光电效应 【实验目的】 1、通过测试光电效应基本特性曲线,使学生进一步加深对光的粒子性的认识。 2、通过对五种不同频率的反向遏止电压U的测定,由Us-v直线图形,求出“红限” 频率 3、验证爱因斯坦光电方程,求普朗克常数h 【实验原理】 当一定频率的光照射到某些金属表面上时,可以使电子从金属表面逸出,这种现象称 为光电效应,所产生的电子称为光电子。 光电效应的基本规律如下:(1)光电流I与入射光强P成正比,当光强一定时,随着光 电管两端电压的增大,光电流趋于一个饱和值I,此时对应的电压称为饱和电压(如图1a b);(2)光电效应存在一个阈频率vo,当入射光的频率v<vo时,不论光的强度如何都没 有光电子产生(图1c),且v的大小与光阴极材料有关;(3)光电子的初动能与光强无关 但与入射光的频率成正比(图1d);(4)光电效应是瞬时效应,一经光线照射,立刻产生 光电子,响应时间为10S。对于这些实验事实,经典的波动理论无法给出圆满的解释 905年爱因斯坦受普朗克量子假设的启发,提出了光量子假说,并用它成功地解释了 光电效应的实验结果,给出了有名的爱因斯坦光电效应方程: W (1) 式中:h一普朗克常数,公认值为6.62916×10-J·S v一入射光频率 m一光电子的最大初动能 W一电子摆脱金属表面约束所需的逸出功。 根据这一理论,当金属中的电子吸收一个频率为V的光子时,便获得这光子的全部能 量hv,如果这能量大于W,电子就会从金属中逸出。 由(1)式可见,只有当h≥W时,才会有光电子发射,我们把一记作v即 (2) 这就是说v是能发生光电效应的入射光的最小频率,显然它的值随金属种类不同而不 同,又称“红限”频率。 图2是光电效应实验的原理图。当频率大于v的入射光射到阴极K时,会有光电子以 某一初动能飞出。为了测量最大动能mV2,我们在阴极与阳极A之间加上K高A低的可
光电效应 【实验目的】 1、通过测试光电效应基本特性曲线，使学生进一步加深对光的粒子性的认识。 2、通过对五种不同频率的反向遏止电压US的测定，由Us- ν 直线图形，求出“红限” 频率。 3、验证爱因斯坦光电方程，求普朗克常数 h。 【实验原理】 当一定频率的光照射到某些金属表面上时，可以使电子从金属表面逸出，这种现象称 为光电效应，所产生的电子称为光电子。 光电效应的基本规律如下：（1）光电流I与入射光强P成正比，当光强一定时，随着光 电管两端电压的增大，光电流趋于一个饱和值IM，此时对应的电压称为饱和电压（如图 1a、 b）；（2）光电效应存在一个阈频率ν 0，当入射光的频率ν < ν 0时，不论光的强度如何都没 有光电子产生（图 1c）,且ν 0的大小与光阴极材料有关；（3）光电子的初动能与光强无关， 但与入射光的频率成正比（图 1d）；（4）光电效应是瞬时效应，一经光线照射，立刻产生 光电子，响应时间为 10-9 S 。对于这些实验事实，经典的波动理论无法给出圆满的解释。 1905 年爱因斯坦受普朗克量子假设的启发，提出了光量子假说，并用它成功地解释了 光电效应的实验结果，给出了有名的爱因斯坦光电效应方程： = +WmVhv 2 max 2 1 (1) 式中：h—普朗克常数，公认值为 6.62916×10-34 J·S； v —入射光频率； 2 max 2 1 mV —光电子的最大初动能； W—电子摆脱金属表面约束所需的逸出功。 根据这一理论，当金属中的电子吸收一个频率为ν 的光子时，便获得这光子的全部能 量 h ν ，如果这能量大于 W，电子就会从金属中逸出。 由（1）式可见，只有当 ≥ Whv 时，才会有光电子发射，我们把 h W 记作ν 0即 h W v0 = （2） 这就是说ν 0是能发生光电效应的入射光的最小频率，显然它的值随金属种类不同而不 同，又称“红限”频率。 图 2 是光电效应实验的原理图。当频率大于ν 0的入射光射到阴极K时，会有光电子以 某一初动能飞出。为了测量最大动能 2 max 2 1 mV ，我们在阴极K与阳极A之间加上K高A低的可 1
变电压来使光电子减速,设当电压加至Us时恰好有 mv =eUs (3) 此时将不会有再有光电子到达阳极。当然此时光电流为零,Us称为反向遏止电压。 饱和↑P增加 增加 (d) 图1关于光电效应的几个特性 入射光 光电管 0 图2光电效应实验原理图 图31-实验曲线 由式(1)、(2)、(3)可得 U (v-V0) (4) 上式说明Us与入射光频率v成直线关系,实验中可用不同频率的入射光入射,分别找到相
变电压来使光电子减速，设当电压加至Us时恰好有 = emV Us 2 max 2 1 （3） 此时将不会有再有光电子到达阳极。当然此时光电流为零，Us 称为反向遏止电压。 (a) (b) (c) (d) 图 1 关于光电效应的几个特性 US O U IM I 饱和 P 增加 IM O P O ν0 ν O U I ν 增加 US 阈 图 2 光电效应实验原理图 图 3 I-U 实验曲线 A K 入射光 光电管 V A I U US Id a O 由式（1）、（2）、（3）可得 )( 0 vv e h Us −= （4） 上式说明Us与入射光频率v 成直线关系，实验中可用不同频率的入射光入射，分别找到相 2
应的遏止电压Us,就可作出Us-v的实验直线,此直线的斜率就是k=一,则普朗克常数 h=ke。并且由该直线与横轴的交点,可求出“红限”频率vo这就是密立根验证爱因斯坦 光电效应方程的主要实验思想 应当指出,实际测量的光电管伏安特性曲线如图3所示。这是由于在实验进行时,光 电管中还伴有两个现象,即阳极的光电子发射和暗电流。阳极的光电子发射是阳极材料在 光照下发射的光电子。对这些光电子而言,外加反向电场是加速电场,因此它们很容易到 达阴极,形成反向电流。暗电流I则是在无光照射时,外加反向电压下光电管流过的微弱 电流。由于这两个因素的影响,实验中实测的I-U特性曲线往往如图3所示。曲线的下部 转变为直线,转变点a(抬头点)对应的外加电压值才是遏止电压 【仪器简介】 GD-1型光电效应测试仪由5部分组成,简介如下 (1)GDh-45型光电管:阳极为两块镍板,阴极为不透明 锑钾铯(Te-K-Se),此光电管为侧窗式,光窗为石英,光谱 响应范围1900-7000A,峰值波长为4000±200A,工作电压 光电管暗盒 30V时,阴极灵敏度约为10A 为了避免杂散光和外界电磁场对弱光电信号的干扰,光 电管放置在铝质暗盒中,暗盒窗口的光阑孔为φ16m,可放 置φ36m的各种带通滤色片和中性减光片。暗盒的背面为接 线面板,如图4所示。 (2)光源采用GQ-50WHg仪器用高压汞灯。波谱分布为 分立式线谱,其波谱分布范围为3023-8720A,其间有3650A 图4光电管暗盒面板图 4047A,4358A,5461A和5770A等谱线可供实验使用。 (3)滤色片:是一组外径为φ36mm的宽带通型有色玻璃组合滤色片,具有滤选3650 A,4047A,4358A,5461A和5770A等谱线的能力。选用谱线波长及其透过率见表 表一滤色片性能表 型号 NG365 NG405 NG436 NG546 NG577 选用波长(A) 4047 4358 5461 透过率(%) 48 40 (4)中性减光片:是三块一组外径为p36mm的中性减光片。光通过减光片后,光强 将减弱。在单色光为5770A时,其减光率分别可达25%,50%和75%。其减光性能见表二。 表二减光片减光性能表 相对透过率规格 光谱波长(A)
应的遏止电压Us，就可作出Us- v 的实验直线，此直线的斜率就是 e h k = ，则普朗克常数 h=ke。并且由该直线与横轴的交点，可求出“红限”频率ν 0。这就是密立根验证爱因斯坦 光电效应方程的主要实验思想。 应当指出，实际测量的光电管伏安特性曲线如图 3 所示。这是由于在实验进行时，光 电管中还伴有两个现象，即阳极的光电子发射和暗电流。阳极的光电子发射是阳极材料在 光照下发射的光电子。对这些光电子而言，外加反向电场是加速电场，因此它们很容易到 达阴极，形成反向电流。暗电流Id则是在无光照射时，外加反向电压下光电管流过的微弱 电流。由于这两个因素的影响，实验中实测的I-U特性曲线往往如图 3 所示。曲线的下部 转变为直线，转变点a（抬头点）对应的外加电压值才是遏止电压。 【仪器简介】 GD-1 型光电效应测试仪由 5 部分组成，简介如下： 图 4 光电管暗盒面板图 光电管暗盒 K A （1）GDh-45 型光电管：阳极为两块镍板，阴极为不透明 锑钾铯（Te-K-Se），此光电管为侧窗式，光窗为石英，光谱 响应范围 1900-7000Å，峰值波长为 4000±200 Å，工作电压 30V时，阴极灵敏度约为 10-11 Å。 为了避免杂散光和外界电磁场对弱光电信号的干扰，光 电管放置在铝质暗盒中，暗盒窗口的光阑孔为φ 16mm，可放 置φ 36mm 的各种带通滤色片和中性减光片。暗盒的背面为接 线面板，如图 4 所示。 （2）光源采用 GGQ-50WHg 仪器用高压汞灯。波谱分布为 分立式线谱，其波谱分布范围为 3023-8720 Å，其间有 3650 Å， 4047 Å，4358 Å，5461 Å 和 5770 Å 等谱线可供实验使用。 （3）滤色片：是一组外径为 φ 36mm 的宽带通型有色玻璃组合滤色片，具有滤选 3650 Å，4047 Å，4358 Å，5461 Å 和 5770 Å 等谱线的能力。选用谱线波长及其透过率见表一。 表一 滤色片性能表 型号 NG365 NG405 NG436 NG546 NG577 选用波长（Å） 3650 4047 4358 5461 5770 透过率（%） 48 40 20 30 25 （4）中性减光片：是三块一组外径为φ 36mm 的中性减光片。光通过减光片后，光强 将减弱。在单色光为 5770 Å 时，其减光率分别可达 25%，50%和 75%。其减光性能见表二。 表二 减光片减光性能表 相对透过率 规格 光谱波长（Å） 75% 50% 25% 3
64.4 40.1 17.6 4047 42.9 19.1 4358 70.7 44.0 19.5 5461 47.8 23.0 5770 23.9 GD1型光电效应测试仪 电流量程 电压波段 E电压输出性3(2F30 电压调节 电流输入 电源开关 图5GD-1型微电流测试仪面板图 (5)GD-1型微电流测试仪:面板图如图5。电流测量范围为0.lpu4-1999uA,分辩 率为0.luA。机内设有稳定度≤1%-3-+3,-15V-+15V,-301-+30精密可调的 光电管工作电源,最小分度值为0.1伏和1伏。微电流测试仪可连续工作在十小时以上。 【预习思考题】 试解释存在饱和光电流的原因。 2.饱和光电流与光强有直线关系的前提是什么? 3.如何确定阴极金属材料的逸出功? 【实验内容】 在开始做实验之前,先要做好以下准备工作 ☆开机前准备:按照光源、光电管暗盒和微电流测试仪的顺序将仪器安放在适当位 置,并将微电流测试仪面板上各个开关旋钮置于下列位置: “电流量程”置“luA”;“电压量程”置“30V";“电压极性”置“+”;“电压调节” 逆时针调到最 ☆将光源上出光孔和暗盒上入光孔分别用挡光盖盖上;把暗盒上“K”端用屏蔽电缆 与微电流测试仪面板上“K”端连接,再用普通导线将二者对应的“A”和“⊥’连接 好 ☆先将电源开关打开,让汞灯预热15-20分钟,然后再打开微电流测试仪电源开关。 ☆让光源出光孔与暗盒入光孔水平对准,二者间距保持在20cm左右
3650 64.4 40.1 17.6 4047 69.8 42.9 19.1 4358 70.7 44.0 19.5 5461 75.6 47.8 23.0 5770 75.8 48.7 23.9 图 5 GD-1 型微电流测试仪面板图 （5）GD-1 型微电流测试仪：面板图如图 5。电流测量范围为 μ 9.1991.0 μ− AA ，分辩 率为 。机内设有稳定度 1.0 μA −−≤ + − − + − − +3030,1515,33%,1 VVVVVV 精密可调的 光电管工作电源，最小分度值为 0.1 伏和 1 伏。微电流测试仪可连续工作在十小时以上。 【预习思考题】 1． 试解释存在饱和光电流的原因。 2． 饱和光电流与光强有直线关系的前提是什么？ 3． 如何确定阴极金属材料的逸出功？ 【实验内容】 在开始做实验之前，先要做好以下准备工作： ☆ 开机前准备：按照光源、光电管暗盒和微电流测试仪的顺序将仪器安放在适当位 置，并将微电流测试仪面板上各个开关旋钮置于下列位置： “电流量程”置“1μA”；“电压量程”置“30V”；“电压极性”置“+”；“电压调节” 逆时针调到最小。 ☆ 将光源上出光孔和暗盒上入光孔分别用挡光盖盖上；把暗盒上“K”端用屏蔽电缆 与微电流测试仪面板上“K”端连接，再用普通导线将二者对应的“A”和 “ ” 连接 好。 ☆ 先将电源开关打开，让汞灯预热 15-20 分钟，然后再打开微电流测试仪电源开关。 ☆ 让光源出光孔与暗盒入光孔水平对准，二者间距保持在 20cm 左右。 4
☆取下光源出光孔上的挡光盖,观察并记录暗电流(此时暗盒上入光孔挡光盖不能 摘,把电压慢慢由-3V升高到30V,观察暗电流变化)。当“电压量程”为3V,“电压极性” 为负时,旋转“电压调节”旋钮,可得到-3V~0V的电压。 ☆按照后面的实验内容进行测试。 1、测量I一U伏安特性曲线 将挡光盖盖住光源出光孔,把暗盒入光孔套架上挡光盖取下来,换上滤色片,再从光 源出光孔上取下挡光盖,顺时针旋转“电压调节”旋钮,使电压由-3V逐渐升高到30V, 观察光电流的变化(每隔IV记一个电流值),记下一组I-U值,然后再将电压从30V降到 3V。由短波到长波逐次换上五种不同波长的滤色片,这样可记5组I-U值 2、测量Us-特性(光谱特性)曲线 把滤色片装在暗盒窗上,电压由-3V升高到6V,间隔IV测一个点。当电流开始变化 (急剧变化)时细测几个点(间隔0.IV或0.2V)。电流起始点所对应的电压值为反向遏 止电压,滤色片由短波长向长波长方向逐次更换,方可测出5个反向遏止电压。 3、测量Ⅰ-P特性(光电特性)曲线 把577型滤色片装在光源出光口,电压由0V升到30V,记下饱和电流值,我们可视之 为透光率为100%的情况,还可测出透光率分别为75%、50%和25%的三种情况,即将三块减 光片再分别装在暗盒光窗上,电压都是从0V升到30V。由此可观察饱和电流与光的强度的 关系。 【注意事项】 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.光电管入光孔勿对其它强光源以减少杂散光干扰 【数据处理】 1.将[实验内容]1中所测得的数据记入表三。 注意:在-2V至0V间电流开始变化区间细测一下,多记几个点(即抬头点)。 2.将[实验内容]3中所得到的数据进行整理,分别记录透光率为100%、75%、50% 25%和0时所对应的饱和电流值,并将其记入表四 3.选择合适的坐标纸,用表三、表四的数据分别作出光电管的伏安特性、光电特性 和光谱特性曲线,由光谱特性Us-V直线可求出“红限”频率vo 4.求出Us-ν直线斜率k,根据h=ek关系式求出普朗克常数h。与公认值比较,写出 h的结果表达式 表三不同波长下的伏安特性 50v
☆ 取下光源出光孔上的挡光盖，观察并记录暗电流（此时暗盒上入光孔挡光盖不能 摘，把电压慢慢由-3V 升高到 30V，观察暗电流变化）。当“电压量程”为 3V，“电压极性” 为负时，旋转“电压调节”旋钮，可得到-3V～0V 的电压。 ☆ 按照后面的实验内容进行测试。 1、测量 I—U 伏安特性曲线 将挡光盖盖住光源出光孔，把暗盒入光孔套架上挡光盖取下来，换上滤色片，再从光 源出光孔上取下挡光盖，顺时针旋转“电压调节”旋钮，使电压由-3V 逐渐升高到 30V， 观察光电流的变化（每隔 1V 记一个电流值），记下一组 I-U 值，然后再将电压从 30V 降到 -3V。由短波到长波逐次换上五种不同波长的滤色片，这样可记 5 组 I-U 值。 2、测量 Us- ν 特性（光谱特性）曲线 把滤色片装在暗盒窗上，电压由-3V 升高到 6V，间隔 1V 测一个点。当电流开始变化 （急剧变化）时细测几个点（间隔 0.1V 或 0.2V）。电流起始点所对应的电压值为反向遏 止电压，滤色片由短波长向长波长方向逐次更换，方可测出 5 个反向遏止电压。 3、测量 I-P 特性（光电特性）曲线 把 577 型滤色片装在光源出光口，电压由 OV 升到 30V，记下饱和电流值，我们可视之 为透光率为 100%的情况，还可测出透光率分别为 75%、50%和 25%的三种情况，即将三块减 光片再分别装在暗盒光窗上，电压都是从 0V 升到 30V。由此可观察饱和电流与光的强度的 关系。 【注意事项】 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.光电管入光孔勿对其它强光源以减少杂散光干扰。 【数据处理】 1．将[实验内容]1 中所测得的数据记入表三。 注意：在-2V 至 0V 间电流开始变化区间细测一下，多记几个点（即抬头点）。 2．将[实验内容]3 中所得到的数据进行整理，分别记录透光率为 100%、75%、50%、 25%和 0 时所对应的饱和电流值，并将其记入表四。 3．选择合适的坐标纸，用表三、表四的数据分别作出光电管的伏安特性、光电特性 和光谱特性曲线，由光谱特性Us- ν 直线可求出“红限”频率ν 0。 4．求出 Us- ν 直线斜率 k，根据 h=ek 关系式求出普朗克常数 h。与公认值比较，写出 h 的结果表达式。 表三 不同波长下的伏安特性 5 3650 Å V(V)
(A)|I(u4) V(V) I(HA) V(V) 407I(u4) (A)[V I(HA) V(V) 4358I(μ4) (A) vV) I(HA) V(V) I(HA) (A)[V I(HA) V(V) 5770I(u4) (A) vV) I(HA) 表四不同照度下的伏安特性曲线 透过率 100% 75% 25% 0 V( 0.0 10.0 20.0 【思考题】 密立根验证爱因斯坦光电效应方程的主要实验思想是什么? 2.当加在光电管两极间的电压为零时,光电流却不为零,这是为什么? 3.为什么反向电压加到一定值后,光电流会出现负值? 6
I(μA) V(V) （Å） I( ) μA V(V) I( ) μA V(V) 4047 （Å） I( ) μA V(V) I( ) μA V(V) 4358 （Å） I( ) μA V(V) I( ) μA V(V) 5461 （Å） I( ) μA V(V) I( ) μA V(V) 5770 （Å） I( ) μA 表四 不同照度下的伏安特性曲线 透过率 I(µA) V(V) 100% 75% 50% 25% 0 0.0 10.0 20.0 30.0 【思考题】 1.密立根验证爱因斯坦光电效应方程的主要实验思想是什么？ 2.当加在光电管两极间的电压为零时，光电流却不为零，这是为什么？ 3.为什么反向电压加到一定值后，光电流会出现负值？ 6
