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文檔簡介
光電效應(yīng)測普朗克常數(shù)在近代物理學(xué)中,光電效應(yīng)在證實(shí)光的量子性方面有著重要的地位。1905年愛因斯坦在普朗克量子假說的基礎(chǔ)上圓滿地解釋了光電效應(yīng),約十年后密立根以精確的光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了愛因斯坦的光電效應(yīng)方程,并測定了普朗克常數(shù)。而今光電效應(yīng)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于各科技領(lǐng)域,利用光電效應(yīng)制成的光電器件(如:光電管、光電池、光電倍增管等)已成為生產(chǎn)和科研中不可缺少的器件。【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?. 測定光電效應(yīng)的基本特性曲線,加深對光的量子性的理解;2. 學(xué)習(xí)驗(yàn)證愛因斯坦光電方程的實(shí)驗(yàn)方法,并測定普朗克常數(shù)。【實(shí)驗(yàn)儀器】ZKYGD1光電效應(yīng)測試儀、汞燈及電源、濾色片(五個(gè))、光闌(兩個(gè))、光電管、測試儀(含光電管和微電流放大器)圖1 實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)物圖【實(shí)驗(yàn)原理】1. 光電效應(yīng)與愛因斯坦方程用合適頻率的光照射在某些金屬表面上時(shí),會有電子從金屬表面逸出,這種現(xiàn)象叫做光電效應(yīng),從金屬表面逸出的電子叫光電子。為了解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象,愛因斯坦提出了“光量子”的概念,認(rèn)為對于頻率為 的光波,每個(gè)光子的能量為式中, 為普朗克常數(shù),它的公認(rèn)值是 =6.626 。 按照愛因斯坦的理論,光電效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是當(dāng)光子和電子相碰撞時(shí),光子把全部能量傳遞給電子,電子所獲得的能量,一部分用來克服金屬表面對它的約束,其余的能量則成為該光電子逸出金屬表面后的動(dòng)能。愛因斯坦提出了著名的光電方程: (1)式中, 為入射光的頻率, 為電子的質(zhì)量, 為光電子逸出金屬表面的初速度, 為被光線照射的金屬材料的逸出功, 為從金屬逸出的光電子的最大初動(dòng)能。 由(1)式可見,入射到金屬表面的光頻率越高,逸出的電子動(dòng)能必然也越大,所以即使陰極不加電壓也會有光電子落入陽極而形成光電流,甚至陽極電位比陰極電位低時(shí)也會有光電子落到陽極,直至陽極電位低于某一數(shù)值時(shí),所有光電子都不能到達(dá)陽極,光電流才為零。這個(gè)相對于陰極為負(fù)值的陽極電位 被稱為光電效應(yīng)的截止電壓。 顯然,有 (2)代入(1)式,即有 (3)由上式可知,若光電子能量 ,則不能產(chǎn)生光電子。產(chǎn)生光電效應(yīng)的最低頻率是 ,通常稱為光電效應(yīng)的截止頻率。不同材料有不同的逸出功,因而 也不同。由于光的強(qiáng)弱決定于光量子的數(shù)量,所以光電流與入射光的強(qiáng)度成正比。又因?yàn)橐粋€(gè)電子只能吸收一個(gè)光子的能量,所以光電子獲得的能量與光強(qiáng)無關(guān),只與光子 的頻率成正比,將(3)式改寫為 (4)上式表明,截止電壓 是入射光頻率 的線性函數(shù),如圖2,當(dāng)入射光的頻率 時(shí),截止電壓 ,沒有光電子逸出。圖中的直線的斜率 是一個(gè)正的常數(shù): (5)由此可見,只要用實(shí)驗(yàn)方法作出不同頻率下的 曲線,并求出此曲線的斜率,就可以通過式(5)求出普朗克常數(shù) 。其中 是電子的電量。圖2 U0-v 直線2. 光電效應(yīng)的伏安特性曲線圖3是利用光電管進(jìn)行光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的原理圖。頻率為 、強(qiáng)度為 的光線照射到光電管陰極上,即有光電子從陰極逸出。如在陰極K和陽極A之間加正向電壓 ,它使K、A之間建立起的電場對從光電管陰極逸出的光電子起加速作用,隨著電壓 的增加,到達(dá)陽極的光電子將逐漸增多。當(dāng)正向電壓 增加到 時(shí),光電流達(dá)到最大,不再增加,此時(shí)即稱為飽和狀態(tài),對應(yīng)的光電流即稱為飽和光電流。圖3 光電效應(yīng)原理圖由于光電子從陰極表面逸出時(shí)具有一定的初速度,所以當(dāng)兩極間電位差為零時(shí),仍有光電流I存在,若在兩極間施加一反向電壓,光電流隨之減少;當(dāng)反向電壓達(dá)到截止電壓時(shí),光電流為零。圖4 入射光頻率不同的IU曲線圖5 入射光強(qiáng)度不同的IU曲線愛因斯坦方程是在同種金屬做陰極和陽極,且陽極很小的理想狀態(tài)下導(dǎo)出的。實(shí)際上做陰極的金屬逸出功比作陽極的金屬逸出功小,所以實(shí)驗(yàn)中存在著如下問題:(1) 暗電流和本底電流。當(dāng)光電管陰極沒有受到光線照射時(shí)也會產(chǎn)生電子流,稱為暗電流。它是由電子的熱運(yùn)動(dòng)和光電管管殼漏電等原因造成的。室內(nèi)各種漫反射光射入光電管造成的光電流稱為本底電流。暗電流和本底電流隨著K、A之間電壓大小變化而變化。(2) 陽極電流。制作光電管陰極時(shí),陽極上也會被濺射有陰極材料,所以光入射到陽極上或由陰極反射到陽極上,陽極上也有光電子發(fā)射,就形成陽極電流。由于它們的存在,使得IU曲線較理論曲線下移,如圖6所示。圖6 伏安特性曲線【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟】1調(diào)整儀器(1)用專用電纜將微電流測量儀的輸入接口與暗盒的輸出接口連接起來;將微電流測量儀的電壓輸出端插座與暗盒的電壓輸入插座連接起來;將汞燈下側(cè)的電線與限流器連接起來;接好電源,打開電源開關(guān),充分預(yù)熱(不少于20分鐘)。(2)在測量電路連接完畢后,沒有給測量信號時(shí),旋轉(zhuǎn)“調(diào)零”旋鈕,使其顯示“000”。每換一次量程,必須重新調(diào)零。(3)取下暗盒光窗口遮光罩,換上365.0nm濾光片,取下汞燈出光窗口的遮光罩,裝好遮光筒,調(diào)節(jié)好暗盒與汞燈距離。2.測量光電管的伏安特性曲線。(1)暗盒光窗口裝365.0nm濾光片和2mm光闌,緩慢調(diào)節(jié)電壓旋鈕,令電壓輸出值緩慢由-2伏增加到+20V,-2到0之間每隔0.2V記一個(gè)電流值,0到20之間每隔3伏記一個(gè)電流值。但注意在電流值為零處記下截止電壓值。(2)在暗盒光窗口上換上404.7nm濾光片,仍用2mm的光闌,重復(fù)步驟(1)。記入表1。(3)換用4mm的光闌重復(fù)步驟(1)、(2)。(4) 選擇合適的坐標(biāo),分別作出兩種光闌下的光電管伏安特性曲線UI 。 3測量普朗克常數(shù) (1) 將電壓選擇按鍵開關(guān)置于22V檔,將“電流量程”選擇開關(guān)置于 A檔。將測試儀電流輸入電纜斷開,調(diào)零后重新接上。(2) 將直徑為4mm的光闌和365.0nm的濾色片裝在光電管電暗箱輸入口上。(3) 從高到低調(diào)節(jié)電壓,用“零電流法”測量該波長對應(yīng)的 ,并將數(shù)據(jù)記錄于表2中。(4) 依次換上404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm的濾色片,重復(fù)步驟(1)、(2)、(3)。【注意事項(xiàng)】1. 微電流測量儀和汞燈的預(yù)熱時(shí)間必須長于20分鐘。實(shí)驗(yàn)中,汞燈不可關(guān)閉。如果關(guān)閉, 必須經(jīng)過分鐘后才可重新啟動(dòng),且須重新預(yù)熱。2. 微電流測量儀與暗盒之間的距離在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)當(dāng)一致。3. 注意保護(hù)濾光片,防止污染。4. 更換濾光片時(shí),注意遮擋住汞燈光源。5. 微電流測量儀每改變一次量程,必須重新調(diào)零。【數(shù)據(jù)記錄及處理】1. 表1 光電管的伏安特性濾光片及光闌伏安特性(U-V,I-nA)365.0nm2mmU21.81.61.41.21.00.80.60.40.20I U36912151821242730 I 4mmU21.81.61.41.21.00.80.60.40.20I U369121518212
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