光电效应测普朗克常数实验报告文档格式.docx
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工作台、磁性底座、光电管、光源、滤色片或单色仪、微电流放大器等。
【实验原理】
1、光电效应与爱因斯坦方程
用合适频率的光照射在某些金属表面上时,会有电子从金属表面逸出,这种现象叫做光电效应,从金属表面逸出的电子叫光电子。
为了解释光电效应现象,爱因斯坦提出了“光量子”的概念,认为对于频率为
的光波,每个光子的能量为
式中,
为普朗克常数,它的公认值是
=6.626
。
按照爱因斯坦的理论,光电效应的实质是当光子和电子相碰撞时,光子把全部能量传递给电子,电子所获得的能量,一部分用来克服金属表面对它的约束,其余的能量则成为该光电子逸出金属表面后的动能。
爱因斯坦提出了著名的光电方程:
(1)
为入射光的频率,
为电子的质量,
为光电子逸出金属表面的初速度,
为被光线照射的金属材料的逸出功,
为从金属逸出的光电子的最大初动能。
由
(1)式可见,入射到金属表面的光频率越高,逸出的电子动能必然也越大,所以即使阴极不加电压也会有光电子落入阳极而形成光电流,甚至阳极电位比阴极电位低时也会有光电子落到阳极,直至阳极电位低于某一数值时,所有光电子都不能到达阳极,光电流才为零。
这个相对于阴极为负值的阳极电位
被称为光电效应的截止电压。
显然,有
(2)
代入
(1)式,即有
(3)
由上式可知,若光电子能量
,则不能产生光电子。
产生光电效应的最低频率是
,通常称为光电效应的截止频率。
不同材料有不同的逸出功,因而
也不同。
由于光的强弱决定于光量子的数量,所以光电流与入射光的强度成正比。
又因为一个电子只能吸收一个光子的能量,所以光电子获得的能量与光强无关,只与光子
的频率成正比,,将(3)式改写为
(4)
上式表明,截止电压
是入射光频率
的线性函数,如图2,当入射光的频率
时,截止电压
,没有光电子逸出。
图中的直线的斜率
是一个正的常数:
(5)
由此可见,只要用实验方法作出不同频率下的
曲线,并求出此曲线的斜率,就可以通过式(5)求出普朗克常数
其中
是电子的电量。
U0-v直线
2、光电效应的伏安特性曲线
下图是利用光电管进行光电效应实验的原理图。
频率为
、强度为
的光线照射到光电管阴极上,即有光电子从阴极逸出。
如在阴极K和阳极A之间加正向电压
,它使K、A之间建立起的电场对从光电管阴极逸出的光电子起加速作用,随着电压
的增加,到达阳极的光电子将逐渐增多。
当正向电压
增加到
时,光电流达到最大,不再增加,此时即称为饱和状态,对应的光电流即称为饱和光电流。
光电效应原理图
由于光电子从阴极表面逸出时具有一定的初速度,所以当两极间电位差为零时,仍有光电流I存在,若在两极间施加一反向电压,光电流随之减少;
当反向电压达到截止电压时,光电流为零。
爱因斯坦方程是在同种金属做阴极和阳极,且阳极很小的理想状态下导出的。
实际上做阴极的金属逸出功比作阳极的金属逸出功小,所以实验中存在着如下问题:
(1)暗电流和本底电流存在,可利用此,测出截止电压(补偿法)。
(2)阳极电流。
制作光电管阴极时,阳极上也会被溅射有阴极材料,所以光入射到阳极上或由阴极反射到阳极上,阳极上也有光电子发射,就形成阳极电流。
由于它们的存在,使得I~U曲线较理论曲线下移,如下图所示。
伏安特性曲线
【实验步骤】
1、调整仪器
(1)连接仪器;
接好电源,打开电源开关,充分预热(不少于20分钟)。
(2)在测量电路连接完毕后,没有给测量信号时,旋转“调零”旋钮调零。
每换一次量程,必须重新调零。
(3)取下暗盒光窗口遮光罩,换上365.0nm滤光片,取下汞灯出光窗口的遮光罩,装好遮光筒,调节好暗盒与汞灯距离。
2、测定光电管的暗电流
适当选取电压和电流的的量程,在无光照的条件下,测出不同电压下的相应暗电流值。
3、测量光电管的伏安特性曲线
(1)取下暗盒盖,让光电管对准单色仪出射狭缝,按螺旋测微头显示的波长(
nm)在可见光围选择一种波长输出,根据微安表指示,找到峰值,并设置适当的倍率按键。
(2)选取适当的电压和电流的的量程,从-1.50V起测出不同电压下的光电流,相继选择波长为365nm,385nm,400,500nm,600nm,650nm的单色光重复测量。
(3)选择合适的坐标,分别作出两种光阑下的光电管伏安特性曲线U~I。
【实验记录与处理】
365nm
U/V
-2.50
-2.00
-1.60
-1.40
-1.38
-1.36
-1.34
-1.32
-1.30
I/
µ
A
-22.0
-20.2
-18.6
-14.4
-13.8
-13.0
-11.9
-10.2
-8.9
-1.28
-1.26
-1.24
-1.20
-0.90
-0.60
-0.30
0.30
-7.9
-6.0
-4.2
-0.3
55.4
122
202
280
342
385nm
-3.00
-2.80
-2.60
-2.40
-2.30
-2.20
-2.10
-1.90
-39.0
-38.4
-38.0
-37.8
-37.2
-36.8
-36.4
-35.9
-35.4
-1.80
-1.70
-1.50
-1.10
-0.80
-0.50
-0.2
-34.6
-34.2
-33.8
-32.2
-30.4
-5.8
80
219
360
400nm
-1.58
-54.2
-54.0
-53.8
-52.2
-52.0
-50.0
-48.2
-46.2
-44.2
-1.16
-1.08
-1.00
-0.8
-0.52
-0.32
0.15
-40.4
-34.0
-22.8
-4.8
84.4
258
418
698
500nm
-2.56
-2.17
-1.73
-1.51
-1.21
-0.93
-0.75
-0.66
-0.58
-78.0
-76.2
-73.0
-70.2
-66.8
-60.8
-53.0
-39.9
-0.13
0.12
0.21
0.69
222
468
650
822
928
1020
600nm
-3.91
-2.51
-1.71
-0.86
-0.69
-0.51
-0.39
-0.34
-0.15
-12.0
-11.6
-8.5
-8.2
-6.6
-4.0
-1.4
34.0
-0.03
0.22
0.57
80.0
140
162
650nm
-2.63
-2.24
-1.93
-1.79
-1.61
-1.41
-1.29
-45.0
-43.9
-40.8
-31.2
-26.2
-18.2
-5.9
-0.62
0.19
0.91
1.75
2.28
43.0
100
439
662
722
742
选取“抬头点”,用直线模拟的如下图:
经过拟合计算得到直线:
Y=2.2003 −3.1117×
10
x
即斜率
=
=3.1117×
所以,h’=6.5391×
经查阅,h=6.626076×
【实验分析讨论】
本实验中应用不同的方法都测出了普朗克常数,但都有一定的实验误差,据分析误差产生原因是:
1、暗电流的影响,暗电流是光电管没有受到光照射时,也会产生电流,它是由于热电子发射、和光电管管壳漏电等原因造成;
2、本底电流的影响,本底电流是由于室的各种漫反射光线射入光电管所致,它们均使光电流不可能降为零且随电压的变化而变化。
3、光电管制作时产生的影响:
(1)、由于制作光电管时,阳极上也往往溅射有阴极材料,所以当入射光射到阳极上或由阴极漫反射到阳极上时,阳极也有光电子发射,当阳极加负电位、阴极加正电位时,对阴极发射的光电子起了减速的作用,而对阳极的电子却起了加速的作用,所以I-U关系曲线就和IKA、UKA曲线图所示。
为了精确地确定截止电压US,就必须去掉暗电流和反向电流的影响。
以使由I=0时位置来确定截止电压US的大小;
制作上的其他误差。
4、实验者自身的影响:
(1)从不同频率的伏安特性曲线读到的“抬头电压”(截止电压),不同人读得的不一样,经过处理后的到Us____v曲线也不一样,测出的数值就不一样;
(2)调零时,可能会出现误差,及在测量时恐怕也会使原来调零的系统不再准确。
5、参考值本身就具有一定的精确度,本身就有一定的误差。
6、理论本身就有一定的误差,例如,1963年Ready等人用激光作光电发射实验时,发现了与爱因斯坦方程偏离的奇异光电发射。
1968年Teich和Wolga用GaAs激光器发射的h=1.48eV的光子照射逸出功为A=2.3eV的钠金属时,发现光电流与光强的平方成正比。
按爱因斯坦方程,光子的频率处于钠的阀频率以下,不会有光电子发射,然而新现象却发生了,不但有光电子发射,而且光电流不是与光强成正比,而是与光强的平方成正比。
于是,人们设想光子间进行了“合作”,两个光子同时被电子吸收得以跃过表面能垒,称为双光子光电发射。
后来,进一步的实验表明,可以三个、多个、甚至40个光子同时被电子吸收而发射光电子,称为多光子光电发射。
人们推断,n光子的光电发射过程的光电流似乎应与光强的n次方成正比。
【参考文献】
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(2);
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【4】戴剑锋,维学,王青.《物理学发展与进步》【M】.第一版,化工工业,2005,3;
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【7】建荣,毛建杰.《近代物理实验讲义》【M】.第一版,师学院物理系,2005,1;
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