1、。1. 什么是光電效應？光照射到金屬上，引起物質的電性質發生變化。這類光變致電的現象被人們統稱為光電效應（ Photoelectriceffect）。光電效應分為光電子發射、光電導效應和阻擋層光電效應，又稱光生伏特效應。前一種現象發生在物體表面，又稱外光電效應。后兩種現象發生在物體內部，稱為內光電效應。只要光的頻率超過某一極限頻率，受光照射的金屬表面立即就會逸出光電子，發生光電效應。當在金屬外面加一個閉合電路，加上正向電源，這些逸出的光電子全部到達陽極便形成所謂的光電流。在入射光一定時，增大光電管兩極的正向電壓，提高光電子的動能，光電流會隨之增大。但光電流不會無限增大，要受到光電子數量的約束，

2、有一個最大值，這個值叫飽和電流。所以，當入射光強度增大時，根據光子假設，入射光的強度（即單位時間內通過單位垂直面積的光能）決定于單位時間里通過單位垂直面積的光子數，單位時間里通過金屬表面的光子數也就增多，于是，光子與金屬中的電子碰撞次數也增多，因而單位時間里從金屬表面逸出的光電子也增多，電流也隨之增大。2. 普朗克常量 h 的重要性普朗克常數是一個物理常數，用以描述量子大小。在原子物理學與量子力學中占有重要的角色，馬克斯·普朗克在1900 年研究物體熱輻射的規律時發現，只有假定電磁波的發射和吸收不是連續的，而是一份一份地進行的，計算的結果才能和試驗結果是相符。這樣的一份能量叫能量子，

3、每一份能量子等普朗克常數乘以輻射電磁波的頻率。就普朗克常數h 的意義，物理學家金斯曾說過這樣一段話：“雖然h 的數值很小，但是我們應當承認它是關系到保證宇宙的存在的如果說h 嚴格地等于零，那么宇宙間的物質能量將在十億萬之一秒的時間內全部變為輻射”普朗克常數引入后，以普朗克常數為根本特征的量子論給我們提供了新的關于自然界的表述方法和思考方法，物理學理論。1。發生了巨大變革，使人類認識由低速宏觀領域擴展到高速微觀領域h 的提出引出了一系列解釋性假說，促進了量子論的建立與推廣，為原子物理學、固體物理學、核物理學和粒子物理學奠定了理論基礎，并且這些科研成果在化學等有關學科和許多近代技術中也得到了廣泛的

4、應用可以說，h 的出現具有劃時代的重大意義3. 光電效應的歷史：光電效應由德國物理學家赫茲于1887 年發現，對發展量子理論起了根本性作用。1887年，首先是赫茲（M.Hertz ）在證明波動理論實驗中首次發現的。當時，赫茲發現兩個鋅質小球之一用紫外線照射，則在兩個小球之間就非常容易跳過電花。大約1900年，馬克思 ?普朗克（ Max Planck ）對光電效應作出最初解釋，并引出了光具有的能量包裹式能量（ quantised）這一理論。他給這一理論歸咎成一個等式，也就是E=hf，E 就是光所具有的“包裹式” 能量 h 是一個常數， 統稱布蘭科 （普朗克）常數（ Planck'scon

5、stant ），而 f 就是光源的頻率。也就是說，光能的強弱是有其頻率而決定的。但就是布蘭科（普朗克）自己對于光線是包裹式的說法也不太肯定。1902年，勒納（ Lenard) 也對其進行了研究，指出光電效應是金屬中的電子吸收了入射光的能量而從表面逸出的現象。但無法根據當時的理論加以解釋。 1905年，愛因斯坦26歲時提出光子假設，成功解釋了光電效應，因此獲得1921年諾貝爾物理獎。他進一步推廣了布蘭科的理論并導出公式Ek=hf-W， W便是所需將電子從金屬表面上自由化的能量。而Ek 就是電子自由后具有的動能。一、光電效應的原理1905了光子的概念。 他認為光是一種微粒光v 的光子具有能量=hV

6、， h 為普朗克常量。根據這一理論，當金屬中的電子吸收一個頻率為VhV，如果這能量大于電子擺脫金屬表面的約束所需要的脫出功WhV= ? mv? 2 W （ 1m和 v 是光電子的質量和最大速度，? mv? 2 是光電子逸出表面后所具有的最大動能。它說明光子能量hV 小于 W時，電子不能逸出金屬表面，因而沒有光電效應產生，產生光電效應的入射光最低頻率V0=W/h，稱為光電效應的極限頻率，又稱紅限。不同的金屬材料有不同的脫出功，因而 V0也是不同的。 我們在實驗中將采用“減速電勢法”進行測量并求出普朗克常量h。當單色光入射到光電管的陰極K 上時，如有光電子逸出，則當陽極A 加正電勢， K 加負電勢

7、時，光電子就被加速，而當K 加正電勢， A 加負電勢時，光電子就被減速。當A、 K 之間所加電壓 U 足夠大時， 光電流達到飽和值Im，當 U -U0 并滿足方程eU0 = ? mv? 2 (2)時，光電流將為零，此時的U0稱為截止電壓。光電流與所加電壓的關系如圖2所示。將。2。式（ 2）代入式（ 1）可得 eU0 = hV W，即 U0 =（ h/e ） V W/e (3) ,它表示 U0與V 間存在線性關系 , 其斜率等于 h/e , 因而可以從對U0與 V 的數據分析中求出普朗克常量 h。 實際實驗時測不出 U0 , 測得的是 U0與導線和陰極間的正向接觸電勢差Uc 之差U0'

8、即測得的 U0' 是 U0'= U0-Uc將此式代入式 (3),可得 U0' = （h/e ） V(Uc+W/e) (4)由于 Uc 是不隨 v 而變的常量 ,所以 U0' 與 V 間也是線性關系。測量不同頻率光的U0'值，可求得此線性關系的斜率b 由于 b=h/e ，所以 h=be (5)， 即從測量數據求出斜率 b 乘以電子電荷 e=1.602 × 10-19C ，就可求出普朗克常量h。4. 其他測普朗克常量的方法：1) X射線光電效應法：羅賓孫（ Robinson ）在 1940年以波長為的 X 射線，把電子從臨界吸收波長為的原子能級中釋

9、放出來，并在磁感效應強度 B 的磁場中使電子偏離，設其曲率半徑為，則(5-4)但這種方法求出的值，其不確定度僅有2)X射線原子游離法：設恰好使原子電離的X 射線的能量為，由于 X射線的能量被吸收，致使吸收光譜出現尖銳的邊界，邊界的波長為，則有。由于此方法需用晶體衍射法測量X 射線的波長，因此必須取 X 射線單位，而且計算時離不開西班格(Siegbahn) 因子。3)黑體輻射計算法：這是普朗克最初采用的方法，他根據斯特藩(Stefan)公式和維恩位移定律求出普朗克常量。他假設有的黑體在不同溫度（可取=100，=0）下每秒輻射到空氣的能量分別為和，把兩者之差與空間的總能量密度比較，得：(5-5)其

10、中 c 為光速。由維恩位移定律可得到能量最大的波長：。3。(5-6)其中。由上兩式及T 的測量值，普朗克得到近代測量普朗克常量的幾種方法1)測定的交流約瑟夫森效應法：約瑟夫森于 1962 年提出，兩塊超導體構成弱耦合時將會出現電子隧道效應。如果在這兩塊超導體上加一直流電壓， 就會出現隧道電流， 超流電子對能夠無阻礙地通過絕緣層或橋，這就是所謂直流約瑟夫森效應；而交流約瑟夫森效應是指這一弱耦合的超導體，具有吸收或發射電磁波的特性，其電磁波的頻率與電壓 U的關系為：，系數稱為約瑟夫森常數，這很像一個電壓頻率轉換器。經過弱耦合的超導體會形成約瑟夫森結。如果在超導結上照射頻率為的微波輻射，則在結的兩側

11、將形成的電壓臺階，其中n 取正整數。通過約瑟夫森結的頻率- 電壓關系，可以精確測定約瑟夫森常數值，但由于中還包含有基本電荷值，盡管已達到以下的精度，但1973 年基本物理常數平差得出的普朗克常量仍有的不確定度，其值為：2)測定的量子霍爾效應法：馮·克利青(K.von Klitzing)于 1980 年從金屬 - 氧化物 - 半導體場效應管 (MOSFET)發現量子霍爾效應， 隨后他用不同類型的硅 MOSFET管在強磁場和深低溫下測出霍爾電阻，它隨柵壓變化的曲線上出現一系列平臺，與平臺相應的霍爾電阻等于，其中 i 是正整數。把稱為馮·克利青常數，有了量子霍爾效應，普朗克常量和

12、基本電荷的測定又一次登上新的臺階，由和，可得到和，所以， 1986年在最新一輪的基本物理常數的平差中，普朗克常量的不確定度下降為。4。，數值等于。但這一結果仍要受到計量標準不統一的影響，當測量值換算為SI 制時，還應考慮轉換因子的不確定度。3)直接測定的通電動圈法：英國國家物理實驗室(NPL) 的基布爾 (B.Kibble)等人使用的這種方法，被認為是在直接測定普朗克常量的方法中比較精確的一種，他們用動量裝置定義電功率瓦特的SI 單位，用交流約瑟夫森效應和量子霍爾效應測電動勢和電阻，不經電壓轉換因子和電阻轉換因子，直接求出了。實驗時將通電矩形線圈懸于精密天平的一端，使動圈中部處在磁感應強度為B 的均勻水平磁場中，通電流 i 后，由于安培力作用，需在天平上加質量為 m的砝碼，設動圈受力部分長度為l ，有：，再令動圈以勻速 v 垂直下降，則感應出電動勢，把上兩式結合消去B、l ，得：（5-7 ）在實際測量時，要注意（5-7 ）式兩端的測量標準各不同，右端用SI 制，而左端用英國國家實驗室的電流、電壓標準，分別以和表示，因此功率。其中表示功率的轉換因子，它等于（5-8 ）用交流約瑟夫森效應和量子霍