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实验原理
光电效应
当一定频率的光照射到某些金属表面上时,可以使电子从金属表面逸出,这种现象称为光电效应。所产生的电子,称为光电子。光电效应是光的经典电磁理论所不能解释的。当金属中的电子吸收一个频率为的光子时,便获得这光子的全部能量,如果这能量大于电子摆脱金属表面的约束所需要的脱出功W,电子就会从金属中逸出。按照能量守恒原理有:
hν=
上式称为爱因斯坦方程,其中和是光电子的质量和最大速度,12mvm2是光电子逸出表面后所具有的最大动能。它说明光子能量小于W时,电子不能逸出金属表面,因而没有光电效应产生;产生光电效应的入射光最低频率0=W/,称为光电效应的极限频率(又称红限)。不同的金属材料有不同的脱出功,因而υ0也是不同的。由(1)式可见,入射到金属表面的光频率越高,逸出的电子动能必然也越大,所以即使阴极不加电压也会有光电子落入阳极而形成光电流,甚至阳极电位比阴极电位低时也会有光电子落到阳极,直至阳极电位低于某一数值时,所有光电子都不能到达阳极,光电流才为零。这个相对于阴极为负值的阳极电位 U0
显然,有
eU0-12m
代入(1)式,即有
hν=eU0+W
由上式可知,若光电子能量 hν<W,则不能产生光电子。产生光电效应的最低频率是 ν0=Wh
U0
上式表明,截止电压 U0是入射光频率 ν的线性函数,如图2,当入射光的频率 ν=v0时,截止电压
h=ek (5)
由此可见,只要用实验方法作出不同频率下的 U0-ν曲线,并求出此曲线的斜率,就可以通过式(5)求出普朗克常数 h
图2 U0-v 直线
2. 光电效应的伏安特性曲线
图3是利用光电管进行光电效应实验的原理图。频率为ν、强度为P的光线照射到光电管阴极上,即有光电子从阴极逸出。如在阴极K和阳极A之间加正向电压UAK,它使K、A之间建立起的电场对从光电管阴极逸出的光电子起加速作用,随着电压 UAK的增加,到达阳极的光电子将逐渐增多。当正向电压 UAK增加到
图3 光电效应原理图
由于光电子从阴极表面逸出时具有一定的初速度,所以当两极间电位差为零时,仍有光电流I存在,若在两极间施加一反向电压,光电流随之减少;当反向电压达到截止电压时,光电流为零。
图4 入射光频率不同的I-U曲线
图5 入射光强度不同的I-U曲线
爱因斯坦方程是在同种金属做阴极和阳极,且阳极很小的理想状态下导出的。实际上做阴极的金属逸出功比作阳极的金属逸出功小,所以实验中存在着如下问题:
(1) 暗电流和本底电流。当光电管阴极没有受到光线照射时也会产生电子流,称为暗电流。它是由电子的热运动和光电管管壳漏电等原因造成的。室内各种漫反射光射入光电管造成的光电流称为本底电流。暗电流和本底电流随着K、A之间电压大小变化而变化。
(2) 阳极电流。制作光电管阴极时,阳极上也会被溅射有阴极材料,所以光入射到阳极上或由阴极反射到阳极上,阳极上也有光电子发射,就形成阳极电流。由于它们的存在,使得I~U曲线较理论曲线下移,如图6所示。
图6 伏安特性曲线
五、 数据记录与处理
1、零电流法测h
滤色片波长λ/nm
365.0
404.7
435.8
546.1
577.0
过滤色片后光的频率ν/×1014
8.214
7.408
6.879
5.490
5.196
电压示数U/V
第一组
1.630
1.333
1.122
0.522
0.388
第二组
1.631
1.334
1.118
0.523
0.389
第三组
1.628
1.333
1.118
0.522
0.387
第一组:普朗克常数:6.65×10-34J
第二组:普朗克常数:6.64×10-34J
第三组:普朗克常数:6.64×10-34J
2、补偿法测h
滤色片波长λ/nm
365.0
404.7
435.8
546.1
577.0
过滤色片后光的频率ν/×1014
8.214
7.408
6.879
5.490
5.196
电压示数U/V
1.638
1.339
1.122
0.521
0.390
普朗克常数:6.68×10-34J
3、伏安特性曲线
见下页。
六、思考讨论
1、什么是光电效应,及内,外光电效应和单光子,多光子光电效应。
当一定频率的光照射到某些金属表面上时,可以使电子从金属表面逸出,这种现象称为光电效应。所产生的电子,称为光电子。
常说的光电效应是外光电效应,即电子从金属表面逸出。内光电效应是光电效应的一种,主要由于光量子作用,引发物质电化学性质变化。内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应。光电导效应:当入射光子射入到半导体表面时,半导体吸收入射光子产生电子空穴对,使其自生
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