光电子物理基础

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1、 光电子物理基础 光电子物理基础 实验指导书 实验指导书 蒋曲博 编写 蒋曲博 编写 桂林电子工业学院电子工程系 桂林电子工业学院电子工程系 2003 年 3 月 2003 年 3 月 目目 录录 实验一实验一 夫兰克-赫兹实验夫兰克-赫兹实验 1 实验二实验二 光电效应和普朗克常数的测定光电效应和普朗克常数的测定 6 2实验一 夫兰克-赫兹实验 实验一 夫兰克-赫兹实验 ? 背景资料 背景资料 在原子物理学的发展中，丹麦物理学家玻尔（N.Bohr）因为在 1913 年发表 了原子模型而获得了 1922 年度诺贝尔物理学奖。在玻尔发表原子模型理论 的第二年，德国科学家夫兰克(J.Franck)

2、和赫兹（G.hertz）用慢电子与稀 薄气体原子碰撞的方法， 使原子从低能级激发到高能级。 他们对电子与原子 碰撞时能量交换的研究所发现的规律性， 直接证明了原子能级的存在， 即原 子能量的量子化现象。 夫兰克和赫兹的实验证明了玻尔原子理论的正确性， 因而， 他们获得了 1925 年度诺贝尔物理学奖。 这就是原子物理学上著名的“夫兰克-赫兹”实验。 ? 实验目的实验目的 1 测量氩原子的激发电位。 2 观察其特殊的伏安特性现象。 3 证明玻尔原子能级的存在。 ? 实验仪器实验仪器 智能型夫兰克赫兹实验仪、连线若干、BNC 连接线若干、电脑、示波器 等。 ? 实验原理实验原理 夫兰克赫兹实验原理

3、图如图一所示，它由夫兰克赫兹管、微电流表， 灯丝、电极及一系列栅压极组成，其中夫兰克赫兹管是最重要的部分。 在充氩的 夫兰克-赫 兹管中， 电 子由阴极K 发出， 阴极 K和第一栅 极G1 之间 的 加 速 电 压V及与 第 二 栅 极 G2 之间的 加速电压V 使电子加速。在板极A和第二栅极G2 之间可设置减速电压V ， 管内空间电位分布如图二所示：G1KG2KG2A注意：第一栅极G1 和阴极K之间的加速电压VG1K约 1.5 伏的电压，用于 消除阴极电子散射的影响。 2热时，电 子当灯 丝 加阴 极 的 外 层 即 发 射 电子，在 G1 和 G2 间 的 电场作用下被加速而取得越来越大的

4、能量。但在起始阶段，由于电压VG2K较 低，电子的能量较小，即使在运动过程中，它与原子相碰撞（为弹性碰撞） 也只有微小的能量交换。这样，穿过第二栅极的电子所形成的电流IA随第二 栅极电压VG2K的增加而增大（见图三oa段） 。 当VG2K达到氩原子的第一激发电位时,电子在第二栅极附近与氩原子相 碰撞(此时产生非弹性碰撞)。 电子把从加速电场中获得的全部能量传递给氩 原子,使氩原子从基态激发到第一激发态,而电子本身由于把全部能量传递 给了氩原子,它即使能穿过第二栅极,也不能克服反向拒斥电压而被折回第 二栅极。所以板极电流IA将显著减小(如图三ab段)。氩原子在第一激发态不 稳定，会跃迁回基态，同

5、时以光量子形式向外辐射能量。以后随着第二栅极 电压VG2K的增加,电子的能量也随之增加,与氩原子相碰撞后还留下足够的能 量.这就可以克服拒斥电压的作用力而到达板极A,这时电流又开始上升(如 图三bc段),直到VG2K是 2 倍氩原子的第一激发电位时,电子在G2 与K间又会因 第二次非弹性碰撞而失去能量,因而又造成了第二次板极电流IA的下降(如 图三cd段),这种能量转移随着加速电压的增加而呈周期性的变化.若以VG2K 为横坐标,以板极电流值IA为纵坐标就可以得到谱峰曲线,两相邻谷点(或峰 尖)间的加速电压差值,即为氩原子的第一激发电位值。 这个实验就说明了夫兰克-赫兹管内的电子缓慢地与氩原子碰

6、撞,能 使原子从低能级被激发到高能级,通过测量氩的第一激发电位值(11.5V是一 个定值,即吸收和发射的能量是完全确定的,不连续的)说明了玻尔-原子能 级的存在。3? 实验内容实验内容 1. 用手动方式、计算机联机测试方式测量氩原子的第一激发电位，并作比 较。 2. 分析灯丝电压、拒斥电压的改变对F-H实验曲线的影响。 3. 了解计算机数据采集、数据处理的方法。 ? 实验步骤实验步骤 1.熟悉实验装置结构和使用方法。 2.按照如下实验连接图连接实验线路，检查无误后检查无误后开机。 夫兰克赫兹实验仪夫兰克赫兹实验仪 灯丝 灯丝电源 I 电流输入 I 信号输出 同步输出 G1 K G2 A VG1

7、K VG2A VG2K 溢出 数据线 图四：实验装置连接图 3.缓慢将灯丝电压调至 2.5V，第一阳极电压调至 1.0V，拒斥电压调至 5.0V，预热 1 分钟。 4.智能夫兰克-赫兹实验仪有三种可选的工作方式： A 手动 B 自动 C 联机测试 107A 红线 黑线 蓝线 BNC 线 4其中，A、B 方式可不由计算机辅助实验系统软件控制，智能夫兰克-赫兹实验仪可单独运行。C 方式必须与计算机相连接，由计算机控制智能夫兰克-赫兹实验仪运行。 所以， 与之相对应， 计算机辅助实验系统软件 也有两种可选的工作方式： 联机显示：在这种方式中，计算机只允许作为一个显示器使用，不能干预智能夫兰克-赫兹实

8、验仪的运行， 此时的软件工作方式适用于智能夫兰克-赫兹实验仪的 A、B 方式。 联机测试：在这种方式中，由计算机只控制智能夫兰克-赫兹实验仪的 运行，此时的软件工作方式适用于智能夫兰克-赫兹实验仪的 C 方式。 5.输入实验参数，进行实验。 6.改变灯丝电压、第一阳极或拒斥电压，重复进行实验，观察实验曲线的变 化，分析原因。 7.实验结束，将实验装置恢复为原始状态。 ? 实验数据处理实验数据处理 取至少 5 组波峰或波谷的 UI 值，利用实验软件检验实验结果。并将所取 值与所得结果填入下表： U （V） I （nA） 第一激发电 位U1（V） 根据上表在坐标纸上画出 UI 图。 ? 思考题思考

9、题 1.对照图一仔细观察如图四的电路连接图，试分析若连线错误会导致什么后 果？ 2.对比图三GKAVI曲线，若板极电流极小值逐级抬高，极大值上升变缓，以至于震荡幅度变小。请分析原因何在。 3.试分析实验数据的误差（甚至错误）出现的原因，如何能改进或避免。 5实验二 光电效应和普朗克常数的测定实验二 光电效应和普朗克常数的测定 ? 实验背景资料实验背景资料 光电效应是指一定频率的光照射在金属表面时会有电子从金属表面逸 出的现象。 光电效应实验对于认识光的本质及早期量子理论的发展， 具有里 程碑式的意义。 光电效应的实验规律与经典的电磁理论是矛盾的， 按经典理论， 电磁波 的能量是连续的，电子接受

10、光的能量获得动能，应该是光越强，能量越大， 电子的初速度越大；实验结果是电子的初速与光强无关；按经典理论，只要 有足够的光强和照射时间， 电子就应该获得足够的能量逸出金属表面， 与光 波频率无关；实验事实是对于一定的金属，当光波频率高于某一值时，金属 一经照射，立即有光电子产生；当光波频率低于该值时，无论光强多强，照 射时间多长，都不会有光电子产生。光电效应使经典的电磁理论陷入困境， 包括勒纳德在内的许多物理学家， 提出了种种假设， 企图在不违反经典理论 的前提下，对上述实验事实作出解释，但都过于牵强附会，经不起推理和实 践的检验。 1900 年，普朗克在研究黑体辐射问题时，先提出了一个符合实

11、验结果 的经验公式， 为了从理论上推导出这一公式， 他采用了玻尔兹曼的统计方法， 假定黑体内的能量是由不连续的能量子构成，能量子的能量为 hn。爱因斯 坦以他惊人的洞察力， 最先认识到量子假说的伟大意义并予以发展提出爱因 斯坦光子假设得出了著名的光电效应方程，解释了光电效应的实验结果。 光量子理论创立后，在固体比热、辐射理论、原子光谱等方面都获得成 功，人们逐步认识到光具有波动和粒子二象属性。光子的能量 E=hn 与频率 有关，当光传播时，显示出光的波动性，产生干涉、衍射、偏振等现象；当 光和物体发生作用时， 它的粒子性又突出了出来。 后来科学家发现波粒二象 性是一切微观物体的固有属性， 并发

12、展了量子力学来描述和解释微观物体的 运动规律，使人们对客观世界的认识前进了一大步。 ? 实验目的 实验目的 1 了解光电效应当规律，加深对光的量子性的理解。 2 测量普朗克常数 h. 3 了解计算机数据采集、数据处理的方法。 6? 实验仪器 实验仪器 ZKY-GD-4 智能光电效应实验仪、光具座、汞灯及电源、滤色片、光阑、 光电管、电脑、示波器等。 ? 实验原理实验原理 光电效应的实验原理如图 1 所示。入射光照射到光电管阴极K上，产生 的光电子在电场的作用下向阳极A迁移构成光电流，改变外加电压UAK，测 量出光电流I的大小，即可得出光电管的伏安特性曲线。 光电效应的基本实验事实如下： （1）

13、对应于某一频率，光电效应的 I-UAK 关系如图 2 所示。 从图中可见， 对一定的频率， 有一电压U0， 当UAKU0 时，电流为零，这个相对于阴极的负值的阳极电压 U0，被称为截止电压。 （2）当UAKU0 后，I迅速增加，然后趋于饱和，饱和光电流IM 的大小与 入射光的强度P成正比。 （3）对于不同频率的光，其截止电压的值不同，如图 3 所示。 （4）作截止电压U0与频率 的关系图如图 4 所示。U0与 成正比关系。 当入射光频率低于某极限值0（0 随不同金属而异）时，不论光的强度如 何，照射时间多长，都没有光电流产生。 （5）光电效应是瞬时效应。即使入射光的强度非常微弱，只要频率大于

14、0， 在开始照射后立即有光电子产生， 所经过的时间至多为 109秒的数量级。 按照爱因斯坦的光量子理论， 光能并不像电磁波理论所想象的那样， 分7布在波阵面上， 而是集中在被称之为光子的微粒上， 但这种微粒仍然保持着 频率（或波长）的概念，频率为 的光子具有能量 E=h，h 为普朗克常数。 当光子照射到金属表面上时， 一次为金属中的电子全部吸收， 而无需积累能 量的时间。 电子把这能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引力， 余下的 就变为电子离开金属表面后的动能， 按照能量守恒原理， 爱因斯坦提出了著 名的光电效应方程： (1) 式中，A 为金属的逸出功，为光电子获得的初始动能。 由该式可见，

15、入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子动能越大，所以即使阳 极电位比阴极电位低时也会有电子落入阳极形成光电流， 直至阳极电位低于 截止电压，光电流才为零，此时有关系： 2 021meU= （2） 阳极电位高于截止电压后， 随着阳极电位的升高， 阳极对阴极发射的电 子的收集作用越强，光电流随之上升；当阳极电压高到一定程度，已把阴极 发射的光电子几乎全收集到阳极， 再增加UAK时I不再变化， 光电流出现饱和， 饱和光电流IM 的大小与入射光的强度P成正比。 光子的能量h0 A时，电子不能脱离金属，因而没有光电流产生。产生 光电效应的最低频率（截止频率）是0 =A/h。将（2）式代入（1）式可得： eU0 =hA （3） 此式表明截止电压U0是频率的线性函数，直线斜率k=h/e，只要用实验 方法得出不同的频率对应的截止电压， 求出直线斜率， 就可算出普朗克常数 h。 爱因斯坦的光量子理论成功地解释了光电效应规律。 ? 实验内容及步骤实验内容及步骤 81测试前准备 将实验仪器如下图摆放连接好。 将测试仪及汞灯电源接通（汞灯及光电管暗箱遮光盖盖上） ，预热 20 分钟。 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。 将“电流量程”选择开关置于所选档位