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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划华科光电效应实验报告实验光电效应和普朗克常数的测量1887年德国物理学家赫兹发现电火花间隙受到紫外线照射时会产生更强的电火花。赫兹的论文紫外光对放电的影响发表在1887年物理学年鉴上。论文详细描述了他的发现。赫兹的论文发表后，立即引起了广泛的反响，许多物理学家纷纷对此现象进行了研究，用紫外光或波长更短的X光照射一些金属，都观察到金属表面有电子逸出的现象，称之为光电效应。对光电效应现象的研究，使人们进一步认识到光的波粒二象性的本质，促进了光量子理论的建立和近代物理学的发展，现在光电效应
2、以及根据光电效应制成的各种光电器件已被广泛地应用于工农业生产、科研和国防等各领域。【实验目的】通过实验加深对光的量子性的认识；验证爱因斯坦方程，并测量普朗克常数以及阴极材料的“红限”频率。【实验原理】一、光电效应及其实验规律当一定频率的光照射到某些金属表面上时，可以使电子从金属表面逸出，这种现象称为光电效应，所产生的电子称为光电子。研究光电效应的实验装置如图所示，入射光照射到阴极K时，由光电效应产生的光电子以某一初动能飞出，光电子受电场力的作用向阳极A迁移而构成光电流。一定频率的光照射阴极K所得到的光电流I和两极间的电压U的实验曲线如图所示。随着光电管两端电压的增大,光电流趋于一个饱和值Im，
3、当UUS时，光电流为零，US称为反向遏止电压。US图光电效应实验装置示意图图UI特性曲线U总结所有的实验结果，光电效应的实验规律可归纳为：对于一种阴极材料，当照射光的频率确定时，饱和光电流Im的大小与入射光的强度成正比。反向遏止电压US的物理含义是：当在光电管两端所加的反向电压为US时，则逸出金属电极K后具有最大动能的电子也不能到达阳极A，此时eUS?12mVmax2实验得出光电子的初动能与入射光的强度无关，而只与入射光的频率有关。光电效应存在一个阈频率?0，当入射光的频率?0时，不论光的强度如何都没有光电子产生。光电效应是瞬时效应，只要照射光的频率大于?0，一经光线照射，立刻产生光电子，响应
4、时间为10s。对于这些实验事实，经典的波动理论无法给出圆满的解释。按照电磁波理论，电子从波阵面连续地获得能量。获得能量的大小应当与照射光的强度有关，与照射的时间长短有关，而与照射光的频率无关。因此对于任何频率的光，只要有足够的光强度或足够的照射时间，总会发生光电效应。这些结论是与实验结果直接矛盾的。二、爱因斯坦方程和密立根实验1905年爱因斯坦受普朗克量子假设的启发，提出了光量子假说，即：一束光是一粒一粒以光速C运动的粒子流，这些粒子称为光子，光子的能量为E?h?能量的一部分变成它逸出金属表面所需的功W，另一部分转化为光电子的动能，即：?9h?12mVmax?W2?34式中:h普朗克常数，公认
5、值为?10J?S这就是著名的爱因斯坦光电效应方程。根据这一理论，光电子的能量只决定于照射光的频率，并与之成线性关系。由式可见,只有当h?W时,才会有光电子发射,我们把Wh记作?0,即?0?Wh这就是说?0是能发生光电效应的入射光的最小频率，显然它的值随金属种类不同而不同,又称“红限”频率。爱因斯坦光量子理论圆满地解释了光电效应的各条实验规律。爱因斯坦的光子理论由于与经典电磁理论抵触，一开始受到怀疑和冷遇。一方面是因为人们受传统观念的束缚，另一方面是因为当时光电效应的实验精度不高，无法验证光电效应方程。密立根从1904年开始光电效应实验，1912-1915年间，密立根对一些金属进行测量，得出了光
6、电子的最大动能12和入射光频mVmax20图率?之间的严格线性关系，直线在横轴上的交点?0，说明照射光的频率小于?0时不会有光电子发射。不同的金属其?0值不同，但所有的金属直线的斜率却是不变的。密立根于1916年发表论文证实了爱因斯坦方程的正确性，并直接运用光电方法对普朗克常数h作了首次测量。历经十年，密立根用实验证实了爱因斯坦的光量子理论。两位物理大师因在光电效应等方面的杰出贡献，分别于1921和1923年获得诺贝尔物理学奖。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?h?与频率有关，当光传播时，显示出光的波动性，产
7、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。三、普朗克常数的测量原理根据爱因斯坦光电效应方程式、截止电压US与光电子的最大初动能的关系式以及“红限”频率?0与逸出金属表面所需的功W之间的关系式，可得到：此式表明截止电压US是频率?的线性函数，相应的曲线如图所示，可知US?直线的斜率为：k?heUS?直线的延长线对纵轴的截距为U0?We图照射光频率与截止电压的关系US?直线与横轴的交点为阴极材料的“红限”频率?0。综上所述，通过用不同频
8、率的光照射阴极，测得相应的截止电压，得出US?关系，即可求得h、?0、W。四、影响准确测量截止电压的因素测量普朗克常数h的关键是正确的测出截止电压US，但实际上由于光电管制作工艺等原因，给准确测定截止电压带来了一定的困难。实际测量的光电管伏安特性曲线与理论曲线有明显的偏差，引起这种偏差的主要原因有：在无光照时，也会产生电流，称之为暗电流。它是由阴极在常温下的热电子发射形成的热电流和封闭在暗盒里的光电管在外加电压下因管子阴极和阳极间绝缘电阻漏电而产生的漏电流两部分组成。受环境杂散光影响形成的本底电流。由于制作光电管时阳极上往往溅有阴极材料，所以当光照射到阳极上和杂散光漫射到阳极上时，阳极上往往有
9、光电子发射。形成阳极反向电流。其中以漏电流和阳极反向电流影响最大。由于上述原因，实际测量的光电管伏安特性曲线如图所示。实验曲线在负电压区?。下沉，截止电压并不对应光电流为零，而对应反向电流开始趋于常量的点US【实验仪器】ZKY-GD-3型光电效应实验仪结构如图所示。仪器由汞灯及电源，滤色片，光阑，光电管、测试仪组成，测试仪的调节面板如图所示。图ZKY-GD-3光电效应实验仪结构示意图图仪器前面板示意图高压汞灯：在其发光的光谱范围内较强的谱线有、。滤光片：仪器配有五种带通型滤光片,其透射波长为nm、nm、nm、nm、。使用时，将滤光片安装在接收暗盒的进光窗口上，以获得所需要的单色光。光阑：仪器配
10、有孔径分别为2mm、4mm、8mm的光阑供实验选择。光电管：阳极为镍圈，阴极为银-氧-钾，光谱响应范围320700nm，暗-12电流：I210A。测试仪：它包括光电管工作电源和微电流放大器两部分。光电管工作电源：2档，20V，230V，三位半数显，稳定度%-8-13-13微电流放大器：6档，1010A，分辨率10A，三位半数显，稳定度%【实验内容】测试前准备把汞灯及光电管暗盒遮光盖盖上，将汞灯暗盒光输出口对准光电管暗盒光输入口，调整光电管与汞灯距离为约40cm并保持不变。将测试仪及汞灯电源接通，预热20分钟。-12测试仪调零：将“电流量程”选择开关置于10A档位，仪器在充分预热后，进行测试前调
11、零。调零时，将“调零/测量”切换开关切换到“调零”档位，旋转“电流调零”旋钮使电流指示为“000”。调节好后，将“调零/测量”切换开关切换到“测试”档位，就可以进行实验了。注意：在进行每一组实验前，必须按照上面的调零方法进行调零，否则会影响实验精度。1.测量普朗克常数h、“红限”频率?0用零电流法测定h和?0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等因素的影响，实测电流为零时对应的光电管的电压并非截止电压US，而对应于UI实验曲线反向电流开始趋于常量的点US?，因此，通过实验测量光电管的伏安特性，根据UI实验曲线分光电效应【实验目的】了解光电效应的规律，加深对光的量子性的认识
12、。测量普朗克常量h。【实验仪器】ZKY-GD-4光电效应实验仪，其组成为：微电流放大器，光电管工作电源，光电管，滤色片，汞灯。如下图所示。【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，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：对应于某一频率,光电效应的I-有一电压U0,当电压。(2)当成正比。关系如图2所示。从图中可见，对一定的频率，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(3)对于不
13、同频率的光，其截止电压的值不同，如图3所示。(4)截止电压U0与频率的关系如图4所示，与成正比。当入射光频率低于某极限值生。时，不论光的强度如何，照射时间多长，都没有光电流产(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，在开始照射后立即有光电子产生，所经过的时间至多为秒的数量级。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，一次被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
14、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：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，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：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，再增加时I不再变化，光电流出现饱和，饱和光电流的大小与入射光的强度P成正比。光子的能量A时，电子不能脱离金属，因而没有光电流产生。产生光电=A/h。效应的最低频率是将(2)式代入(1)式可得：此式表明截止电压是频率的线性函数，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。【实验步骤】1、测试前准备1）将实验仪及汞灯电源接通，预热20min。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管暗箱电压输入端与实验仪电压输出端连接起来。4）
