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光电效应及Planck常数的测定 时间:2010-04-22 22:50来源:未知 作者:admin 点击: 次 　　量子论是近代物理的基础之一，光电效应给量子论以直观、鲜明的物理图象。随着科学技术的发展，光电效应已在电视、传真、自控等诸多领域有广泛的应用。Planck常数（公认值h＝6.626176×10-34J.S）在近代物理学中占有重要的地位，它可以用光电效应简单而又较准确求出。 目的1．通过光电效应加深对光的量子性的了解。2．验证Enstein方程，并测定Planck常数。 实验原理 　　当一定频率的光照射到某些金属表面时，可以使电子从金属表面逸出，这种现象称为光电效应，所逸出的电子称为光电子。光电效应是光的经典电磁理论所不能解释的。1905年，Entein依据Planck的能量子假说提出了光子的概念，使光电效应所有的实验结果得以圆满解释。他认为光是一种粒子（即光子），频率为n的光子具有能量Ｅ=hn，当金属中的电子吸收一个频率为n的光子时，便获得能量hn，如果该能量大于电子摆脱金属表面约束所需要的逸出功A，电子就会从金属中逸出。根据能量导恒定律有： 　　　（１） 　　上式称为Enstein方程，其中m,Vmax是光电子的质量和最大速度，是光电子逸出表面后所具有的最大功能。如果光子能量hn小于A时，电子不能逸出金属表面，从而没有光电效应产生；产生光电效应的最低频率n0=A/h，称为光电效应的截止频率（又称红限）。不同金属有不同的截止频率，因为它们的逸出功各不相同。 　　对于Enstein的假说，R.A.密立根从1905年Enstein的论文问世后经过十年左右艰苦卓绝的工作，1916年发表详细的实验论文，证实了Enstein方程，并精确测出了Planck常数。A.Enstein和R.A密立根都因光电效应等方面的贡献，分别于1921年和1923年获得诺贝尔奖金。 　　按照R.A.密立根实验思路，要求精确测定光电子最大动能和入射光频率之间的关系。实验采用图1所示的原理。用不同频率的单色光照射光电管阴极K，用“减速电位法”测定阴极发射光电子的最大动能：当阳极A的负电位较小时，光电子损失一部分功能后，仍然可以达到阳极，形成的光电流由微电流测试仪 G测出。阳极的负电位逐渐增大，光电流会随之变小；当阳极Ａ的负电位增大到某一值时，使动能最大的光电子刚好不能克服减速电场到达阳极，光电流降为零（如图2所示），这时有关系式： 　　这个使光电流刚刚降为零的电压Uc称为截止电压。由此，方程（1）可改写成： 　　 即　　　　　　　　（２） 　　　　图１　实验原理图　　　　　图２　一定频率光下Ｉ－Ｕ曲线 　　它表示Uｃ与n间存在线性关系，其斜率等于h/e，因而可以从对Uc与n的数据分析中求出Planck常数。 光电效应实验验证Enstein方程，测定Planck常数，原理比较简单，但实际工作需要排除一些干扰，才能获得具有一定精度并且可以重复的结果。主要的影响因素有： 1．暗电流：光电管在没有受到光照时也会产生电流，称为暗电流，主要来自光电管极的热电子发射。 2．反向电流：光电管的两极材料不同，在工业制作过程时，阳极A往往溅有阴极材料。当光射到A上时，阳极A往往也有电子发射；此外来自阴极的电子也有被阳极表面反射的可能。当对阴极电子加负压使之减速时，对来自阳极的电子却起了加速的作用，从而使之到达阳极，形成反向电流。由于上述因素的干扰，实测光电效应为阴极电流、暗电流和反射电流之和（图3）。由于反向电流和暗电流的存在，使得截止电压的测定变得困难。对于不同的光电管，应根据I-Ｕ曲线的特点，选用不同的方法确定截止电压。这里介绍一种较为简单确定截止电压的方法。 本实验选取的GD31A型光电管，在截止电压附近阳极光电流上升很快，从I-U曲线中找出电流开始变化的“抬头点”，用来确定截止电压Uc。实验中一般采用切线交会法，即将变化缓慢的暗电流和反向电流的切线与光电流上升得快曲线的切线相交，对应的反向电压即为截止电压Uc。 实验仪器 　　各器件安装在一个700×150×60mm的工作台上（在箱体内部有DC12V稳压电源和AC220V/8V变压器）。 　　图4表示实验装置的光电原理。光源：12V，75W卤钨灯；风扇：DC12V 0.17A，供光源散热用；聚光器：由f’=50mm和f’=70mm两个透镜组成；单色仪：1型，光栅式；光电管：GD31A型；直流稳压电源：±1.8V，用数字电压表；测量放大器：为电流放大，4档倍率转换，磁电式100μA电流计。 　　卤钨灯S发出的光束经透镜L会聚到单色仪M的入射狭缝上，从单色仪出射狭缝发出的单色光投射到光电管PT的阴级金属板K，释放光电子（发生光电效应），A是集电级（阳极）。由光电子形成的光电流经放大器AM放大后可以被微