1、光電效應講義實驗三光電效應【實驗目的】1 .加深對光的量子性的認識。2 .驗證愛因斯坦方程，測定普朗克常數。3 .測定光電管的伏安特性曲線。【實驗原理】當一定頻率的光照射到某些金屬表面上時，可 以使電子從金屬表面逸出，這種現象稱為光電效 應.所產生的電子，稱為光電子。光電效應是光 的經典電磁理論所不能解釋的。1905年愛因斯坦 依照普朗克的量子假設，提出了光子的概念。他 認為光是一種微粒一光子；頻率為 的光子具 有能量h ,卜為普朗克常數，目前國際公認值為 h=(6. 6260755± 0. 0000040) X 10-3j s。當金 屬中的電子吸收一個頻率為的光子時，便獲得這光子的

2、全部能量h ，如果這能量大于電子擺脫 金屬表面的約束所需要的逸出功 W,電子就會從 金屬中逸出.按照能量守恒原理有：(3.1).12 .h-mvm W2上式稱為愛因斯坦方度，*vm是光電子逸出 程，其中m和Vm是光豐不二馨日七M日上f 足日工日,、土表面后所具有的最大動電子的質重和取大速能.它說明光子能量h 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=W/h ,稱為光電 效應的極限頻率（又稱 紅限）。不同的金屬材 料有不同的逸出功，因 而也是不同的。用光電管進行光電 效應實驗，測量普朗克常數的實驗原理如圖3.1所示。圖中K為圖3.1光電效應實驗原

3、理圖光電管的陰極，A為陽極，微安表用于測量微小 的光電流，電壓表用于測量光電管兩極間的電壓，E為電源，R提供的分壓可以改變光電管兩極間 的電勢差。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 w-U0,并滿足方程eUo =12 mvm2(3.時，光電流將為零，此時的 中e為電子電量。光電管的伏安特性曲線的I U關系）如圖3.22）Uo稱為截止電壓。式（光電流與所加電壓所示。當用一定強度的線性關系圖線的光照射在光電管陰極 K

4、上時，光電流I隨兩極 間的加速電壓改變而改變，開始光電流 I隨兩極 間的加速電壓增加而增加，當加速電壓增加到一 定值后，光電流不再增加.這是因為在一定照度 下，單位時間14內所產生的光電子數目一定，而且這些電子在電場的作用下已全都跑向陽極 A,從而達到飽和。我們稱此時的電流為飽和電流Im。由于光電子從 陰極表面逸出時具有一定的初速度，所以當兩極 間電勢差為零時，仍有光電流I存在。若在兩極 間施加一反向電壓，光電流隨之減小；當反向電 壓達到截止電壓Uo時，光電流為零。將式(3.2) 代人式(3.1)可得eU0 = hW即Uo=h W h 0(3.3)e e e上式表明，截止電壓U0是入射光頻率

5、的線性函 數，其直線的斜率等于 h/e。可見，只要用實 驗方法，測量不同頻率光的截止電壓，作出Uo-圖線，如圖3.3所示。從圖中求得直線的斜率 工 e即可求出普朗克常數ho另外，從直線和橫坐標 的交點還可求出極限頻率。因此，由光電效應測定普朗克常數 h的關鍵 是正確地測定截止電壓 U。需要指出的是，實際 的光電管由于制作工藝等原因，給測定截止電壓 帶來一些困難。對測量產生影響的主要因素如下：1） ) 暗電流和本底電流光電管在沒有受到光照時，也會產生電流，稱為暗電流。它是由陰極在常溫下的熱電子發射形成的熱電流和封閉在暗盒里的光電管在外加電壓下因管子陰極和陽極間絕緣電阻漏電而產生的漏電流兩部分組成

6、。本底電流是周圍雜散光射入 光電管所致2） 反向電流 由于制作光電管時陽極上往往濺有陰極材料，所以當光照到陽極上或雜散光漫射到陽極上 時，陽極上也往往有光電子發射；此外，陰極發 射的光電子也可能被陽極的表面所反射。當陽極A加負電勢，陰極K加正電勢時，對陰極K上發 射的光電子而言起減速作用，而對陽極 A發射或 反射的光電子而言卻起了加速作用，使陽極 A發 出的光電子也到達陰極 K,形成反向電流。由于上述種種原因，實測的光電管伏安特性（ I U ）曲線與理想曲線是有區別的。圖 3.4 中實線表示實測曲線，虛線表示理想曲線即陰極光電流曲線，點劃線代表影響較大的反向電流及暗電流曲線。實測曲線上每一點的

7、電流值是以上三個電流值的代數和。顯然，實測曲線上光電流I 為零的點所對應的電壓值圖3.4對光電流曲線的分析并不是截止電壓。從圖 3.4可看出，陽極光電 流（即反向電流和暗電 流）的存在，使陰極光 電流曲線下移，實測曲 線的拐點（或稱抬頭點） 處的電壓值與截止電壓 近似相等，可代替截止電壓。因此，光電效應實驗是通過找 出實驗伏安特性曲線的拐點來確定截止電壓Uo的。【儀器介紹】1.GDH-I型光電管：陽極為銀圈，陰極為銀一 氧-鉀（Ag-O-K）,光譜范圍 34O. 0700. 0nm 光窗口為無鉛多硼硅玻璃，最高靈敏波長是410. 0+ 10. 0nm,陰極光靈敏度為1 pA/Lm , 暗電流為

8、10-12A。為了避免雜散光和外界電磁 場對微弱光電流的干擾，光電管安裝在可升降 的鋁質暗盒中，暗盒窗口可以安放光闌孔和濾 色片。2. 光源：高壓汞燈，譜線范圍在302.3872.0nm。3. NG型濾色片：一組有色玻璃濾色片。濾通的譜 線波長分別為 365 nm, 404 nm, 436 nm , 546 nm, 577 nm。4. GP-n型微電流測量放大器：電流測量范圍為 10-610-13 A,分六檔十進變換；工作電源為 -3+3V連續可調)電壓量程分 0V土 1V 土 2V土 3V六段讀數，讀數精度 0. 02V。測 量放大器可以連續地工作8小時以上。由液梗性1作逸舞仁福-"

9、;博膽比郵號電朝？ 0 。二 0 口#,尤中和E777!£20(圖3.5光電效應實驗裝置示意圖【實驗內容】1.測試前的準備(1) 將光源、光電管暗盒、微電流測量放大 器安放在適當位置，連接好光電管暗盒與測量放大器之間的屏蔽電纜、地線和陽極電源線。參見圖 3.5 和圖 3.6。將微電流測量放大器面板上各開關、旋鈕置于下列位置：“倍率”開關置“ZERO; “電流極性”置“-”；“工作選擇”置“DC”； “掃描平移”任意； “電壓極性”置“-”； “電壓量程”置“-3”； “電壓調節”反時針調到頭。(2) 打開微電流測量放大器電源開關讓其預熱 20-30 分鐘。在光電管暗盒的光窗上裝光闌；

10、并蓋上遮光罩，打開光源開關，讓汞燈預熱。2. 測 量光電管的I U 特性(1)使暗盒離開光源3050 cm,基本等高，暗盒窗口正對光源出射孔。(2)取去暗盒窗口上的遮光罩，換上波長入=365 nm 的濾色片。將倍率旋鈕置于“10-7”檔，此時光電流大小應在此量程范圍內(注意，光電管暗盒正對汞燈時，電流最小)。(3)選擇合適的電流和電壓量程，測出 -33V時不同電壓下的光電流。測量時，-30V時每0.1V測一個點， 0V以上可加大間隔。3 .測量光電管拐點和本底電流。(1)依次調換不同波長的濾色片，重復上面的 測量，只測-30V時的光電流，每0.1V 測一個點。(2)擋住汞燈出光口，測量 0V時

11、光電管的本 底電流(每個濾色片都測)。4 .測量光電管的暗電流。用遮光罩罩住光電管暗盒，測量0V時光電管 的暗電流。5 .求普朗克常數h把不同頻率下的截止電壓描繪在方格紙上， 如果實驗結果準確，則 U0=f (。關系曲線是一直 線，求出直線的斜率，從而可算出普朗克常數h, 并將結果與公認值比較，求出百分誤差。【注意事項】1.在數據表格后加拐點及本底電流數據表(365nm的本底電流記在I V表中)電壓(V)-3.0-2.9-2.8-2.7-2.6-2.5-2.4-2.3-2.2-2.1-2.0405n m436nm546n m577n m電壓(V)-1.9-1.8-1.7-1.6-1.5-1.4-1.3-1.2-1.1-1.0-0.9405n m436n m546n m577n m電壓(V)-0.8-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.10本底405n m436n m5