1、光電效應【實驗目的】(1) 了解光電效應的規律，加深對光的量子性的認識。(2) 測量普朗克常量h。【實驗儀器】ZKY-GD-4光電效應實驗儀，其組成為：微電流放大器，光電管工作電源，光電管，濾色片, 汞燈。如以下圖所示。1索燈電源 2汞知 咅灘色片 4北闌 刁朮電骨 百基座團5儀騫站構國【實驗原理】光電效應的實驗原理如圖 1所示。入射光照射到光電管陰極 K上，產生的光電子在電場 的作用下向陽極A遷移構成光電流，改變外加電壓測量出光電流I的大小，即可得出光電管的伏安特性曲線。光電效應的根本實驗事實如下：賓疊斥理圖圖2問一頻罕，不聞丸 張時光電管的代安 特性曲戰戡止電壓II芍人來 光頻準的關系圖1

2、對應于某一頻率，光電效應的I-屈 關系如圖2所示。從圖中可見，對一定的頻率,有一電壓U0,當時，電流為零，這個相對于陰極的負值的陽極電壓U0,被稱為截止電壓。(2)當殳仝空后，I迅速增加，然后趨于飽和，飽和光電流IM的大小與入射光的強度 P成正比。(3) 對于不同頻率的光，其截止電壓的值不同，如圖3所示。(4) 截止電壓U0與頻率U的關系如圖4所示，山)與卩 成正比。當入射光頻率低于某極限值 鞏)先 隨不同金屬而異時，不管光的強度如何，照射時間多長，都沒有光電流產 生。(5) 光電效應是瞬時效應。即使入射光的強度非常微弱，只要頻率大于'，在開始照射后立即有光電子產生，所經過的時間至多為

3、.'秒的數量級。按照愛因斯坦的光量子理論，光能并不像電磁波理論所想象的那樣，分布在波陣面上，而是集中在被稱之為光子的微粒上，但這種微粒仍然保持著頻率或波長的概念，頻率為日 的光子具有能量E = h，h為普朗克常數。當光子照射到金屬外表上時，一次被金屬中 的電子全部吸收，而無需積累能量的時間。電子把這能量的一局部用來克服金屬外表對它的 吸引力，余下的就變為電子離開金屬外表后的動能，按照能量守恒原理， 愛因斯坦提出了著名的光電效應方程：hv = Jmvoz + A1 2式中，A為金屬的逸出功，為光電子獲得的初始動能。由該式可見，入射到金屬外表的光頻率越高， 逸出的電子動能越大， 所以即使陽

4、極電位 比陰極電位低時也會有電子落入陽極形成光電流， 直至陽極電位低于截止電壓， 光電流才為 零，此時有關系：2陽極電位高于截止電壓后，隨著陽極電位的升高，陽極對陰極發射的電子的 收集作用越強，光電流隨之上升；當陽極電壓高到一定程度，已把陰極發射的光 電子幾乎全收集到陽極，再增加"肚時I不再變化，光電流出現飽和，飽和光電流 冋 的大小與入射光的強度P成正比。光子的能量三A時，電子不能脫離金屬，因而沒有光電流產生。產生光電 效應的最低頻率截止頻率是二=A/h。將式代入式可得:3= hv-A此式說明截止電壓切是頻率"的線性函數，直線斜率k = h/e，只要用實驗方法得出不同的頻

5、率對應的截止電壓， 求出直線斜率，就可算出普朗克常數h愛因斯坦的光量子理論成功地解釋了光電效應規律。【實驗步驟】1、測試前準備1將實驗儀及汞燈電源接通汞燈及光電管暗盒遮光蓋蓋上，預熱20min。2調整光電管與汞燈距離為約 40cm并保持不變。3用專用連接線將光電管暗箱電壓輸入端與實驗儀電壓輸出端后面板上連接起來 紅一紅，藍一藍。4將“電流量程選擇開關置于所選檔位，進行測試前調零。調零時應將光電管暗盒電流輸出端K與實驗儀微電流輸入端后面板上斷開，且必須斷開連線的實驗儀一端。旋 轉“調零旋鈕使電流指示為。5調節好后，用高頻匹配電纜將電流輸入連接起來，按“調零確認/系統清零鍵，系統進入測試狀態。如果

6、要動態顯示采集曲線， 需將實驗儀的“信號輸出端口接至示波器的“ Y輸入端， “同步輸出端口接至示波器的“外觸發輸入端。示波器“觸發源開關撥至“外，“Y衰減旋鈕撥至約“ 1V/格，“掃描時間旋鈕撥至約“ 20卩 s/格。此時示波器將用輪 流掃描的方式顯示5個存儲區中存儲的曲線，橫軸代表電壓 卩懇I，縱軸代表電流I。2、測普朗克常數h:測量截止電壓時，“伏安特性測試/截止電壓測試狀態鍵應為截止電壓測試狀態，“電流量程開關應處于 ：一 A檔。1手動測量 使“手動/自動模式鍵處于手動模式。 將直徑4mn的光闌及的濾色片裝在光電管暗盒光輸入口上，翻開汞燈遮光蓋。此時電壓表顯示卜的值，單位為伏；電流表顯示

7、與對應的電流值I，單位為所選擇的“電流量程。用電壓調節鍵可調節冋的值，t、j鍵用于選擇調節位，f、J鍵用于調節值的大小。 從低到高調節電壓絕對值減小，觀察電流值的變化，尋找電流為零時對應的 1 ，以其絕對值作為該波長對應的 '的值，并將數據記于表1中。為盡快找到的值，調節時應從高位到低位，先確定高位的值，再順次往低位調節。 依次換上365.0 nm , 435.8 nm , 404.7 nm的濾色片，重復以上測量步驟。2自動測量 按“手動/自動模式鍵切換到自動模式。此時電流表左邊的指示燈閃爍，表示系統處于自動測量掃描范圍設置狀態，用電壓 調節鍵可設置掃描起始和終止電壓。注：顯區左邊設置

8、起始電壓，右邊設置終止電壓 實驗儀設有5個數據存儲區，每個存儲區可存儲 500組數據，由指示燈表示其狀態。 燈亮表 示該存儲區已存有數據， 燈不亮為空存儲區，燈閃爍表示系統預選的或正在存儲數據的存儲 區。 設置好掃描起始和終止電壓后，按動相應的存儲區按鍵，儀器將先去除存儲區原有數據，等待約30秒，然后按4mV的步長自動掃描，并顯示、存儲相應的電壓、電流值。掃描 完成后，儀器自動進入數據查詢狀態， 此時查詢指示燈亮， 顯示區顯示掃描起始電壓和相應 的電流值。用電壓調節鍵改變電壓值， 就可查閱到在測試過程中，掃描電壓為當前顯示值時相應的電流值。讀取電流為零時對應的，以其絕對值作為該波長對應的U的值

9、，并將數據記于表1中。表1 U0 關系光闌孔=mm波長入i(nm)54577.0頻率 5 (X 10“ Hz)5.196截止電壓"1 0i(V)手動自動按 查詢鍵，查詢指示燈滅，系統回復到掃描范圍設置狀態，可進行下一次測量。將儀器與示波器連接，可觀察到打為負值時各譜線在選定的掃描范圍內的伏安特性曲線。3、測光電管的伏安特性曲線：此時，將“伏安特性測試/截止電壓測試 狀態鍵切換至伏安特性測試狀態。“電流量 程開關應撥至" A檔，并重新調零。將直徑4mm的光闌及所選譜線的濾色片裝在光電管暗盒光輸入口上。測伏安特性曲線可選用“手動/自動兩種模式之一，測量的最大范圍為-150V。手

10、動測量時每隔 0.5V記錄一組數據，自動測量時步長為IV。記錄所測11乩及I的數據。 從低到高調節電壓，記錄電流從零到非零點所對應的電壓值并作為第一組數據，以后電壓沒變化一定值可選為IV記錄一組數據到數據記錄表中。換上546nm的濾色片，重復上述實驗步驟。 在也為50V時，將儀器設置為手動模式，測量記錄同一譜線、同一入射距離、光闌分別為2mm,4mm,8m時對應的電流值于數據記錄表中。 在%為50V時，將儀器設置為手動模式，測量并記錄同一譜線、同一光闌、不同入 射距離時對應的電流值于數據記錄表中。【實驗數據處理】1求普朗克常數實驗中測得的數據如下表所示:H與關系數據記錄表壓電止截4 6o208

11、-24 6 8-10 0 0光纜孔 4mm波長 i /nm頻率 i /( 1014)截止電壓U0i /V由實驗數據得到的截止電壓 Ub與光頻率的關系如以下圖所示:光的頻率Vi/(10A14Hz)截止電壓與光頻率的關系曲線A衛h由可知，上述直線的斜率為，那么普朗克常量為：eh 0.3746 10 141.602 10 19J s 6.0 10 14J s而由最小二乘法的得到的斜率的標準差為sb 0.013945，那么可知所求的普朗克常量h的不確定度為：Uh eUb et°.953 Sb 1.602 10 19 3.18 0.013945 10 140.7 10 34J s測得的普朗克常

12、量h與公認值h0的相對誤差為：l h h。6.0 10 34 J s 6.626 10 34 J s E -340.094ho6.626 10 34 J s實驗得到的普郎克常數為：h (6.0 0.7) 10 34 J s。(2)做出兩種波長及光強的伏安特性曲線實驗中，得到的實驗數據記錄表如下：對于435.8nm的濾色片，入射距離 L=400mm光闌4nm,數據記錄為：I U ak關系Uak/V-10123456789I /( 10 10 A)0Uak/V1011121314151617181920I /( 10 10 A)Uak/V2122232425262728293031I /( 10

13、10 A)Uak/V3233343536373839404142I /( 10 10 A)Uak/V4344454647484950I /( 10 10 A)對于546.1 nm的濾色片，入射距離L=400mm光闌4nm,數據記錄為:I U AK關系Uak/V-10123456789I /( 10 10 A)Uak/V1011121314151617181920I /( 10 10 A)Uak/V2122232425262728293031I /( 10 10 A)Uak/V3233343536373839404142I /( 10 10 A)Uak/V4344454647484950I /(

14、 10 10 A)由實驗得到的數據繪制出的兩種波長及光強的伏安特性曲線如下: 波長為435.8nm 波長為546.1 nm陰極電流為零時對應電壓V/v不同波長及光強下的伏安特性曲線3由于照到光電管上的光強與光闌面積成正比，用中數據驗證光電管的飽和光電流與 入射光強成正比；同樣用中數據驗證光電流與入射光強成正比。對于實驗：在®為50V時，將儀器設置為手動模式，測量記錄同一譜線、同一入射距離、光闌分別為 2mm,4mm,8m時對應的電流值，數據記錄表如下:I m P關系U ak 50V L 400nm光闌孔2mm4mm8mmI /( 10 10 A)光闌孔2mm4mm8mmI /( 10

15、 10 A)由實驗數據得到飽和光電流與光闌面積的關系曲線如下:.波長為435.8nm 波長為546.1 nmOOOOOOOOO 64208642流電光和飽20304050光闌面積S/(mmA2)飽和光電流I與光闌面積S的關系曲線圖由圖可知，飽和光電流I與光闌面積S在入射光波長不變時成正比例關系，而光強又與光闌面積成正比，從而驗證了光電管的飽和電流與入射光強成正比。對于實驗，在 為50V時，將儀器設置為手動模式，測量并記錄同一譜線、同一光闌、不同入射距離時對應的電流值，來驗證光電流與入射光強成正比。數據記錄表如下：1 M P關系U ak 50V L 400nm入射距離L/mm2002503003

16、50400I /( 10 10 A)入射距離L/mm200250300350400I /( 10 10 A)對于光闌面積S不變時，由于入射距離的變化， 使同一波長光的光強發生改變。嘗試將光源看做點光源，其發出的光為球狀，那么一定距離處的光強與距離的平方成反比，與距離的平方分之一成正比。假設要驗證光電流與入射光強成正比，可通過驗證光電流與距離的平方分之一成線性關系而間接征得。根據IM P關系，得到光電流與距離的平方分之一的關系曲線如以下圖：+波長為435.8nm 波長為546.1 nmo o o o o o O6 5 4 3 2 1入0-(-流電光051015202530入射距離平方分之一 LA

17、-2/(MA-2)光電流強度與入射距離平方分之一的關系曲線由圖可知，其間關系在實驗誤差允許的范圍內，較好的符合了某種線性關系，證明了這種假設具有成立的可能性。從而也證明了光電流與入射光強成正比。【實驗分析與誤差討論】1、陽極反向電流，暗電流，本底電流如何影響測量結果？答：陽極反向電流是由于光電管制造時由于光電管陽極沾上少數陰極材料，那么在入射光照射或入射光從陰極反射到陽極后都會造成陽極電子發射。當顱值為為負值時，陽極發射的電子向陰極遷移形成陽極反向電流，從而當實驗中測得電流為零時，對應的并非截止電壓，對實驗造成誤差。而對于暗電流和本底電流是熱激發產生的光電流和雜質光散射光電管產生的光電流。它們

18、的影響是：假設產生的光電子的初動能大于光照產生的光電子的最大初動能，那么會使測得 的L泊勺絕對值增大。2、在該實驗中可能存在的誤差有：(1) 在實際的測量中，由于光電管的陽極電流、暗電流、本底電流及電極間接 觸電壓的影響，給實驗結果帶來誤差。(2) 實驗中濾色片有一定的狹縫寬度，濾色片產生的光并不完全是單一的濾色 光。3 實驗中以汞燈作為光源， 而汞燈在交變電壓變化的情況下并不能完全穩定, 產生的光也不穩定。4在讀數時，由于產生的光電流的變化，儀器示數會有微小的跳動，產生讀數誤差。5裝有陰極管的暗箱封閉不嚴，可能會受到雜光的影響。【實驗結論】1、 實驗測得的普朗克常量為 h (6.0 0.7) 10 34 J s，與公認值h0 6.62