实验32光电效应法测普朗克常数.PDFVIP

·272· 实验 32 光电效应法测普朗克常数 量子论是近代物理的基础之一，给予量子论以直观、鲜明物理图像的是光电效应。随 着科学技术的发展，光电效应已广泛应用于工农业生产、国防和许多科技领域。普朗克常 数（公认值 3410626075.6 ?×=h J·s）是自然界中一个很重要的普适常数，它可以用光电效 应法简单而又较准确地求出。所以，进行光电效应实验并通过实验求得普朗克常数有助于 我们了解量子物理学的发展及对光的本性认识。 光电效应是在 19世纪末，物理学家赫兹用实验验证电磁波的存在时，发现了这一现象。 随后人们对它进行了大量的实验研究，总结出了一系列的实验规律。但是，这些实验规律 都无法用当时人们所熟知的电磁波理论加以解释。 1905年，爱因斯坦大胆地把普朗克在进行黑体辐射研究过程中提出的辐射能量不连续 观点应用于光辐射，提出“光量子”概念，从而成功地解释了光电效应的各项基本规律， 使人们对光的本性认识有了一个飞跃，建立了有名的爱因斯坦方程式。1916年密立根通过 光电效应对普朗克常数的精确测量，证实了爱因斯坦方程的正确性。 爱因斯坦与密立根都因光电效应等方面的杰出贡献，分别于 1921年和 1923年获得了 诺贝尔奖。 【预习提要】 （1）什么是光电效应?它具有什么实验规律?光电效应的伏安特性含义是什么? （2）什么是截止电压?如何用实验来测定? （3）什么是截止频率?如何用实验来测定? （4）本实验中如何测定普朗克常量? 【实验要求】 （1）学习测定普朗克常量的一种实验方法。 （2）学习用滤色片获得单色光的方法。 （3）学习用实验研究验证理论的方法，加深对光电效应和光量子理论的理解。 【实验目的】 用光电效应测定普朗克常量。 【实验器材】 普朗克常量测定仪及其配套器材（包括光电管、高压水银灯、不同频率的滤色片和微 电流放大器等）。 ·273· 【实验原理】 光照射在金属表面时释放出电子的现象称为光电效应，这种电子称为光电子，由它形 成的电流称为光电流。 光电效应的实验原理如图 4-32-1所示。在阳极 A和阴极 K之间加一可以改变极性的电 压 U，电路还连接有电流计 G、伏特表 V和电池组 E。实验有以下规律： （1）饱和电流强度 MI 与光强 P成正比。 入射光频率一定时，光电流随两极电压的增加而增大，但当电压 U增加到一定值时， 光电流不再增加，达到一饱和值 MI ， MI 与光强 P成正比。当加速电压 U减小到零并逐渐 为负值时，光电流减小，但不为零，只有反向电压值等于 aU ，光电流才等于零。电压 aU 称 为截止电压，也称遏止电压。 入射光频率一定，光强不同时，两极电压 U与光电流的关系图称为光电效应的伏安特 性曲线，如图 4-32-2所示。图 4-32-4是不同频率，同一光强的伏安特性曲线。 光电子释放时的最大初动能与截止电压 aU 的关系可由功能原理得知 aeUmv = 2 2 1 （4-32-1） 式中，m和 e分别是电子的质量和电量；v是电子释放时的速度。 图 4-32-1 光电效应实验原理图 图 4-32-2 光电管的伏安特性曲线 （2）光电子的初动能与入射光的频率ν 成正比，与光强无关。 不同有入射光频率有不同的初动能，即不同的入射光频率对应着不同的截止电压 aU 。 而且存在一个阀频率 0ν ，当入射光频率 0νν 时，无论光强多大，都不能释放出光电子， ·274· 故 0ν 又称为截止频率。图 4-32-3是截止电压与光频率的关系图。 图 4-32-3 截止电压与光频率关系曲线 图 4-32-4 不同ν 的伏安特性曲线 （3）光电效应是瞬时效应，当 0νν ≥ 时，一旦有光照射，立即产生光电子。按爱因斯 坦方程有 Ahmv ?= ν2 2 1 （4-32-2） 式中，h 是普朗克常量，公认值为 3410626.6 ?× J·s；ν 为入射光频率；A 为受光照射金属 表面的逸出功。 由式（4-32-1）与式（4-32-2）有 AhmveUa ?== ν 2 2 1 即 2 A e hUa ?= ν （4-32-3） 由式（4-32-3）可知，对于不同频率的单色光照射同一光电管（h、e和 A 一定）可得 不同的遏止电压。这从对应的伏安特性曲线亦可看出，如图 4-32-4所示。更确切地说，遏 止电压 aU 是入射单色光频率ν 的线性函数。在直角坐标中作ν ~