实验一光电效应讲义.docVIP

实验一 光电效应 1887年，赫兹在研究电磁辐射时意外发现，光照射金属表面时，在一定的条件下，有电子从金属的表面溢出，这种物理现象被称作光电效应，所溢出的电子称光电子。由此光电子的定向运动形成的电流称光电流。 1888年以后，W.哈尔瓦克斯、A.Γ.斯托列托夫、P.勒纳德等人对光电效应进行了长时间的研究，并总结出了光电效应的基本实验事实： 1.光强一定时，光电管两端电压增大时，光电流趋向一饱和值。对于同一频率不同光强时，光电发射率（光电流强度或逸出电子数）与光强P成正比，见图1(a)、(b)。 2.对于不同频率的光,其截止电压不同，光电效应存在一个阈频率（截止频率、极限频率或红限频率），当入射光频率低于某一阈值时，不论光的强度如何，都没有光电子产生，见图1（c）。因为在光电效应等方面的杰出贡献，爱因斯坦和密立根分别于1921年和1923年获得诺贝尔物理学奖。 光电效应和光量子理论在物理学的发展史上具有划时代的意义，量子论是近代物理的理论基础之一。而光电效应则可以给量子论以直观鲜明的物理图像。随着科学技术的发展，利用光电效应制成的光电元件在许多科技领域得到广泛的应用，并且至今还在不断开辟新的应用领域，具有广阔的应用前景。 本实验利用“减速电势法”测量光电子的动能，从而验证爱因斯坦方程，并测得普朗克常数。经过本实验有助于进一步理解量子理论。 【实验目的】 1．通过实验了解光的量子性。 2．测量光电管的弱电流特性，找出不同光频率下的截止电压。 3．验证爱因斯坦方程，并由此求出普朗克常数。 【实验原理】 当一定频率的光照射某些金属表面时，可以使电子从金属表面逸出，这就是光电效应现象。1900年德国物理学家普朗克（Plank）在研究黑体辐射时，提出辐射能量不是连续的的假设。1905年爱因斯坦在解释光电子效应时，将普朗克（Plank）的辐射能量不连续的假设作了重大发展。提出光并不是由麦克斯韦（Maxwell）电磁场理论提出的传统意义上的波。而是由能量为的光电子（简称光子）构成的粒子流。他认为光是以能量的光量子的形式一份一份向外辐射。具有能量的一个光子作用于金属中的一个自由电子，光子能量或者被完全电子吸收，或者完全不吸收。电子吸收光子能量后，一部分用于逸出功，剩余部分成为逸出电子的最大动能，如果此能量大于或等于电子摆脱金属表面约束的逸出功，电子就能从金属中逸出。按照能量守恒定律有： （1） （1）式即为爱因斯坦方程，其中为普朗克常量，为光电子频率，表示逸出光电子的最大速率，为光电子逸出金属表面时所具有的最大初动能，为光束照射金属材料逸出功。此式表明：光电子的初动能与入射光的频率有线性关系，而与入射光强度无关。若入射光频率低，光子能量小于逸出功时，将不会产生光电效应。此时对应入射光频率为：????????? (2） 为极限频率。不同金属材料因逸出功不同，其极限频率也各不相同。 本实验采用减速电场法，实验原理如图2所示，当单色光照射到光电管的阴极上时，有光电子逸出。若给阳极加上正向电压，阴极加上反向电压，光电子被加速，光电流增加。而当阴极加上正向电压，阳极加上反向电压时，光电子减速。由于光电子具备初动能，即使不加外加速电压时，仍然有光电子落到阳极。 当光电管加反向电压（反向，正向）光电流减少，直到电压达到时，光电流为0 ，此时没有光电子逸出，称为截止电压。与此对应的光电子最大初动能应等于它克服电场力所做的功。 ?????? ?? ???? ????????????????（3） 光电流与外加电压的伏安特性曲线如图3所示。 图2 实验原理图??? 图3 光电管的I-V特性曲线 将（1）和（2）代入（3）式可得 ?? ?? ??????????????（4） （4）式表明：截止电压与入射光频率是线性关系，只要测出不同频率下的值，做出曲线，该曲线应为一直线，见图4。其斜率为，从而可以求出。 实际测出的曲线较图4复杂，如图5所示： 图4 曲线????? ? 图5?? 曲线 主要影响因素有以下几个方面： 1.暗电流和本底电流： 当光电管在没有受到光照时产生的电流叫做暗电流。它主要是由阴极（）在常温下的电子热运动产生的热电流和光电子等漏电形式下的漏电流组成。本底电流是由于各种漫反射光照