实验一光电效应.doc

光電效應 目的 証驗光之粒子說，並測量Planck constant h。 原理電磁輻射本身是以不連續的單位存在。這樣的單位我們稱它為光子，每個光子不但帶有固定的能量，也帶有固定的動量。我們可以定義光子的能量為E=ｈ(，因此當E=nｈ(時，顯然為n個光子所具有的能量。許多金屬，當受光照射時，就會放出電子，而可匯集成電流，入射光之強度對放出之電子數及能量之關係，可以用實驗測出來。如圖1.，便是一個基本光電管裝置線路：當光照射光電管中的金屬層Ｃ時，此金屬便釋出光電子被環形白金線圈Ａ吸收，並且可測量出一電流Ip。在Ａ和Ｃ之間，可加上不同的電壓值Ｖ，變動Ｖ及入射光之頻率與強度，我們便可得到許多不同的Ip值。 實驗的結果是：如果保持入射光的強度與頻率不變，只變動V則當V(０時(A 之電壓較C為高)，且達到某一值，Ｉ之讀數幾近於一飽和值，稱此飽和電流 值為Im。當V由正轉負時，則Ｉ之讀數漸漸減低，直到V=-V0時，電流完 全截止，電流與電壓之關係，如圖2.所示。如果改變入射光之頻率與強度,則可 看出Im與光之強度成正比，但V0卻與光強度無關，而與光頻率成線性關係， 如圖3.所示。 　　　 圖3以古典波動理論無法解釋，但可用量子論解釋，這便是愛因斯坦著名的光 　　　電效應： 　　　根據量子假設，射到光電管陰極之單色光是一群光子，每個光子的能量E=ｈ(　　 　　　故光之強度越大時，光子之數目便越多，每個光子，當進入金屬表面後，其能 量就完全消耗於激發一個電子，使其能量增加，甚至有足夠的能量跑出來。由 於原子之靜電場，電子欲擺脫束縛所需之能量為eW，W稱為功函數，當能量 為ｈ(之光子將一個電子釋放出來時，電子動能Ｔ=1/2mev2=h(-eW。如光電子 管帶正電壓，則這些電子正好被陽極吸收，造成電流。當入射光強度越大時， 則光子之數目越多，因此被釋放之電子數目也越多，亦即電流越大。當光電流 的陽極帶負電壓時，這個負電壓正足以減速被釋放之電子。因此，截止電壓-V0 遵從 eV0=T=h(-eW 或 V0= h(/e-W 其中h/e正是圖3中求之斜率。 ，V0和頻率成正比了。，。，h(， 圖4 儀器接線圖 A.直流電源供應器B.電流放大器C.三用電表(讀偏壓用) D.三用電表 (讀光電流信號用) E.黑盒子 圖5 1.汞燈 2.窗口 3.透鏡 4.狹縫 5.透鏡 6.錂鏡 6’.窗口 7.反射鏡 8.輸出輸入端 9.調整用螺旋臂 10.狹縫 11.透鏡 12.光電管 實驗步驟 1.4，首先開啟汞燈及電風扇(汞燈源旁一定要使用電風扇散熱。實 驗結束時，請先關閉汞燈源，等到燈泡冷卻後，才關掉電扇)。 2.調整狹縫(4)使其在透鏡(3)光的聚焦處。調整透鏡(5)使光經反射鏡(7)反射後可在 狹縫(10)處得到聚焦清晰的汞燈光譜線。調整透鏡(11)找出譜線在光電管陰極上 為聚焦最好的情況，調整反射鏡(7)的角度尋找聚焦鑑定率良好之色光：紅、橙、 綠、藍，紫。 3.蓋上黑盒子，並封閉所有光源入口，確定所加逆向偏壓為零，調整電流放大器， 使其在10-11 安培歸零，然後將電流檔調回10-9 安培並歸零。 (黑盒子在打開狀態時，電流放大器千萬不要打開，以免外界光源造成極大的光 電流燒壞電流計。) 4.打開汞燈光源，測量紫光零偏壓時的光電流。 5.調大正向偏壓(微緩地)，觀察並記錄光電流與正向偏壓之關係。 6.調大反向偏壓，同樣觀察並記錄光電流與反向偏壓之關係，並且記錄截止電 壓值－ＶＯ(I=0)。 7.用迴歸分析法求出如圖2 及圖3 之圖形。 8.以其他的光譜線(藍、綠、橙、紅等光)，重複步驟3、4、5、6 (適時變換檔位來 量測，但每變換一檔位時，都要重新歸零)。 預習問題 請解釋何謂功函數(work function)?請你找一下資料（圖書館、網路、或課本…），找出 銫(Cs)、鋁和金個別的功函數大小，並計算其能量對應的光子波長。 問題與討論 請迴歸曲線求出普朗克常數h，並算出誤差。 light A C Ip V + — 圖1 I -V0 Im V V0(volts) 圖2 圖3 8 7 6’ 6 5 4 3 2 1 9 12 11 10