32-光电效应测普朗克常数

32-光电效应测普朗克常数 实验三十二 光电效应测普朗克常数 普朗克常数h值是自然界中一个非常重要的普适常数;能有什么样的方法能比较方便而又较正确地测出它呢?这就是用光电效应的实验方法.该实验方法不但第一次测量了普朗克常数,还证实了爱因斯坦的光电效应方程. 一、 实验目的 1( 观察光电效应现象并加深对光的量子性的理解; 2( 学习验证爱因斯坦光电效应方程的实验方法，并求出普朗克常数。 二、 实验仪器 GP—1型普朗克常数测定仪。该仪器主要由下面四大部分组成:GGQ型高压汞灯光源、GDH-1型光电管、NG型组合滤色片、微电流放大器。 三、 实验原理 以合适频率的光在金属表面照射，会有电子从其表面逸出，这种现象称为光电效应现象。观察光电效应的实验示意图如图32,1所示。T为光电管，它是一个内部抽为真空的玻璃管，内装两个金属电极:阳极A和阴极K。S双刀双掷换向开关，G为微电流计，R为K 滑线变阻器，通过S与R调节，可使A、K之间获得一个从,U,，U连续变化的电压。当K 用一束频率为,强度为P的单色光照射电极K时，因光电效应而产生的光电流可用电流计G测量。光电效应有以下基本规律: I1( 光强度一定时，随光电管两端电压的增大，光电流趋于一个饱和值,光强不同,饱和电S I流也不同。饱和电流I与光强成正比。 SS 2( 光电管两端加反向电压时，光电流迅速减小,直至反向电压达到U时，光电流才为零，Uαα 称为截止电压。这表明此时具有最大动能的光电子被反向电场所阻挡,则有 2 mv/2= eUɑ (32,1) max 实验表明光电子的最大动能与入射光强无关,只与入射的频率有关. 3( 入射光频率,改变时,截止电压U也随之改变,U与,成线性关系如图32,2所示.实验表αα 明,无论光多么强,只有当入射光频率大与时 ,,c 才能发生光电效应, ,称为截止频率.对于不同 c 金属的阴极,的值也不同.但这些直线的斜率都 c 相同. 4( 照射到光阴极上的光无论怎么弱,几乎在开始照射 -9的同时就有光电子产生,延迟时间最多不超过10 秒.上述光电效应的实验规律用光的波动理论无法 解释。但爱因斯坦用光量子理论成功地解释了它们。 爱因斯坦认为一束频率为的光，实质上是大量的 , “光子”运动所形成。每个光子的能量为: ,,h, h称为普朗克常数， 图32,1 当频率为,的光照射在金属表面时，金属中一个电子吸收一个光子的全部能量，一部分用来克服金属表面对电子的束缚而逸出金属表面，剩余的能量就成了该电子逸出后的动能。 12即 E=,h,,A mVK2 这里 m,电子质量，V,电子逸出金属表面后的初速度; A,电子逃逸金属表面所作的功 12我们把光照射而逃逸出的电子称为光电子。因为光电子有初动能E=，所以要使mVK2所有光电子不能到达光电管的阳极，光电管两极应加上反向电压，反向电压的最小值应满足: 12 eU,,0 mV2 1 U这个反向电压称为截止电压，故有 a 12U e,,0 mVa2 ,19这里e为电子电量 e=1.60×10C。 根据爱因斯坦方程又有: 12, mv=h-A (32,2) max2 , 故可得 eUɑ= h-A hA Uɑ= (32,3) (,,)eh 由于金属逸出功反映金属的固有属性， 与入射光频率无关。故可令式(32-3)改写为: h Uɑ= (32,4) 图32,2 (,,,)0e h, 可见截止电压Uɑ与入射光频率成正比关系，其斜率k=是一正常数。实验时只需测出e ,不同频率下的Uɑ—直线，求出斜率k后即可求出h值。 四、 实验内容及步骤 1( 测试前的准备工作 (1) 如图32,3所示，将光源、光电管暗盒相对放置，光源离暗盒约为20,40cm，微电流放 大器放置在适当的位置。 图32,3 (2) 一般光电管的伏安特性曲线应从负电压做起，因此，需将测量放大器的开关和旋钮置于下 列位置:电流极性置“-”，工作选择置“DC”，电压极性置“-”，电压量程置“-3”，电压 调节逆时针方向调至最小，并将倍率开关置于“短路”档(若无此档,则置于”零位”档)， 扫描位移旋钮不动。 (3) 接通汞灯电源、微电流放大器电源，预热20-30分钟。待预热充分后，先调整仪器零点， 即调节“零点”旋纽，使微安表指零。再校正仪器“满度”，倍率开关在“满度”档，调 节”满度”旋钮,使微安表满度。 图32,3 2. 测量光电管的暗电流 (1) 连接好光电管暗盒与测量放大器之间的屏蔽电缆、地线和阳极电源线，遮光罩不取下，并 ,7,6在暗盒上遮一块布罩。测量放大器“倍率”旋钮置于“×10”或“×10”档。 (2) 顺时针缓慢旋转“电压调节”旋钮、并合适地改变“电压量程”和“电压极性”开关。仔 细 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 从-3V,+3V不同电压下的相应电流值(电流值=倍率×电表读数×μA)，此时所读 得的值即为光电管的暗电流。 3. 手动测量光电管的I-U特性 光电管的理想I-U 特性曲线如图32,4所示，但实际的I-U 特性曲线如图32,5所示 ， 2 它比图32,4更复杂， 图32,4 图32,5 手动测量光电管I-U特性的步骤是: ,6,5(1) 先将“倍率”旋钮置于×10或×10，再将光源出射孔对准光电管暗盒窗口，取下光 电管暗盒窗口上的遮罩，换上滤光片。然后，取下光源出光孔上的暗盖。电压调节从-3V 调起，缓慢增加，先观察一遍改变电压过程中，电流的变化情况，记下电流出现“抬头” 点附近的电压范围，以便多测几个实验点。 (2) 在上述工作的基础上，依次换上不同的滤色片(切忌改变光源和光电管暗盒之间的位置)， 仔细读出在不同频率入射光照射下，不同电压情况下的光电流值(在反向电流开始有明显 变化的地方可多测几组数据)。在电压增加的过程中,若发现电流急速上升时,则后面各点 的电压就不必测量了。 (3) 在测量的过程中，如发现微安表指针来回晃动，不能稳定读数位置。则需将放大器“倍率” ,5,4旋钮置于10或×10档，(因为微安表中的电流大小与通过滤色片的光强度有关，即 与光源、光电管的距离有关)。 五、 预习思 考题 安全员b证考试题库金融学机考题库消防安全技术实务思考题答案朝花夕拾考题答案excel基本考题 1、 爱因斯坦光电效应方程的物理意义是什么, 2、 光点效应的实验规律有哪些, 3、 什么是截止频率,什么叫截止电压,实验中如何确定截止电压, 4、 为了减小测量截止电压的误差，在实验过程中应采取哪些措施, 5、 如何由光电效应测量普朗克常数, 6、 光电管的伏安特性曲线是什么含义, 六、 测试记录与数据处理 1( 测试记录表格 表32,1 伏安特性曲线测量数据表 ,6距离 L=__cm, 光阑孔径 =5mm 单位 U:(V); I:(10μA) , 1 2 3 4 5 6 7 8 9 U 黄577 nm I U 绿546 nm I U 蓝436 nm I U 紫405 nm I U 紫外365nm I 3 表32,2 截止电压测量数据表 波长(nm) 577 546 436 405 365 14,(，10Hz) 5.20 5.49 6.88 7.41 8.22 i Uɑ(V) 2. 数据处理 (1) 将测量数据填入表32,1中。 (2) 取25×20cm大小的坐标纸，根据表32,1画出不同光照频率下的伏安特性曲线。从图 上认真寻找每条曲线上的光电流开始出现的“抬头点”，确定截止电压Uɑ，然后记入 表32,2中。 (3) 以Uν作图，如果光电效应遵从爱因斯坦光电方程，则Uɑ,关系曲线应是一条,,iai ,Ua直线，此时由图得到直线可求出其斜率β=。及普朗克常数h=eβ.并算出实验值h,, ,34与公认值h之间的误差。(公认值h=6.63×J?S) 10 七、 注意事项 1( 光电管阴极应避免强光照射。更换滤光片时，先将汞灯出光孔遮盖住，然后再更换滤光片。 2( 微电流放大器及汞灯必须充分预热，然后才能开始测量，汞灯一旦点亮，不要随意关闭。 3( 实验时应测出暗电流和本底电流(外界漫反射光照在光电管引起)，在作图时消除其影响。 4( 实验完毕后，光电管应立即加上遮光罩。 八、 习题 1( 光电管为什么要装在暗盒中,而且光电管窗口上还装有5mm的光阑,不测量时，为什么, 还要用遮光罩盖住光电管的窗口, 2( 在光电管的伏安特性曲线中，为什么实测曲线比理论曲线位置要下移一些,光电管的反向 光电流是怎样产生的, 3( 微电流放大器倍率开关换挡前后电压表读数不同，应如何修正, 4