光电效应

光电效应与普朗克常数测定 【实验目的】 光电效应法测定普朗克常量。 【实验原理】 光照射在金属表面时释放出电子的现象称为光电效应，这种电子称为光电子，由它形成的电流称为光电流。 光电效应的实验原理如图1所示。在阳极和阴极之间加一可以改变极性的电压，电路还连接有电流计、伏特表和电源。用强度为P的单色光照射到光电管的阴极K时，如有电子逸出，则当阳极A加正电势，阴极K加负电势时，阴极释放出的光电子在电场的加速作用下向阳极A运动；则当阳极A加负电势，阴极K加正电势时，阴极释放出的光电子在电场被减速。实验有以下规律： 1.饱和电流强度与光强成正比 入射光频率一定时，光电流随两极电压的增加而增大，但当电压增加到一定值时，能使所有的光电子到达阳极。这时，光电流不再增加，达到一饱和值，与光强成正比。当电压减小到零并逐渐为负值时，电场对电子起阻挡作用，只有部分动能大于的电子能够运动到阳极而被收集，因此光电流减小。当反向电压值达到，使具有最大动能的光电子也被阻挡时，光电流等于零。电压称为截止电压，也称遏止电压。 入射光频率已定，光强不同时，两极电压与光电流的关系图称为光电效应的伏安特性曲线，如图2所示。图3是不同频率，同一光强的伏安特性曲线。 2.光电子的初动能与入射光的频率成正比，与光强无关 不同的入射光频率有不同的初动能，即不同的入射光频率对应着不同的截止电压。而且存在一个阀频率，当入射光频率时，无论光强多大，都不能释放出光电子，故又称为截止频率。图4是截止电压与光频率的关系图。 3.光电效应是瞬时效应，一旦有光照射，立即产生光电子 当时，按爱因斯坦方程有 （1） 式中，是普朗克常数，公认值为J·s，为入射光频率，为受光照射金属表面的逸出功。 光电子释放时的最大初动能与截止电压的关系可由功能原理得知 （2） 式中，和分别是电子的质量和电量，是电子释放时的速度。 由式（1）和式（2）有 即 （3） 由式（3）可知，对于不同频率的单色光照射同一光电管（、和一定）可得不同的遏止电压。这从对应的伏安特性曲线亦可看出，如图3所示。确切地说，遏止电压是入射单色光频率的线性函数。在直角坐标中作—关系曲线，若它是一条直线，通过—曲线求取斜率。 由式（3）知，则 （4） 另外，找出曲线与横轴的交点，即可从图中求得该光电管的频率极限。 按照上述理论，实验中测出不同波长下的光电管的特性曲线，从而确定，再作—曲线，如为一直线，则爱因斯坦方程可以验证，并可从其斜率算出普朗克常数的值。 实际上的特性曲线比图2复杂，因为实际的光电管在实验中还存在着附加的两个反向电流。 一是阳极（收集极）的反向光电子发射电流。当入射光照射到光阴极上时，一般都会使阳极受到漫反射光的照射，致使阳极亦有光电子发射，而外加电压对此光电子成为加速电压，使之很容易抵达光阴极，形成反向阳极光电流。 二是当光电管不受任何光照时，由于阳极与光阴极间绝缘电阻不够高，以及常温下阳极的热电子发射等因素，在外电压作用下形成微弱的反向电流，通常叫做光电管的暗电流，其伏安曲线近于线性，如图5所示。 由此可见，实测光电流是实际阴极正向光电流、阳极反向光电流和反向暗电流的叠加结果，如图5中的实线所示。在实线与横轴相交的点处，实测光电流确已为零，但真正阴极光电流并未遏制，故。随着反向外加电压绝对值的增加，伏安曲线并未终止而是继续向反向电流方向延伸，并逐渐趋向饱和。 ［实验仪器］ ZKY-GD-4智能光电效应实验仪。仪器由汞灯及电源，滤色片，光阑，光电管、智能测试仪构成，仪器结构如图5所示，测试仪的调节面板如图6所示。测试仪有手动和自动两种工作模式，具有数据自动采集，存储，实时显示采集数据，动态显示采集曲线（连接普通示波器，可同时显示5个存储区中存储的曲线），及采集完成后查询数据的功能。 1 汞灯电源2 汞灯3 滤色片4 光阑5 光电管6 基座7 测试仪 图5仪器结构图 图6测试仪面板图 ［实验内容及步骤］ 1.必做内容——测普朗克常数 （1）测试前准备： 将测试仪及汞灯电源接通（汞灯及光电管暗箱遮光盖盖上），预热20分钟。 调整光电管与汞灯距离为约40 并保持不变。 用专用连接线将光电管暗管箱电压输入端与测试仪电压输出端（后面板上）连接起来（红一红，兰一兰）。 将“电流量程”选择开关置于所选档位，进行测试前调零。测试仪在开机或改变电流量程后，都会自动进入调零状态。调零时应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）断开，旋转“调零”旋钮使电流指示为000.0。调节好后，用高频匹配电缆将电流输入连接起来，按“调零确认/系统清零”键，系统进入测试状态。 若要动态显示采集曲线，需将测试仪的“信号输出”端口接至示波器的“ ”输入端“同步输出”端口接至示波器的“外触发”输入端。示波器“触发源”开关拔至“外”，“ 衰减”旋钮拔至约“1 /格”，“扫描时间”旋钮拔至约“20 /格”。。此时示波器将用轮流扫描的方式显示5个存储区中存储的曲线，横轴代表电压 ，纵轴代表电流I。 （2）测普朗克常数 由于本实验仪器的电流放大器灵敏度高，稳定性好；光电管阳极反向电流，暗电流水平也较低。在测量各谱线截止电压 时，可采用零电流法，即直接将各谱线照射下测得的电流为零时对应的电压 的绝对值作为截止电压 。此法的前提是阳极反向电流、暗电流和本底电流都很小，用零电流法测得的截止电压与真实值相差较小。且各谱线的截止电压都相差△U对 - 曲线的斜率无大的影响，因此对 的测量不会产生大的影响。 测量截止电压时，“伏安特性测试/截止电压测试”状态键应为截止电压测试状态。“电流量程”开关应处于10-13A档。 a. 手动测量 使“手动/自动”模式键处于手动模式。 将直径4 的光阑及365.0 的滤色片装在光电管暗箱光输入口上，打开汞灯遮光盖。 此时电压表显示 的值，单位为伏：电流表显示与 对应的电流值 ，单位为所选择的“电流量程”。用电压调节键→、←、↑、↓可调节 的值，→、←键用于选择调节位↑、↓键用于调节值的大小。 b. 自动测量 按“手动/自动”模式键切换自动模式。 此时电流表左边的指示灯闪烁，表示系统处于自动测量扫描范围设置状态，用电压调节键可设置扫描起始和终止电压。 对各条谱线，我们建议扫描范围大致设置为：365 ,-1.90～-1.50 ；405 ，-1.60～-1.20 ；436 ，-1.35～-0.95 ；546 ，-0.80～-0.40 ；577 ，-0.65～-0.25 。 测试仪设有5个数据存储区，每个存储区可500存储组数据，并有指示灯表示其状态。灯亮表示该存储区已存有数据，灯不亮为空存储区，灯闪烁表示系统预选的或正在存储存储数据的存储区。 设置好扫描起始和终止电压后，按动相应的存储区按键，仪器将先清除存储区原有数据等待约30秒，然后按4 的步长自动扫描，并显示、存储相应的电压、电流值。 扫描完成后，仪器自动进入数据查询状态，此时查询指示灯亮，显示区显示扫描起始电压和相应的电流值。用电压调节键改变电压值，就可查阅到在测试过程中，扫描电压为当前显示值时相应的电流值。读取电流为零时对应的 ，以其绝对值作为该波长对应的 的值，并将数据记于表一中。 按“查询”键，查询指示灯灭，系统回复到扫描范围设置状态，可进行下一次测量。 在自动测量过程中或测量完成后，按“手动/自动”键，系统回复到手动测量模式，模式转换前工作的存储区的数据将被清除。 若仪器与示波器连接，则可观察到 为负值时各谱线在选定的扫描范围内的伏安特性曲线。 2.测光电管的伏安特性曲线： 此时，“伏安特性测试/截止电压测试“状态键应为伏安特性测试”状态。“电流量程”开关应拨至10-10A档，并重新调零。将直径4 的光阑及所选蛮线的滤色片装在光电管暗箱光输入口上。 测伏安特性曲线可选用“手动/自动”两种模式之一，测量的最大范围为-1～50 ，自动测量时步长为1V，仪器功能及使用方法如前所述。 a.可同时观察5条谱线在同一光阑、同一距离下伏安饱和特性曲线。 b.可同时观察某条谱线在不同距离（即不同光强）、同一光阑下的伏安饱和特性曲线。 c.可同时观察某条谱线在不同光阑（即不同光通量）、同一距离下的伏安饱和特性曲线。由此可验证光电管饱和光电流与入射光成正比。 记录所测 及I的数据到表二中，在坐标纸上作对应于以上波长及光强的伏安特性曲线。 在 为50 时，将仪器设置为手动模式，测量并记录对同一谱线、同一入射距离，光阑分别为2 、4 、8 时对应的电流值于表三中，验证光电管的饱和光电流与入射光强成正比。 也可在 为50 时，将仪器设置为手动模式，测量并记录对同一谱线、同一光阑时，光电管与入射光在不同距离，如300 、400 对应的电流值于表四中，同样验证光电管的饱和电流与入射光强成正比。 【注意事项】 ⑴由于暗电流等的存在，截止电压不在光电流处而较难准确确定，故在电流开始变化的“抬头点”附近细心地多册几个点以保证较准确地确定截止电压。 ⑵保护滤色片。更换滤色片时注意避免污染，不能用手触摸，如发现灰尘等可用镜头纸擦净，保证良好透光。 ⑶保护光电管。实验前或实验完毕后用遮光罩盖住光电管暗盒进光窗，更换滤色片要先将汞灯光源出光孔遮盖住，避免强光直接照射阴极，缩短光电管寿命。 ⑷保护光源。高压汞灯的功率较大，温度很高，实验完毕应及时关闭电源，以免影响使用寿命。 ⑸光源与光电管暗盒之间距离应确定在最佳距离处（实验中如何确定？）。从光源出光孔射出的光必须直照光电管阴极面，暗盒可作左右及高低调节。 ⑹光电管入射窗口不要面对其他强光源（如窗户等）以减小杂散光干扰。 ⑺仪器不宜在强磁场、强电场、高湿度以及温度变化率大的场合下工作。 ⑻测量放大器和汞灯光源必须充分预热（30分钟以上）。 【数据处理】 1. 手动测量普朗克常量 图像分析：根据表一里记录的数据（数据太多，在文件夹Excel里给出），可以观察到一开始电流均随着电压的增大而增大，但但电流变化幅度较小。从负值增大到正值，且达到一定值时对应的电流就保持不变，对于使用的不同波长的光最终的电流均相等，在本实验中均为20*10^-13A。 2.由表一的数据可得表二. 表二. Ua—ν关系测量数据记录表 波长λ/nm 365.0 404.7 435.8 546.1 577.0 频率ν/（*1014HZ） 8.214 7.408 6.879 5.490 5.196 截止电压U/V 1.844 1.468 1.256 0.656 0.498 由上图得：k=0.4496*10-14，∴h=ek=1.602*10-19*0.4496*10-14 =7.203*10-34j・s 相对误差E= *100%= ▏ ▏*100%=8.04% 存在一定误差，但在误差允许范围内，与理论值基本相符。 2. 测光电管的伏安特性曲线 由于在第一个实验中时间没有把握好，剩下的时间不足够完成此选做内容，很遗憾，在以后的实验中一定注意时间的合理分配，在实验前仔细预习实验，防止因为对实验的理解不够透彻而导致试验不能很好的完成。 【实验分析】 在普朗克常量测量的实验中，最终计算结果与实验理论值有一定偏差，说明实验中存在误差，经分析，本实验主要采用计算机来记录和处理数据，误差的可能来源有：仪器误差。 1． 由实验原理可知，实验要用到光电管，而光电管的老化损耗会影响实验结果； 2． 光电管的制作过程中阳极被污染，沾上少许的阴极材料，入射光照射阳极货入射光照射光从阴极反射到阳极之后会造成阳极光电子发射，阳极发射的电子向阴极迁移而构成阳极反向电流，影响实验数据的记录。 以上均是造成实验结果出现误差的原因，因为仪器误差为系统误差，不可能被完全消除，只能被尽可能的减小，所以要时常更换光电管，检修仪器以减小系统误差。 【实验总结】 1.随着科学技术的发展光电效应在生活生产中的应用已经相当广泛，在大学物理实验这门课中让我了解了光电效应的原理和如何利用其来测量普朗克常数。 2.作为大学生，做实验的目的是通过动手亲自进行实验学会并巩固各种物理原理，最重要的还是要学会如何运用实验仪器来达到自己想要的实验结果，这样才能学到真正的知识，并运用的以后的学习生活中去，要学会自学，学会分析总结，一步一步稳抓稳打的进行实验，在此实验中，由于我预习的不到位，对实验细节不够清楚，导致实验重来了很多次，不仅耽误时间，也对仪器资源造成了浪费，还好后来能及时发现，及时改正，基本完成了实验要求。 3.实验中用到的处理软件需要进行改进，尤其是记录数据不能覆盖更新的缺点需要改进，不然也会造成很多不必要的麻烦，实验设备很先进为实验人员节省了不少时间，但是对于这种研究过程中有大量数据需要记录的处理的实验，如果没有一个优良的与之相配的实验数据记录分析软件，后期的处理是很麻烦的，最重仍是无法达到简化实验的目的，所以这也是很重要的一方面。 4.完成一个实验最重要的不是最后的几个数据几个图表，而是这些数据和图表生成的过程，在这个过程中学到的东西才是我们受用终身，能让我们在以后工作生活脱颖而出的知识。 图3截止电压与光频率关系曲线� � 图3 不同ν的伏安特性曲线� � 图2 光电管的伏安特性曲线� � 图1 光电效应实验原理图� � 图5 伏安特性曲线分析示意图� � _1191703356.unknown _1191703378.unknown _1368636802.unknown _1191702884.unknown _1191702905.unknown _1191701614.unknown _1191701902.unknown _1191702858.unknown _1191702325.unknown _1191702254.unknown _1191701671.unknown _1191701706.unknown _1191701640.unknown _1191701569.unknown _1191701581.unknown _1191700793.unknown _1191701527.unknown _1182578636.unknown _1179213886.unknown