实验光电效应

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1、4.5 光电效应及普朗克常数的测定【实验简介】光电效应在证实光的量子性方面有着重要地位。1905 年爱因斯坦在光量子假说的基础 上圆满地解释了光电效应。十年后密立根以精确的光电效应实验证实了爱因斯坦的光电效应 方程，并测定了普朗克常数。今天光电效应已广泛地应用于各科技领域。利用光电效应制成 的各种光电器件已成为生产和科研中不可缺少的器件。【实验目的】1. 通过光电效应基本特性曲线的测量，加深对光的量子性的理解。2. 验证爱因斯坦光电效应方程，并测定普朗克常数。【预习思考题】1. 什么是光电效应?它具有什么实验规律?2. 什么是截止电压?如何用实验来测定?3. 如何利用光电效应测定普朗克常数？【

2、实验仪器】汞灯、光电管暗盒（包括光电管、滤色片及小孔光栏）、THQPC-1微电流测试仪【实验原理】1光电效应及其实验规律当光照射到金属表面时，金属中有电子逸出的现象称为光电效应。研究光电效应的实验 原理图如图4.5.1。当单色光入射到光电管阴极K时，阴极上会有（光）电子逸出。部分光电 子会到达阳极A,形成光电流。通过改变外电场的大小和方向，以及选择不同频率的单色光图 4.5.2图 4.5.11.1 饱和光电流与入射光强成正比。如图 4.5.2；1.2光电效应存在一个截止频率u，当入射光的频率UU时，不论光的强度如何 00都没有光电子产生；1.3 光电子的初动能与入射光的频率成正比，与入射光强无

3、关，；1.4光电效应是瞬时发生的，At 10-9s，与入射光强无关。对于这些实验事实，经典的波动理论无法给出圆满的解释。2爱因斯坦光量子理论 爱因斯坦受普朗克量子假设的启发，提出了光量子理论并成功地解释了光电效应：频率 为u的光由能量为hu的粒子组成，这些粒子称为光子。光入射到金属表面时，一个光子的 能量通过碰撞立即被一个电子吸收，只要电子获得的能量足以克服金属对它的束缚能（即逸 出功），即可瞬间产生光电效应。根据能量转化与守恒定律，逸出电子的初动能与入射光频 率和金属逸出功的关系为1 hu= mV 2 + w（4.5.1）20即爱因斯坦光电效应方程。其中h为普朗克常数，公认值为6.6257

4、x 10-34八s，u为入射光频率， m 为电子质量， V 为电子逸出金属表面时的最大初速度， w 为金属材料的逸出功。 03普朗克常数的测定使光电流为零而在光电管两端所加的反向电压U被称为截止电压，如图4.5.2。由爱 S因斯坦光电效应方程（4.5.1）和截止电压与电子最大初动能的关系eU =；mv 2可得到截 S2止电压与入射光频率的关系4.5.2)U = h u-WoS e e显然，选择不同频率的光入射，测量相应的截止电压，得到两者的线性关系，由斜率和截距 可得到普朗克常数和金属材料的逸出功。4截止电压的确定由于热电子发射、光电管极间漏电、本底电流及阳极产生的反向光电流等因素的影响， 使

5、实际测得的光电流曲线下移，故截止电压并非是电流为零时的电压，而是实测曲线两线性段之间的弯曲联接处，即截止电压对应的是曲线上反向电流部分斜率变化很大时的电压，如图4.5.3。实验内容与步骤】1开机准备1.1 连接好光电管暗盒与微电流测定仪之间的接线。开启汞灯、微电流测定仪使它们预热 20 - 30 min。1.2 调整微电流测定仪。先调整零点：调节量程旋钮指向调零位置，调节调零旋钮，使微电流指示为零。后校正满度：调节量程旋钮指向满度位置，调节满度旋钮，使微电流指示为100 A。2.测量光电管在不同波长光照射下的I - U特性2.1调节光电管暗盒与光源距离约30 - 50cm，转动滤色片圆盘使光通

6、过短波滤色片， 其波长由盘上读出。2.2放大器倍率置于10-11，先粗侧一下在该光光照下光电管的I - U特性，确定出合 理的实验点、电压的测量范围。（选取实验点时应注意：在光电流发生突变的地方应多测几 个数据点）；测出该波长光照下光电管的I - U特性曲线。2.3 换用不同的滤色片，选择其它波长的光照射，重复步骤2.2，测出其它波长光照射 下光电管的I -U特性曲线。2.4在坐标纸上绘制不同波长的光照射下光电管的I - U特性曲线。3作出Us-u关系曲线，求出普朗克常数并与公认值比较，计算其误差。4. 测量不同光强下I - U特性4.1分别选取直径为5mm、10mm、20mm的不同光阑孔，测波长为577卩m光照下的I - U 特性（重点测不同光强下的饱和电流）。4.2作出不同光强下的I U特性曲线。【注意事项】1.微电流测定仪和汞灯预热时间必须长于20min。实验中不能关闭汞灯。如果关闭, 必须经5min后才可重新启动，且须重新预热。2光电管应避免光线长时间照射，使用完毕，必须遮盖住暗盒窗口。 【思考题】1为什么反向电压加到一定数值后，光电流会出现负值？ 2入射光的强度对光电流的大小有无影响？3试用光量子理论解释光电效应的实验规律。