实验45光电效应.docVIP

4.5 光电效应及普朗克常数的测定 【实验简介】 光电效应在证实光的量子性方面有着重要地位。1905年爱因斯坦在光量子假说的基础上圆满地解释了光电效应。十年后密立根以精确的光电效应实验证实了爱因斯坦的光电效应方程，并测定了普朗克常数。今天光电效应已广泛地应用于各科技领域。利用光电效应制成的各种光电器件已成为生产和科研中不可缺少的器件。 【实验目的】 1. 通过光电效应基本特性曲线的测量，加深对光的量子性的理解。 2. 验证爱因斯坦光电效应方程，并测定普朗克常数。 【预习思考题】 1. 什么是光电效应?它具有什么实验规律? 2. 什么是截止电压?如何用实验来测定? 3. 如何利用光电效应测定普朗克常数？ 【实验仪器】 汞灯、光电管暗盒（包括光电管、滤色片及小孔光栏）、THQPC-1微电流测试仪 【实验原理】 1．光电效应及其实验规律 当光照射到金属表面时，金属中有电子逸出的现象称为光电效应。研究光电效应的实验原理图如图 4.5.1。当单色光入射到光电管阴极K时，阴极上会有(光)电子逸出。部分光电子会到达阳极A，形成光电流。通过改变外电场的大小和方向，以及选择不同频率的单色光入射，得到光电效应的实验规律： 图 4.5.1 图 4.5.2 1.1 饱和光电流与入射光强成正比。如图 4.5.2； 1.2 光电效应存在一个截止频率，当入射光的频率时，不论光的强度如何 都没有光电子产生； 1.3 光电子的初动能与入射光的频率成正比，与入射光强无关，； 1.4 光电效应是瞬时发生的，，与入射光强无关。 对于这些实验事实，经典的波动理论无法给出圆满的解释。 2．爱因斯坦光量子理论 爱因斯坦受普朗克量子假设的启发，提出了光量子理论并成功地解释了光电效应：频率为的光由能量为的粒子组成，这些粒子称为光子。光入射到金属表面时，一个光子的能量通过碰撞立即被一个电子吸收，只要电子获得的能量足以克服金属对它的束缚能（即逸出功），即可瞬间产生光电效应。根据能量转化与守恒定律，逸出电子的初动能与入射光频率和金属逸出功的关系为 （4.5.1） 即爱因斯坦光电效应方程。其中为普朗克常数，公认值为，为入射光频率，为电子质量，为电子逸出金属表面时的最大初速度，为金属材料的逸出功。 3．普朗克常数的测定 使光电流为零而在光电管两端所加的反向电压被称为截止电压，如图4.5.2。由爱因斯坦光电效应方程（4.5.1）和截止电压与电子最大初动能的关系可得到截止电压与入射光频率的关系 （4.5.2） 显然，选择不同频率的光入射，测量相应的截止电压，得到两者的线性关系，由斜率和截距可得到普朗克常数和金属材料的逸出功。 4．截止电压的确定 由于热电子发射、光电管极间漏电、本底电流及阳极产生的反向光电流等因素的影响，使实际测得的光电流曲线下移，故截止电压并非是电流为零时的电压，而是实测曲线两线性段之间的弯曲联接处，即截止电压对应的是曲线上反向电流部分斜率变化很大时的电压，如图4.5.3。 图4.5.3 【实验内容与步骤】 1．开机准备 1.1 连接好光电管暗盒与微电流测定仪之间的接线。开启汞灯、微电流测定仪使它们预热。 1.2 调整微电流测定仪。先调整零点：调节量程旋钮指向调零位置，调节调零旋钮，使微电流指示为零。后校正满度：调节量程旋钮指向满度位置，调节满度旋钮，使微电流指示为。 2．测量光电管在不同波长光照射下的特性 2.1 调节光电管暗盒与光源距离约，转动滤色片圆盘使光通过短波滤色片，其波长由盘上读出。 2.2放大器倍率置于，先粗侧一下在该光光照下光电管的特性，确定出合理的实验点、电压的测量范围。（选取实验点时应注意：在光电流发生突变的地方应多测几个数据点）；测出该波长光照下光电管的特性曲线。 2.3 换用不同的滤色片，选择其它波长的光照射，重复步骤2.2，测出其它波长光照射下光电管的特性曲线。 2.4 在坐标纸上绘制不同波长的光照射下光电管的特性曲线。 3．作出关系曲线，求出普朗克常数并与公认值比较，计算其误差。 4．测量不同光强下特性 4.1 分别选取直径为5mm、10mm、20mm的不同光阑孔，测波长为光照下的特性（重点测不同光强下的饱和电流）。 4.2 作