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光电效应
【实验目的】
(1)了解光电效应的规律,加深对光的量子性的认识。(2)测量普朗克常量h。【实
验仪器】
zky-gd-4光电效应实验仪,其组成为:微电流放大器,光电管工作电源,光电管,滤色
片,汞灯。如下图所示。
【实验原理】
光电效应的实验原理如图1所示。入射光照射到光电管阴极k上,产生的光电子在电场
的作用下向阳极a迁移构成光电流,改变外加电压,测量出光电流i的大小,即可得出光电
管的伏安特性曲线。光电效应的基本实验事实如下:
(1)对应于某一频率,光电效应的i-有一电压u0,当电压。
(2)当成正比。
≧
≦
关系如图2所示。从图中可见,对一定的频率,
时,电流为零,这个相对于阴极的负值的阳极电压u0,被称为截止
后,i迅速增加,然后趋于饱和,饱和光电流im的大小与入射光的强度p
(3)对于不同频率的光,其截止电压的值不同,如图3所示。(4)截止电压u0与频率的
关系如图4所示,
与成正比。当入射光频率低于某极
限值生。
(随不同金属而异)时,不论光的强度如何,照射时间多长,都没有光电流产
(5)光电效应是瞬时效应。即使入射光的强度非常微弱,只要频率大于
,在开始照
射后立即有光电子产生,所经过的时间至多为秒的数量级。
按照爱因斯坦的光量子理论,光能并不像电磁波理论所想象的那样,分布在波阵面上,
而是集中在被称之为光子的微粒上,但这种微粒仍然保持着频率(或波长)的概念,频率为
的光子具有能量e=h,h为普朗克常数。当光子照射到金属表面上时,一次被金属中
的电子全部吸收,而无需积累能量的时间。电子把这能量的一部分用来克服金属表面对
它的吸引力,余下的就变为电子离开金属表面后的动能,按照能量守恒原理,爱因斯坦提出
了著名的光电效应方程:
(1)
式中,a为金属的逸出功,为光电子获得的初始动能。
由该式可见,入射到金属表面的光频率越高,逸出的电子动能越大,所以即使阳极电位
比阴极电位低时也会有电子落入阳极形成光电流,直至阳极电位低于截止电压,光电流才为
零,此时有关系:
(2)
阳极电位高于截止电压后,随着阳极电位的升高,阳极对阴极发射的电子的收集作用越
强,光电流随之上升;当阳极电压高到一定程度,已把阴极发射的光
电子几乎全收集到阳极,再增加
时i不再变化,光电流出现饱和,饱和光电
流的大小与入射光的强度p成正比。
光子的能量
lt;a时,电子不能脱离金属,因而没有光电流产生。产生光电
=a/h。
效应的最低频率(截止频率)是
将(2)式代入(1)式可得:
(3)
此式表明截止电压
是频率的线性函数,直线斜率k=h/e,只要用实
验方法得出不同的频率对应的截止电压,求出直线斜率,就可算出普朗克常数h。
爱因斯坦的光量子理论成功地解释了光电效应规律。
【实验步骤】1、测试前准备
1)将实验仪及汞灯电源接通(汞灯及光电管暗盒遮光盖盖上),预热20min。2)调整
光电管与汞灯距离为约40cm并保持不变。
3)用专用连接线将光电管暗箱电压输入端与实验仪电压输出端(后面板上)连接起来(红
—红,蓝—蓝)。
4)将“电流量程”选择开关置于所选档位,进行测试前调零。调零时应将光电管暗盒
电流输出端k与实验仪微电流输入端(后面板上)断开,且必须断开连线的实验仪一端。旋
转“调零”旋钮使电流指示为000.0。
5)调节好后,用高频匹配电缆将电流输入连接起来,按“调零确认/系统清零”键,系
统进入测试状态。
如果要动态显示采集曲线,需将实验仪的“信号输出”端口接至示波器的“y”输入端,
“同步输出”端口接至示波器的“外触发”输入端。示波器“触发源”开关拨至“外”,“y
衰减”旋钮拨至约“1v/格”,“扫描时间”旋钮拨至约“20μs/格”。此时示波器将用轮流扫
描的方式显示5个存储区中存储的曲线,横轴代表电压
2、测普朗克常数h
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