近代物理实验一—一物理实验教学中心 实验19光电效应实验 引言 光电效应(photoelectriceffect)是指当物质在一定频率的光的照射下，释放出光电子的现象。 光电效应由德国物理学家赫兹于1887年发现，对发展量子理论及波粒二象性起了根本性的作用。菲 利普莱纳德用实验发现了光电效应的重要规律。爱因斯坦则于1905年在普朗克量子假设的基础上 圆满地解释了光电效应，约十年后密立根以精确的光电效应实验证实了爱因斯坦的光电效应方程， 并测定了普朗克常数。光电效应作为信号转换的一种重要方式，已制成光电管、光电池、光电倍增 管等器件，广泛地应用在工农业生产、科教文卫和国防建设众多领域中。举个简单例子，全球定位 系统，对海洋资源、陆地资源定位，还有每晚中央气象台云图的变化使用的最基本的元素就是一个 非常灵敏的光电探测器。 实验目的 1.了解光电效应的基本规律 2.测量光电管的伏安特性曲线： 2.验证爱因斯坦方程，并测定普朗克常数。 实验原理 1,光电效应的实验规律 金属在光的照射下释放出电子的现象叫做光电效应。 根据爱因斯坦的“光量子概念”，每一个电子具有能量E=加，当光照射到金属上时，其能 量被电子吸收，一部分消耗于电子的逸出功W,另一部分转换为电子逸出金属表面后的动能。由 能量守恒定律可得： m=加- (1) (称为爱因斯坦光电方程) 光电方程圆满解释了光电效应基本实验事实： 1)仅当光频高于某一阀值时，才能从金属表面打出光电子： 2)单个光电子的动能随光频提高而增大，与入射光强无关： 3)单位时间内产生光电子的数目仅与入射光强有关，与光频无关： 4)光电效应是瞬时完成的，电子吸收光能几乎不需要积累时间。 在理想光电管中，令光电子在反向电场中前进，当剩余的动能刚好被耗尽时，电子所经历的 电势差Uw叫做遏止电势差，显然cUv=与m,代入(1)式可得 V. (2)
近代物理实验 —— 物理实验教学中心 实验 19 光电效应实验 引 言 光电效应 （photoelectric effect）是指当物质在一定频率的光的照射下，释放出光电子的现象。 光电效应由德国物理学家赫兹于1887 年发现，对发展量子理论及波粒二象性起了根本性的作用。菲 利普·莱纳德用实验发现了光电效应的重要规律。爱因斯坦则于 1905 年在普朗克量子假设的基础上 圆满地解释了光电效应，约十年后密立根以精确的光电效应实验证实了爱因斯坦的光电效应方程， 并测定了普朗克常数。光电效应作为信号转换的一种重要方式，已制成光电管、光电池、光电倍增 管等器件，广泛地应用在工农业生产、科教文卫和国防建设众多领域中。举个简单例子，全球定位 系统，对海洋资源、陆地资源定位，还有每晚中央气象台云图的变化使用的最基本的元素就是一个 非常灵敏的光电探测器。 实验目的 1．了解光电效应的基本规律； 2．测量光电管的伏安特性曲线； 2．验证爱因斯坦方程，并测定普朗克常数。 实验原理 1．光电效应的实验规律 金属在光的照射下释放出电子的现象叫做光电效应。 根据爱因斯坦的“光量子概念”，每一个电子具有能量 E h ，当光照射到金属上时，其能 量被电子吸收，一部分消耗于电子的逸出功 W，另一部分转换为电子逸出金属表面后的动能。由 能量守恒定律可得： 1 2 2 mv h W （1） （称为爱因斯坦光电方程） 光电方程圆满解释了光电效应基本实验事实： 1）仅当光频高于某一阈值时，才能从金属表面打出光电子； 2）单个光电子的动能随光频提高而增大，与入射光强无关； 3）单位时间内产生光电子的数目仅与入射光强有关，与光频无关； 4）光电效应是瞬时完成的，电子吸收光能几乎不需要积累时间。 在理想光电管中，令光电子在反向电场中前进，当剩余的动能刚好被耗尽时，电子所经历的 电势差 Uv 叫做遏止电势差，显然 2 2 1 eUv mv ，代入（1）式可得 h W U e e （2）
近代物理实验一物理实验教学中心 (2)式表明，谒止电势差Uw是入射光频V的一次函数，/e就是一次曲线的斜率。爱因斯 坦方程预见了实验测算普朗克常数的可行方案。除了求出h的量值以外，还可通过(2)式了解光 电管的特性。令'0，可得理想阴极的逸出电势等于曲线的纵轴截距，U0一We:令Uv=O,可得 理想阴极的截止频率等于曲线的横轴截距，V0-Wh。实际光电管的情况比较复杂，只能把两个截 距U0、V0看作整体光电管的宏观参量。 2.验证爱因斯坦方程，求普朗克常数 R 一Us 入阳电流 图1实验原理 图1是研究光电效应的简化电路。一束单色光照射真空光电管的阴极K,设光频V>V0,有 光电子产生且有剩余动能。只要外电路闭合，即使电源分压U0,光电子也能到达阳极A形成光 电流IA,IA的量值由μA表读出。 实验仪器 本实验使用PC一Ⅱ型普朗克常数测定仪，它包括下列4部分： 1.光源：GGQ一50wW高压汞灯，在320.3-872.0mm范围内有若干种单色光供选用 2.ZD-Ⅱ型介质膜干涉滤色片，分别可从汞灯中滤选365.0nm、404.7nm、435.8nm、546.1nm、 577.0nm的单色光。 3.GD-27型光电管：阳极为镍圈，阴极为银一氧一钾材料，光谱响应范围320.0-70.0nm, 峰值波长350士20m,通光窗口为无铅多硼硅玻璃。光电管安装在铝质暗盒中，只要改变汞灯到 暗盒的距离便可改变入射光的光强。不做实验时用遮光罩盖住暗盒光窗。 4.PC一Ⅱ型微电流测试仪，即图1中的μA表，表头在面板左边，量程倍率为100× (10-810-12)A,分5档转换，并有改变表头极性的换向按钮，测到A过零位置应及时换向：读 数时不要漏记了量程。μA表用同轴电缆连接光电管，由于灵敏度极高，实验中不要触碰同轴电缆， 以免接触不良或人体感应导致表针乱摆，尤其在10-7档随机误差更大。 实验内容和步骤 1冷本准各。检查导线连接是否正确。档位预置是否合理(“测量范围”游钮置干“短路”，“申 流表极性”置“0”)，电压调节旋钮逆时针旋到底，用遮光罩盖住暗盒光窗，令光源离开暗盒30一
近代物理实验 —— 物理实验教学中心 （2）式表明，遏止电势差 Uv 是入射光频 的一次函数，h/e 就是一次曲线的斜率。爱因斯 坦方程预见了实验测算普朗克常数的可行方案。除了求出 h 的量值以外，还可通过（2）式了解光 电管的特性。令 =0，可得理想阴极的逸出电势等于曲线的纵轴截距，U0=-W/e；令 Uv=0，可得 理想阴极的截止频率等于曲线的横轴截距， 0=W/h。实际光电管的情况比较复杂，只能把两个截 距 U0、 0 看作整体光电管的宏观参量。 2．验证爱因斯坦方程，求普朗克常数 图 1 实验原理 图 1 是研究光电效应的简化电路。一束单色光照射真空光电管的阴极 K，设光频 ＞ 0，有 光电子产生且有剩余动能。只要外电路闭合，即使电源分压 U=0，光电子也能到达阳极 A 形成光 电流 IA，IA 的量值由μA 表读出。 实验仪器 本实验使用 PC—Ⅱ型普朗克常数测定仪，它包括下列 4 部分： 1．光源：GGQ—50W 高压汞灯，在 320.3~872.0nm 范围内有若干种单色光供选用。 2．ZD-Ⅱ型介质膜干涉滤色片，分别可从汞灯中滤选 365.0nm、404.7 nm、435.8 nm、546.1 nm、 577.0 nm 的单色光。 3．GD-27 型光电管：阳极为镍圈，阴极为银—氧—钾材料，光谱响应范围 320.0~700.0 nm， 峰值波长 350±20 nm，通光窗口为无铅多硼硅玻璃。光电管安装在铝质暗盒中，只要改变汞灯到 暗盒的距离便可改变入射光的光强。不做实验时用遮光罩盖住暗盒光窗。 4．PC—Ⅱ型微电流测试仪，即图 1 中的μA 表，表头在面板左边，量程倍率为 100× （10-8~10-12）A，分 5 档转换，并有改变表头极性的换向按钮，测到 IA 过零位置应及时换向；读 数时不要漏记了量程。μA 表用同轴电缆连接光电管，由于灵敏度极高，实验中不要触碰同轴电缆， 以免接触不良或人体感应导致表针乱摆，尤其在 10-7 档随机误差更大。 实验内容和步骤 1.冷态准备。检查导线连接是否正确，档位预置是否合理（“测量范围”旋钮置于“短路”，“电 流表极性”置“0”），电压调节旋钮逆时针旋到底，用遮光罩盖住暗盒光窗，令光源离开暗盒 30—
近代物理实验一物理实验教学中心 40cm. 2.热态准备。开启微电流测试仪电源开关，预热20分钟左右，调整μA表的零点和满度：将 “测量范围”旋置“短路”档，电流表极性置于“+”档，调节“调零旋钮”使电流表为零：将“测 量范围”旋置“满度”档，电流表极性置于“+”档，调节“满度旋钮”使电流表为100：重复上 述过程几次，使之都达到要求。 3.观察暗电流。将“测量范围”旋置“1012”档，调节工作电压观察暗电流的变化情况。测 出-1.800V+1.800V间若干电压下相应的电流值。 4.浏览光电流。将“测量范围”旋置“10-11”档，除去暗盒遮光罩，换上365.0nm滤色片，用 汞灯照射。工作电压从-1.800V起调直到0V,浏览光电流变化情况。注意随时改变uA量程，使之 既有示值，又不超偏：当电流趋零时应及时触按换向按钮，以免表针倒偏。电流如果太大或太小， 则需调节汞灯距离，改变入射光强。 5,正式测量。将光源移至最远，将“测量范围”旋置“10-11”档，调节工作电压使μA表达到 100,继续调节工作电压使电流减小，记录相应的电流、电压数据。注意电流的符号开始为正，逐 渐趋零时要将电流极性按扭置于“”端，此后电流为负，应及时记载符号。 6更换单色光。测毕一种单色光后，要按照波长递增的顺序更换滤色片，重复步骤5，最大电 流都取1011安培。将数据记入如下表格 7.善后工作。测量完毕，请教师检查数据。将仪器调节钮复位，断电：用遮光罩盖住暗盒光窗： 经容许后离开实验室。 2(nm)U(V) -1.800 -1.750 365.0 I10A) 404.7 I(10A) 435.8 (10A) 546.1 I10A) 577.0110-"A) (nm) 365.0 404.7 435.8 546.1 577.0 y×10E 8.22 741 6.88 5.49 5.20 sl (v) 注意事项
近代物理实验 —— 物理实验教学中心 40cm。 2.热态准备。开启微电流测试仪电源开关，预热 20 分钟左右，调整μA 表的零点和满度：将 “测量范围” 旋置“短路”档，电流表极性置于“+”档，调节“调零旋钮”使电流表为零；将“测 量范围” 旋置“满度”档，电流表极性置于“+”档，调节“满度旋钮”使电流表为 100；重复上 述过程几次，使之都达到要求。 3.观察暗电流。将“测量范围” 旋置“10-12”档，调节工作电压观察暗电流的变化情况。测 出-1.800V~+1.800V 间若干电压下相应的电流值。 4.浏览光电流。将“测量范围”旋置“10-11”档，除去暗盒遮光罩，换上 365.0nm 滤色片，用 汞灯照射。工作电压从-1.800V 起调直到 0V，浏览光电流变化情况。注意随时改变μA 量程，使之 既有示值，又不超偏；当电流趋零时应及时触按换向按钮，以免表针倒偏。电流如果太大或太小， 则需调节汞灯距离，改变入射光强。 5.正式测量。将光源移至最远，将“测量范围”旋置“10-11”档，调节工作电压使μA 表达到 100，继续调节工作电压使电流减小，记录相应的电流、电压数据。注意电流的符号开始为正，逐 渐趋零时要将电流极性按扭置于“-”端，此后电流为负，应及时记载符号。 6.更换单色光。测毕一种单色光后，要按照波长递增的顺序更换滤色片，重复步骤 5，最大电 流都取 10-11 安培。将数据记入如下表格。 7.善后工作。测量完毕，请教师检查数据。将仪器调节钮复位，断电；用遮光罩盖住暗盒光窗； 经容许后离开实验室。 （nm） U(V) -1.800 -1.750 . 365.0 I(10-11A) 404.7 I(10-11A) 435.8 I(10-11A) 546.1 I(10-11A) 577.0 I(10-11A) （nm） 365.0 404.7 435.8 546.1 577.0 14 10 Hz 8.22 7.41 6.88 5.49 5.20 US （V） 注意事项
近代物理实验一物理实验教学中心 1,更换滤色片时注意避免污染，以免除不必要的折射光带来实验误差： 2,更换滤色片时先将光源出光孔遮住，而且做完实验后也要用遮光罩盖住光电管入光孔，避 免强光直接照射阴极而缩短光电管寿命： 3.光电管入光孔勿对者其他强光源，以减少杂散光干扰。 4.汞灯光源外壳加热后温度较高，试验过程中不要接触到光源外壳。 5.电压从大量程换为小量程要先调节旋钮使指针偏转到最小，以免损坏仪表。 思考题 1.实验测得的光电流特性曲线与理想的光电流特性曲线有何不同？为什么不同？ 2.为什么会出现反向光电流？如何减小反向光电流？ 3.你所测得的值是偏大还是偏小？试从实验现象中分析说明产生误差的原因， 4。做实验时，如政变光电管上的照度，对U曲线有何影响？ 5.光电管的阴极上涂有脱出功小的材料，而阳极上选择脱出功大的金属材料制造，为什么？
近代物理实验 —— 物理实验教学中心 1． 更换滤色片时注意避免污染，以免除不必要的折射光带来实验误差； ２．更换滤色片时先将光源出光孔遮住，而且做完实验后也要用遮光罩盖住光电管入光孔，避 免强光直接照射阴极而缩短光电管寿命； 3．光电管入光孔勿对着其他强光源，以减少杂散光干扰。 4．汞灯光源外壳加热后温度较高，试验过程中不要接触到光源外壳。 5．电压从大量程换为小量程要先调节旋钮使指针偏转到最小，以免损坏仪表。 思考题 1． 实验测得的光电流特性曲线与理想的光电流特性曲线有何不同？为什么不同？ 2． 为什么会出现反向光电流？如何减小反向光电流？ 3． 你所测得的 h 值是偏大还是偏小？试从实验现象中分析说明产生误差的原因。 4． 做实验时，如改变光电管上的照度，对 U-I 曲线有何影响？ 5． 光电管的阴极上涂有脱出功小的材料，而阳极上选择脱出功大的金属材料制造，为什么？