光电效应实验86125培训资料.docx

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光电效应实验86125培训资料

光电效应实验86125

第1章仪器介绍

LB-PH3A光电效应（普朗克常数）实验仪由汞灯及电源、光阑与滤色片、光电管、测试仪（含光电管电源和微电流放大器）构成，实验仪结构如图1所示，测试仪的调节面板如图2所示。

汞灯刻度尺光阑与滤色片光电管

图1实验仪结构图

图2测试仪前面板图

LB-PH3A光电效应（普朗克常数）实验仪有以下特点：

1．在微电流测量中采用高精度集成电路构成电流放大器。

对测量回路而言，放大器近似于理想电流表，对测量回路无影响。

精心设计、精心选择元器件、精心制作，使电流放大器达到高灵敏度、高稳定性，使测量准确度大大提高。

2．采用了新型结构的光电管。

由于其特殊结构使光不能直接照射到阳极，由阴极反射到阳极的光也很少，加上采用新型的阴、阳极材料及制造工艺，使得阳极反向电流大大降低，暗电流水平也很低。

3．设计制作了一组高性能的滤色片。

保证了在测量一组谱线时无其余谱线的干扰，避免了谱线相互干扰带来的测量误差。

4．由于仪器的稳定性好且无谱线间的相互干扰，测出的I-U特性曲线平滑、重复性好。

5．通过改变实验仪的电压档位的方式，利用光电效应测量普朗克常数、光电管伏—安特性以及验证饱和光电流与入射光强成正比等实验。

6．本仪器可用三种不同方法测量普朗克常数（拐点法、零电流法、补偿法），因此有较好的可比性。

7．采用上述测量方法，不但使得U0测量快速、重复性好，而且据此计算出的h误差不大于3%。

其技术参数如下：

1．微电流放大器：

电流测量范围：

10-7~10-13A，分6档，三位半数字显示

零漂：

开机20分钟后，30分钟内不大于满读数的±0.2%（10-13A档）

2．光电管工作电源：

电压调节范围：

-2~+2V，-2~+20V，分两档，三位半数字显示

不稳定度≤0.1%

3．光电管：

光谱响应范围：

340~700nm

最小阴极灵敏度≥1μA（-2V≤UAK≤0V）

阳极：

镍圈

暗电流I≤5×10-12A（-2V≤UAK≤0V）

4．滤光片组：

5组，中心波长为：

365.0nm，404.7nm，435.8nm，546.1nm，578.0nm

5．汞灯：

可用谱线：

365.0nm，404.7nm，435.8nm，546.1nm，578.0nm

6．测量误差≤3%

第2章实验目的与原理

光电效应是，一定频率的光照射在金属表面时，会有电子从金属表面逸出的现象。

在光电效应中，光显示出它的粒子性，这种现象对于认识光的本质，具有极其重要的意义。

1887年赫兹发现了光电效应现象，以后又经过许多人的研究，总结出一系列实验规律。

由于这些规律用经典的电磁理论无法圆满地进行解释，爱因斯坦于1905年应用并发展了普朗克的量子理论，首次提出了“光量子”的概念，并成功地解释了光电效应的全部规律。

十年后，密立根用实验证实了爱因斯坦的光量子理论，精确地测定了普朗克常数。

两位物理大师因在光电效应等方面的杰出贡献，分别于1921年和1923年获得诺贝尔物理学奖。

光电效应实验和光量子理论在物理学的发展史中具有重大而深远的意义。

利用光电效应制成了许多光电器件，在科学和技术上得到了极其广泛的应用。

实验目的：

1．了解光电效应的规律，加深对光的量子性的理解。

2．测量普朗克常数和测定光电管的光电特性曲线。

实验原理：

光电效应的实验原理如图3所示。

入射光照射到光电管阴极K上，产生光电子在电场作用下向阳极A迁移构成光电流，改变外加电压UAK，测量出光电流I的大小，即可得出光电管的伏安特性曲线。

光电效应的基本实验事实如下：

1．对应于某一频率，光电效应的I-UAK关系如图4所示。

从图中可见，对一定的频率，有一电压U0，当UAK≤U0时，电流为零，这个相对于阴极的负值的阳极电压U0，被称为截止电压。

2．当UAK≥U0后，I迅速增加，然后趋于饱和，饱和光电流IM的大小与入射光的强度P成正比。

3．对于不同频率的光，其截止频率不同，如图5所示。

4．作截止电压U0与频率υ的关系图如图6所示，U0与υ成正比关系。

当入射光频率低于某极限值υ0（随不同金属而异）时，不论光的强度如何，照射时间多长，都没有光电流产生。

5．光电效应时瞬时效应。

即使入射光的强度非常微弱，只要频率大于υ0，在开始照射后立即有光电子产生，所经过的时间至多为10-9秒的数量级。

图3图4

图5图6

经典电磁理论认为，电子从波阵面上连续地获得能量，获得的能量的大小应与光的强度有关。

因此对于任何频率，只要有足够的光强度和足够的照射时间，总会发生光电效应，而实验事实与此是直接矛盾的。

按照爱因斯坦的光量子理论，光能并不像电磁波理论所想象的那样，分布在波阵面上，而是集中在被称为光子的微粒上，但这种微粒仍然保持着频率（或波长）的概念，频率为υ的光子具有能量

，h为普朗克常数。

当光子照射到金属表面上时，一次为金属中的电子全部吸收，而无需积累能量的时间。

电子把这能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引力，余下的就变为电子离开金属表面后的动能，按照能量守恒原理，爱因斯坦提出了著名的光电效应方程：

（1）

式中，A为金属的逸出功，

为光电子获得的初始动能。

由该式可见，入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子动能越大，所以即使阳极电位比阴极电位低时也会有电子落入阳极形成光电流，直至阳极电位低于截止电压，光电流才为零，此时有关系：

（2）

阳极电位高于截止电压后，随着阳极电位的升高，阳极对阴极发射的电子的收集作用增强，光电流I随之上升，当阳极电压高到一定程度，把阴极发射的光电子几乎全收集到阳极，再增加UAK时，I不再变化，光电流出现饱和，饱和光电流IM的大小与入射光的强度P成正比。

光子的能量

时，电子不能脱离金属，因而没有光电流产生。

产生光电效应的最低频率（截止频率）是

。

将

（2）式代入

（1）式可得：

（3）

只要用实验方法得出在不同频率光照下对应的截止电压，求出直线斜率，就可以算出普朗克常数h。

爱因斯坦的光量子理论成功地解释了光电效应规律。

第3章实验内容及步骤

一、测试前准备

将测试仪及汞灯电源接通，预热20分钟。

把汞灯及光电管暗箱遮光盖盖上，将汞灯暗箱光输出口对准光电管暗箱光输入口，调整光电管于汞灯距离约30cm处并保持不变。

用专用连接线将光电管暗箱电压输入端与测试仪电压输出端（后面板上）连接起来（红-红，黑-黑）。

仪器在充分预热后，进行测试前调零：

先将电器箱与光电管断开，在无光电管电流输入的情况下，将“电流量程”选择开关置于10-13档，进行测量档调零，旋转“电流调零”旋钮使电流指示为0。

用高频匹配电缆将光电管暗箱电流输出端K与测试仪微电流输入端（后面板上）连接起来。

另：

购买多台的客户应注意，在仪器的连接过程中，因为汞灯功率较大，请尽量避免将4台以上的仪器连接在一个插座上，否则容易出现开机若干时间后汞灯自熄现象，实验室最好是配备有空调专用插座。

（注：

在进行测量时，各表头数值请在完全稳定后记录，如此可减小读数误差。

）

二、测光电管的伏安特性曲线

1.将“电压量程”按键置于I（+2V）档；将“电流量程”选择开关置于10-13档。

2.将滤色片旋转365.0nm，调光阑到2mm档。

3.从低到高调节电压，记录电流从非零到零点所对应的电压值作为表一数据的前面部分（精细），以后电压每变化一定值（可调节“电压量程”档到II（+20V）档）记录相应的电流值到表一数据的后面部分（在做此步骤时，“电流量程”选择开关应置于10-11档）。

4.在UAK为20V时，将“电流量程”选择开关置于10-11档，记录光阑分别为4mm，8mm，10mm，12mm时对应的电流值于表二中。

5.分别换上404.7nm，435.8nm，546.1nm，578.0nm的滤色片及2mm的光阑，重复3、4测量步骤。

6.用表一中的数据在坐标纸上作对应波长及光强的伏安特性曲线（以电压值作横坐标、电流值作纵坐标）。

表一I-UAK关系Φ光阑=_____mmL距离=_____cm

365.0nm

UAK（V）

I

404.7nm

UAK（V）

I

435.8nm

UAK（V）

I

546.1nm

UAK（V）

I

578.0nm

UAK（V）

I

图7不同频率伏安特性曲线图

三、验证饱和光电流与入射光强成正比

由于照到光电管上的光强与光阑面积成正比，用表二数据验证光电管的饱和光电流与入射光强成正比。

表二IM-P关系UAK=_____V

光阑孔径

2mm

4mm

8mm

10mm

12mm

I365.0nm

I404.7nm

I435.8nm

I546.1nm

I578.0nm

四、测普朗克常数

1．拐点法：

图8拐点法测普朗克常数图

根据表一数据画出的伏安特性图中分别找出每条谱线的“抬头电压”（随电压缓慢增加电流有较大变化的横坐标值），记录此值。

在另一张坐标纸上以刚记录的电压值的绝对值为纵坐标，以相应谱线的频率为横坐标作出五个点，用此五点作一条U0-υ直线，在直线上找两点求出直线斜率k，求出直线的斜率k后，可用h=ek求出普朗克常数，并与h的公认值h0比较求出相对误差

。

2．零电流法、补偿法：

理论上，测出各频率光的照射下阴极电流为零时对应的UAK，其绝对值即该频率的截止电压，然而实际上由于光电管的阳极反向电流、暗电流、本底电流及极间接触电位差的影响，实测电流并非阴极电流，实测电流为零时对应的UAK也并非截止电压。

光电管制作过程中阳极往往被污染，沾上少许阴极材料，入射光照射阳极或入射光从阴极反射到阳极之后都会造成阳极光电子发射，UAK为负值时，阳极发射的电子向阴极迁移构成了阳极反向电流。

暗电流和本底电流是热激发产生的光电流与杂散光照射光电管产生的光电流，可以在光电管制作或测量过程中，采取适当措施以减小或消除它们的影响。

极间接触电位差与入射光频率无关，只影响U0的准确性，不影响U0-υ直线斜率，对测定h无影响。

此外，由于截止电压是光电流为零时对应的电压，若电流放大器灵敏度不够，或稳定性不好，都会给测量带来较大误差。

本实验仪器的电流放大器灵敏度高、稳定性好。

本实验仪器采用了新型结构的光电管。

由于其特殊结构使光不能直接照射到阳极，由阴极反射到阳极的光也很少，加上采用新型的阴、阳极材料及制造工艺，使得阳极反向电流大大降低，暗电流水平也很低。

由于本仪器的特点，在测量五个谱线的截止电压U0时，可不用难于操作的“拐点法”，而用“零电流法”或“补偿法”。

零电流法：

零电流法是直接将各谱线照射下测得的电流为零时对应的电压UAK作为截止电压U0。

此法的前提是阳极方向电流、暗电流和杂