光电效应测普朗克常数实验报告多篇范例.docx
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光电效应测普朗克常数实验报告多篇范例
光电效应测普朗克常数实验报告[多篇范例]
在文艺复兴和工业革命后,物理学得到了迅猛的发展,在实际应用中也发挥了巨大的作用。
此刻人们感觉物理学的大厦已经建成,剩下只是一些补充。
直到19世纪末,物理学领域出现了四大危机:
光电效应、固体比热、黑体辐射、原子光谱,其实验现象用经典物理学的理论难以解释,尤其对光电效应现象的解释与理论大相径庭。
光电效应最初是赫兹在1886年12月进行电磁波实验研究中偶然发现的,虽然是偶然发现,但他立即意识到它的重要性,因此在以后的几个月中他暂时放下了手头的研究,对这一现象进行了专门的研究。
虽然赫兹没能给出光电效应以合理的解释,但赫兹的论文发表后,光电效应成了19世纪末物理学中一个非常活跃的研究课题。
勒纳是赫兹的学生和助手,很早就对光电效应产生了兴趣。
1920年他发表论文介绍了他的研究成果,勒纳得出,发射的电子数正比于入射光所带的能量,电子的速度和动能与发射的电子数目完全无关,而只与波长有关,波长减少动能增加,每种金属对应一特定频率,当入射光小于这一频率时,不发生光电效应。
虽然勒纳对光电效应的规律认识很清楚,但其解释却是错误的。
1905年,爱伊斯坦在普朗克能量子的启发下,提出了光量子的概念,并成功解释了光电效应。
接着,密立根对光电效应进行了10年左右的研究,与1916年发表论文正是了爱因斯坦的正确性,并精确测出了普朗克常量。
从而为量子物理学的诞生奠定了坚实的理论和实验基础,爱因斯坦和密立根都因为光电效应方面的杰出贡献,分别于1921年和1923年获得了诺贝尔物理学奖。
对光电效应的研究,使人们进一步认识到光的波粒二象性本质,促进了光电子理论的简历和近代物理学的发展。
利用光电效应制成电器件如光电管、光电池、光电倍增管等,已成为生产和科研中不可或缺的传感和换能器。
光电探测器和光电测量仪的应用也越来越广泛。
另外,利用光电效应还可以制一些光控继电器,用于自动控制、自动设计数、自动报警、自动跟踪等。
【实验目的】
1、通过实验深刻理解爱因斯坦的光电效应理论,了解光电效应的基本规律;2、掌握用光电管进行光电效应研究的方法;33、学习对光电管伏安特性曲线的处理方法,并用以测定普朗克常数h。
【仪器用具】
普朗克常量测定仪一套,包括:
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】
11、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)
式中,?
为入射光的频率,m为电子的质量,v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,221mv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0U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Wh?
?
,则不能产生光电子。
产生光电效应的最低频率是hW?
0?
,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0?
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0U是入射光频率?
的线性函数,如图2,当入射光的频率0?
?
?
时,截止电压00?
U,没有光电子逸出。
图中的直线的斜率ehk?
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?
?
0U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h。
其中
是电子的电量。
U0-v
直线
22、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AKU,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AKU的增加,到达阳极的光电子将逐渐增多。
当正向电压
增加到mU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】
11、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。
22、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。
33、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(210?
nm)在可见光范围内选择一种波长输出,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/410?
?
μA
--22.0
--20.2
--18.6
--14.4
--13.8
--13.0
--11.9
--10.2
--8.9
U/V
--1.28
--1.26
--1.24
--1.20
--0.90
--0.60
--0.30
00
0.30
I/410?
?
μA
--7.9
--6.0
--4.2
--0.3
55.4
122
202
280
342
2.52.01.51.00.**********0
385nm
U/V
--3.00
--2.80
--2.60
--2.40
--2.30
--2.20
--2.10
--2.00
--1.90
I/410?
?
μA
--39.0
--38.4
--38.0
--37.8
--37.2
--36.8
--36.4
--35.9
--35.4
U/V
--1.80
--1.70
--1.60
--1.50
--1.40
--1.10
--0.80
--0.50
--0.2
I/410?
?
μA
--34.6
--34.2
--33.8
--32.2
--30.4
--5.8
80
219
360
3.02.52.01.51.00.***-********-*****
400nm
U/V
--3.00
--2.80
--2.60
--2.40
--2.30
--2.00
--11.80
--1.58
--1.38
I/410?
?
μA
--54.2
--54.0
--53.8
--52.2
--52.0
--50.0
--48.2
--46.2
--44.2
U/V
--1.26
--1.16
--1.08
--1.00
--0.8
--0.52
--0.32
0.15
I/410?
?
μA
--40.4
--34.0
--22.8
--4.8
84.4
258
418
698
3.02.52.01.51.00.***-********-**********
500nm
U/V
--2.56
--2.17
--1.73
--1.51
--1.21
--0.93
--0.75
--0.66
--0.58
I/410?
?
μA
--78.0
--76.2
--73.0
--70.2
--66.8
--60.8
--53.0
--39.9
--10.2
U/V
--0.32
--0.13
00
0.12
0.21
0.69
I/410?
?
μA
222
468
65
2.52.01.51.00.50.***-********-*****0
600nm
U/V
--3.91
--2.51
--1.71
--0.86
--0.69
--0.51
--0.39
--0.34
--0.15
I/410?
?
μA
--12.0
--11.6
--10.2
--8.5
--8.2
--6.6
--4.0
--1.4
34.0
U/V
--0.03
0.22
0.57
I/410?
?
μA
80.0
140
162
432***-*****0
650nm
U/V
--2.63
--2.51
--2.24
--1.93
--1.79
--1.61
--1.51
--1.41
--1.29
I/510?
?
μA
--45.0
--44.2
--43.9
--40.8
--39.0
--31.2
--26.2
--18.2
--5.9
U/V
--0.93
--0.62
0.19
0.91
1.75
2.28
I/510?
?
μA
43.
22
742
211***-*****
选取“抬头点”,用直线模拟的如下图:
4.010114.510115.010115.510116.010116.510117.010110.20.40.60.81.01.2经过拟合计算得到直线:
YY==2.729*****1?
?
3.***-********-*****×1015?
xx
即斜率?
?
?
U==eh==3.***-********-*****×1015?
所以,hh’==6.***-********-*****×1034?
经查阅,h=6.*****×1034?
%410.4hh?
?
?
?
【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,本底电流是由于室内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。
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