实验2.1 光电效应测普朗克常数

基础物理实验《II》课程讲义 实验 2.1 光电效应测普朗克常数补充讲义 实验 2.1 光电效应测普朗克常数 [ 实验目的 ] 1． 通过光电效应实验了解光的量子性及对爱因斯坦方程物理意义的理解。 2． 测量光电管的弱电流特性，找出不同光频率下的截止电压，并求出普朗克常数。 [ 仪器用具 ] ZKY-GD-4 型智能光电效应（普朗克常数）实验仪，干涉滤光片 [ 实验原理 ] 1. 光电效应 普朗克常数 h 是自然界中一个重要的普适常数，可由光电效应简单而又准确地求出。 在光束的照射下，电子从金属 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面逸出的现象称为光电效应。 光电效应的基本规律是：（1）在光谱成份不变的情况下，光电流的大小 I 与入射光 的强度 P 成正比（图 1a，b）；（2）光电子的动能与光强度无关，但与入射光的频率 ν 成正比（图 1d）；（3）光电效应是瞬时效应，一经光的照射，立即产生光电子。 爱因斯坦指出：光束是由一些能量为 hν 的粒子组成的粒子束，这些粒子称为光子。 光束的强弱，表现为粒子的多少，故光电流与入射光的强度成正比。而且不管光子流的 密度如何，产生光电效应时，每个电子都只吸收一个光子的能量，所以电子获得的能量 与光强无关，而只与频率 ν 成正比。爱因斯坦方程式是： ℎ = ଵଶܸ݉ଶ + ௦ܹ （1） 式中，h 称为普朗克常数，公认值是 6.62916×10-34J·sec。m 是电子质量，V 是光电子逸 出金属表面时的初速度，(ܸ݉ଶ 2⁄ )是电子逸出金属表面时的最大初动能。 ௦ܹ是一个电子 克服表面势垒从金属内部脱出所需的能量，称为电子的逸出功。ν 为入射光的频率，它 与波长 λ 的关系是： Cν λ= （2） 式中 C 是光速。 从式（1）可知，当ℎ 小于 ௦ܹ 时，没有光电流，即存在一个截止频率଴，当入射光 频率低于଴时，不论光强多大，都没有光电子（图 1c），不同金属 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 对应的଴不同。 由于光电子具有初动能，所以光电管阴极受光照射时即使阳极不加电压也会有光电 子从阴极逸出而落入阳极形成光电流，甚至阳极相对于阴极的电位低时也会有光电子落 基础物理实验《II》课程讲义 实验 2.1 光电效应测普朗克常数补充讲义 入阳极，直到阳极电位低于某一数值时，所有光电子都不能达到阳极，光电流才为零。 这个使光电流为零的相对于阴极为负的反向电压 ௌܷ称为光电效应的截止电压，有 ݁ ௌܷ − ଵଶܸ݉ଶ = 0 （3） 代入式（1），有： ݁ ௌܷ = ℎ− ௦ܹ （4） 由于金属材料的逸出功 ௦ܹ 是金属的固有属性，对于给定的金属材料， ௦ܹ 是一个定值， 它与入射光的频率无关。令 Ws = hν0，଴是截止频率，即具有截止频率଴的光子的能量 恰好等于逸出功 Ws，而没有多余的动能。由式（4）得： ௌܷ = ℎ(− ଴) ݁⁄ （5） 式（5）表明截止电压 Us是入射光频率 ν 的线性函数，当 = ଴ 时截止电压 ௌܷ = 0， 没有光电子逸出。式（5）所示的线性函数的斜率 K=h/e 是一正的常数，由此可得 h 的 实验公式： ℎ = ݁ܭ （6） 可见，只要用实验 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 作出 ௌܷ~ 曲线并求出此曲线的斜率 K，就可以通过式（6）求出 普朗克常数 h 的值，其中 e =1.6021892×10-19C，是电子的电荷量。 (a) (b) (c) (d) 图 1 关于光电效应的几个特性曲线 基础物理实验《II》课程讲义 实验 2.1 光电效应测普朗克常数补充讲义 2． 用光电效应测量普朗克常数 图 2 实验原理图 图 3 光电管理想 I－V 曲线 图 4 光电管实测 I－V 曲线 用光电效应测普朗克常数的实验原理如图 2 所示。频率为 ν、强度为 P 的光照射到 光电管阴极上，即有光电子从阴极逸出。在阴极 K 和阳极 A 之间加反向电压ܷ௄஺，它使 电极 K、A 之间建立的电场对阴极逸出的光电子起到减速作用。随着ܷ௄஺的增加，到达 阳极的光电子（光电流）将逐渐减少，当ܷ௄஺ = ௌܷ 时，光电流为零。 图 3 所示为某一频率的光照射光电管所得到的起始 UI ~ 特性曲线。不同频率光照射 光电管可以得到与之相应的 UI ~ 特性曲线和对应的 ௌܷ值。在直角坐标系中作出 ௌܷ~ 关 系曲线（图 1c），如果它是一条直线，就证明爱因斯坦光电效应方程的正确性。求出该 直线的斜率 K ，就可按式（6）计算普朗克常数。由该直线与横轴的交点可求出该光电 管阴极的截止频率 ν0，由该直线的延长线与坐标轴交点可求出光电管阴极的逸出功 ௦ܹ。 影响截止电压的因素主要是反向电流的存在。由于阳极上往往溅有少量阴极材料， 受光照射时也发射光电子，此外，阴极电子也可能被阳极反射。这样，在反向电压作用 下，使从阳极来的电子受到加速作用形成反向电流。由于它的存在抵消了一部分反向电 流，使得电流与电压的关系曲线不象图 3 那样，而是变成图 4 的样子。图上的电流零点 不是阴极电流为零，而是阴极电流与阳极电流的代数和为零。即是说该点所对应的电压 值并不是截止电压。但由于阳极反向电流很小，在反向电压不大时就已达到饱和，所以 曲线下部变成平直的。我们只要确定出曲线开始变成直线时的转变点 b，就确定了阴极 电流为零的点，其所对应的反向电压就是阴极电流的截止电压。但如果入射光强太弱， 光电管发出的阴极光电流太小，这一转变点不易找出，也影响测量的精度。为了克服这 一困难，我们使用滤光片滤去其他波长的光，保证单色光有足够的强度，以提高信噪比， 提高实验的精度。 基础物理实验《II》课程讲义 实验 2.1 光电效应测普朗克常数补充讲义 [ 实验装置 ] 本实验主要采用 ZKY-GD-4 型智能光电效应（普朗克常数）实验仪。仪器结构如图 所 示，实验仪的调节面板如图所示，由六部分组成。实验仪有手动和自动测量两种工作模 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 2 3 4 5 6 1.汞灯电源 2.汞灯 3.滤色片 4.光阑 5.光电倍增管 6.基座 图 5 光电效应实验仪结构 图 6 实验仪面板图 [ 安全注意事项 ] 1．实验过程中，仪器暂不使用时，均须将汞灯和光电暗箱用遮光盖盖上，使光电暗 箱处于完全遮光状态。切忌汞灯直接照射光电管。 2．更换滤光片时应盖上遮光盖。 [ 实验内容及步骤 ] （1）测试前准备： ① 将实验仪及汞灯电源接通（汞灯及光电管暗盒遮光盖必须盖上），预热 20 分钟。 ② 调整光电管与汞灯距离为约 40cm 并保持不变。 ③ 用专用连接线将光电倍增管暗箱电压输入端与实验仪电压输出端（后面板上）连 实验仪 基础物理实验《II》课程讲义 实验 2.1 光电效应测普朗克常数补充讲义 接起来（红—红，兰—兰）。 ④将“电流量程”选择开关置于所选档位，进行测试前调零。实验仪在开机或改变电 流量程后，都会自动进入调零状态。调零时应将光电管暗盒电流输出端 K 与实验仪微电 流输入端（后面板上）断开，旋转“调零”旋钮使电流指示为“+”、“-”零转换点处。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。 ⑤ 若要动态显示采集曲线，需将实验仪的“信号输出”端口接至示波器的“Y”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”开关拨至“外”，“Y 衰减” 旋钮拨至约“1V/格”，“扫描时间”旋钮拨至约“20μs/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 UAK ，纵轴代表光电流 I 。 （2）测普朗克常数 h ①零电流法 理论上，测出各频率的光照射下阴极电流为零时对应的 UAK，其绝对值即该频率的 截止电压，然而实际上由于光电管的阳极反向电流、暗电流、本底电流及极间接触电位 差的影响，实测电流并非阴极电流，实测电流为零时对应的 UAK也并非截止电压。 光电管制作过程中阳极往往被污染，沾上少许阴极材料，入射光照射阳极或入射光 从阴极反射到阳极之后都会造成阳极光电子发射，UAK 为负值时，阳极发射的电子向阴 极迁移构成了阳极反向电流。 暗电流和本底电流是热激发产生的光电流与杂散光照射光电管产生的光电流，可以 在光电管制作，或测量过程中采取适当措施以减小它们的影响。 极间接触电位差与入射光频率无关，只影响 U0 的准确性，不影响 U0—ν 直线斜率， 对测定 h 无大影响。 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。在测量各谱线的截止电压 U0 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 UAK 的绝对值作为截止电压 U0。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 ΔU。对 U0-ν曲线的斜率无大的影响，因此对 h 的测量不会产 生大的影响。 ② 测量截止电压 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 基础物理实验《II》课程讲义 实验 2.1 光电效应测普朗克常数补充讲义 流量程”开关应处于 10－13 A 档。 a. 手动测量 使“手动/自动”模式键处于手动模式。 将直径 4mm 的光阑及 365.0nm 的滤色片装在光电管暗盒光输入口上，打开汞灯遮 光盖。 此时电压表显示 UAK 的值，单位为 V；电流表显示与 UAK对应的电流值 I，单位为 所选择的“电流量程”。用上下左右方向的电压调节键可调节 UAK的值，左右键用于选择 调节位、上下键用于调节值的大小。 从低到高调节电压（绝对值减小），观察电流值的变化，寻找电流为零时（电流指示 为“+”、“-”零转换点处）对应的 UAK ，以其绝对值作为该波长对应的 U0 的值，并将数 据记于表一中。为尽快找到 U0 的值，调节时应从高位到低位，先确定高位的值，再顺 次往低位调节。 依次换上 404.7 nm，435.8 nm，546.1nm，577.0 nm 的滤色片，重复以上测量步骤。 b. 自动测量 按“手动/自动”模式键切换到自动模式。 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：365nm，-1.90~-1.50V；405nm， -1.60~-1.20V；436nm，-1.35~-0.95V；546nm，-0.80~-0.40V；577nm，-0.65~-0.25V。 实验仪设有 5 个数据存储区，每个存储区可存储 500 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 4mV 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（电流指示为“+”、“-”零转换点处） 对应的 UAK ，以其绝对值作为该波长对应的 U0 的值，加以记录。 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 基础物理实验《II》课程讲义 实验 2.1 光电效应测普朗克常数补充讲义 式转换前工作的存储区内的数据将被清除。 若仪器与示波器连接，则可观察到 UAK 为负值时各谱线在选定的扫描范围内的伏安 特性曲线。 ③由截止电压和频率的数据作 U0—ν 直线并求斜率 k，求出普朗克常数 h，并与公认 值 hO比较求出相对误差 ( )o oE h h h−＝ ，式中 191.602 10 Ce −= × ， 346.626 10 J Soh −= × ⋅ 。 （3）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 10－10 A 档，并重新调零。 将直径 4mm 的光阑及所选谱线的滤色片装在光电管暗盒光输入口上。 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 -1~50V，自 动测量时步长为 1V，仪器功能及使用方法如前所述。仪器与示波器连接。 a、 可同时观察不同谱线在同一光阑、同一距离下伏安饱和特性曲线。 （由于各谱线的特性曲线数据跨度较大，为使得在示波器上取得最佳显示效果，建 议只做“435.8”“546.1”“577.0”三条谱线的特性曲线进行比较） 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 UAK及 I 的数据，作对应于以上波长及光强的伏安特性曲线。 在 UAK为 50V 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 2mm、4mm、8mm 时对应的电流值，验证光电管的饱和光电流与入射光强 成正比。 也可在 UAK 为 50V 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 300mm、400mm 等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。