O光电管特性的研究05.doc

实验名称 光电管特性的研究 一、前言 光电效应是指在光的作用下，从物体表面释放电子的现象，所逸出的电子称为光电子。这种现象是1887年赫兹研究电磁波时发现的。在光电效应中，光不仅在被吸收或发射时以能量的微粒出现，而且以微粒形式在空间传播，充分显示了光的粒子性。 1905年爱因斯坦引入光量子理论，给出了光电效应方程，成功地解释了光电效应的全部实验规律。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。而今光电效应已经广泛地应用于各科技领域，例如利用光电效应制成的光电管、光电倍增管、光电池等光电转换器件，把光学量转换成电学量来测量。光电元件已成为石油钻井、传真电报、自动控制等生产和科研中不可缺少的元件。 二、教学目标 了解光电效应实验的基本规律和光的量子性。 测定光电管的伏安特性，研究光电流强度与加在光电管两极间电压的关系。 测定光电管的光电特性，研究光电流强度与照在光电管阴极上光通量的关系，验证光电效应第一定律。 三、教学重点 通过光电管的伏安特性和光电特性，掌握光电效应的实验原理。 四、教学难点 用最小二乘法拟合光电特性曲线。 五、实验原理 金属或金属化合物在光的照射下有电子逸出的现象，称为光电效应，或称为光电发射。产生光电发射的物体表面通常接电源负极，所以又称为光电阴极，光电阴极往往不由纯金属制成，而常用锑钯或银氧钯的复杂化合物制成，因为这些金属化合物阴极的电子逸出功远较纯金属小，这样就能在较小光照下得到较大的光电流。把光电阴极和另一个金属电极－阳极仪器封装在抽成真空的玻璃壳里就成了光电管。光电管在现代科学技术中如自动控制、有声电影、电视、以及光讯号测量等方面都有重要的应用。 A R V C E K 图1 光电效应实验原理图 G 1905年爱因斯坦提出“光子”概念，光是由一些能量的粒子组成的粒子流。按照光子理论，光电效应是光子与电子碰撞，光子把全部能量（）传给电子，电子获得的能量，一部分用来克服金属表面对它的束缚，另一部分成为该电子（光电子）逸出金属表面后的动能。根据能量守恒有 该式就是著名的爱因斯坦光电效应方程。由于一个电子只能吸收一个光子的能量，该式表明光电子的初动能与入射光的频率呈线性关系，与入射光子数无关。 本实验是利用真空光电管来研究这一实验的基本规律，验证爱因斯坦的光电子理论。实验原理图如图1所示，为光电管的阴极，为光电管的阳极，调节，可在、两极间获得连续变化的电压。光的强弱决定于光子的多少，当用一定强度的光照射到光电管阴极时，光子（）流射到上打出光电子，阴极释放的电子在电场的作用下向阳极迁移，回路中将形成光电流。光电流的大小与光电管两极间电压及光电管阴极的光通量（光通量与光强成正比）都有关。 1、光电流与加速电压的关系 保持光源与光电管的距离一定，如果阳极为高电势，则电子将加速飞向阳极，光电流随两极间的加速电压改变而改变。如图2所示，开始光电流随加速电压增加而增加，当加速电压增加到一定值后，光电流不再增加，这是因为在一定光照度下单位时间内所产生的光电子数目一定，而且这些电子在电场的作用下已全部跑出阳极，从而达到饱和。此时的光电流称饱和光电流，用表示。对不同的光强，饱和光电流与入射光强成正比。 由于光电流从阴极表面逸出时具有一定的初速度，所以，当两极间电压为零时，仍有光电流存在，若阳极为低电势，则电子被减速。当减速电压加到某一值时，飞出的电子被遏制，光电流随之减少为零，此时的减速电压称为临界截止电压（亦称遏止电压）。则有 由爱因斯坦光电效应方程有 图2 光电管的伏安特性 图3 光电管的光电特性 0 0 上式说明临界截止电压与光的强度无光。 2、光电流与阴极表面光通量的关系 设光电管的阴极面积为，阴极与发光强度为的点光源间的间距为，由光度学理论可知，点光源到达的光通量为，该式表明，点光源在光电管阴极表面的光通量与光源的发光强度成正比，与到光源的间距的平方成反比。 当光电管两极间的加速电压在能产生饱和光电流的某一定值时，保持点光源发光强度不变，光电流与阴极表面的光通量的关系可根据该式来进行研究。改变点光源与光电管之间的间距，测出饱和光电流与的关系曲线即可知与的关系。若与的关系为一直线，如图5.12－3所示，即验证了光电流与入射光光通量的线性关系。 实际上，实验中使用的点光源都不是理想的点光源，而具有一定的发光面积，但只要光电管与光源足够远，可以近似地把它看作点光源。 另外，对于一般的光电管，其阴极是蒸镀在玻璃壳内表面的锑铯化合物，因它的逸出功很不均匀，光电流没有一个截止点，又由于光电管结构上的原因，故有下述三种因素产生实验误差： (1) 在光电管的制造中，免不了有些光阴极物