1、華東理工大學物理實驗教學中心華東理工大學物理實驗教學中心East China University of Science and Technology物理實驗中心網站 202.120.99.174Albert Einstein1879-1955 19211921年諾貝爾物理學獎年諾貝爾物理學獎華東理工大學物理實驗教學中心華東理工大學物理實驗教學中心East China University of Science and Technology 赫茲在研究紫外線對火花放電的影響赫茲在研究紫外線對火花放電的影響時發現了光電效應。后來勒納德等人制作時發現了光電效應。后來勒納德等人制作了二極管研究了這一

2、現象。當時無法用經了二極管研究了這一現象。當時無法用經典理論解釋。典理論解釋。1900年，普朗克（年，普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck, 18581947）提出量子假設。）提出量子假設。1905年，愛因斯坦提出光量子概念，解釋年，愛因斯坦提出光量子概念，解釋了光電效應現象。了光電效應現象。實驗歷史背景及意義 在物理學史上，光電效應現象的發現，對光的本性在物理學史上，光電效應現象的發現，對光的本性波粒二象性的認識，具有極為重要的意義，它給量子論以波粒二象性的認識，具有極為重要的意義，它給量子論以直觀、明確的證明。直觀、明確的證明。華東理工大學物理實驗教學中心華東理

3、工大學物理實驗教學中心East China University of Science and Technology光電效應示意圖光電效應示意圖實驗原理光電效應光電效應：電子從受輻射作：電子從受輻射作用的材料中釋放出來的過程，用的材料中釋放出來的過程，叫做光電效應；發射出來的叫做光電效應；發射出來的電子叫做光電子。電子叫做光電子。華東理工大學物理實驗教學中心華東理工大學物理實驗教學中心East China University of Science and Technology光電效應外光電效應外光電效應 光作用下金屬表面逸出電子光作用下金屬表面逸出電子, , ex: ex:光電倍增管光電倍增

4、管內光電效應內光電效應 光電導效應光電導效應：半導體材料在光照下，電子受能量大于半導體材料在光照下，電子受能量大于 電子禁帶寬度的光子作用激發導帶，增電子禁帶寬度的光子作用激發導帶，增 加電導率的現象加電導率的現象 ex:ex:光敏電阻光敏電阻 光生伏打效應光生伏打效應：半導體材料在半導體材料在pnpn結處形成內建電場，結處形成內建電場， 光照下，激發子在內建電場作用下形光照下，激發子在內建電場作用下形 成電動勢的現象。成電動勢的現象。 ex:ex:太陽能電池、硅光電池太陽能電池、硅光電池華東理工大學物理實驗教學中心華東理工大學物理實驗教學中心East China University of

5、Science and Technology實驗事實(1)(1)飽和光電流：飽和光電流： 飽和光電流強度與入射光強度成正比。飽和光電流強度與入射光強度成正比。(2)(2)每個光電子的初動能每個光電子的初動能 隨入射隨入射 光頻率提高而增大，與入射光強無關；光頻率提高而增大，與入射光強無關；(3)(3)存在截止頻率：存在截止頻率：對某一種金屬來說，只有當對某一種金屬來說，只有當入射光的頻率大于某一頻率時，電子才能從入射光的頻率大于某一頻率時，電子才能從金屬表面逸出，電路中才有光電流，這個頻金屬表面逸出，電路中才有光電流，這個頻率叫做截止頻率率叫做截止頻率. .(4)(4)光電效應是瞬時效應。光電

6、效應是瞬時效應。221mvUa312UIIh0aU0紅限頻率紅限頻率華東理工大學物理實驗教學中心華東理工大學物理實驗教學中心East China University of Science and Technology(5)(5)線性性：線性性：用不同頻率的用不同頻率的光照射陰極光照射陰極K K的表面時，只的表面時，只要入射光的頻率大于截止頻要入射光的頻率大于截止頻率，遏止電勢差與入射光頻率，遏止電勢差與入射光頻率具有線性關系。率具有線性關系。NaCaO2.01.06.08.010.0Hz1040102|Ua|實驗事實華東理工大學物理實驗教學中心華東理工大學物理實驗教學中心East China

7、 University of Science and Technology愛因斯坦光電方程 愛因斯坦認為光束可以看成是由微粒構成的粒子愛因斯坦認為光束可以看成是由微粒構成的粒子流，這些粒子流叫做流，這些粒子流叫做光量子（光子）光量子（光子）。 一個頻率為一個頻率為 的光子具有能量的光子具有能量 陰極金屬材料的逸出功為陰極金屬材料的逸出功為 陰極表面電子吸收光子的能量，當陰極表面電子吸收光子的能量，當 電子逸出，并具有初動能電子逸出，并具有初動能 Ahmv221hAAh221mv華東理工大學物理實驗教學中心華東理工大學物理實驗教學中心East China University of Scienc

8、e and Technology 對光電管加反向電壓，該電壓減弱了逸出光電子向陽極對光電管加反向電壓，該電壓減弱了逸出光電子向陽極A A的運動，的運動，如反向電壓逐漸增大到某值如反向電壓逐漸增大到某值UaUa，則光電子無法到達陽極則光電子無法到達陽極A A，光電流，光電流為零，而反向電壓的電場力對光電子作功為為零，而反向電壓的電場力對光電子作功為eUaeUa。AhmveUa221遏止遏止電壓電壓窗窗口口陰極陰極陽極陽極VG光束光束光電子光電子實驗電路圖反向反向開關開關華東理工大學物理實驗教學中心華東理工大學物理實驗教學中心East China University of Science and

9、 Technology誤差分析a.a.實測曲線實測曲線b.b.理論曲線理論曲線c.c.陽極電流：陽極電流：A A極難免粘上極難免粘上陰極材料，受光照后也陰極材料，受光照后也要發射少量光電子，構要發射少量光電子，構成反向電流。成反向電流。d.d.漏電流：愛因斯坦方程漏電流：愛因斯坦方程在絕對零度下嚴格成立。在絕對零度下嚴格成立。常溫下，電極要發射少常溫下，電極要發射少量熱電子，加上管殼和量熱電子，加上管殼和管座的漏電構成暗電流。管座的漏電構成暗電流。理論曲線理論曲線實測曲線實測曲線漏電流漏電流抬頭電壓抬頭電壓華東理工大學物理實驗教學中心華東理工大學物理實驗教學中心East China Unive

10、rsity of Science and Technology 實驗內容 1. 1. 測量光電管的伏安特性曲線：測量光電管的伏安特性曲線： 入射光的波長分別為入射光的波長分別為365.0nm 365.0nm 、404.7nm 404.7nm 。 （電壓：（電壓： 3V3V30V30V，在，在2V2V0V0V多測幾個點）多測幾個點） 2.2.測量入射光的測量入射光的“抬頭電壓抬頭電壓”： 波長分別為波長分別為435.8435.8、546.1546.1、577.0nm577.0nm。 （電壓：（電壓： 3V3V0V0V） 3.3.觀測入射光強與飽和電流的關系。觀測入射光強與飽和電流的關系。 入射光

11、為入射光為577.0nm577.0nm，測量光強為，測量光強為100 100 、 7575、5050、2525時時的飽和光電流。的飽和光電流。 （電壓：（電壓： 15V15V 30V30V） 華東理工大學物理實驗教學中心華東理工大學物理實驗教學中心East China University of Science and Technology數據處理 1.1.繪出繪出365.0nm365.0nm和和404.7nm404.7nm光的光的I IU U伏安特性曲線。伏安特性曲線。 2.2.用圖解法計算普朗克常數用圖解法計算普朗克常數h h，并計算與公認值的百分，并計算與公認值的百分誤差。誤差。 公認值

12、公認值h h6.6260766.62607610103434 J Js s。 3.3.對實驗過程和結果分析討論，并可進行展開。對實驗過程和結果分析討論，并可進行展開。華東理工大學物理實驗教學中心華東理工大學物理實驗教學中心East China University of Science and TechnologyeAehUa由斜率可計算由斜率可計算h h與縱軸截距可計算逸出功與縱軸截距可計算逸出功A A實際測量時，是否測實際測量時，是否測I=0I=0的的那個點？那個點？數據處理5.05.56.06.57.07.58.08.5-2.0-1.8-1.6-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0

13、.4 Y = 1.58501 -0.42065 * XU0/V/1014HzU0關系曲線關系曲線華東理工大學物理實驗教學中心華東理工大學物理實驗教學中心East China University of Science and Technology注意事項 1. 1. 充分理解儀器使用要求和操作順序。不充分理解儀器使用要求和操作順序。不要隨意拆卸電纜和導線，保證接觸良好。要隨意拆卸電纜和導線，保證接觸良好。 2.2.不要讓光源的出射光直接入射光電管，保不要讓光源的出射光直接入射光電管，保證光電管安全，并注意保護濾色片、減光片。證光電管安全，并注意保護濾色片、減光片。 3.3.在變換電壓量程和極性

14、時，需將電壓調節在變換電壓量程和極性時，需將電壓調節為零，不允許隨意改變電壓量程和極性為零，不允許隨意改變電壓量程和極性. .華東理工大學物理實驗教學中心華東理工大學物理實驗教學中心East China University of Science and Technology愛因斯坦光電效應的應用 n光電管和固態光電探測器光電管和固態光電探測器n光控繼電器光控繼電器 n光電倍增管光電倍增管n光電導攝像管光電導攝像管n光敏電阻光敏電阻 華東理工大學物理實驗教學中心華東理工大學物理實驗教學中心East China University of Science and Technology光電倍增管（光電倍增管（PMTPMT）是光子技術器件中的一個重要產品，它是光子技術器件中的一個重要產品，它是一種具有極高靈敏度和超快時間響應的光探測器件。可是一種