光电效应中银氧钾光电管的光谱特性和光电流的实验研究文档格式.docx
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第一部分:
光电效应理论发展的物理史、实验历程
第二部分:
现行的银氧钾膜光电管和光电效应实验测量普朗克常数实验基础上测试绘测不同距离下汞灯不同频率光的功率分布,绘出能谱曲线,并测量不同距离下不同频率对应的光电管零电场光电流的曲线和光电流&
第三部分:
理论分析光电效应的微观动力学机制,设计改造现有仪器,测量不同频率的光子轰击对应的透射型光电流数据并绘测出光电流曲线;
技术要求:
使用南京工学院电子管厂生产的GP-型普朗克常数测定仪,用GGQ—50WHg高压汞灯,高精度微电流测试仪(10^-13A),光电流要求精确到(10^-13A),普朗克常数误差5.0%以内;
数据:
365.0nm,404.7nm,435.8nm,491.6nm,546.1nm,577.0nm五种频率的入射光子下对应的不同抗拒电压U下的光电流曲线需要3000个实测数据以上;
本毕业设计(论文)课题工作进度计划:
起迄日期
工作内容
2012年
第3、4、5周(3月15日—4月15日)
第6、7、8周(4月16日—5月6日)
第9周(5月7日—5月13日)
第10周(5月14日—5月20日)
第11、12周(5月21日—6月3日)
第13、14周(6月4日—6月16日)
收集资料,分析、方案论证
设计、实验设计、初稿
实验调试、中期检查
实验结果分析
论文终稿、外文翻译
答辩
教研室审查意见:
负责人:
年月日
院(系)意见:
院(系)负责人:
指导教师评语
同学的《光电效应中银氧钾光电管光谱特性和光电流的实验研究》论文是一篇实验研究型。
论述光电效应理论发展的物理史、实验历程背景的基础上,进一步揭示了光电效应现象和其理论实验手段在物理史上的重要意义,在现行的银氧钾膜光电管和光电效应实验测量普朗克常数实验基础上绘测了不同距离下汞灯不同频率光的功率分布,绘出了能谱曲线,并测量了不同距离下不同频率对应的光电管零电场光电流的曲线测试绘测光电流&
抗拒电压曲线图,求解了普朗克常数和银氧钾膜的逸出功;
理论分析了光电效应的微观动力学机制,设计改造了现有仪器,测量不同频率的光子轰击对应的透射型光电流数据并绘测出了光电流曲线。
其查阅的物理史内容准确,理论分析严密,实验数据创新、严谨、有效,数据量足够,使用Excel绘测了相关曲线。
该同学从2012年3月下达任务书后,在完成论文的过程中,积极地从网上和图书馆查阅了大量文献资料,有自主的见解、对学过的知识进行较为深入研究,很好地反映出该同学对基础理论知识的掌握程度。
学习态度比较认真,组织纪律较好。
在老师指导下,主动积极在实验室内完成了四千个数据以上的测量任务,测量时间累积20小时以上,认真严谨,在测量数据过程中,独立思考,提出大量有见地的经过深思的问题,也为老师开拓了新的思路,是一个很踏实的有创新精神的好同志!
该文结构合理、阐述明了、语句通顺,数据充分,图表清晰,结论有非常好的科研价值,很好的达到了预期目标,完成了指定任务。
根据同学在毕业论文工作期间的表现和论文完成的质量,同意参加理学学士学位论文答辩。
指导教师:
指定论文评阅人评语
同学的《光电效应中银氧钾光电管光谱特性和光电流的实验研究》论文是一篇实验研究型的论文。
论述了光电效应理论发展的物理史、实验历程背景的基础上,进一步揭示光电效应现象和其理论实验手段在物理史上的重要意义,在现行的银氧钾膜光电管和光电效应实验测量普朗克常数实验基础上绘测了不同距离下汞灯不同频率光的功率分布,绘出了能谱曲线,并测量了不同距离下不同频率对应的光电管零电场光电流的曲线测试绘测光电流&
理论分析了光电效应的微观动力学机制,设计改造了现有仪器,测量出不同频率的光子轰击对应的透射型光电流数据并绘测出了光电流曲线。
物理史内容准确,理论分析严密,实验数据创新、严谨、有效,数据量足够,使用Excel绘测相关曲线。
根据同学本科毕业论文完成的质量,同意参加理学学士学位论文答辩。
评阅人:
答辩委员会评语
同学的《光电效应中银氧钾光电管光谱特性和光电流的实验研究》论文是一篇实验研究型的论文。
物理史内容准确,理论分析严密,实验数据创新、严谨、有效,数据量足够,使用Excel绘测了相关曲线。
该同学在答辩过程中挥洒自如,信心十足,论述全面、重点突出、语言流畅、回答切题、观点无误、层次清楚。
根据同学在毕业论文完成的质量,以及在答辩环节中的实际表现,反映了该同学基础理论知识扎实,专业知识掌握较好,并能活学活用,解决实际问题能力较高。
经理学院答辩委员会审议,通过该同学的毕业论文答辩。
答辩委员会主席签字:
总评成绩
周记成绩
指导教师
评定成绩
评阅人
答辩成绩
总评
主管院长签字
ExperimentalstudyoftheAg-O-Kphototubespectralcharacteristicsandphotocurrentinphotoelectriceffect
所在专业:
班级:
申请学位:
理学学士
论文提交日期:
2012-5-31
论文答辩日期:
2012-6-13
学位授予单位:
摘要
本文介绍了光电效应的发现及发展,回顾了赫兹、勒纳德、爱因斯坦、密里根等伟大科学家对光电效应的发现、发展做出的贡献。
实验测量了光功率与距离的关系,求出了汞灯的光谱图,以及实验探究了Ag-O-K光电管对各种波长光的敏感度。
有实验得出Ag-O-K光电管在不同波长照射时吸收光的效率是不同,虽然汞灯能量主要分布在长波段,但是同样的光强时却是365nm和405nm波长的光电流大得多。
说明Ag-O-K的光谱特性是:
对波长短的光比较敏感,对波长长的光不太敏感。
通过反射型光电效应得到外加电压与光电流的关系曲线图,验证了普朗克常量的正确性。
本文创新设计透射型光电效应,通过实验得出外加电压与透射光电流的关系曲线图,探究透射型光电效应的特点,并与反射型光电效应做了对比。
在实验中透射型光电流的远小于反射型的光电流,说明透射型电子逸出几率远小于反射型电子的逸出几率。
因为在反射型光电过程中,表层电子逸出过程中直接克服表面势垒就逸出了,而透射型光电过程中,电子首先要由深层向表层扩散,很多光电子会因为金属晶格散射作用改变方向而无法穿出,出射光电子大大减少。
从透射光电流曲线中读取对应的“抬头点“电压值计算的普朗克常数误差比较大,说明穿越Ag-O-K后的光电子虽然存在截止电压和最大动能,对应的截止电压和光频率之间的线性关系式不再存在,这说明光电子穿越过程是一个复杂的非线性过程,可能跟金属晶格声子作用有关。
关键词:
光电效应;
光量子;
普朗克常数;
反射型;
透射型
Abstract
ThisarticledescribesthediscoveryanddevelopmentofthephotoelectriceffectandreviewsofHertz,Lenard,Einstein,RobertAndrewsMillikan’sgreatscientists,whofoundthecontributiontothedevelopmentofthephotoelectriceffect.Theexperimentallymeasurementofopticalpoweranddistancehasbeendonetodescribeamercurylampspectra,andexperimentalexplorationoftheAg-O-Kphototubesensitivitytovariouswavelengthsoflight.Ag-O-Kphototubeefficiencyofabsorptionoflightisatdifferentwavelengths.Althoughthemercurylampenergyismainlydistributedinthelongwavelength,butunderthesameintensity,365nmand405nmwavelength’scorrespondingphotocurrentismuchlarger.ThespectralcharacteristicsoftheAg-O-Karethatitismoresensitivetotheshortwavelengthoflightandlesssensitivetothelongwavelengthlight.
Inreflectivephotoelectriceffect,therelationshipbetweenphototubevoltageandphotocurrentisaccordingtoEinstein’sequationandverifyingthecorrectnessofthePlanckconstant.
Inthisarticle,ainnovativedesignoftransmission-typephotoelectriceffectisdoneandtherelationshipbetweenthevoltageandthetransmittedlightcurrentisdescribedwiththecorrespondingdata.Thedifferencebetweenthetransmissioncharacteristicsofthephotoelectriceffectandreflectivephotoelectriceffectisdiscussed.Thetransmissionphotocurrentcurrentismuchsmallerthanthereflectivecurrent,indicatingthatthetransmissionelectrons’escapingprobabilityismuchsmallerthanthereflectiveelectrons’escapingprobability.Inthereflectiontypephotoelectricprocess,thesurfaceelectronescapeprocessdirectlytoovercomethesurfacebarrier.Accordingtothetransmissionphotoelectricprocess,theelectronswillchangemovingdirectionbecauseofthemetallatticescatteringandcannotbeacrossthesurface,sothenumberofphotoelectronsisgreatlyreduced.
Afteranalyzingthedatagainedfromthetransmissionlight,itisdiscoveredthatthecorresponding“risingpoint”voltagevalueandthePlanckconstant’serrorisrelativelylarge,whichindicatesthatthephotoelectronsthroughtheAg-O-Khavethecut-offvoltageandthemaximumkineticenergy,butthecorrespondingcut-offvoltageandfrequencyofthelight’slinearrelationshipisnolongerexisting,whichshowsthephotoelectronthroughtheprocessisacomplexnonlinearprocess,andmayberelatedwiththemetallatticephononinteraction.
Keywords:
photoelectriceffect;
photons;
Planck'
sconstant;
reflective;
transmission
前言
光照射到某些物质上,引起物质的电性质发生变化。
这类光致电变的现象被人们统称为光电效应(Photoelectriceffect)。
光电效应是物理学中一个重要而神奇的现象,在光的照射下,某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流,即光生电。
外光电效应是指物质吸收光子并激发出自由电子的行为。
当金属表面在特定的光辐照作用下,金属会吸收光子并发射电子,发射出来的电子叫做光电子。
光的波长需小于某一临界值(相等于光的频率高于某一临界值)时方能发射电子,其临界值即极限频率和极限波长。
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非光的强度,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,电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。
这种解释为爱因斯坦所提出。
光电效应由德国物理学家赫兹于1887年发现,对发展量子理论及波粒二象性起了根本性的作用。
第一章光电效应在物理学中的发展历史
第一节关于光是微粒还是波的争论问题的背景
光是人类最重要的信息来源,光本性的问题一直是人们探究的重点之一。
牛顿认为光可能是微粒流,惠更斯认为光是一种振动的传播。
起初人们倾向于牛顿的观点,但是白1801年英国物理学家托马斯·
杨的双缝干涉实验之后,光的波动说逐渐占据了上风。
麦克斯韦的电磁场理论将电磁波与光统一起来,为波动光学奠定了坚实的理论基础[1]。
光电效应的发现-赫兹对光电效应的发现和研究
然而,1887年英国物理学家赫兹在证明电磁波存在的实验过程中,发现当紫外线照射到负电极时,会增大接收器中电火花的长度[2]。
进一步的研究表明,受紫外光照射的金属电极会失去负电荷,这些负电荷以射线的形式从金属表面逸出,可以经过回路形成光电流。
光电射线的荷质比与阴极射线非常接近,考虑到实验误差后可以断定光电射线也是由电子组成的。
光电效应最先是赫兹在1886年12月进行电磁波实验研究中偶然发现[3]。
尽管他是在偶然的情况下发现这一效应的,但凭着科学家敏锐的直觉,他立刻意识到它的重要性。
因为在当时已知的唯一的电一光效应仅是在光照之下,硒的电阻发生改变。
他猜想他所观察到的光和电之间的这种相互作用可以揭示电和光的本性,因此,他暂时放下正在进行的电磁波研究,转而研究所观察到的这种未知现象。
到1887年5月,赫兹在当时条件下对光电效应进行了最为深人的研究,取得了重要成果。
5月底,他将研究论文寄给了《物理年鉴》的主编维德曼,描述了他所观察到的光电效应,此后,他并没有进行进一步的研究,而是把注意力再次集中到有关电磁波的性质和特性研究上去了,这才是当时他研究的重点问题[4]。
在赫兹这篇关于光电效应的唯一论文中,他详细描述了他如何注意到照射到次级火花隙极片上的光增强了隙间火花。
为了弄清光是如何使火花增强的,赫兹首先分别用铜、黄铜、铝、铁、锡、锌和铅等不同金属材料作为电极片进行实验;
其次,他利用各种不同的光源进行实验,他分别使用了火光、阳光、各种气体的辉光、以及电弧光;
最后他又在光源和火花隙之间放置各种气体、液体和固体进行实验。
他所用的材料包括金属、各种厚度的玻璃片、石蜡、虫漆、云母、玛瑙、木头、纸板、纸、岩盐以及更多的奇异的物质、如黄玉、紫水晶、象牙、羽毛和动物皮等等。
根据这些实验的结果,他推断使火花明显增强的有效辐射有一个接近可见光谱的极限。
为此他又使用石英棱镜色散不同光源进行实验,结果发现使火花增强的辐射的确都是紫外光。
1887年7月7日,赫兹写信给他父亲,尽可能用最浅显的术语向他父亲解释他的光电效应的研究。
在信中,他概述了研究情况:
“这个效应是明显的。
然而又是令人迷惑的。
如果少一些迷惑那自然更好;
但不能轻易解开谜底也并非坏事因为一旦谜底揭开,将会有许多新的事实被澄清。
”[5]
赫兹对形势的估计是完全正确的。
光电效应在1887年,的确是个谜无法解释,因为当时人们对原子结构、金属结构以及电子知之甚少。
然而赫兹的实验研究为人们后来解决这些问题奠定了坚实的基础。
赫兹的光电效应研究
1887年,在《论紫外线对放电的影响》[6]一文中,赫兹对他关于这种现象的实验研究结果作了详细的论述,在一定的程度上揭示了光电效应的本质特征。
两个火花隙d、f分别与两个高压感应圈a、e相连接,将火花隙间的距离调节到适当的大小,就会产生两个火花。
b为电池,c为水银电路开关。
赫兹在研究两个火花之间的干涉现象时,在它们中间插入一个平板P,以便观察影响火花之间干涉的主要因素。
在实验过程中,赫兹在两火花之间插入各种不同的材料,试图判断这种效应是否由光通过与其透射的物质之间的作用而产生的。
结果表明,这种效应既不是由插入其间的金属板对光的屏蔽引起的,也不是由光与插入其中物质之间的作用引起的。
因此,在随后的实验中,他将注意力集中到光的本身,从而获得对光电效应物理机制的重要认识。
(1)两火花之间的距离及插入板对光电效应的影响
赫兹在实验过程中,既考察了两火花之间的距离对光电效应的影响,也考察了插入板对这种效应的影响。
在插入板相同的情况下,对于不同的两火花之间的距离,在插入板插入前后,次级火花长度有明显的变化[6]。
在不用插入板时,两火花隙之间的作用随着它们之间的距离的减小而明显地增加当在火花问插入平板后,次级火花的长度则不随两火花隙之间的距离的不同而变化。
所以,通过这种定量的实验,赫兹认为“平板仅提供了一个有效的方法,因而更方便、明确地展现火花A对火花B的作用。
”[6]除此之外赫兹还注意到火花A、B之间的作用是相互的。
在这篇实验报告的第七节中,他写道:
“两个火花之间的作用关系是相互的。
也就是说,不仅是较大的、较强的火花能够使较小的火花长度增加,而且,较小的火花对较大的火花也能够产生同样的效应。
”[6]这就说明,产生这种效应与火花的大小、强弱并没有关系。
这都是对这种效应本质的较为深入的认识,对后来研究者产生了重要的影响。
(2)次级火花周围的气压对光电效应的影响
在对这种效应的研究过程中,赫兹不仅观察了两火花隙之间插入不同物质对这种效应的影响,而且观察了次级火花电极的形状对这种效应的影响。
尤为重要的是,他还对次级火花周围的气压对这种效应所产生的影响作了定量的研究。
这种研究方法是他对此效应认识的一大进步的表现,为哈耳瓦兹、勒纳德等人的进一步深入的研究奠定了极为重要的基础。
为了考察次级火花周围的气压对光电效应的影响,在实验过程中,赫兹将次级火花置于一个密封容器中,容器壁上开有可以随意开关的小窗,以控制外光对次级火花的影响。
容器内的空气可以抽出,以使内部的气压达到不同的数值[6]。
随着气压的减小,次级火花长度不断地增加。
当气压减小到一定的数值时,外光对次级火花长度的影响更加明显。
这种实验表明,次级火花周围的气压对火花长度具有明显的影响。
(3)对电极附近光电效应的仔细观察
在对光电效应的进一步研究过程中,赫兹仔细观察了这种效应究竟是由阳极产生的还是由阴极产生的。
这又在认识这种效应本质的正确方向上前进了一大步。
在实验过程中,赫兹发现这种效应“发生在电极附近,尤其在越靠近负极的地方,效应就越强烈[6]。
”在次级火花长度达到1—2cm的情况下,通过遮蔽次级火花的阳极或阴极,赫兹发现“将阳极遮蔽时,对效应的影响很小;
而将阴极遮蔽时,这种效应的最大部分就停止了”[6]。
而对于次级火花较短的情况,两电极不便分别遮蔽,赫兹采用旋转电极的方法来观察电极附近的效应。
他发现“当负极正对主动火花时,有利于观察这种效应”[6]。
即便赫兹通过这些观察,他对这种效应在电极附近的准确情况也还没有能够完全认识清楚。
正如他自己所说:
“这种效应是完全在阴极产生,还是仅主要在阴极产生,我不能完全的确定。
”[6]但是,赫兹1891年为《电波》一书撰写注释时,这个问题已经有了明确的答案。
在赫兹关于光电效应实验研究的文章发表不久,维德曼和艾
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- 关 键 词:
- 光电效应 中银氧钾 光电管 光谱 特性 电流 实验 研究