光电效应实验.docx

光电效应测定普朗克常数 (FB80型7 光电效(普应朗克常)测数定)仪 实 验讲义 杭州精科仪器有限公司 光电效应测定普朗克常数 当光照射在物体上时，光的能量只有部分以热的形式被物体所吸收，而另一部分则 转换为物体中某些电子的能量，使这些电子逸出物体表面，这种现象称为光电效应。在 光电效应这一现象中，光显示出它的粒子性，所以深入观察光电效应现象，对认识光的 本性具有极其重要的意义。普朗克常数 h 是1900 年普朗克为了解决黑体辐射能量分布时提出的“能量子”假设中的一个普适常数，是基本作用量子，也是粗略地判断一个物理 体系是否需要用量子力学来描述的依据。 1905 年爱因斯坦为了解释光电效应现象，提出了“光量子”假设，即频率为 ? 的光子其能量为h ? ? 。当电子吸收了光子能量h ? ? 之后，一部分消耗与电子的逸出功 W ， 1 另一部分转换为电子的动能 2 m ? v2, 即 1 m ? v 2 2 ? h ? ? ? W （1） 上式称为爱因斯坦光电效应方程。1916 年密立根首次用油滴实验证实了爱因斯坦光电效应方程，并在当时的条件下，较为精确地测得普朗克常数为： h ? 6.57 ?10?34 焦尔? 秒, 其不确定度大约为 0.5 % 。这一数据与现在的公认值比较，相对误差也只有 0.9 % 。为此，1923 年密立根因这项工作而荣获诺贝尔物理学奖。 目前利用光电效应制成的光电器件和光电管、光电池、光电倍增管等已成为生产和科研中不可缺少的重要器件。 【实验目的】 了解光电效应的基本规律，验证爱因斯坦光电效应方程。 掌握用光电效应法测定普朗克常数h 。 【实验原理】 光电效应的实验示意图如图 1 所示，图中GD 是光电管， K 是光电管阴极， A 为光电管阳极， G 为微电流计， V 为电压表， E 为电源， R 为滑线变阻器，调节R 可以得到实验所 需要的加速电位差U AK 。光电管的A 、 K 之间 可获得从 ? U 到0 再到 ? U 连续变化的电压。实验时用的单色光是从低压汞灯光谱中用干涉滤色片过滤得到，其波长分别为： 365nm, 405nm, 436nm, 546nm, 577nm 。 无光照阴极时，由于阳极和阴极是断路的，所以G 中无电流通过。用光照射阴极时，由 于阴极释放出电子而形成阴极光电流（简称阴极电流）。加速电位差U AK 越大，阴极电 流越大，当U AK 增加到一定数值后，阴极电流不再增大而达到某一饱和值I H ， I 的大 H 1 小和照射光的强度成正比（如图 2 所示）。加速电位差U AK 变为负值时，阴极电流会迅 速减少，当加速电位差U AK 负到一定数值时，阴极电流变为“ 0 ”，与此对应的电位差称 为遏止电位差。这一电位差用Ua 来表示。 Ua 的大小与光的强度无关，而是随着照射光的频率的增大而增大（如图 3 所示）。 饱和电流的大小与光的强度成正比。 光电子从阴极逸出时具有初动能，其最大值等于它反抗电场力所做的功， 1 即： mv2 ? e ? U 2 a 因为U a ? ? ，所示初动能大小与光的强度无关，只是随着频率的增大而增大。 U ? ? 的关系可用爱因斯坦方程表示如下： a U ? h ? ? ? W  （2） a e e 实验时用不同频率的单色光?? , ? , ? , ? ,. ?照射阴极，测出相对应的遏止电 位差?U , U a 1 a 2 , U , U a 3 a 4 ,......? 1 2 3 U 4 ~ ? ，然后画出a ，然后画出  图，由此图的斜率即可以求出h 。 如果光子的能量h ? ? ? W 时，无论用多强的光照射，都不可能逸出光电子。与此相对应 的光的频率则称为阴极的红限，且用? (? 0 0 ? W / h) 来表示。实验时可以从U a ~ ? 图的 截距求得阴极的红限和逸出功。本实验的关键是正确确定遏止电位差，画出U a ~ ? 图。 至于在实际测量中如何正确地确定遏止电位差，还必需根据所使用的光电管来决定。下面就专门对如何确定遏止电位差的问题作简要的分析与讨论。 遏止电位差的确定：如果使用的光电管对可见光都比较灵敏，而暗电流也很小。由于阳极包围着阴极，即使加速电位差为负值时，阴极发射的光电子仍能大部分射到阳 极。而阳极材料的逸出功又很高，可见光照射时是不会发射光电子的，其电流特性曲线 如图 4 所示。图中电流为零时的电位就是遏止电位差 U 。 然而，由于光电管在制造 a 过程中，工艺上很难保证阳极不被阴极材料所污染（这里污染的含义是：阴极表面的低逸出功材料溅射到阳极上），而且这种污染还会在光电管的使用过程中日趋加重。被污 2 染后的阳极逸出功降低，当从阴极反射过来的散射光照到它时，便会发射出光电子而