第36卷第4期 光学仪器 Vol. 36. No. 4 2014年8月 OPTICAL INSTRUMENTS August,2014 文章编号:1005-5630(2014)04-0356-03 一种采用LED光源的光电效应测 普朗克常数实验装置 田凯,王照平,蔡晓艳 (黄河科技学院信息工程学院,河南郑州45000 摘要:针对目前利用光电效应测定普朗克常数的实验装置的不足,提出一种采用LED光源的实 验装置。该装置采用谐振腔发光二极管(RCLED)作为单色光源,该光源单色性好,波长稳定,寿 命长,驱动简单,不需预热,采用脉冲宽度调制(PWM)方式调节亮度准确方便,从而可以方便准 确地验证光电效应实验规律及测定普朗克常数测试结果表明:本实验装置测得数据比目前实 验室采用高压汞灯作为光源的实验装置测得数据更准确。 关键词:LED光源;光电效应;实验装置 中图分类号:G420;N33文献标志码:Adoi:10.3969 9/ issn005-5630.2014.04.017 An experimental device adopting LED light source for measuring the Planck constant based on the photoelectric effect TIAN Kai, WANG Zhaoping, CAI Xiaoyan (Department of Information Engineering, Huanghe Science and Technology College. Zhengzhou 450000. China) Abstract: An experimental device adopting LED light source for measuring the Planck constant based on photoelectric effect has been proposed to improve the defect of the present device. The device adopts the resonant cavity light emitting diode (RCLED) as a monochromatic light source, because the performance of the monochromat light source is good and the stability of wavelength is high. The LED light source needs not preheating and has a long service life. The brightness can be adjusted by the pulse width modulation(PWM) method accurately. Therefore, the experimental laws of the photoelectric effect can be verified and the Planck constant can be measured conveniently and accurately. The test results show that the proposed device get more accurate data than those using high pressure mer commonly used in present laboratory do. Key words: LED light source; photoelectric effect; experimental device 引言 光电效应是指在一定频率的光照射下,电子从金属表面逸出的现象,这种电子称为光电子。光电效 应的发现对光的本性即波粒二象性的认识,具有极为重要的意义,它给量子论以直观、明确的论证。普朗 收稿日期:20140221验 基金项目:郑州市重点建设实验室(电子信息技术实验室)郑高201310号) 作者简介:田凯(1981-),男讲师硕士主要从事光电技术方面的研究mail: tiankai2tinkai2006126.com
第!"卷 第#期 $%&#年'月 光 学 仪 器 ()*+,-.+/0*1234/*0 5678!"!/68# -9:9;="!%#$%&#$%#>%!=">%! 收稿日期!$%&#>%$>$& 基金项目!郑州市重点建设实验室#电子信息技术实验室$#郑教高'$%&!(&%?号$ 作者简介!田 凯#&?'&>$!男!讲师!硕士!主要从事光电技术方面的研究%4>@AB7"="!%8$%%#8%&X 5(%J>%2#;%(&*0!%A#'%*!">&#(+ZY$0#+)&,"-2'%."2;%*,-2#(+&)% G0*('M'"(,&*(&/*,%!"(&)%>)"&"%0%'&2#'%..%'& :-;#P/+!S;#$M&/0?+()!%;-=+/0A/( #YEQAJ<@ED<6I+DI6J@A<B6D4D:BDEEJBD:!U9AD:HE0CBEDCEADF*ECHD676:M,677E:E
第4期田凯等:一种采用LED光源的光电效应测普朗克常数实验装置 357 克常数是物理学中一个很重要的基本常数,它可以通过光电效应实验简单而有效地测出,所以光电效应 实验有助于学生学习和理解量子理论。而且随着科学技术的发展,光电效应已经广泛应用于工农业生 产、国防等许多领域口2。因此,验证光电效应实验规律及利用光电效应测定普朗克常数的实验就成为大 学物理实验中一个非常经典的实验项目。 1测量原理及设计思路 目前大学物理实验中验证光电效应规律及利用光电效应测定普朗克常数的实验一般都是以频率为y 的单色光入射到光电管阴极上,则光电子从阴极逸出,在回路中形成光电流,通过改变光电管阳极A和阴 极K之间的电压UA,测量回路中形成的光电流ⅠA大小,进一步确定遏止电压或截止电压U,。实验时 测出不同频率ν单色光入射时对应的遏止电压U,通过作图法做出Uy关系曲线,应为一条直线,直线的 斜率k=。也可以通过最小二乘法利用公式k=2二C求出该斜率k,利用公式 U,-·U 求出相关系数r。从而可以得到普朗克常数h=ke,其中e=1.602×10-1C, √(2-2),(2-) 并可与普朗克常数h的公认值6.626×10-3J·s比较,求出相对误差a。 目前大学物理实验中,验证光电效应实验规律及利用光电效应测定普朗克常数的实验多采用高压汞 灯作为光源,通过滤色片获得五种不同波长即365mm、405nm、436mm、546mm、577m的单色光,通过 改变光源与光电管之间的距离或者改变光电管前端光阑孔径的大小来改变入射到光电管上光的强度,从 而定性地验证光电效应实验规律,进而根据单色光频率与遏止电压之间的关系得到普朗克常数。 但是目前采用高压汞灯作为光源的实验装置存在以下不足: (1)高压汞灯的驱动电源比较复杂,稳定性要求也比较高,容易损坏。而且必须预热20min以上才能 正常工作,一旦关闭不能立即点亮,否则灯管非常容易烧坏 (2)高压汞灯亮度不易调节,通过改变光源与光电管之间的距离或者改变光电管前端光阑孔径的大 小来改变入射到光电管上光的强度,只能定性地而无法定量地验证光电效应与强度相关的实验规律 实验过程中要不断更换滤色片,一不小心就会将滤色片摔坏 (4)采用滤色片获得的单色光单色性并不好,并且只有五种波长分离的单色光,一方面不能验证并测 出光电效应存在的频率阈值,另一方面测定普朗克常数时,数据比较少,影响测量精度,而且学生测得的 数据容易雷同。 近年来,人们对验证光电效应实验规律及利用光电效应测定普朗克常数的实验进行了深入研究,有 对实验及方法进行改进的,有对光阑、滤色片及光源非单色性对实验的影响进行分析的。特别是针 对光源的问题,有人对单色LED峰值波长和辐射强度的稳定性进行了研究,论证了单色LED作为新型单 色光谱光源的可行性③。也有人对一种新型发光二极管 RCLED(谐振腔发光二极管)作为单色光源在物 理实验中应用的可行性进行了研究。也有人将高压汞灯光源换成LED对普朗克常数测定仪进行了改 进0。为了克服现有实验装置的上述不足,本文提出一种采用LED光源的光电效应测普朗克常数实验 装置。该装置采用 RCLED作为单色光源该光源单色性好,波长稳定,寿命长,驱动简单,不需预热,采用 PwM方式调节亮度准确方便 2装置结构图 实验装置结构示意图如图1所示,在一个遮光箱体内设置八只不同波长的LED单色光源,LED光源 发出的光均可耦合到导光纤维中,导光纤维出口处设置扩束透镜及准直透镜,后面设置光电管。光源通 过接口与电源控制器相连,LED光源由恒流源驱动,通过恒流源电流调节旋钮可以调节电流大小,并可在 电流显示屏上显示出来,光源的亮度可以通过PWM调光控制调节旋钮来调节。电源控制器上设置八个
第#期 田 凯!等"一种采用.4Y光源的光电效应测普朗克常数实验装置 克常数是物理学中一个很重要的基本常数!它可以通过光电效应实验简单而有效地测出!所以光电效应 实验有助于学生学习和理解量子理论%而且随着科学技术的发展!光电效应已经广泛应用于工农业生 产)国防等许多领域'&>$(%因此!验证光电效应实验规律及利用光电效应测定普朗克常数的实验就成为大 学物理实验中一个非常经典的实验项目% 7 测量原理及设计思路 目前大学物理实验中验证光电效应规律及利用光电效应测定普朗克常数的实验一般都是以频率为1 的单色光入射到光电管阴极上!则光电子从阴极逸出!在回路中形成光电流!通过改变光电管阳极; 和阴 极P 之间的电压C;P!测量回路中形成的光电流-;P大小!进一步确定遏止电压或截止电压C8%实验时! 测出不同频率1单色光入射时对应的遏止电压C8!通过作图法做出C8`1关系曲线!应为一条直线!直线的 斜率 [e & '%也 可 以 通 过 最 小 二 乘 法 利 用 公 式 [e1*C8h1 .*C8 1$h1 .$ 求 出 该 斜 率 [!利 用 公 式 5e 1*C8h1 .*C8 #1$h1 .$$*#C8 $hC .$ 槡 8$ 求出相关系数5%从而可以得到普朗克常数&e['!其中'e&8"%$i&%h&?,! 并可与普朗克常数&的公认值"8"$"i&%h!#`*;比较!求出相对误差$% 目前大学物理实验中!验证光电效应实验规律及利用光电效应测定普朗克常数的实验多采用高压汞 灯作为光源!通过滤色片获得五种不同波长即!"=D@)#%=D@)#!"D@)=#"D@)=XXD@ 的单色光!通过 改变光源与光电管之间的距离或者改变光电管前端光阑孔径的大小来改变入射到光电管上光的强度!从 而定性地验证光电效应实验规律!进而根据单色光频率与遏止电压之间的关系得到普朗克常数% 但是目前采用高压汞灯作为光源的实验装置存在以下不足" #&$高压汞灯的驱动电源比较复杂!稳定性要求也比较高!容易损坏%而且必须预热$%@BD以上才能 正常工作!一旦关闭不能立即点亮!否则灯管非常容易烧坏% #$$高压汞灯亮度不易调节!通过改变光源与光电管之间的距离或者改变光电管前端光阑孔径的大 小来改变入射到光电管上光的强度!只能定性地而无法定量地验证光电效应与强度相关的实验规律% #!$实验过程中要不断更换滤色片!一不小心就会将滤色片摔坏% ##$采用滤色片获得的单色光单色性并不好!并且只有五种波长分离的单色光!一方面不能验证并测 出光电效应存在的频率阈值!另一方面测定普朗克常数时!数据比较少!影响测量精度!而且学生测得的 数据容易雷同% 近年来!人们对验证光电效应实验规律及利用光电效应测定普朗克常数的实验进行了深入研究!有 对实验及方法进行改进的'!>#(!有对光阑)滤色片及光源非单色性对实验的影响进行分析的'=>X(%特别是针 对光源的问题!有人对单色.4Y峰值波长和辐射强度的稳定性进行了研究!论证了单色.4Y作为新型单 色光谱光源的可行性''(%也有人对一种新型发光二极管1,.4Y#谐振腔发光二极管$作为单色光源在物 理实验中应用的可行性进行了研究'?(%也有人将高压汞灯光源换成.4Y对普朗克常数测定仪进行了改 进'&%(%为了克服现有实验装置的上述不足!本文提出一种采用.4Y光源的光电效应测普朗克常数实验 装置%该装置采用1,.4Y作为单色光源!该光源单色性好!波长稳定!寿命长!驱动简单!不需预热!采用 )N3 方式调节亮度准确方便% < 装置结构图 实验装置结构示意图如图&所示!在一个遮光箱体内设置八只不同波长的.4Y单色光源!.4Y光源 发出的光均可耦合到导光纤维中!导光纤维出口处设置扩束透镜及准直透镜!后面设置光电管%光源通 过接口与电源控制器相连!.4Y光源由恒流源驱动!通过恒流源电流调节旋钮可以调节电流大小!并可在 电流显示屏上显示出来!光源的亮度可以通过)N3 调光控制调节旋钮来调节%电源控制器上设置八个 *!=X*
358 光学仪器 第36卷 开关控制按键,分别控制八只不同波长LED单色光源的开关。可调电压源通过接口与光电管并联,通过 调节旋钮可以调节光电管两端的电压大小,并可通过显示屏显示。微电流测量放大器通过接口与光电管 串联,用来测量其中的电流,并可通过电流显示屏显示。 3具体实验操作过程及测试结果 LED光源导光纤维扩束透镜准直透镜光电管 3.1具体实验操作过程 !99 (1)通过电源控制器上的光源开关控制按键 点亮一只LED单色光源,通过恒流源电流调节 旋钮调节恒流源输出合适的电流,通过LED光 源PWM调光控制调节旋钮使入射光亮度合适 (2)调节扩束透镜及准直透镜使导光纤维输 电流显示屏 节旋钮 出的单色光成为平行光,照射到光电管上。 (3)通过可调电压源电压调节旋钮调节光电 B· 管两端的电压大小,通过微电流测量放大器测出 VVVVVVVY 光电管中对应的电流。 (4)测绘出该单色光照射下光电管的V曲 线,通过“拐点法”或“零点法”确定光电管的遏止 图1实验装置结构示意图 电压U,。 Fig. 1 Experimental apparatus structure diagran (5)同样可测出其他七只不同波长的LED单色光源照射下光电管的V曲线,确定光电管对应的遏 止电压。 (6)根据测得的八种不同波长单色光的频率与遏止电压,通过作图法或最小二乘法求出普朗克常 数h。 3.2测试结果分析 为了验证本文改进后的实验装置的可行性,对其进行了实际测试。首先,选取八只不同波长的LED 单色光源,经测定其波长分别为A1(392nm)、A2(430mm)、A3(473mm)、A4(525mm)、5(571nm) A6(608nm)、A7(660nm)及λ8(704m)。利用本文提出的方法组装五组不同的实验装置,通过“零点法” 确定光电管的遏止电压U,最后通过最小二乘法利用公式求出普朗克常数h。共测了五组实验数据,如 表1所示。作为对比,利用目前实验室常用的实验装置,即采用高压汞灯作为光源,通过滤色片获得五种 不同波长即1(365mm)、2(405mm)、k3(436mm)、A(546mm)、k3(577mm)的单色光分别作为单色光源, 同样用五组不同的实验装置测了五组实验数据,如表2所示。表中,r为利用最小二乘法计算时对应的线 性相关系数,σ为相对误差。对比表1和表2的数据,不难看出本文改进后的实验装置比目前常用的采用 高压汞灯作为光源的实验装置测的数据更准确,说明本文提出的实验装置是可行的 表1本文提出的采用LED作为光源的实验装置测得的数据 Tab. 1 The experimental data measured by the device adopting leD 装置名称 h/(10-34J·s) 装置11.581.331.040.710.590.410.290.14 0.998 装置21.661.391.170.830.670.480.360.31 装置31.721.541.180.880.730.570.470.32 6.98 5.34 装置41.841.601.301.040.910.710.580.38 装置51.921.641.381.130.930.790.680.43 6.74 (下转第363页)
光 学 仪 器 第!"卷 开关控制按键!分别控制八只不同波长.4Y单色光源的开关%可调电压源通过接口与光电管并联!通过 调节旋钮可以调节光电管两端的电压大小!并可通过显示屏显示%微电流测量放大器通过接口与光电管 串联!用来测量其中的电流!并可通过电流显示屏显示% 图7 实验装置结构示意图 9#+87 YJ>%2#;%(&*0*>>*2*&-,,&2-'&-2%!#*+2*; ? 具体实验操作过程及测试结果 ?87 具体实验操作过程 #&$通过电源控制器上的光源开关控制按键 点亮一只.4Y单色光源!通过恒流源电流调节 旋钮调节恒流源输出合适的电流!通过 .4Y光 源)N3 调光控制调节旋钮使入射光亮度合适% #$$调节扩束透镜及准直透镜使导光纤维输 出的单色光成为平行光!照射到光电管上% #!$通过可调电压源电压调节旋钮调节光电 管两端的电压大小!通过微电流测量放大器测出 光电管中对应的电流% ##$测绘出该单色光照射下光电管的-`\ 曲 线!通过1拐点法2或1零点法2确定光电管的遏止 电压C8% #=$同样可测出其他七只不同波长的.4Y单色光源照射下光电管的-`\ 曲线!确定光电管对应的遏 止电压% #"$根据测得的八种不同波长单色光的频率与遏止电压!通过作图法或最小二乘法求出普朗克常 数&% ?8%2#;%(&*0!*&*;%*,-2%!/4&)%!%A#'%*!">&#(+ZY$ 装置名称 C8+5 #& #$ #! ## #= #" #X #' &+#&%h!#`*;$ 5 $+\ 装置& &8=' &8!! &8%# %8X& %8=? %8#& %8$? %8&# "8'# %8??' !8$! 装置$ &8"" &8!? &8&X %8'! %8"X %8#' %8!" %8!& "8"" %8??X %8=" 装置! &8X$ &8=# &8&' %8'' %8X! %8=X %8#X %8!$ "8?' %8??& =8!# 装置# &8'# &8"% &8!% &8%# %8?& %8X& %8=' %8!' "8X= %8??' &8'X 装置= &8?$ &8"# &8!' &8&! %8?! %8X? %8"' %8#! "8X# %8??X &8X" #下转第?N?页$ *!='*
第4期 岳帅鹏,等:氮气反应溅射制备Co/Sb多层膜研究 363 Solid films,2006,500(1/2):84-95 [10] GUEN K L HUM M H. ANDREJ M ef al. Introduction of Zr in Mg/Co nanometric periodic multilayers [J]. Appl Phys A2011 [Il] GHAFOOR N ERIKSSON F, GULLIKSON E, et al. Incorporation of nitrogen in Cr/Sc multilayers giving improved soft x-ray flectivityUJ]. Applied Physics Letters,2008,92:091913. [12] BELLOTTI J A, WINDT D L. Depthrgraded Co/C multilayers prepared by reactive sputtering[J]. SPIE, 2009, 7437: 743715-1 [13] HENKE B L GULLIKSON E M, DAVIS J C. X-ray interactions: photon absorption, scattering, transmission, and reflection at E=50-30000eV, z=1-920J] Atomic Data and Nuclear Data Tables, 1993,54(2):181-342. [14] WINDT D L IMD: Software for modeling the optical properties of multilayer films[J]. Cornput Phys, 1998,12: 360-370. [15]王风丽,王占山,张众,等.W/B1C、W/C、W/S多层膜的研究[.光学精密工程,2005,13(1):28-33. 上接第358页) 表2采用高压汞灯作为光源的实验装置测得的数据 Tab. 2 The experimental data measured by the device adopting the high pressure mercury lamp 装置名称 h/(10-3J·s) 装置1 装置3 l.44 0.55 0.976 装置4 0.28 装置5 0.76 结论 本文提出一种采用LED光源的光电效应测普朗克常数实验装置,该实验装置采用 RCLED作为单色 光源,光源单色性好并且波长稳定,有利于提高实验精度,LED光源寿命长,驱动简单,实验时不需预热, 可以随时点亮或关闭,并且亮度调节方便,从而可以方便准确地验证光电效应实验规律及测定普朗克 常数。 参考文献: [1]吴鹏杨立功叶辉,等新型有机光电功能薄膜的电致发光研究[光学仪器,2004,26(2):161-163. [2]张丽.光电效应与光伏效应的区别与联系[冂].物理通报 [3]侯春隋成华徐来定,等.光电效应实验中的误差分析及消除方法[光学仪器,2002,24(4/5):66-69. [4]林晓珑,何春凤冯毅,等.光电效应物理演示实验仪器的研究与设计[门].物理实验,2011,31(12):8-10. [5]封丽.光阑对普朗克常量测定影响的分析[.渤海大学学报,2012,33(2):130-132. 6]郝联捷.光电效应实验用超窄带通滤光片的设计门]长治学院学报,2010,27(2):29-31 [7]黄曙江.光源的非单色性对光电效应的影响[]物理通报,2008(1):46-47. 8]吕正,吕亮,计忠瑛单色LED峰值波长和辐射强度的稳定性[J].中国照明电器,2004(12):1-4 [9]张明轩,屈双惠,吴淑花,等. RCLED单色光源在物理实验中应用的可行性研究[门.中国照明电器,2010(7):8-10 [10]赵加强,肖梅朱坤占.光电效应法之普朗克常数测定仪的改进[J].潍坊学院学报,2012,12(6):35-37
第#期 岳帅鹏!等"氮气反应溅射制备,6+0O多层膜研究 !0*+2G+*V8!$%%"!=%%#&+$$"'#>?=8 '&%( ]24/a.!U23 3 U!-/Y1q`3!'7/*8+DXX8 '&&( ]U-K((1/!41+a00(/K!]2..+a0(/ 4!'7/*8+DC6JQ6JAJAM JEI7EC:JAFEF,6+,@97&8 '&!( U4/a4W.!]2..+a0(/ 4 3!Y-5+0`,8^>JAMBD!#$8 '&#( N+/Y*Y.8+3Y"06I!X%8 '&=( 王风丽!王占山!张 众!等8N+W#,)N+,)N+0B多层膜的研究'`(8光学精密工程!$%%=!&!#&$" 222222222222222222222222222222222222222222222 $'>!!8 #上接第?CQ页$ 表%2#;%(&*0!*&*;%*,-2%!/4&)%!%A#'%*!">&#(+&)%)#+)>2%,,-2%;%2'-240*;> 装置名称 C8+5 #B& #B$ #B! #B# #B= &+#&%h!#`*;$ 5 $+\ 装置& &8X$ &8$X &8&& %8=' %8=% "8$? %8??= #8?' 装置$ &8'' &8!# &8$% %8"& %8=$ "8?# %8??$ #8'% 装置! &8"% &8## %8?X %8"# %8== =8X! %8?X" &!8"% 装置# &8=$ &8%! %8?= %8!' %8$' "8!$ %8??$ #8"? 装置= &8?& &8"% &8!' %8X" %8=? "8XX %8??? $8$# B 结 论 本文提出一种采用.4Y光源的光电效应测普朗克常数实验装置!该实验装置采用1,.4Y作为单色 光源!光源单色性好并且波长稳定!有利于提高实验精度!.4Y光源寿命长!驱动简单!实验时不需预热! 可以随时点亮或关闭!并且亮度调节方便!从而可以方便准确地验证光电效应实验规律及测定普朗克 常数% 参考文献! '&( 吴 鹏!杨立功!叶 辉!等8新型有机光电功能薄膜的电致发光研究'`(8光学仪器!$%%#!$"#$$"&"&>&"!8 '$( 张 丽8光电效应与光伏效应的区别与联系'`(8物理通报!$%&$#&%$"&$&>&$$8 '!( 侯 春!隋成华!徐来定!等8光电效应实验中的误差分析及消除方法'`(8光学仪器!$%%$!$###+=$""">"?8 '#( 林晓珑!何春凤!冯 毅!等8光电效应物理演示实验仪器的研究与设计'`(8物理实验!$%&&!!&#&$$"'>&%8 '=( 封 丽8光阑对普朗克常量测定影响的分析'`(8渤海大学学报!$%&$!!!#$$"&!%>&!$8 '"( 郝联捷8光电效应实验用超窄带通滤光片的设计'`(8长治学院学报!$%&%!$X#$$"$?>!&8 'X( 黄曙江8光源的非单色性对光电效应的影响'`(8物理通报!$%%'#&$"#">#X8 ''( 吕 正!吕 亮!计忠瑛8单色.4Y峰值波长和辐射强度的稳定性'`(8中国照明电器!$%%##&$$"&>#8 '?( 张明轩!屈双惠!吴淑花!等81,.4Y单色光源在物理实验中应用的可行性研究'`(8中国照明电器!$%&%#X$"'>&%8 '&%( 赵加强!肖 梅!朱坤占8光电效应法之普朗克常数测定仪的改进'`(8潍坊学院学报!$%&$!&$#"$"!=>!X8 *!"!*