1、光電效應(yīng)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?1) 了解光電效應(yīng)的規(guī)律，加深對光的量子性的認(rèn)識。(2) 測量普朗克常量h。【實(shí)驗(yàn)儀器】ZKY-GD-4光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀，其組成為：微電流放大器，光電管工作電源，光電管，濾色片, 汞燈。如以下圖所示。1索燈電源 2汞知 咅灘色片 4北闌 刁朮電骨 百基座團(tuán)5儀騫站構(gòu)國【實(shí)驗(yàn)原理】光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)原理如圖 1所示。入射光照射到光電管陰極 K上，產(chǎn)生的光電子在電場 的作用下向陽極A遷移構(gòu)成光電流，改變外加電壓測量出光電流I的大小，即可得出光電管的伏安特性曲線。光電效應(yīng)的根本實(shí)驗(yàn)事實(shí)如下：賓疊斥理圖圖2問一頻罕，不聞丸 張時光電管的代安 特性曲戰(zhàn)戡止電壓II芍人來 光頻準(zhǔn)的關(guān)系圖1

2、對應(yīng)于某一頻率，光電效應(yīng)的I-屈 關(guān)系如圖2所示。從圖中可見，對一定的頻率,有一電壓U0,當(dāng)時，電流為零，這個相對于陰極的負(fù)值的陽極電壓U0,被稱為截止電壓。(2)當(dāng)殳仝空后，I迅速增加，然后趨于飽和，飽和光電流IM的大小與入射光的強(qiáng)度 P成正比。(3) 對于不同頻率的光，其截止電壓的值不同，如圖3所示。(4) 截止電壓U0與頻率U的關(guān)系如圖4所示，山)與卩 成正比。當(dāng)入射光頻率低于某極限值 鞏)先 隨不同金屬而異時，不管光的強(qiáng)度如何，照射時間多長，都沒有光電流產(chǎn) 生。(5) 光電效應(yīng)是瞬時效應(yīng)。即使入射光的強(qiáng)度非常微弱，只要頻率大于'，在開始照射后立即有光電子產(chǎn)生，所經(jīng)過的時間至多為

3、.'秒的數(shù)量級。按照愛因斯坦的光量子理論，光能并不像電磁波理論所想象的那樣，分布在波陣面上，而是集中在被稱之為光子的微粒上，但這種微粒仍然保持著頻率或波長的概念，頻率為日 的光子具有能量E = h，h為普朗克常數(shù)。當(dāng)光子照射到金屬外表上時，一次被金屬中 的電子全部吸收，而無需積累能量的時間。電子把這能量的一局部用來克服金屬外表對它的 吸引力，余下的就變?yōu)殡娮与x開金屬外表后的動能，按照能量守恒原理， 愛因斯坦提出了著名的光電效應(yīng)方程：hv = Jmvoz + A1 2式中，A為金屬的逸出功，為光電子獲得的初始動能。由該式可見，入射到金屬外表的光頻率越高， 逸出的電子動能越大， 所以即使陽

4、極電位 比陰極電位低時也會有電子落入陽極形成光電流， 直至陽極電位低于截止電壓， 光電流才為 零，此時有關(guān)系：2陽極電位高于截止電壓后，隨著陽極電位的升高，陽極對陰極發(fā)射的電子的 收集作用越強(qiáng)，光電流隨之上升；當(dāng)陽極電壓高到一定程度，已把陰極發(fā)射的光 電子幾乎全收集到陽極，再增加"肚時I不再變化，光電流出現(xiàn)飽和，飽和光電流 冋 的大小與入射光的強(qiáng)度P成正比。光子的能量三A時，電子不能脫離金屬，因而沒有光電流產(chǎn)生。產(chǎn)生光電 效應(yīng)的最低頻率截止頻率是二=A/h。將式代入式可得:3= hv-A此式說明截止電壓切是頻率"的線性函數(shù)，直線斜率k = h/e，只要用實(shí)驗(yàn)方法得出不同的頻

5、率對應(yīng)的截止電壓， 求出直線斜率，就可算出普朗克常數(shù)h愛因斯坦的光量子理論成功地解釋了光電效應(yīng)規(guī)律。【實(shí)驗(yàn)步驟】1、測試前準(zhǔn)備1將實(shí)驗(yàn)儀及汞燈電源接通汞燈及光電管暗盒遮光蓋蓋上，預(yù)熱20min。2調(diào)整光電管與汞燈距離為約 40cm并保持不變。3用專用連接線將光電管暗箱電壓輸入端與實(shí)驗(yàn)儀電壓輸出端后面板上連接起來 紅一紅，藍(lán)一藍(lán)。4將“電流量程選擇開關(guān)置于所選檔位，進(jìn)行測試前調(diào)零。調(diào)零時應(yīng)將光電管暗盒電流輸出端K與實(shí)驗(yàn)儀微電流輸入端后面板上斷開，且必須斷開連線的實(shí)驗(yàn)儀一端。旋 轉(zhuǎn)“調(diào)零旋鈕使電流指示為。5調(diào)節(jié)好后，用高頻匹配電纜將電流輸入連接起來，按“調(diào)零確認(rèn)/系統(tǒng)清零鍵，系統(tǒng)進(jìn)入測試狀態(tài)。如果

6、要動態(tài)顯示采集曲線， 需將實(shí)驗(yàn)儀的“信號輸出端口接至示波器的“ Y輸入端， “同步輸出端口接至示波器的“外觸發(fā)輸入端。示波器“觸發(fā)源開關(guān)撥至“外，“Y衰減旋鈕撥至約“ 1V/格，“掃描時間旋鈕撥至約“ 20卩 s/格。此時示波器將用輪 流掃描的方式顯示5個存儲區(qū)中存儲的曲線，橫軸代表電壓 卩懇I，縱軸代表電流I。2、測普朗克常數(shù)h:測量截止電壓時，“伏安特性測試/截止電壓測試狀態(tài)鍵應(yīng)為截止電壓測試狀態(tài)，“電流量程開關(guān)應(yīng)處于 ：一 A檔。1手動測量 使“手動/自動模式鍵處于手動模式。 將直徑4mn的光闌及的濾色片裝在光電管暗盒光輸入口上，翻開汞燈遮光蓋。此時電壓表顯示卜的值，單位為伏；電流表顯示

7、與對應(yīng)的電流值I，單位為所選擇的“電流量程。用電壓調(diào)節(jié)鍵可調(diào)節(jié)冋的值，t、j鍵用于選擇調(diào)節(jié)位，f、J鍵用于調(diào)節(jié)值的大小。 從低到高調(diào)節(jié)電壓絕對值減小，觀察電流值的變化，尋找電流為零時對應(yīng)的 1 ，以其絕對值作為該波長對應(yīng)的 '的值，并將數(shù)據(jù)記于表1中。為盡快找到的值，調(diào)節(jié)時應(yīng)從高位到低位，先確定高位的值，再順次往低位調(diào)節(jié)。 依次換上365.0 nm , 435.8 nm , 404.7 nm的濾色片，重復(fù)以上測量步驟。2自動測量 按“手動/自動模式鍵切換到自動模式。此時電流表左邊的指示燈閃爍，表示系統(tǒng)處于自動測量掃描范圍設(shè)置狀態(tài)，用電壓 調(diào)節(jié)鍵可設(shè)置掃描起始和終止電壓。注：顯區(qū)左邊設(shè)置

8、起始電壓，右邊設(shè)置終止電壓 實(shí)驗(yàn)儀設(shè)有5個數(shù)據(jù)存儲區(qū)，每個存儲區(qū)可存儲 500組數(shù)據(jù)，由指示燈表示其狀態(tài)。 燈亮表 示該存儲區(qū)已存有數(shù)據(jù)， 燈不亮為空存儲區(qū)，燈閃爍表示系統(tǒng)預(yù)選的或正在存儲數(shù)據(jù)的存儲 區(qū)。 設(shè)置好掃描起始和終止電壓后，按動相應(yīng)的存儲區(qū)按鍵，儀器將先去除存儲區(qū)原有數(shù)據(jù)，等待約30秒，然后按4mV的步長自動掃描，并顯示、存儲相應(yīng)的電壓、電流值。掃描 完成后，儀器自動進(jìn)入數(shù)據(jù)查詢狀態(tài)， 此時查詢指示燈亮， 顯示區(qū)顯示掃描起始電壓和相應(yīng) 的電流值。用電壓調(diào)節(jié)鍵改變電壓值， 就可查閱到在測試過程中，掃描電壓為當(dāng)前顯示值時相應(yīng)的電流值。讀取電流為零時對應(yīng)的，以其絕對值作為該波長對應(yīng)的U的值

9、，并將數(shù)據(jù)記于表1中。表1 U0 關(guān)系光闌孔=mm波長入i(nm)54577.0頻率 5 (X 10“ Hz)5.196截止電壓"1 0i(V)手動自動按 查詢鍵，查詢指示燈滅，系統(tǒng)回復(fù)到掃描范圍設(shè)置狀態(tài)，可進(jìn)行下一次測量。將儀器與示波器連接，可觀察到打?yàn)樨?fù)值時各譜線在選定的掃描范圍內(nèi)的伏安特性曲線。3、測光電管的伏安特性曲線：此時，將“伏安特性測試/截止電壓測試 狀態(tài)鍵切換至伏安特性測試狀態(tài)。“電流量 程開關(guān)應(yīng)撥至" A檔，并重新調(diào)零。將直徑4mm的光闌及所選譜線的濾色片裝在光電管暗盒光輸入口上。測伏安特性曲線可選用“手動/自動兩種模式之一，測量的最大范圍為-150V。手

10、動測量時每隔 0.5V記錄一組數(shù)據(jù)，自動測量時步長為IV。記錄所測11乩及I的數(shù)據(jù)。 從低到高調(diào)節(jié)電壓，記錄電流從零到非零點(diǎn)所對應(yīng)的電壓值并作為第一組數(shù)據(jù)，以后電壓沒變化一定值可選為IV記錄一組數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)記錄表中。換上546nm的濾色片，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟。 在也為50V時，將儀器設(shè)置為手動模式，測量記錄同一譜線、同一入射距離、光闌分別為2mm,4mm,8m時對應(yīng)的電流值于數(shù)據(jù)記錄表中。 在%為50V時，將儀器設(shè)置為手動模式，測量并記錄同一譜線、同一光闌、不同入 射距離時對應(yīng)的電流值于數(shù)據(jù)記錄表中。【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理】1求普朗克常數(shù)實(shí)驗(yàn)中測得的數(shù)據(jù)如下表所示:H與關(guān)系數(shù)據(jù)記錄表壓電止截4 6o208

11、-24 6 8-10 0 0光纜孔 4mm波長 i /nm頻率 i /( 1014)截止電壓U0i /V由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的截止電壓 Ub與光頻率的關(guān)系如以下圖所示:光的頻率Vi/(10A14Hz)截止電壓與光頻率的關(guān)系曲線A衛(wèi)h由可知，上述直線的斜率為，那么普朗克常量為：eh 0.3746 10 141.602 10 19J s 6.0 10 14J s而由最小二乘法的得到的斜率的標(biāo)準(zhǔn)差為sb 0.013945，那么可知所求的普朗克常量h的不確定度為：Uh eUb et°.953 Sb 1.602 10 19 3.18 0.013945 10 140.7 10 34J s測得的普朗克常

12、量h與公認(rèn)值h0的相對誤差為：l h h。6.0 10 34 J s 6.626 10 34 J s E -340.094ho6.626 10 34 J s實(shí)驗(yàn)得到的普郎克常數(shù)為：h (6.0 0.7) 10 34 J s。(2)做出兩種波長及光強(qiáng)的伏安特性曲線實(shí)驗(yàn)中，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表如下：對于435.8nm的濾色片，入射距離 L=400mm光闌4nm,數(shù)據(jù)記錄為：I U ak關(guān)系Uak/V-10123456789I /( 10 10 A)0Uak/V1011121314151617181920I /( 10 10 A)Uak/V2122232425262728293031I /( 10

13、10 A)Uak/V3233343536373839404142I /( 10 10 A)Uak/V4344454647484950I /( 10 10 A)對于546.1 nm的濾色片，入射距離L=400mm光闌4nm,數(shù)據(jù)記錄為:I U AK關(guān)系Uak/V-10123456789I /( 10 10 A)Uak/V1011121314151617181920I /( 10 10 A)Uak/V2122232425262728293031I /( 10 10 A)Uak/V3233343536373839404142I /( 10 10 A)Uak/V4344454647484950I /(

14、 10 10 A)由實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)繪制出的兩種波長及光強(qiáng)的伏安特性曲線如下: 波長為435.8nm 波長為546.1 nm陰極電流為零時對應(yīng)電壓V/v不同波長及光強(qiáng)下的伏安特性曲線3由于照到光電管上的光強(qiáng)與光闌面積成正比，用中數(shù)據(jù)驗(yàn)證光電管的飽和光電流與 入射光強(qiáng)成正比；同樣用中數(shù)據(jù)驗(yàn)證光電流與入射光強(qiáng)成正比。對于實(shí)驗(yàn)：在®為50V時，將儀器設(shè)置為手動模式，測量記錄同一譜線、同一入射距離、光闌分別為 2mm,4mm,8m時對應(yīng)的電流值，數(shù)據(jù)記錄表如下:I m P關(guān)系U ak 50V L 400nm光闌孔2mm4mm8mmI /( 10 10 A)光闌孔2mm4mm8mmI /( 10

15、 10 A)由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到飽和光電流與光闌面積的關(guān)系曲線如下:.波長為435.8nm 波長為546.1 nmOOOOOOOOO 64208642流電光和飽20304050光闌面積S/(mmA2)飽和光電流I與光闌面積S的關(guān)系曲線圖由圖可知，飽和光電流I與光闌面積S在入射光波長不變時成正比例關(guān)系，而光強(qiáng)又與光闌面積成正比，從而驗(yàn)證了光電管的飽和電流與入射光強(qiáng)成正比。對于實(shí)驗(yàn)，在 為50V時，將儀器設(shè)置為手動模式，測量并記錄同一譜線、同一光闌、不同入射距離時對應(yīng)的電流值，來驗(yàn)證光電流與入射光強(qiáng)成正比。數(shù)據(jù)記錄表如下：1 M P關(guān)系U ak 50V L 400nm入射距離L/mm2002503003

16、50400I /( 10 10 A)入射距離L/mm200250300350400I /( 10 10 A)對于光闌面積S不變時，由于入射距離的變化， 使同一波長光的光強(qiáng)發(fā)生改變。嘗試將光源看做點(diǎn)光源，其發(fā)出的光為球狀，那么一定距離處的光強(qiáng)與距離的平方成反比，與距離的平方分之一成正比。假設(shè)要驗(yàn)證光電流與入射光強(qiáng)成正比，可通過驗(yàn)證光電流與距離的平方分之一成線性關(guān)系而間接征得。根據(jù)IM P關(guān)系，得到光電流與距離的平方分之一的關(guān)系曲線如以下圖：+波長為435.8nm 波長為546.1 nmo o o o o o O6 5 4 3 2 1入0-(-流電光051015202530入射距離平方分之一 LA

17、-2/(MA-2)光電流強(qiáng)度與入射距離平方分之一的關(guān)系曲線由圖可知，其間關(guān)系在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)，較好的符合了某種線性關(guān)系，證明了這種假設(shè)具有成立的可能性。從而也證明了光電流與入射光強(qiáng)成正比。【實(shí)驗(yàn)分析與誤差討論】1、陽極反向電流，暗電流，本底電流如何影響測量結(jié)果？答：陽極反向電流是由于光電管制造時由于光電管陽極沾上少數(shù)陰極材料，那么在入射光照射或入射光從陰極反射到陽極后都會造成陽極電子發(fā)射。當(dāng)顱值為為負(fù)值時，陽極發(fā)射的電子向陰極遷移形成陽極反向電流，從而當(dāng)實(shí)驗(yàn)中測得電流為零時，對應(yīng)的并非截止電壓，對實(shí)驗(yàn)造成誤差。而對于暗電流和本底電流是熱激發(fā)產(chǎn)生的光電流和雜質(zhì)光散射光電管產(chǎn)生的光電流。它們

18、的影響是：假設(shè)產(chǎn)生的光電子的初動能大于光照產(chǎn)生的光電子的最大初動能，那么會使測得 的L泊勺絕對值增大。2、在該實(shí)驗(yàn)中可能存在的誤差有：(1) 在實(shí)際的測量中，由于光電管的陽極電流、暗電流、本底電流及電極間接 觸電壓的影響，給實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來誤差。(2) 實(shí)驗(yàn)中濾色片有一定的狹縫寬度，濾色片產(chǎn)生的光并不完全是單一的濾色 光。3 實(shí)驗(yàn)中以汞燈作為光源， 而汞燈在交變電壓變化的情況下并不能完全穩(wěn)定, 產(chǎn)生的光也不穩(wěn)定。4在讀數(shù)時，由于產(chǎn)生的光電流的變化，儀器示數(shù)會有微小的跳動，產(chǎn)生讀數(shù)誤差。5裝有陰極管的暗箱封閉不嚴(yán)，可能會受到雜光的影響。【實(shí)驗(yàn)結(jié)論】1、 實(shí)驗(yàn)測得的普朗克常量為 h (6.0 0.7) 10 34 J s，與公認(rèn)值h0 6.62