实验13 光电效应和普朗克常数的测定.doc

实验13 光电效应和普朗克常数的测定 光照射到金属或其化合物表面上时，光的能量仅部分以热的形式被金属吸收，而另一部分则转换为金属表面中某些电子的能量，促使这些电子从金属表面逸出来，这种现象叫做光电效应，所逸出的电子称为光电子。光电效应首先是由赫兹发现的，他在从事电磁波实验时，注意到接收电路中感应出来的电火花。当间隙的两个端面受到光照射时，火花要变得更强些。后来证实赫兹所观察到的电火花加强的现象，是在光的照射下金属表面发射电子的结果。 1900年，普朗克在研究黑体辐射问题时，先提出了一个符合实验结果的经验公式，为了从理论上推导出这一公式，他采用了玻尔兹曼的统计方法。假定黑体内的能量是由不连续的能量子构成，能量子的能量为h(。能量子的假说具有划时代的意义，但是无论是普朗克本人还是他的许多同时代人当时对这一点都没有充分认识。爱因斯坦以他惊人的洞察力，最先认识到量子假说的伟大意义并予以发展。1905年，在其著名论文《关于光的产生和转化的一个试探性观点》中写道：“在我看来，如果假定光的能量在空间的分布是不连续的，就可以更好的理解黑体辐射、光致发光、光电效应以及其它有关光的产生和转化的现象的各种观察结果。根据这一假设，从光源发射出来的光能在传播中将不是连续分布在越来越大的空间之中，而是由一个数目有限的局限于空间各点的光量子组成，这些光量子在运动中不再分散，只能整个的被吸收或产生”。作为例证，爱因斯坦由光子假设得出了著名的光电效应方程，解释了光电效应的实验结果。1916年密立根用光电效应实验验证了爱因斯坦的光电效应方程，并测定了普朗克常量。爱因斯坦和密立根都因为光电效应方面的杰出贡献，分别获得1921年和1923年诺贝尔物理学奖。光电效应实验对于认识光的本质及早期量子理论的发展，具有里程碑式的意义。 实验目的和学习要求 1.了解光电效应的实验规律，加深对光的量子性的理解。 2.测量普朗克常数和光电管的伏安特性曲线。 3.了解光电效应实验仪的组成结构及使用方法。 验证光电效应第一定律。 实验原理 研究光电效应的实验装置如图13-1，在抽成真空的玻璃管中，装有阴极金属板K和阳极A。当入射光通过石英窗口照射到光电管阴极金属板K上时，能使金属板中的电子从金属表面释放出来，这种电子称为光电子。如果在A与K两端加上电势差，则光电子在加速电场作用下向阳极A迁移，形成实验回路中的光电流，光电流的强弱可由电流计读出。改变外加电压UAK，测量出光电流I的大小，即可得出光电管的伏安特性曲线。实验表明，在一定的条件下，光电流的大小与光辐射强度具有普遍的规律，利用光电效应的规律性可设计制成各种光电探测器件。 1.光电效应的基本特征和规律 1）弛豫时间 从光照开始到光电流出现的弛豫时间非常短，光电流几乎是在光照下立即发生的。弛豫时间不超过10-9秒，与光强度无关。只要有一个具有一定能量的光量子照射到阴极金属板上，就会有一个相应的光电子产生。每个光电子的能量是从入射光中一次性获得的，而不是多次积累的结果。 2）截止电压 入射光的频率ν与强度Ι一定时，加速电势差UAK愈大，产生的光电流i也愈大；当加速电势差UAK增加到一定量值时，光电流达到饱和值IH。如果增加入射光的强度，在相同的加速电势差下，光电流的值也愈大，相应的饱和电流值也增大。如果降低加速电势差UAK量值，光电流也随之减小；当UAK减小到零并逐渐变负时，光电流一般并不等于零。这表明从阴极释放出的电子具有一定的初动能，它们仍能克服减速电场的阻碍使一部分电子到达阳极。实验表明，当反向电势差继续加大到一定量值Ua时，光电流便降为零。使光电流降为零时的反向截止电势差的绝对值Ua叫遏止电势差。对应于某一频率，光电效应的I—UAK关系如图13-2所示。从图中可见，对一定的频率，有一电压U0，当UAK≦U0时，电流为零，这个相对于阴极的负值的阳极电压U0，被称为截止电压。 3）饱和电流 当UAK≧U0 后，I迅速增加，然后趋于饱和，饱和光电流IM 的大小与入射光的强度成正比。 光电效应的第一个结论：照射光的频率与极间端电压U一定时，饱和光电流i与入射光强I成正比。或者说在光照下，单位时间内从阴极飞出的光电子数与入射光强度成正比。 即 4）截止频率（红限） 遏止电势差的存在，表明光电子从金属表面逸出时的初动能具有一定的限度。如果改变入射光的频率，遏止电势差也随之改变。实验结果指出：遏止电势差和入射光的频率之间具有线性关系。 光电效应的第二个结论：光电子从金属表面逸出时具有一定的动能，最大初动能与入射光的频率成正比，而与入射光的强度无关。 其中m是电子的质量，Vm是光电子的最大初速，e是电子电荷。 当入射光的频率低于某一频率ν0时，遏止电势差Ua减小到0。这时无论光强有多大，照射时间有多久，光电效