普朗克常数的测定

普朗克常数的测定 一、概 述 当光照在物体上时，光的能量仅部分以热的形式被物体吸收，而另一部分则转化为物体中某些电子的能量，使电子逸出物体表面，这种现象称为光电效应。逸出的电子称为光电子，在光电效应中，光显示出它的粒子性质，所以这种现象对认识光的本性，具有极其重要的意义。 二、实验目的:1、了解光的量子性，光电效应的规律，加深对光的量子性的理解。 2、验证爱因斯坦方程，并测定普朗克常数h。3、学习作图法处理数据 三、实验仪器 普朗克常数测试仪 汞灯 滤光片 光阑 光电管 四、实验原理 光电效应实验原理如图四所示，其中S为真空光电管，K为阴极，A为阳极，当无光照射阴极时，由于阳极与阴极是断路，所以检流计G中无电流流过，当用一波长比较短的单色光照射到阴极K上时，形成光电流，光电流随加速电位差U变化的伏安特性曲线如图五所示。 1、光电流与入射光强度的关系 光电流随加速电位差U的增加而增加，加速电位差增加到一定量值后，光电流达到饱和值I，饱和电流与光强成正比，而与入射光的频率无关。当U=U-U变成负值时，光电流迅速HAK 减小。实验指出，有一个遏止电位差Ua存在，当电位差达到这个值时，光电流为零。 2、光电子的初动能与入射光频率之间的关系 光电子从阴极逸出时，具有初动能，在减速电压下，光电子逆着电场力方向由K极向A极运动，当U=Ua时，光电子不再能达到A极，光电流为零，所以电子的初动能等于它克服电场 12mv,eU力所作的功，即 (1) a2 图四:光电效应实验原理图 图五:光电管的伏安特性曲线 根据爱因斯坦关于光的本性的假设，光是一粒一粒运动着的粒子流，这些光粒子称为 vhv光子，每一光子的能量为E=，其中h为普朗克常量，为光波的频率，所以不同频率的 v光波对应光子的能量不同，光电子吸收了光子的能量h之后，一部分消耗于克服电子的逸出功A，另一部分转换为电子动能，由能量守恒定律可知 1 2hv,mv，A (2) 2 式(2)称为爱因斯坦光电效应方程。 v由此可见，光电子的初动能与入射光频率呈线性关系，而与入射光的强度无关。 3、光电效应有光电阈存在 实验指出，当光的频率时，不论用多强的光照射到物质都不会产生光电效应，根v,v0 A据式(2)，，称为红限。 vv,00h 爱因斯坦光电效应方程同时提供了测普朗克常数的一种方法:由式(1)和(2)可得: vvvv，当用不同频率(，, „)的单色光分别做光源时，就有: hv,eU，A123n0 hv,eU，Ahv,eU，Ahv,eU，A1122nn eUU(),ij任意联立其中两个方程就可得到 (3) h,,,,ij 由此若测定了两个不同频率的单色光所对应的遏止电位差即可算出普朗克常数h，也可由v-U直线的斜率求出h。因此，用光电效应方法测量普朗克常数的关键在于获得单色光，测量光电管的伏安特性曲线和确定遏止电位差值。 五、实验内容及步骤 ?手动测试 ?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，调整光电管与汞灯距离为约40cm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，兰—兰)。将“电流量程”选择开关置于所选档位，仪器在充分预热后，进行测试前调零，旋转“调零”旋钮使电流指示为000.0 。 ?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。 ?测光电管的伏安特性曲线: ?先将功能选择按键置于“伏安特性测试(手动)”档，再将电压选择按键置于-2V,+30V; -11将“电流量程”选择开关置于10A档(根据光电流的大小而定)。将直径2mm的光阑及435.8nm的滤色片装在光电管暗箱光输入口上。 ?从低到高调节电压，记录电流从零到非零点所对应的电压值作为第一组数据，以后电压每变化一定值记录一组数据到表2中。 -10?在U为30V时，将“电流量程”选择开关置于10A档(根据光电流的大小而定)。AK 记录光阑分别为2mm、4mm、8mm时对应的电流值于表3中。 ?换上直径4mm的光阑及546.1nm的滤色片，重复测量?、?步骤。 ?在坐标纸上作对应于以上两种波长及光强的伏安特性曲线。 ?由于照到光电管上的光强与光阑面积成正比，验证光电管的饱和光电流与入射光强成正比。 (二)自动测试 ?原理 在自动测试方式下,普朗克常数测试仪内的单片机自动产生加于光电管AK极的扫描电压。在“截止电压测试”方式时，扫描电压为-2.3V到0V。分辨率为0.009V。在“伏安特性测试”方式时，扫描电压为0V到30V，分辨率为0.12V。机内的单片机同时控制数据采集系统，将光电流采入内存。一旦接收到PC机发出的命令时，立即将数据送给PC机。PC机把接收到的数据用图形和字符同时显示出来。在“截止电压测试”方式下，只要接收到两条 ,直线的斜率K，普朗克常数值h或以上(最多5条)曲线，即可自动计算出截止电压，U- ,以及相对误差等，还可画出U-线。只要曲线达到5条，也可手动算出K、h及相对误差值。 2.测试步骤 ? 为了采样数据稳定，应在普朗克常数测试仪开机15分钟以后进行测试。 ? 普朗克常数测试仪软件执行后，即进入截止电压测试方式，通讯口默认设置为串口1，滤光片设置为365nm，光栏设置为4mm，数据库显示为最后一条记录。 ? 为了验证通讯口是否正常，可在“设置”?“工作方式”中选“收发预存数据”，按上面已讲的方法操作。 ? 在“截止电压测试”和“伏安特性测试”方式下，应注意滤光片和光栏的设置应和 普朗克常数测试仪上所用的实际滤光片和光栏相一致。 ? 在“截止电压测试仪”和“伏安特性测试”方式下，若更改工作方式，或更改工况(如更改滤光片或光栏)，为使数据稳定，须等待1至2分钟以后再进行新的测试操作。 ? 测试时首先按“发送”，然后按“画图”，这样就可自动采集数据并画出曲线。若工作状况未改变，再按“发送”和“画图”，前一次收到的一条曲线的数据就被新数据所取代。从截止电压测试时，应立即按“发送”和“画图”一次，所画数据再擦除之，然后继续测量。 ? 用“自动计算”或“手动计算”得到测试结果。 六、注意事项 1、汞灯关闭后，不要立即开启电源。必须待灯丝冷却后，再开启，否则会影响汞灯寿命。 2、光电管应保持清洁，避免用手摸，而且应放置在遮光罩内，不用时禁止用光照射。 3、滤光片要保持清洁，禁止用手摸光学面。 4、光电管不使用时，要断掉施加在光电管阳极与阴极间的电压，保护光电管，防止意外的光线照射。