光电效应

实验题目：时间测量中的随机误差分布规律 实验题目:光电效应测普朗克常量 实验目的:了解光电效应的基本规律。并用光电效应测量普朗克常量和测定光电管的光电特性曲线。 实验原理:当光照在物体上时，光的能量仅部分地以热的形式被物体吸收，而另一部分 则转换为物体中某些电子的能量，使电子逸出物体面，这种现象称为光电 效应，逸出的电子称为光电子。 光电效应实验原理如图1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 电流达到饱和值和值IH，饱和电流与光强成正比，而与入射光的频率无关。 当U= UA-UK变成负值时，光电流迅速减小。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力作用的功。即 (1） 每一光子的能量为 ，光电子吸收了光子的能量hν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: （2） 式（2）为爱因斯坦光电效应方程。 由此可见，光电子的初动能与入射光频率ν呈线性关系，而与入射光的强度无关。 3.光电效应有光电阀存在 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，根据式（2）， ，ν0称为红限。 由式（1）和（2）可得： ，当用不同频率（ν1，ν2，ν3，…，νn）的单色光分别做 光源时，就有: , ,…………, , 任意联立其中两个方程就可得到 （3） 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量h，也可由ν-U直线 的斜率求出h。 因此，用光电效应方法测量普朗克常量的关键在于获得单色光、测得光电管的伏安特性曲线和确定 遏止电位差值。 实验中，单色光可由水银灯光源经过单色仪选择谱线产生。 为了获得准确的遏止电位差值，本实验用的光电管应该具备下列条件： （1）对所有可见光谱都比较灵敏。 （2）阳极包围阴极，这样当阳极为负电位时，大部分光电子仍能射到阳极。 （3）阳极没有光电效应，不会产生反向电流。 （4）暗电流很小。 但是实际使用的真空型光电管并不完全满足以上条件。由于存在阳极光电效应所引起的反向电流和 暗电流（即无光照射时的电流），所以测得的电流值，实际上包括上述两种电流和由阴极光电效应所 产生的正向电流三个部分，所以伏安曲线并不与U轴相切。由于暗电流是由阴极的热电子发射及光 电管管壳漏电等原因产生，与阴极正向光电流相比，其值很小，且基本上随电位差U呈线性变化， 因此可忽略其对遏止电位差的影响。阳极反向光电流虽然在实验中较显著，但它服从一定规律。据 此，确定遏止电位差值，可采用以下两种方法： （1）交点法 光电管阳极用逸出功较大的材料制作，制作过程中尽量防止阴极 材料蒸发，实验前对光电管阳极通电，减少其上溅射的阴极材料， 实验中避免入射光直接照射到阳极上，这样可使它的反向电流大 大减少，其伏安特性曲线与图3十分接近，因此曲线与U轴交 点的电位差值近似等于遏止电位差Ua，此即交点法。 （2）拐点法 光电管阳极反向光电流虽然较大，但在结构设计上，若使反向光 电流能较快地饱和，则伏安特性曲 线在反向电流进入饱和段后 有着明显的拐点，如图3所示，此拐点的电位差即为遏止电位差。 实验步骤:1.在光电管入光口装上365nm滤光片，电压为-3V，调整光源和光电管之间的距离，直到光电流为-0.3 μA与-0.2μA的恰当变化点，固定此距离，不需再变动。 2.分别测365nm，405nm,436nm，546nm，577nm的V-I特性曲线，从-3V到28V，拐点处测量尽量小。 3.装上577nm滤色片,在光源窗口分别装上透光率为25%,50%,75%的遮光片,加20V电压,测量饱和光电 流Im和照射光强度的关系,作出Im～光强曲线。 4.做Ua—v关系曲线，计算红限频率和普朗克常数h、逸出功A,普朗克常量h与值进行比较。 5.做饱和光电流和照射光强度的关系曲线，并判断其关系。 实验器材：光电管、单色仪（或滤波片）、水银灯、检流计（或微电流计）、直流电源、直流电压计等。 实验桌号：7号 实验数据与数据处理： （1）光频率和遏制电压的关系 波长=365nm I/μA -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 U/V -3.00-~-2.75 -2.75~-1.47 -1.47~-1.33 -1.33~-1.22 -1.22~-1.14 -1.14~-1.09 -1.09~-1.02 I/μA 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 U/V -0.98 -0.95 -0.90 -0.85 -0.80 -0.77 -0.73 I/μA 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 U/V -0.70 -0.67 -0.63 -0.60 -0.57 -0.53 -0.51 I/μA 1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 U/V -0.49 -0.47 -0.44 -0.41 -0.39 -0.37 -0.34 I/μA 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0 3.1 U/V -0.31 -0.29 -0.27 -0.25 -0.22 -0.20 -0.18 I/μA 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 U/V -0.16 -0.13 -0.11 -0.10 -0.08 -0.06 -0.03 I/μA 3.9 4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 5.0 U/V -0.01 0.01 0.03 0.09 0.15 0.20 0.25 I/μA 5.2 5.4 5.6 5.8 6.0 6.2 6.4 U/V 0.31 0.36 0.40 0.46 0.50 0.57 0.63 I/μA 6.7 7.0 7.3 7.6 7.9 8.2 8.6 U/V 0.74 0.85 0.96 1.07 1.20 1.36 1.57 I/μA 9.0 9.4 9.8 10.2 10.6 11.0 11.5 U/V 1.80 2.00 2.37 2.79 2.90 3.4 4.8 I/μA 12.0 12.5 13.0 14.0 14.7 U/V 6.1 8.4 13.2 16.0 27.0 表1 波长为365nm时对应的U-I 波长=405nm I/μA -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 U/V -3.00~-1.10 -1.10~-0.92 -0.92~-0.82 -0.82~-0.77 -0.77~-0.72 -0.69 -0.64 I/μA 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 U/V -0.60 -0.54 -0.50 -0.47 -0.44 -0.41 -0.39 I/μA 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 U/V -0.37 -0.34 -0.32 -0.30 -0.27 -0.24 -0.21 I/μA 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 U/V -0.19 -0.17 -0.14 -0.11 -0.09 -0.07 -0.05 I/μA 2.7 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 U/V -0.03 0 0.05 0.09 0.14 0.19 0.24 I/μA 4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 5.0 5.2 U/V 0.30 0.35 0.40 0.47 0.55 0.62 0.71 I/μA 5.4 5.6 5.8 6.0 6.3 6.6 6.9 U/V 0.80 0.88 0.98 1.09 1.31 1.58 1.87 I/μA 7.2 7.5 7.8 8.2 8.6 9.0 9.4 U/V 2.20 2.61 2.90 3.7 4.8 7.2 13.5 I/μA 9.8 U/V 26.0 表2 波长为405nm时对应的U-I 波长=436nm I/μA -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 U/V -3.00~-1.02 -1.02~-0.79 -0.79~-0.69 -0.69~-0.61 -0.61~-0.55 -0.55~-0.51 -0.48 I/μA 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 U/V -0.45 -0.42 -0.40 -0.37 -0.34 -0.31 -0.28 I/μA 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 U/V -0.25 -0.22 -0.19 -0.17 -0.15 -0.13 -0.11 I/μA 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.7 3.0 U/V -0.09 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.07 0.13 I/μA 3.3 3.6 3.9 4.2 4.5 4.8 5.1 U/V 0.21 0.30 0.40 0.49 0.58 0.70 0.82 I/μA 5.4 5.7 6.0 6.4 6.8 7.2 7.6 U/V 0.95 1.10 1.28 1.58 1.90 2.35 2.90 I/μA 8.0 8.5 9.0 9.5 9.7 U/V 3.2 4.7 7.2 15.0 25.0 表3 波长为436nm时对应的U-I 波长=546nm I/μA -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 U/V -3.00~-2.40 -2.40~-0.45 -0.45~-0.39 -0.39~-0.36 -0.36~-0.33 -0.3 -0.28 I/μA 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 U/V -0.24 -0.21 -0.18 -0.15 -0.12 -0.10 -0.07 I/μA 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 U/V -0.04 -0.02 0 0.04 0.06 0.09 0.11 I/μA 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 U/V 0.13 0.20 0.27 0.35 0.44 0.53 0.61 I/μA 3.4 3.6 3.8 4.0 4.3 4.6 4.9 U/V 0.72 0.83 0.96 1.15 1.42 1.79 2.23 I/μA 5.2 5.5 5.8 6.2 6.4 6.6 U/V 2.85 3.2 4.5 7.6 13 26 表4 波长为546nm时对应的U-I 波长=577nm I/μA 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 U/V -3.00~-0.42 -0.42~-0.28 -0.28~-0.22 -0.22~-0.15 -0.15~-0.09 -0.05 0 I/μA 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 U/V 0.05 0.15 0.20 0.30 0.43 0.64 0.82 I/μA 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 U/V 1.12 1.60 2.27 2.95 11 28 表5 波长为577nm时对应的U-I 根据以上五个图，利用拐点法可确定在不同光频率下的遏止电压差值，列表如下： λ/nm v/1014Hz Ua/V 365 8.22 1.45 405 7.41 1.09 436 6.88 0.98 546 5.49 0.47 577 5.20 0.39 表6 光频率和遏止电压的关系 由此作出频率-遏止电压图，在ORIGIN中用直线拟合： 由此可知斜率 ,根据式（3）得 普朗克常量的标准值为 ,则相对误差有 由于本实验的仪器精确不高，人的读数误差，实验本身原理导致的误差，电学仪器示数不稳定，读图过程中判断拐点的偏差等有关。因此实验存在较大误差。但在一定误差范围内，可以认为本实验的结果可信。 当电压为0时，由ORIGIN的读数可知光的红限频率为 则该光电管的逸出功为 （2）光饱光电流和光照强度的关系 装上577nm滤色片,在光源窗口分别装上透光率为25%,50%,75%的遮光片,加20V电压,测量饱和光电流Im和照射光强度的关系,作出Im～光强曲线。 透光率 0% 25% 50% 75% 100% I/μA 0 0.4 1.1 1.5 1.9 表7 遮光片的透光率与和光电流Im的关系 由此作出遮光片的透光率与和光电流Im的关系图，用直线拟合： 则由上图可知饱和光电流和照射光强度成线性关系。