光电效应和普朗克常数测定
实验一 光电效应和普朗克常数测定
实验目的
1(通过实验了解光的量子性。
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。
3(验证爱因斯坦方程,并由此求出普朗克常数。
实验仪器
光电管,高压汞灯,滤色片,微电流测量放大器。
实验原理
在光的照射下,从金属
表
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面释放电子的现象称为光电效应。光电效应的基本规律可归纳为:光电流与光强成正比;入射光频率低于某一临界值时,不论光的强度如何,v0都没有光电子产生,称为截止频率;光电子的动能与光强无关,与入射光频率成正比。 v0
爱因斯坦突破了光的能量连续分布的观念,他认为光是以能量的光量子的E,hv形式一份一份向外辐射。光电效应中,具有能量的一个光子作用于金属中的一个自hv
由电子,光子能量或者被完全电子吸收,或者完全不hv
单色光吸收。电子吸收光子能量后,一部分用于逸出功,hve,G
AK剩余部分成为逸出电子的最大动能为 ,A2 (6—1—1) mv2,hv,e,maxV
此式称为爱因斯坦方程。式中为普朗克常数,公hR-34认值为6.626176×10J,s。即存在一截止频率,此时
吸收的光子能量恰好用于电子逸出功,没有多余的动能。E
2图6—1—1hv,e,,0由上式可知,当时,则,存在mv2,0
hve,一截止频率,此时吸收的光子能量恰好用于电子逸出功,没有多余能量。因而v0
hv,e,当时没有光电流,只有入射光的频率时才有光电流。由于不同金属的逸v,v0
出功数值不同,所以有不同的截止频率。当时,光电子具有较大动能,在阳极不v,v0
加电压,甚至阳极电位低于阴极电位时,也会有光电子到达阳极,产生为光电流。
本实验采用减速电场法,如图6—1—1所示。单色光透过光电管的玻璃口照射到阴极K上,从K发射出的光电子向阳极A运动,在阳极加上相对阴极为负的电压U,以阻0止光电子向阳极运动。随着反射电压U的增加,到达阳极的电子数减少,光电流减少,0
当反向电压满足
2 (6—1—2) eU,mv20max
将没有光电子到达阳极,光电流为零。称为截止电压。由(6—1—1)和(6—1U0
2)两式得 —
eU,hv,e,0
即
hvU, (6—1—3) ,0e
将代入(6—1—3)式有 ,,hve0
(6,,U,hve,hve,hv,ve000
1—4) —I
(6—1—4)式表明,对同一种光电阴极材料制成
的光电管,其截止电压U和入射光频率成线性关系。v01直线斜率k=h/e。当时,U=0,没有光电子逸出。 v,v002U0OU对于不同频率的光,可以得到与之对应的I-U特34性(光电伏安特性)曲线和截止电压U的值,可在方0
C格坐标纸上作出U,图线,根据已知的电子电量ev0
1.理想阴极发射电流 2.实测曲线值和图线斜率k即可确定普朗克常数h的值。
3.暗电流 4.阳极发射电流对于本实验还需要说明
图6—1,2(,)暗盒中的光电管即使没有光照射,在外加
电压下也会有微弱电流,称暗电流。其主要原因是极
间绝缘电阻漏电和阴极在常温下的热电子发射等。暗电流与外加电压基本上成线性关系。
(,)阳极上沉积有阴极材料,遇到由阴极散射的光或其它杂散光的照射,也会发射光电子,反向的电压对阳极发射的光电子起加速作用,形成反向饱和电流。
由于以上原因,致使实测曲线光电流为零时所对应的电压并不是截止电压,真正的截止电压在该曲线的直线部分与曲线部分相接的点C处,如图,—,,,所示。
实验内容
,(测试前的准备
(,)认真阅读光电效应实验仪的使用说明书。
(,)安放好仪器,用遮光罩罩住暗盒的光窗。插上电源预热20,30分钟然后调整测量放大器的零点和满度。
,(测量光电管的暗电流
(,)连接好光电暗盒与测量放大器之间的屏蔽电缆、地线和阳极电源线。测量放
-6大器的“倍率”旋钮置×10档。
(,)顺时针缓慢旋转“电压调节”旋钮,并适当地改变“电压量程”和“电压极性”开关。仔细
记录
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在不同电压下的相应电流值(电流值=倍率×电表读数×微安)。此时所读得的即为光电管的暗电流。
-特性 ,(测量光电管的IU
(,)让光尖锐出射孔对准暗盒窗口,并使暗盒离开光30,50厘米。测量放大器
-6“倍率”旋钮置×10挡。撤去遮光罩,换上滤色片。“电压调节”从-3伏或-2伏调起,缓慢增加,先观察不同滤色片下的电流变化情况,记下电流明显变化的电压值以使精确测量。
(,)在上述粗测的基础上进行精确测量记录。从短波长起小心地逐次换入滤色片,仔细读出不同频率入射光照射下的光电流,并记录数据,注意在电流开始变化的地方多读几个值。
(,)在方格纸(如25×20厘米)上,仔细作出不同波长(频率)的-曲线。IU从曲线中认真找出电流开始变化的“抬头点”,确定的截止电压。 IUAK0
(,)把不同频率下的截止电压描绘在方格纸上。如果光电效应遵从爱因斯坦方U0
f(v)程,则U=曲线应该是一条直线。求出直线的斜率k =ΔU/Δv,求出普朗克常数0 0
h =ek,计算出所测值与公认值之间的误差。
(,)改变光源与暗盒的距离L和光阑孔φ,重复上述步骤,,,次。
注意事项
,(必须在了解仪器的使用规则后方可进行实验。
,(滤色片是经精选和精加工的,更换时注意避免污染,使用前应用擦镜纸认真揩擦以保证良好的透光。
,(更换滤色片时应先将光源出射孔遮盖,实验完毕后应用遮光罩盖住暗盒光窗,以免强光照射阴极缩短光电管寿命。
,(光源射出的光必须直射光电管的阴极,此时暗盒可作左右及高低调节。为避免光线直射阳极,测试时光窗处宜加φ4,6毫米的光阑。
,(测量放大器须充分预热,测量才能准确。接线时先接好地线,后接信号线,注意不能将输出端与地短路,以免烧毁电源
思考题
1(什么叫光电效应,爱因斯坦提出的光电效应理论有哪些内容,
2(说明光电效应与光频率、光强 、逸出功、截止电压、截止频率的关系,简述暗电流产生的原因及测量方法。
3(用什么方法求出普朗克常数h,截止电压U与入射光频率有什么关系,当U=000时有什么结论,
4(在实验中,若改变光电管上的照度,对I-U曲线有何影响,