光电效应及普朗克常数测定.docx

光电效应及普朗克常Z

量子论是近代物理的基础之一，而光电效应可以给量子论以直观、鲜明的物理图像，随着科学技术的发展，光电效应已广泛用于工农业生产、国防和许多科技领域。普朗克常数(公认值h=6.62619X10-3J.s.)是自然科学中一个很重要的常数，它可以用光电效应法简单而又准确地求出，所以，进行光电效应实验并通过实验求取普朗克常数有助于学生理解量子理论和更好地认识h这个常数。

1887年H?赫兹在验证电磁波存在时意外发现，一束光照射到金属表面，会有电子从金属表面逸出，这个物理现象被称为光电效应。

1888年以后，W?哈耳瓦克期、A-T斯托列托夫、P?勒纳德等人对光电效应作了长时间地研究，并总结了光电效应的基本实验事实:

光电流与光强成正比；

光电效应存在一个截止频率，当入射光的频率低于某一阈值u0时，不论光的强度如何，都没有光电子产生；

光电子的动能与光强无光，但与入射光的频率成正比；

光电效应是瞬时效应，一经光线照射，立刻产生光电子，停止光照，即无光电子产生。

一、 实验目的

通过对实验现象的观测与分析，了解光电效应的规律和光的量子性。

观测光电管的弱电流特性，找出不同光频率下的截止电压。

了解光的量子理论与波动理论，并验证爱因斯坦方程进而求出普朗克常数。

二、 实验仪器

THQPC-1型普朗克常数测定仪微电流测试仪；

THQPC-1型普朗克常数测定仪测试台。

三、实验原理

爱因斯坦认为从一点发出的光，不是按麦克斯韦电磁学说指出的那样以连续分布的形式把能量传播到空间，而是以hu为能量单位（光量子）的形式一份一份地向外辐射，至于光电效应，是具有能量hu的一个光子作用于金属中的一个自由电子，并把它的全部能量都交给这个电子而造成的。如果电子脱离金属表面所需的能量为W的话，则由光电效应中被光电打出来的电子的动能为：

E=hu-W 或mv2/2=hu-W （1）

式中：h--普克朗常数：公认值为6.62916X10-3J.s.

u--入射光的频率

m--电子的质量

v--光电子逸出金属表面时的初速度

W--受光线照射的金属材料的逸出功（或功函数）

在（1）式中，mv2/2是没有受到空间电荷阻止，从金属中逸出的电子的最大初动能。由（1）式可见，入射到金属表面的光频率越高，逸出来的电子最大初动能必然也越大（如图1、d）。正因为光电子具有最大初动能，所以既使阳极不加电压也会有光电子落入而形成光电流，甚至阳极电位低于阴极电位低时，也会有光电子落到阳极，直到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。

（如图1、a）。这个相对于阴极为负值的阳极电位Us被称为光电效应的截止电位（或称作截止电压）。

显然此时有 eUs-1/2mv2=0 （2）

代入（1）式即有 eUs=hu-W （3）

由于金属材料的逸出功W是金属的固有属性，对于给定的金属材料W是一个定值，它与入射光的频率无关。令Ws=hu0,U0一截止频率；即具有截止频率U。的光子恰恰具有逸出功Ws而没有多余的动能。

TOC\o"1-5"\h\z将(3)式改写为 Us=hu/e-Ws/e=h(u-uo) (4)

(4)式表明，截止电位Us是入射光频率u的线性函数。当入射光的频率u=uo时，截止电压Us=0时，没有光电子逸出。(图1-c)上式的斜率K=h/e是一个正常数。 ° S

于是可写成：h=ek (5)

可见，只要用实验方法作出不同频率下的Us-u曲线，并求出此曲线的斜率K，就可以通过(5)，求出普朗克常数h的数值，其中e=1.60X10-19C是电子电荷量。

图1 图2

图1用光电管进行光电效应实验、测量普朗克常数的实验原量图。

频率为U、强度为P的光线照射到光电管阴极上，即有光电子从阴极逸出，如图所示在阴极K和阳极A之间加有反向电位UKA，它使电极K、A之间建立起的电场对光电阴极逸出的电子起减速作用，随着电位UKA的增加，到达阳极的光电子（光电流）将逐渐减小。

当Uka=Us时光电流降为零。见图2光电管的起始I-V特性。不同频率光的照射，可以得到与之相对应的I-V特性曲线和对应的Us电压值。在直角坐标中作出Us-u关系曲线，如果它是一根直线，就证明了爱因斯坦光电效应方程的正确。而由该直线的斜率K则可求出普朗克常数（h=ek）。另外，由该直线与坐标横轴的交点，又可求出该光电阴极的截止频率（阈频率）U°。

必须指出：在实际测量时，因为光电流很小，需考虑由其它因素引起的干扰电流。干扰电流有下面三种：

（1） 暗电流：光电管在没有受到光照时，也会产生电流，称为暗电流。暗电流与外加电压成线性变化。它由热电流（在一定温度下，阴极发射的热电子形成的电流）和漏电流（由于阳极和阴极之间的