1、光電效應(yīng)講義實驗三光電效應(yīng)【實驗?zāi)康摹?. 加深對光的量子性的認識。2. 驗證愛因斯坦方程，測定普朗克常數(shù)。3. 測定光電管的伏安特性曲線。【實驗原理】當一定頻率的光照射到某些金屬表面上時，可 以使電子從金屬表面逸出，這種現(xiàn)象稱為光電效 應(yīng).所產(chǎn)生的電子，稱為光電子。光電效應(yīng)是光 的經(jīng)典電磁理論所不能解釋的。1905年愛因斯坦 依照普朗克的量子假設(shè)，提出了光子的概念。他 認為光是一種微粒一光子；頻率為 的光子具 有能量h，h為普朗克常數(shù)，目前國際公認值為Q Ah=(6. 6260755土 0. 0000040) X 10- J s。當金 屬中的電子吸收一個頻率為的光子時，便獲得這光子的全部能量

2、h ，如果這能量大于電子擺脫 金屬表面的約束所需要的逸出功 W，電子就會從 金屬中逸出按照能量守恒原理有：1 2. mVm W2上式稱為愛因斯坦方 程，其中m和Vm是光 電子的質(zhì)量和最大速度，2mvm是光電子逸出 表面后所具有的最大動(3.1)能.它說明光子能量h 小于W時，電子不能逸 出金屬表面，因而沒有 光電效應(yīng)產(chǎn)生；產(chǎn)生光 電效應(yīng)的入射光最低頻 率=W/h ,稱為光電 效應(yīng)的極限頻率（又稱 紅限）。不同的金屬材 料有不同的逸出功，因 而也是不同的。用光電管進行光電 效應(yīng)實驗，測量普朗克常數(shù)的實驗原理如圖3.1所示。圖中K為圖3.1光電效應(yīng)實驗原理圖光電管的陰極，A為陽極，微安表用于測量微

3、小 的光電流，電壓表用于測量光電管兩極間的電壓， E為電源，R提供的分壓可以改變光電管兩極間 的電勢差。當單色光入射到光電管的陰極 K上時, 如有光電子逸出，則當陽極 A加正電勢，K加負 電勢時，光電子就被加速；而當 K加正電勢，A 加負電勢時，光電子就被減速。當 A K之間所 加電壓U足夠大時，光電流達到飽和值Im,當UW-U。，并滿足方程eUo =1 2mvm2(3.2） 時，光電流將為零，此時的Uo稱為截止電壓。式 中e為電子電量。光電管的伏安特性曲線（光電流與所加電壓 的I U關(guān)系）如圖3.2所示。當用一定強度 的光照射在光電管陰極 K上時，光電流I隨兩極 間的加速電壓改變而改變，開始

4、光電流 I隨兩極 間的加速電壓增加而增加，當加速電壓增加到一 定值后，光電流不再增加.這是因為在一定照度 下，單位時間內(nèi)所產(chǎn)生的光電子數(shù)目一定，而且這些電子在電 場的作用下已全都跑向陽極 A,從而達到飽和。 我們稱此時的電流為飽和電流Im。由于光電子從 陰極表面逸出時具有一定的初速度，所以當兩極 間電勢差為零時，仍有光電流I存在。若在兩極 間施加一反向電壓，光電流隨之減小；當反向電 壓達到截止電壓Uo時，光電流為零。將式(3.2) 代人式(3.1)可得eUo = hW即Uo=h W 匕 o(3.3)e e e上式表明，截止電壓Uo是入射光頻率 的線性函 數(shù)，其直線的斜率等于 h/e。可見，只要

5、用實 驗方法，測量不同頻率光的截止電壓，作出Uo 圖線，如圖3.3所示。從圖中求得直線的斜率丄，e即可求出普朗克常數(shù)h。另外，從直線和橫坐標 的交點還可求出極限頻率 。因此，由光電效應(yīng)測定普朗克常數(shù) h的關(guān)鍵 是正確地測定截止電壓 Uo。需要指出的是，實際 的光電管由于制作工藝等原因，給測定截止電壓 帶來一些困難。對測量產(chǎn)生影響的主要因素如下：(1) 暗電流和本底電流光電管在沒有受到光照時，也會產(chǎn)生電流， 稱為暗電流。它是由陰極在常溫下的熱電子發(fā)射 形成的熱電流和封閉在暗盒里的光電管在外加電 壓下因管子陰極和陽極間絕緣電阻漏電而產(chǎn)生的 漏電流兩部分組成。本底電流是周圍雜散光射入 光電管所致。(

6、2) 反向電流 由于制作光電管時陽極上往往濺有陰極材 料，所以當光照到陽極上或雜散光漫射到陽極上 時，陽極上也往往有光電子發(fā)射；此外，陰極發(fā) 射的光電子也可能被陽極的表面所反射。當陽極A 加負電勢，陰極 K 加正電勢時，對陰極 K 上發(fā) 射的光電子而言起減速作用，而對陽極 A 發(fā)射或 反射的光電子而言卻起了加速作用，使陽極 A 發(fā) 出的光電子也到達陰極 K,形成反向電流。由于上述種種原因，實測的光電管伏安特性(I U )曲線與理想曲線是有區(qū)別的。圖 3.4 中實線表示實測曲線,虛線表示理想曲 線即陰極光電流曲線, 點劃線代表影響較大的 反 向 電 流 及暗 電 流 曲線。實測曲線上每一點 的電

7、流值是以上三個電 流值的代數(shù)和。顯然, 實測曲線上光電流 I 為 零的點所對應(yīng)的電壓值圖3.4對光電流曲線的分析并不是截止電壓。從圖 3.4可看出，陽極光電 流（即反向電流和暗電 流）的存在，使陰極光 電流曲線下移，實測曲 線的拐點（或稱抬頭點 處的電壓值與截止電壓 近似相等，可代替截止電壓。因此，光電效應(yīng)實驗是通過找 出實驗伏安特性曲線的拐點來確定截止電壓Uo的。【儀器介紹】1. GDHI型光電管：陽極為鎳圈，陰極為銀一氧-鉀（Ag-0-K），光譜范圍 340. 0700. 0nm 光窗口為無鉛多硼硅玻璃，最高靈敏波長是410. 0 10. 0nm陰極光靈敏度為1 pA/Lm ， 暗電流為1

8、0-12A。為了避免雜散光和外界電磁 場對微弱光電流的干擾，光電管安裝在可升降 的鋁質(zhì)暗盒中，暗盒窗口可以安放光闌孔和濾 色片。2. 光源：高壓汞燈，譜線范圍在302.3 872.0nm。3. NG型濾色片：一組有色玻璃濾色片。濾通的譜 線波長分別為 365 nm , 404 nm , 436 nm , 546 nm, 577 nm。4. gp- :n型微電流測量放大器：電流測量范圍為 10一610 3 A，分六檔十進變換；工作電源為 -3+3V連續(xù)可調(diào)，電壓量程分 0V土 1V 2V土 3V六段讀數(shù)，讀數(shù)精度 0. 02V。測 量放大器可以連續(xù)地工作8小時以上。15000 = 0E777圖3

9、.5光電效應(yīng)實驗裝置示意圖【實驗內(nèi)容】1. 測試前的準備(1) 將光源、光電管暗盒、微電流測量放大 器安放在適當位置，連接好光電管暗盒與測量放 大器之間的屏蔽電纜、地線和陽極電源線。參見 圖 3.5 和圖 3.6 。將微電流測量放大器面板上各開關(guān)、旋鈕置于下列位置：“倍率”開關(guān)置“ZERO; “電流極性”置“-”； “工作選擇”置“ DC; “掃描平移”任意；“電 壓極性”置“ -”；“電壓量程”置“ -3”；“電壓 調(diào)節(jié)”反時針調(diào)到頭。(2) 打開微電流測量放大器電源開關(guān)讓其預 熱 20-30 分鐘。在光電管暗盒的光窗上裝 光闌；并蓋上遮光罩，打開光源開關(guān)，讓汞燈預 熱。2. 測量光電管的

10、I U 特性 使暗盒離開光源3050 cm,基本等高， 暗盒窗口正對光源出射孔。(2) 取去暗盒窗口上的遮光罩，換上波長入=365 nm 的濾色片。將倍率旋鈕置于“ 10-7” 檔，此時光電流大小應(yīng)在此量程范圍內(nèi)(注 意，光電管暗盒正對汞燈時，電流最小) 。(3) 選擇合適的電流和電壓量程，測出 -3 3V時不同電壓下的光電流。測量時， -3 0V 時每 0.1V 測一個點，0V以上可加大間隔3. 測量光電管拐點和本底電流。(1) 依次調(diào)換不同波長的濾色片，重復上面的 測量，只測-30V時的光電流，每0.1V 測一個點。(2) 擋住汞燈出光口，測量 0V時光電管的本 底電流(每個濾色片都測)。

11、4. 測量光電管的暗電流。用遮光罩罩住光電管暗盒，測量0V時光電管 的暗電流。5. 求普朗克常數(shù)h把不同頻率下的截止電壓描繪在方格紙上， 如果實驗結(jié)果準確，則 Uo =f( v關(guān)系曲線是一直 線，求出直線的斜率，從而可算出普朗克常數(shù)h， 并將結(jié)果與公認值比較，求出百分誤差。【注意事項】1.在數(shù)據(jù)表格后加拐點及本底電流數(shù)據(jù)表(365nm的本底電流記在I V表中)電壓(V)-3.0-2.9-2.8-2.7-2.6-2.5-2.4-2.3-2.2-2.1-2.0405nm436nm546nm577nm電壓(V)-1.9-1.8-1.7-1.6-1.5-1.4-1.3-1.2-1.1-1.0-0.9405nm436nm546nm577nm電壓(V)-0.8-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.10本底405nm4