试验光电效应.doc

光電效應 目的：証驗光之粒子說，並測量Planck constant h。 裝置： 儀器： 編　號 數量 PHYS 401 PHYS 402 PHYS 403 PHYS 404 PHYS 405 PHYS 406 PHYS 407 PHYS 408 PHYS 409 1 穩壓電源供應器( 1安培 ) 黑盒子光學裝置 可變電阻 雙用電表 穩壓電源供應器( +15V ~ -15V ) 電流放大器 微電流計 1K?2﹪電阻 汞燈 1 1 1 1 1 1 1 1 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。 　　　圖三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正是圖三中求之斜率。 如果我們只將光看成一平面波的話，就很難解釋為甚麼V0和頻率成正比了。光電效應有一個特性，非用量子假設來說明不可。即若我們以強度非常小的光照光電管的陰極，h?只要大於陰極的功函數，則一定會有光子釋出。從實驗來看陰極受到光照射到釋出電子的時間非常短。如果只將入射光看成一平面波的話，由於一個原子的截面積非常小，因此從很微弱的入射光擷取的能量也非常小，這些微弱的能量必須積聚的夠久才能讓電子克服功函數跑出來，這顯然和實驗結果是相違背的。 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，以免外界光源造成極大的光電流燒壞電流計。 　 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)