏安特性测试/截止电压测试”状态键应为截止电压测试状态,“电流量程”开关应处于1013A档 (1)手动测量使“手动/自动”模式键处于手动模式。将直径4mm的光阑及3650nm的滤色片装在光电管暗箱光输入口上,打开汞灯遮光盖。此时电压表显示UA的值,单位为伏;电流表显示与UAx对应的电流值I,单位为所选择的“电流量程”。用电压调节键→、←、↑、↓可调节UAκ的值,→、←键用于选择调节位数↑、↓键用于调节值的大小。从低到高调节电压(绝对值减小),观察电流值的变化,寻找电流刚好为零时对应的UAK,以其绝对值作为该波长对应的Uo的值,并将数据记于表一中。为尽快找到Uo的值,调节时应从高位到低位,先确定高位的值,再顺次往低位调节依次换上404.7mm,435.8m,546.lnm,577.0nm的滤色片,重复以上测量步骤 (2)自动测量按“手动/自动”模式键切换到自动模式。此时电流表左边的指示灯闪烁,表示系统处于自动测量扫描范围设置状态,用电压调节键可设置扫描起始和终止电压对各条谱线,我们建议扫描范围大致设置为:365nm,-1.90~-1.50V:405nm,-1.60~-1.20V:436nm 1.35~-0.95V;546nm,-0.80~-0.40V:577nm,-065~-0.25V 实验仪设有5个数据存储区,每个存储区可存储500组数据,并有指示灯表示其状态。灯亮表示该存储区已存有数据,灯不亮为空存储区,灯闪烁表示系统预选的或正在存储数据的存储区

- 3 - 光电管制作过程中阳极往往被污染，沾上少许阴极材料，入射光照射阳极或入射光从阴极反射到阳极之后都会造成阳极光电子发射，UAK 为负值时，阳极发射的电子向阴极迁移构成了阳极反向电流。暗电流和本底电流是热激发产生的光电流与杂散光照射光电管产生的光电流，可以在光电管制作，或测量过程中采取适当措施以减小它们的影响。而极间接触电位差与入射光频率无关，只影响 U0 的准确性，不影响 U0—ν 直线斜率，对测定 h 无大影响。由于本实验仪器的电流放大器灵敏度高，稳定性好；光电管阳极反向电流，暗电流水平也较低。在测量各谱线的截止电压 U0 时，可采用零电流法，即直接将各谱线照射下测得的电流为零时对应的电压 UAK 的绝对值作为截止电压 U0。此法的前提是阳极反向电流、暗电流和本底电流都很小，用零电流法测得的截止电压与真实值相差较小。且极间接触电位差使各谱线的截止电压都相差ΔU 对 U0-ν 曲线的斜率无大的影响，因此对 h 的测量不会产生大的影响。【实验内容及步骤】 1．测试前准备：将实验仪及汞灯电源接通(汞灯及光电管暗箱遮光盖盖上)，预热 20 分钟。调整光电管与汞灯距离为约 40cm 并保持不变。用专用连接线将光电管暗箱电压输入端与实验仪电压输出端(后面板上)连接起来(红—红，兰—兰)。将“电流量程”选择开关置于所选档位，进行测试前调零。实验仪在开机或改变电流量程后，都会自动进入调零状态。调零时应将光电管暗箱电流输出端 K 与实验仪微电流输入端 (后面板上)断开，旋转“调零” 旋钮使电流指示为 000.0。调节好后，用高频匹配电缆将电流输入连接起来，按“调零确认/系统清零”键，系统进入测试状态。若要动态显示采集曲线，需将实验仪的“信号输出”端口接至示波器的“Y”输入端，“同步输出”端口接至示波器的“外触发”输入端。示波器“触发源”开关拨至“外”，“Y 衰减”旋钮拨至约“1V/格”， “扫描时间”旋钮拨至约“20μs/格”。此时示波器将用轮流扫描的方式显示 5 个存储区中存储的曲线，横轴代表电压 UAK，纵轴代表电流 I。 2．测普朗克常数 h 测量截止电压时，“伏安特性测试／截止电压测试”状态键应为截止电压测试状态，“电流量程”开关应处于 10-13A 档。（1）手动测量使“手动／自动”模式键处于手动模式。将直径 4mm 的光阑及 365.0nm 的滤色片装在光电管暗箱光输入口上，打开汞灯遮光盖。此时电压表显示 UAx 的值，单位为伏；电流表显示与 UAx 对应的电流值 I，单位为所选择的“电流量程”。用电压调节键→、←、↑、↓可调节 UAK 的值，→、←键用于选择调节位数↑、↓键用于调节值的大小。从低到高调节电压(绝对值减小)，观察电流值的变化，寻找电流刚好为零时对应的 UAK，以其绝对值作为该波长对应的 U0 的值，并将数据记于表一中。为尽快找到 U0 的值，调节时应从高位到低位，先确定高位的值，再顺次往低位调节。依次换上 404.7 nm，435.8 nm，546.1nm，577.0 nm 的滤色片，重复以上测量步骤。（2）自动测量按“手动／自动”模式键切换到自动模式。此时电流表左边的指示灯闪烁，表示系统处于自动测量扫描范围设置状态，用电压调节键可设置扫描起始和终止电压。对各条谱线，我们建议扫描范围大致设置为：365nm，-1.90～-1.50V；405nm，-1.60～-1.20V；436nm， 1.35～-0.95V；546nm，-0.80～-0.40V；577nm，-0.65～-0.25V。实验仪设有 5 个数据存储区，每个存储区可存储 500 组数据，并有指示灯表示其状态。灯亮表示该存储区已存有数据，灯不亮为空存储区，灯闪烁表示系统预选的或正在存储数据的存储区。

设置好扫描起始和终止电压后,按动相应的存储区按键,仪器将先清除存储区原有数据,等待约30 秒,然后按4mⅤ的步长自动扫描,并显示、存储相应的电压、电流值扫描完成后,仪器自动进入数据査询状态,此时查询指示灯亮,显示区显示扫描起始电压和相应的电流值。用电压调节键改变电压值,就可查阅到在测试过程中,扫描电压为当前显示值时相应的电流值。读取电流为零时对应的UAK,以其绝对值作为该波长对应的U0的值,并将数据记于表一中按“查询”键,查询指示灯灭,系统回复到扫描范围设置状态,可进行下一次测量。在自动测量过程中或测量完成后,按“手动/自动”键,系统回复到手动测量模式,模式转换前工作的存储区内的数据将被清除。若仪器与示波器连接,则可观察到UAK为负值时各谱线在选定的扫描范围内的伏安特性曲线。表一 Uo-V关系光阑孔Φ=mm 波长λ;(nm) 3650 404.7 435.8 546.1 577.0 频率w(×1014Hz 8.214 7408 6.879 5.490 5.196 手动截止电压U百动由表一的实验数据,得出Uo-V直线的斜率k,即可用h=ek求出普朗克常数,并与h的公认值ho比较求出相对误差E=(h-ho)/h·100%,式中e=1.602×1019C,h0=6626×103·S 3.测光电管的伏安特性曲线测量时,“伏安特性测试/截止电压测试”状态键应为伏安特性测试状态。“电流量程”开关应拨至10-1°A 档,并重新调零将直径4mm的光阑及所选谱线的滤色片装在光电管暗箱光输入口上。测伏安特性曲线可选用“手动/自动”两种模式之一,测量的最大范围为-1~50V,自动测量时步长为 IV,仪器功能及使用方法如前所述 (1)可同时观察5条谱线在同一光阑、同一距离下伏安饱和特性曲线记录所测UAK及I的数据到表二中,在座标纸上作对应于以上波长及光强的伏安特.性曲线。表二、IUAK关系 UAK (V) UAK(V) I(×10-10A) (2)*可同时观察某条谱线在不同距离(即不同光强)、同一光阑下的伏安饱和特性曲线。在UAK为50ⅴ时,将仪器设置为手动模式,测量并记录对同一谱线、同一入射距离,光阑分别为2mm、 4mm、8mm时对应的电流值于表三中,验证光电管的饱和光电流与入射光强成正比。表三、IP关系 nm nm 光阑孔Φ I(×1010A) (3)可同时观察某条谱线在不同光阑(即不同光通量)、同一距离下的伏安饱和特性曲线。由此可验证光电管饱和光电流与入射光成正也可在U为50V时,将仪器设置为手动模式,测量并记录对同一谱线,同一光阑时,光电管与入射光

- 4 - 设置好扫描起始和终止电压后，按动相应的存储区按键，仪器将先清除存储区原有数据，等待约 30 秒，然后按 4mV 的步长自动扫描，并显示、存储相应的电压、电流值。扫描完成后，仪器自动进入数据查询状态，此时查询指示灯亮，显示区显示扫描起始电压和相应的电流值。用电压调节键改变电压值，就可查阅到在测试过程中，扫描电压为当前显示值时相应的电流值。读取电流为零时对应的 UAK，以其绝对值作为该波长对应的 U0 的值，并将数据记于表一中。按“查询”键，查询指示灯灭，系统回复到扫描范围设置状态，可进行下一次测量。在自动测量过程中或测量完成后，按“手动/自动”键，系统回复到手动测量模式，模式转换前工作的存储区内的数据将被清除。若仪器与示波器连接，则可观察到 UAK 为负值时各谱线在选定的扫描范围内的伏安特性曲线。表一、 U0— 关系光阑孔Φ= mm 由表一的实验数据，得出 U0—V 直线的斜率 k，即可用 h=e k 求出普朗克常数，并与 h 的公认值 h0 比较求出相对误差 E=(h-h0)/h0·100% ，式中 e=1.602×10-19C，h0=6.626×10-34J·S。 3．测光电管的伏安特性曲线测量时，“伏安特性测试／截止电压测试”状态键应为伏安特性测试状态。“电流量程”开关应拨至 10-10A 档，并重新调零。将直径 4mm 的光阑及所选谱线的滤色片装在光电管暗箱光输入口上。测伏安特性曲线可选用“手动／自动”两种模式之一，测量的最大范围为-1～50V，自动测量时步长为 1V，仪器功能及使用方法如前所述。（1）可同时观察 5 条谱线在同一光阑、同一距离下伏安饱和特性曲线。记录所测 UAK 及 I 的数据到表二中，在座标纸上作对应于以上波长及光强的伏安特．性曲线。表二、 I—UAK 关系（2）*可同时观察某条谱线在不同距离(即不同光强)、同一光阑下的伏安饱和特性曲线。在 UAK 为 50V 时，将仪器设置为手动模式，测量并记录对同一谱线、同一入射距离，光阑分别为 2mm、 4mm、8mm 时对应的电流值于表三中，验证光电管的饱和光电流与入射光强成正比。表三、IM—P 关系 UAK： V λ= nm Φ= nm （3）可同时观察某条谱线在不同光阑(即不同光通量)、同一距离下的伏安饱和特性曲线。由此可验证光电管饱和光电流与入射光成正比。也可在 U 为 50V 时，将仪器设置为手动模式，测量并记录对同一谱线，同一光阑时，光电管与入射光波长λi (nm) 365.0 404.7 435.8 546.1 577.0 频率 νi (×1014Hz) 8.214 7.408 6.879 5.490 5.196 截止电压 U0i(V) 手动自动 UAK (V) I(×10-10A) UAK(V) I(×10-10A) 光阑孔Φ I (×10-10A)