光电效应实验.doc

光電效應實驗 【目的】 利用光電效應說明光有粒子的特性，並由截止電位與光波頻率的關係，求出planck常數。 【原理】 光具有粒子和波的雙重性(duality)，然而這兩種特性不會在同一時候出現。當我們觀察到光的波動性質時，我們一定觀察不到粒子的特性。反之，當我們觀察到光的粒子性質時，它就顯不出波動特性來。本實驗係利用光電效應，說明光具有粒子特性。 在室溫中的金屬導體裡，存在著為數相當多的電子，它們可以在導體中不受拘束的自由運動，我們稱這些電子為自由電子。自由電子在導體內的位能，比在導體表面外的位能為低。即使自由電子具有動能，在室溫下並不容易脫離金屬表面。但是當金屬中的電子藉由加熱，或用光照射等方法，可以使它們的動能增加，一旦動能大到某一程度時，電子就得以脫離金屬表面。以波長適宜的光照射金屬表面時，電子吸收了光的能量會脫離金屬表面的現象，稱為光電效應(photoelectric effect)。此自金屬表面脫離的電子，稱為光電子(photoelectrons)。光電子形成的電流稱為光電流(photoelectric current)。 圖一(a)是光電效應實驗的基本裝置，稱為光電管(photoelectric tube)。在真空玻璃罩內以導線架一片金屬板E及光電子收集板C，光線經過真空罩透明的石英窗射向金屬板而產生光電子，若將E及C在罩外與電流計A和可變電池V串聯，則由C收集的光電子產生的光電流可從電流計A讀出。 圖二表示光電管中之光電流i與外加電壓V及入射光強度間的關係圖形。曲線b的入射光強度是曲線a的二倍，但兩者之入射光頻率相同。由圖中可知，當外加電壓V增加時，光電流i亦增大;但當V增至某值後，光電流i就達一飽和值不再變大;此乃因由E射出的光電子已悉數為C板所收集，所以再增加電壓也無法增加光電流。當入射光強度加倍時，飽和光電流也加倍，此顯示金屬表面E在單位時間內所釋放的光電子數目與入射光強度成正比。圖中也顯示，當外加電壓為V為零時，仍有光電流。即使將電壓V的正負號反轉，如圖一(b)所示，C板的電位低於E板時，光電流也不立即降為零。這都證明自E板脫離的光電子有一定的速度，即使電場方向阻止電子運動，有些電子仍然可以抵達C板。但此反向電壓增至某值()時，光電流即降為零。此()值稱為截止電位(stopping potential)。此截止電位()與光電子電荷e的乘積，乃表示由金屬表面射出之光電子中所具有的最大動能，即 (1) 其中e為電子的帶電量。E=1.6庫侖。而此動能的來源為電子吸收了光子的能量後，再克服金屬的功函數而得到的，故 = (2) 由(1)(2)式可得 = 兩端同除e得 (3) 由(3)式可得如圖三，在的圖形為直線，且斜率即為。故將斜率再乘上e，即可得到planck常數了。(理論值:) 由(2)式可看出，當電子之最大動能為0時，即 ==0 此時，稱為截止頻率(cut-off frequency) 若ν增加，則可產生光電子。 若ν減少，則，無法產生光電子。 由以上討論可知，若一頻率為ν的光(即能量為的光子) 打在金屬表面時，只有之情況下才會產生光電子。在，增大光的強度(intensity)或增長照光時間，只是增多光子的數目，但每個光子仍只有的能量，所以金屬仍無法釋出光電子，亦沒有光電流出現。 在圖二中，曲線a及b有相同的截止電位，故入射光頻率一定時，截止電位及光電子最大動能均與入射光強度無關。 【儀器】 水銀燈組（含光柵/聚焦鏡片）、光陰極組、三用電錶(使用直流” DC ”檔)、百分比濾光鏡片、黃色濾光鏡片、綠色濾光鏡片、雙頭香蕉插連接線2條、如圖四(a)(b)所示。 【注意】 水銀燈組具高電壓及高溫，勿任意碰觸，有任何問題應立即向助教提出。 實驗須在暗室中進行。 本設備乃是利用電容充電原理，所以可以直接讀到截止電位。如圖四裝置圖，光線可經光柵分光成數條頻率不同的色光，分別對應表中的波長及頻率。 使用燈源時，切勿反覆開關。打開之後，至實驗結束方可關閉。 【步驟】 實驗(一): 本部分實驗使用二條紫外光束，分別改變其強度來觀察不同頻率的光，在不同之強度下，對截止電位的影響。 實驗開始，使用雙頭香蕉插連接線2條，將三用電表連接到光陰極組面板上方的BATTERY TEST插孔，測量電池直流電壓，如果低於14V，請找助教更新電池。再將三用電表連接到光陰極組面板下方OUTPUT輸出插孔，即可開始測量截止電壓。 轉動光陰極組，使第一條紫外光進入狹縫，再進入光陰極組內光電管上的白色塑膠套的小洞。可調整光柵/聚焦鏡片的距離，使色光更清晰。 將百分比濾光鏡(附有磁鐵)吸附在狹縫之