光电效应伏安特性曲线研究毕业论文Word格式.docx
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而今光电效应已经广泛地应用于各科技领域,利用光电效应制成的光电器件(如:
光电管、光电池、光电倍增管等)已成为生产和科研中不可缺少的器件。
关键词:
光电效应;
伏安曲线;
实验数据;
光电效应的应用;
1引言
1887年H.赫兹发现光电效应奇特现象,此后许多物理学家对光电效应作了深入的研究,总结出光电效应的实验规律。
1905年,年仅26岁的爱因斯坦(AlbertEinstein)在《关于光的产生和转化的一个试探性观点》一文中高屋建瓴,提出了“光量子”(光子)假说,圆满地解释了光电效应,并给出了光电效应方程。
10年后被实验物理学家密立根(RobertMillikan)用精确的实验证实了,并测定了普朗克常数。
他们都因光电效应等方面的杰出贡献分别于1921年和1923年获得诺贝尔物理奖。
光电效应实验及其光量子理论的解释在量子理论的确立和发展上,在揭示光的波粒二象性等方面都具有里程碑的深远意义,有力地推动了近代物理学的创立和发展。
利用光电效应制成的光电器件(如:
光电管、光电池、光电倍增管等)在工农业生产、科教文卫和国防建设众多领域得到广泛的应用,并且至今还在不断开辟新的应用领域,具有广阔的应用空间。
2光电效应的概述
1905年,爱因斯坦提出光子假设,成功解释了光电效应,因此获得1921年诺贝尔物理奖。
光照射到金属上,引起物质的电性质发生变化。
这类光变致电的现象被人们统称为光电效应(Photoelectriceffect)。
光电效应分为光电子发射、光电导效应和光生伏特效应。
前一种现象发生在物体表面,又称外光电效应。
后两种现象发生在物体内部,称为内光电效应。
赫兹于1887年发现光电效应,爱因斯坦第一个成功的解释了光电效应(金属表面在光辐照作用下发射电子的效应,发射出来的电子叫做光电子)。
光波长小于某一临界值时方能发射电子,即极限波长,对应的光的频率叫做极限频率。
临界值取决于金属材料,而发射电子的能量取决于光的波长而与光强度无关,这一点无法用光的波动性解释。
还有一点与光的波动性相矛盾,即光电效应的瞬时性,按波动性理论,如果入射光较弱,照射的时间要长一些,金属中的电子才能积累住足够的能量,飞出金属表面。
可事实是,只要光的频率高于金属的极限频率,光的亮度无论强弱,光子的产生都几乎是瞬时的,不超过十的负九次方秒。
正确的解释是光必定是由与波长有关的严格规定的能量单位(即光子或光量子)所组成。
光电效应里,电子的射出方向不是完全定向的,只是大部分都垂直于金属表面射出,与光照方向无关,光是电磁波,但是光是高频震荡的正交电磁场,振幅很小,不会对电子射出方向产生影响。
光电效应说明了光具有粒子性。
相对应的,光具有波动性最典型的例子就是光的干涉和衍射。
只要光的频率超过某一极限频率,受光照射的金属表面立即就会逸出光电子,发生光电效应。
当在金属外面加一个闭合电路,加上正向电源,这些逸出的光电子全部到达阳极便形成所谓的光电流。
在入射光一定时,增大光电管两极的正向电压,提高光电子的动能,光电流会随之增大。
但光电流不会无限增大,要受到光电子数量的约束,有一个最大值,这个值就是饱和电流。
所以,当入射光强度增大时,根据光子假设,入射光的强度(即单位时间内通过单位垂直面积的光能)决定于单位时间里通过单位垂直面积的光子数,单位时间里通过金属表面的光子数也就增多,于是,光子与金属中的电子碰撞次数也增多,因而单位时间里从金属表面逸出的光电子也增多,饱和电流也随之增大
“图一”
光电效应编辑本段理论发展历史
光电效应由德国物理学家赫兹于1887年发现,对发展量子理论起了根本性作用。
1887年,首先是赫兹(M.Hertz)在证明波动理论实验中首次发现的。
当时,赫兹发现,两个锌质小球之一用紫外线照射,则在两个小球之间就非常容易跳过电花。
大约1900年,马克思·
普朗克(MaxPlanck)对光电效应作出最初解释,并引出了光具有的能量包裹式能量(quantised)这一理论。
他给这一理论归咎成一个等式,也就是E=hf,E就是光所具有的“包裹式”能量,h是一个常数,统称布兰科(普朗克)常数(Planck'
sconstant),而f就是光源的频率。
也就是说,光能的强弱是有其频率而决定的。
但就是布兰科(普朗克)自己对于光线是包裹式的说法也不太肯定。
1902年,勒纳(Lenard)也对其进行了研究,指出光电效应是金属中的电子吸收了入射光的能量而从表面逸出的现象。
但无法根据当时的理论加以解释
1905年,爱因斯坦26岁时提出光子假设,成功解释了光电效应,因此获得1921年诺贝尔物理奖。
他进一步推广了布兰科的理论,并导出公式,Ek=hf-W,W便是所需将电子从金属表面上自由化的能量。
而Ek就是电子自由后具有的动能。
“图二”
光电效应编辑本段实验研究
1887年,赫兹在做证实麦克斯韦的电磁理论的火花放电实验时,偶然发现了光电效应。
赫兹用两套放电电极做实验,一套产生振荡,发出电磁波;
另一套作为接收器。
他意外发现,如果接收电磁波的电极受到紫外线的照射,火花放电就变得容易产生。
赫兹的论文《紫外线对放电的影响》发表后,引起物理学界广泛的注意,许多物理学家进行了进一步的实验研究。
1888年,德国物理学家霍尔瓦克斯(WilhelmHallwachs)证实,这是由于在放电间隙内出现了荷电体的缘故。
1899年,汤姆孙用巧妙的方法测得产生的光电流的荷质比,获得的值与阴极射线粒子的荷质比相近,这就说明产生的光电流和阴极射线一样是电子流。
这样,物理学家就认识到,这一现象的实质是由于光(特别是紫外光)照射到金属表面使金属内部的自由电子获得更大的动能,因而从金属表面逃逸出来的一种现象。
“图三”
1899—1902年,勒纳德(P?
Lenard,1862—1947)对光电效应进行了系统的研究,并首先将这一现象称为“光电效应”。
为了研究光电子从金属表面逸出时所具有的能量,勒纳德在电极间加一可调节反向电压,直到使光电流截止,从反向电压的截止值,可以推算电子逸出金属表面时的最大速度。
他选用不同的金属材料,用不同的光源照射,对反向电压的截止值进行了研究,并总结出了光电效应的一些实验规律。
根据动能定理:
qU=mv^2/2,可计算出发射出电子的能量。
可得出:
hf=(1/2)mv^2+I+W
深入的实验发现的规律与经典理论存在诸多矛盾,但许多物理学家还是想在经典电磁理论的框架内解释光电效应的实验规律。
勒纳德在1902年提出触发假说,假设在电子的发射过程中,光只起触发作用,电子原本就是以某一速度在原子内部运动,光照射到原子上,只要光的频率与电子本身的振动频率一致,就发生共振,电子就以其自身的速度从原子内部逸出。
勒纳德认为,原子里电子的振动频率是特定的,只有频率合适的光才能起触发作用。
勒纳德的假说在当时很有影响,被一些物理学家接受。
但是,不久,勒纳德的触发假说被他自己的实验否定。
当时,还有一些物理学家试图把光电效应解释为一种共振现象。
3原理
金属在光的照射下释放出电子的现象叫做光电效应。
根据爱因斯坦的“光量子概念”,每一个光子具有能量
当光照射到金属上时,其能量被电子吸收,一部分耗于电子的逸出功
另一部分转换为电子逸出金属表面后的动能。
由能量守恒定律得
(3-1)
此式称为爱因斯坦光电方程。
式中h为普朗克常数,
为入射光的频率,m为电子质量,
为电子的最大速度,上式右边第一项为电子最大初动能。
用光电方程圆满解释了光电效应的基本实验事实:
电子的初动能与入射光频率呈线性关系,与入射光的强度无关。
任何金属都存在一截止频率
,
又称红限,当入射光的频率小于
时,不论光的强度如何,都不产生光电效应。
此外,光电流大小(即电子数目)只决定于光的强度。
3.1验证爱因斯坦光电方程,求普朗克常数
本实验采用“减速电位法”决定电子的最大初动能,并由此求出普朗克常数h。
实验原理如图2-1所示。
图中K为光电管阴极,A为阳极。
当频率为ν的单色光入射到光电管阴极上时,电子从阴极逸出,向阳极运动,形成电流。
当
为正值时,
越大,光电流
越大,当电压
达到一定值时,光电流饱和,如图2.2-2中虚线所示。
若
达到某一负值
时,光电流为零,
称为遏止电位或截止电压。
这是因为从阴极逸出的具有最大初动能的电子不能穿过反向电场到达阳极,即
“图四”
(3-2)
将(3-2)代入(3-1)式得
当用不同频率的单色光照射时,有
……
联立其中任意两个方程,得
(3-3)“图五”
由此可见,爱因斯坦光电方程提供了一种测量普朗克常数的方法,如果从实验所得的
关系是一条直线如图五,其斜率k=h/e,e为电子电荷,由此可求出常数h。
这也就证实了光电方程的正确性。
3.2光电管的实际U-I特性曲线
由于下述原因光电管的实测U-I特性曲线如图五中实线所示,光电流没有一个锐截止点。
1.在光电管制造过程中,有些光阴极物质溅射到阳级上,受光照射(包括漫反射光)时,阳极也会发射光电子,使光电管极间出现反向电流(阳极电流)。
2.无光照射时,在外加电压下,光电管中仍有微弱电流流过,称为暗电流。
这是由于光电管电极在常温下的热电子发射以及管座和管壳外表面的漏电造成的。
3.阳极和阴极材料不同引起的接触电位差。
由于上述原因使遏止电位
的确定带有很大的任意性。
实验时应根据光电管的不同结构与性能,采用不同方法确定
。
1.阴极是平面电极、阳极做成大环形可加热结构的光电管(如国产1997型或GDh-1型)其阴极电流上升很快,反向电流较小,特性曲线与横轴的交点
可近似当作遏止电压,这种方法称为“交点法”。
2.阴极为球壳形、阳极为半径比阴极小得我的同心小球的光电管(如GD-4开型),反向电流容易饱和,可以把反向电流进入饱和时的拐点(图五中
)电压近似作为遏止电位,这种方法叫做“拐点法”。
不过,不论采用什么方法,均在不同程度不同上引起系统误差,使测量h的误差较大。
4数据记录
测定普朗克常数(用光电管A)
光阑孔径φ=4mm光电管与汞灯距离L=400mm
“表一”
照射光波长(nm)
频率ν(×
1014HZ)
截止电压UC(V)
普朗克常数h
×
10-19C)
1.
)时:
其中所找点为的横坐标为-
“图六”
2.
“图七”
3.
“图八”
4.
“图九”
5.
“图十”
表二
1.由上述五个U-I曲线图,可以得出相应波长对应的遏止电位为:
波长/nm
频率/
Hz
颜色
遏止电位/v
365
近紫外
405
紫
436
蓝
547
绿
577
黄
2.由以上数据作出线性回归直线:
“图十一”
(4-1)
相对误差
%(4-2)
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