1、實驗光電效應(yīng)測定普朗克常數(shù)當(dāng)光照射在物體上時，光的能量只有局部以熱的形式被物體所吸收，而另一局部那么轉(zhuǎn)換為物體中某 些電子的能量，使這些電子逸出物體外表，這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。在光電效應(yīng)這一現(xiàn)象中，光顯示出 它的粒子性，所以深入觀察光電效應(yīng)現(xiàn)象，對認(rèn)識光的本性具有極其重要的意義。普朗克常數(shù)h是1900年普朗克為了解決黑體輻射能量分布時提出的能量子假設(shè)中的一個普適常數(shù)，是根本作用量子，也是粗略地判斷一個物理體系是否需要用量子力學(xué)來描述的依據(jù)。1905年愛因斯坦為了解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象，提出了光量子假設(shè)，即頻率為：的光子其能量為h、。當(dāng)電子吸收了光子能量h 之后，一局部消耗與電子的逸出功W，另一局部轉(zhuǎn)

2、換為電子的動能1 2m v ，即 卩21 m v = h 訂-W 12上式稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程。1916年密立根首次用油滴實驗證實了愛因斯坦光電效應(yīng)方程，并在當(dāng)時的條件下，較為精確地測得普朗克常數(shù)為：h =6.57 104J s，其不確定度大約為0.5%。這一數(shù)據(jù)與現(xiàn)在的公認(rèn)值比擬，相對誤差也只有0.9%。為此，1923年密立根因這項工作而榮獲諾貝爾物理學(xué)獎。目前利用光電效應(yīng)制成的光電器件和光電管、光電池、光電倍增管等已成為生產(chǎn)和科研中不可缺少 的重要器件。一、實驗?zāi)康?. 了解光電效應(yīng)的根本規(guī)律，驗證愛因斯坦光電效應(yīng)方程。2. 掌握用光電效應(yīng)法測定普朗克常數(shù)h。二、實驗原理光電效應(yīng)的實驗

3、示意圖如圖1所示，圖中GD是光電管，K是光電管陰極，A為光電管陽極，G為微電流計，V為電壓表，E為電源，R為滑線變阻器，調(diào)節(jié) R可以得到實驗所需要的加速電位差UAk。光電管的A、K之間可獲得從-U到0再到+U連續(xù)變化的電壓。實驗時用的單色光是從低壓汞燈光譜中用干 涉濾色片過濾得到，其波長分別為：365nm , 405nm , 436nm , 546nm , 577nm。無光照陰極時，由于陽極和陰極是斷路的，所以G中無電流通過。用光照射陰極時，由于陰極釋放出電子而形成陰極光電流簡稱陰極電流。加速電位差UAk越大，陰極電流越大，當(dāng) UAk增加到一定數(shù)值后，陰極電流不再增大而到達(dá)某一飽和值 IH ，

4、IH的大小和照射光的強(qiáng)度成正比如圖 2所示。加速電位差 UAk變?yōu)?負(fù)值時，陰極電流會迅速減少，當(dāng)加速電位差U ak負(fù)到一定數(shù)值時，陰極電流變?yōu)? 與此對應(yīng)的電位差稱為遏止電位差。這一電位差用Ua來表示。Ua的大小與光的強(qiáng)度無關(guān)，而是隨著照射光的頻率的增大而增大如圖3所示。m光電肯的伏安特性1. 飽和電流的大小與光的強(qiáng)度成正比；2. 光電子從陰極逸出時具有初動能，其最大值等于它對抗電場力所做的功,即:丄mv2 = e Ua2因為Ua二所示初動能大小與光的強(qiáng)度無關(guān)，只是隨著頻率的增大而增大。Ua二的關(guān)系可用愛因斯坦方程表示如下：Ua、-W 2ee實驗時用不同頻率的單色光X八2八3八4，照射陰極，

5、測出相對應(yīng)的遏止電位差Ua1, Ua2, Ua3, Ua4,，然后作出Ua 圖，由此圖的斜率即可以求出h。3. 如果光子的能量h、乞W時，無論用多強(qiáng)的光照射，都不可能逸出光電子。與此相對應(yīng)的光的 頻率那么稱為陰極的紅限，且用sGo W/h來表示。實驗時可以從 ua圖的截距求得陰極的紅限和逸出功。本實驗的關(guān)鍵是正確確定遏止電位差，作出Ua圖。至于在實際測量中如何正確地確定遏止電位差，還必需根據(jù)所使用的光電管來決定。下面就專門對如何確定遏止電位差的問題作簡要的分析與 討論。遏止電位差確實定：如果使用的光電管對可見光都比擬靈敏，而暗電流也很小。由于陽極包圍著陰 極，即使加速電位差為負(fù)值時，陰極發(fā)射的

6、光電子仍能大局部射到陽極。而陽極材料的逸出功又很高， 可見光照射時是不會發(fā)射光電子的，其電流特性曲線如圖4所示。圖中電流為零時的電位就是遏止電位差Ua。然而，由于光電管在制造過程中，工藝上很難保證陽極不被陰極材料所污染這里污染的含義 是：陰極外表的低逸出功材料濺射到陽極上，而且這種污染還會在光電管的使用過程中日趨加重。被 污染后的陽極逸出功降低，當(dāng)從陰極反射過來的散射光照到它時，便會發(fā)射出光電子而形成陽極光電 流。實驗中測得的電流特性曲線，是陽極光電流和陰極光電流迭加的結(jié)果，如圖5的實線所示。由圖5可見，由于陽極的污染，實驗時出現(xiàn)了反向電流。特性曲線與橫軸交點的電流雖然等于0 但陰極光電流并不

7、等于0 交點的電位差Ua也不等于遏止電位差 Ua。兩者之差由陰極電流上升的快慢和陽極電流 的大小所決定。如果陰極電流上升越快，陽極電流越小，Ua與Ua之差也越小。從實際測量的電流曲線上看，正向電流上升越快，反向電流越小，那么Ua與Ua之差也越小。圖4光電管理想的電流特性曲線圖5光電管老化后的電克特性曲線由圖5我們可以看到，由于電極結(jié)構(gòu)等種種原因，實際上陽極電流往往飽和緩慢，在加速電位差負(fù)到 氏 時，陽極電流仍未到達(dá)飽和，所以反向電流剛開始飽和的拐點電位差Ua也不等于遏止電位差 Ua。兩者之差視陽極電流的飽和快慢而異。陽極電流飽和得越快，兩者之差越小。假設(shè)在負(fù)電壓增至Ua之前陽極電流已經(jīng)飽和，那

8、么拐點電位差就是遏止電位差Ua。總而言之，對于不同的光電管應(yīng)該根據(jù)其電流特性曲線的不同采用不同的方法來確定其遏止電位差。假設(shè)光電流特性的正向電流上升得很快，反向電流很 小，那么可以用光電流特性曲線與暗電流特性曲線交點的電位差ua近似地當(dāng)作遏止電位差Ua 交點法。假設(shè)反向特性曲線的反向電流雖然較大，但其飽和速度很快，那么可用反向電流開始飽和時的拐點電 位差Ua當(dāng)作遏止電位差Ua 拐點法。三、實驗儀器FB807型光電效應(yīng)普朗克常數(shù)測定儀。四、圖6儀器結(jié)植示意圖實驗內(nèi)容1. 測試前準(zhǔn)備儀器連接：將測試儀及汞燈電源接通光電管暗箱遮光蓋蓋上，預(yù)熱20分鐘。調(diào)整光電管與汞燈距離約為40cm并保持不變。用專

9、用連接線將光電管暗箱電壓輸入端與測試儀電壓輸出后面板上連 接起來紅一紅，黑一黑。將電流量程選擇開關(guān)置于所選檔位，進(jìn)行測試前調(diào)零。測定儀在開機(jī)或改變電流量程后，都會自動進(jìn)入調(diào)零狀態(tài)。調(diào)零時應(yīng)將光電管暗箱電流輸出端K與測試儀微電流輸入端后面板上斷開，旋轉(zhuǎn)調(diào)零旋鈕使電流指示為000.0。調(diào)節(jié)好后，用 Q9插頭高頻匹配電纜將電流輸入連接起來，按 調(diào)零確認(rèn)/系統(tǒng)清零鍵，系統(tǒng)進(jìn)入測試狀態(tài)。2. 測普朗克常數(shù)h由于本實驗儀器的電流放大器靈敏度高，穩(wěn)定性好；光電管陽極反向電流，暗電流水平也較低。在 測量各譜線的截止電壓 Ua時，可采用零電流法即交點法，即直接將各譜線照射下測得的電流為零時 對應(yīng)的電壓Uak的絕

10、對值作為截止電壓 Ua。此法的前提是陽極反向電流、暗電流和本底電流都很小，用 零電流法測得的截止電壓與真實值相差較小。且各譜線的截止電壓都相差U對Ua曲線的斜率無大的影響，因此對h的測量不會產(chǎn)生大的影響。測量截止電壓： 測量截止電壓時，伏安特性測試/截止電壓測試 狀態(tài)鍵應(yīng)為截止電壓測試狀態(tài)。電流量程開關(guān)應(yīng)處于 10 檔。將直徑4mm的光闌及365nm的濾色片裝在光電管暗箱光輸入口上，翻開汞燈遮光蓋。此時電壓表顯示Uak的值，單位為伏；電流表顯示與 Uak對應(yīng)的電流值丨，單位為所選擇的 電流量程。調(diào)節(jié)電壓 調(diào)節(jié)旋鈕從而調(diào)節(jié)輸出 Uak值的大小，從-2V到0V ，仔細(xì)觀察電流值的變化，尋找電流為零

11、時對 應(yīng)的Uak，以其絕對值作為該波長對應(yīng)的Ua的值，并將數(shù)據(jù)記于表 1中。按順序依次換上 405nm ,436nm , 546nm, 577nm的濾色片，重復(fù)以上測量步驟，分別記錄對應(yīng)的UAK值。3. 測光電管的伏安特性曲線此時，伏安特性測試/截止電壓測試 狀態(tài)鍵應(yīng)為伏安特性測試狀態(tài)。電流量程開關(guān)應(yīng)撥至10 40 A檔，并重新調(diào)零。將直徑 4mm的光闌及所選譜線的濾色片裝在光電管暗箱光輸入口上。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-1 50V，自動測量時步長為1V，儀器功能及使用方法如前所述。 可同時觀察5條譜線在同一光闌、同一距離下伏安飽和特性曲線。 可同時觀察

12、某條譜線在不同光闌不同光通量、同一距離下的伏安飽和特性曲線。 可同時觀察某條譜線在不同距離不同光強(qiáng)、同一光闌下的伏安飽和特性曲線。由此可驗證光電管飽和光電流與入射光成正比。記錄所測Uak及I的數(shù)據(jù)到表2中，在坐標(biāo)紙上作對應(yīng)于以上波長及光強(qiáng)的伏安特性曲線。在UAK為50V時，將儀器設(shè)置為手動模式，測量并記錄對同一譜線、同一入射距離，光闌分別為2mm, 4mm, 8mm時對應(yīng)的電流值于表 3中，驗證光電管的飽和光電流與入射光強(qiáng)成正比。也可在Uak為50V時，將儀器設(shè)置為手動模式，測量并記錄對同一譜線、同一光闌時，光電管與入射光在不同距離，如300mm, 350mm, 400mm等對應(yīng)的電流值于表

13、4中，同樣可以驗證光電管的飽和電流與入射光強(qiáng)成正比。五、數(shù)據(jù)處理由表1的實驗數(shù)據(jù)，作出 Ua 圖，求出直線的斜率 K,即可用h=e K求出普朗克常數(shù)，并與 h 的公認(rèn)值h。比擬，分別求出手動、自動時的相對誤差E=(h-h0)/h。，式中e=1.602 10J9C，g =6.626 10；4J s。表1 Ua 關(guān)系波長扎(nm)365405436546577頻率 j(x1014Hz )8.2147.4086.8795.4905.196截止電壓手動Uai(V)自動表2 I Uak關(guān)系Uak(V)1 (X100A )Uak(V)1 (漢10°A )表3 IM P關(guān)系UAK =V，& =nm