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实验一、光电效应
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 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
會再補儀器接線圖及部分特寫圖
實驗步驟
壹.
1.裝置及線路如圖4、5,注意事項如下:
(1)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,俟燈泡冷 卻後,才關掉電扇)。
(2)緊緻黑盒子打開狀態時,電流放大器千萬不要打開,以免外界光源造成大光電流燒壞電流計。
2.調整狹縫(4)使其在透鏡(3)聚焦處。
3.調整透鏡(5)及稜鏡(6)使其在窗口(6’)得到較集中之可見光譜(可以清晰地得到)
4.調整反射鏡(7)及透鏡(10)使得成像在光電管陰極上(先順時針調整旋臂(9)至最
緊處,再調整反射鏡及透鏡(10),找出紅光聚焦最好時之狀況,然後固定反射鏡
及透鏡(10),再逆時針尋找聚焦鑑定率良好之色光:橙、黃、綠、藍,確定要能
看到紫光(很微弱))。
5.蓋上黑盒子,並封閉所有光源入口,確定所加逆向偏壓為0,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。
6.打開汞光源,測量紫光之零偏壓的光電流。
7.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。
8.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)。
9.使用迴歸分析法求出如圖2.及圖3.之圖形。
10.適當地變換檔數,找出藍光、綠光、黃光、紅(可以找出靛及橙光的話更好)
零偏壓時的光電流大小,重覆步驟、5、6、7、8、9(記得每變換一檔數時,都
要重新歸零)。
light
A
C
Ip
V
+ —
I
-V0
Im
V
V0(volts)
圖2 圖3
8 7 6’ 6 5 4 3 2 1
9
12
11
10
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