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1、光电效应实验报告:付剑飞；学号：摘 要1887年，赫兹在研究电磁辐射时意外发现，光照射金属外表时，在一定条件下，有 电子从金属的外表溢出，这种现象被称作光电效应，多溢出的电子称为光电子。由此光电子 的定向运动形成的电流称为光电流。1905年爱因斯坦用光量子理论圆满解释了光电效应得 出爱因斯坦光电效应方程并由此获得诺贝尔奖，可见光电效应的重要性。本次实验便是这这 样的理论基础上开展的测量有关光电管的U-I曲线和截止频率等的工作。关键词 光电子；截止频率；光电流；普朗克常数；截止电压；爱因斯坦方程引言光电效应和光量子理论在物理学的发展史上具有划时代的意义，量子论是近 代物理的理论基础之一。而光电效
2、应则可以给量子论以直观鲜明的物理图像。本 实验利用“减速电势法”测量光电子的动能，从而验证爱因斯坦方程，并测得普 朗克常数。通过实验有助于理解量子理论。【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。【仪器用具】ZKY-GD-3普朗克常数测试仪。本仪器主要由光源，滤色片5片和光阑3片，直径分别是2mm,4mm,8mm， 光电管，微电流测量仪四部分组成。【实验原理】一、光电效应与爱因斯坦方程用合适频率的光照射在某些金属外表上时，会有电子从金属外表逸出，这种 现象叫做光电效应，从金属外表逸出的电子叫光电子。
3、为了解释光电效应现象， 爱因斯坦提出了“光量子”的概念，认为对于频率为F的光波，每个光子的能量 为E = hy式中，曲为普朗克常数，它的公认值是曲=6.626汇八百。按照爱因斯坦的理论，光电效应的实质是当光子和电子相碰撞时，光子把全部能量传递给电子，电子所获得的能量，一部分用来克服金属外表对它的约束， 其余的能量则成为该光电子逸出金属外表后的动能。爱因斯坦提出了著名的光电 方程：1 .hy - mv + 莊式中，丫为入射光的频率，m为电子的质量，v为光电子逸出金属外表的初1mv2速度，甲为被光线照射的金属材料的逸出功，2为从金属逸出的光电子的最大初动能。由1式可见，入射到金属外表的光频率越高，
4、逸出的电子动能必然也越大, 所以即使阴极不加电压也会有光电子落入阳极而形成光电流，甚至阳极电位比阴 极电位低时也会有光电子落到阳极，直至阳极电位低于某一数值时，所有光电子 都不能到达阳极，光电流才为零。这个相对于阴极为负值的阳极电位U 0被称为 光电效应的截止电压。显然，有1 3gU 观V 二 0代入1式，即有hy = sUq -W3由上式可知，假设光电子能量伽W，贝怀能产生光电子。产生光电效应的WY 最低频率是 h，通常称为光电效应的截止频率。不同材料有不同的逸出功,因而丫 也不同。由于光的强弱决定于光量子的数量，所以光电流与入射光的强 度成正比。又因为一个电子只能吸收一个光子的能量，所以光
5、电子获得的能量与光强无关，只与光子丫的频率成正比，将3式改写为上式说明，截止电压U是入射光频率丫的线性函数，如图2,当入射光的频截止电压二，没有光电子逸出。图中的直线的斜率个正的常数:由此可见，只要用实验方法作出不同频率下的U0_Y曲线，并求出此曲线的 斜率，就可以通过式5求出普朗克常数h。其中l.eoxio-1是电子的电 量。0二、光电效应的伏安特性曲线以下图是利用光电管进行光电效应实验的原理图。频率为U、强度为尸的光 线照射到光电管阴极上，即有光电子从阴极逸出。如在阴极K和阳极A之间加正 向电压UAK，它使K、A之间建立起的电场对从光电管阴极逸出的光电子起加速 作用，随着电压UAK的增加，
6、到达阳极的光电子将逐渐增多。当正向电压增 加到血时，光电流到达最大，不再增加，此时即称为饱和状态，对应的光电流 即称为饱和光电流。1)1光电效应原理图由于光电子从阴极外表逸出时具有一定的初速度，所以当两极间电位差为零 时，仍有光电流I存在，假设在两极间施加一反向电压，光电流随之减少；当反 向电压到达截止电压时，光电流为零。爱因斯坦方程是在同种金属做阴极和阳极，且阳极很小的理想状态下导出的。 实际上做阴极的金属逸出功比作阳极的金属逸出功小，所以实验中存在着如下问 题：1暗电流和本底电流存在，可利用此，测出截止电压补偿法。2阳极电流。制作光电管阴极时，阳极上也会被溅射有阴极材料，所以光 入射到阳极
7、上或由阴极反射到阳极上，阳极上也有光电子发射，就形成阳极电流。 由于它们的存在，使得IU曲线较理论曲线下移，如以下图所示。【实验步骤】一、调整仪器(1) 连接仪器；接好电源，打开电源开关，充分预热不少于20分钟。(2 )在测量电路连接完毕后，没有给测量信号时，旋转“调零”旋钮调零。 每换一次量程，必须重新调零。(3)取下暗盒光窗口遮光罩，换上365.0nm滤光片，取下汞灯出光窗口的遮 光罩，装好遮光筒，调节好暗盒与汞灯距离。注意：汞灯一旦开启不要随意关闭。点亮的汞灯如熄灭需经3-5min冷却 后才能再次开启。二、测量内容(1) 测量光电管的暗电流和本底电流用遮光罩盖住光电管暗盒的光窗，将电压选
8、择按键开关置于-+ 2V档， 将“电流量程”选择开关置于10心A档。调零。从-2V至到+2V之间每变化0.2V 测量一组数据，记录电压及对应电流值。该电流为光电管的暗电流和本底电流。 作出暗电流的I-U特性曲线并给出结论。(2) 手动测量不同波长下的光电管的I-U特性A, 取下暗黑遮光罩，分别换上365.0nm、435.8nm的滤波片和2mm的光阑， 微电流测试仪调零，先粗略的增大电压看整体情况，选择合适的电流放大倍率。 电压调节选择-2+30V档，从低到高调节电压记录对应的电流值，做出I-U特 性曲线并求出截止电压。B, 用零电流发分别测出波长为365.0nm、404.7nm、435.8nm
9、、546.1nm、 557.0nm的截止电压，这时电压档选-2-+2V合适。注意：每测完一个波长数据都 需要再次调零。(3) 验证光电流与光强的关系A, 在同一波长同一距离的情况下，分别测光阑直径为2mm、4mm、8mm时的 I-U值。验证电流与光强的关系。由于时间关系，我们这只测了在线性区的组数 据。B, 在同一波长同一光阑的情况下,分别测距离为300mm、400mm时的I-U值。 验证电流与光强的关系。由于时间关系，我们这只测了在线性区的组数据。实验数据及处理一，原始数据记录如下表一 暗电流和本底电流I-U对应值表电压/V电流 /10e-130000电压/V电流 /10e-130表二 36
10、5.0nm滤色片，距离400mm,光阑直径2mm时的I-U对应值表电压/V电流 /10e -10电压/V电流 /10e -10电压/V电流 /10e -10电压/V电流 /10e -10表三 436.0nm滤色片，距离400mm，光阑直径2mm时的I-U对应值表电压/V电流 /10e-电压/V电流 /10e-电压/V电流 /10e-电压/V电流 /10e-电压/V电流 /10e-电压/V电流 /10e-电压/V电流 /10e-0表四 零电流发测截止电压波长-截止电压对应值表波长/nm频率/10el4HZUa/V表五 同一波长365.0nm同一距离400mm不同光阑直径I-U对应值表表六 同一波
11、长365.0nm同一光阑2mm不同距离I-U对应值表距离 电 流/10e-10 电压/V300mm18400mm二，实验数据处理如下:1，暗电流分析如图1 所示，它显示的是暗电流和本底电流随电压的变化，即不加光照的情况下， 仪器中的阴极K本身也会在常温下由于电子热运动的热电流和光电子等漏电形 势下产生漏电流，这种电流并不是我们所需要的。由图可以看出，暗电流很小， 在0.4*103A附近，通过excel可获得它的线性拟合曲线，y=0.1975x+0.1392。 其实，细细分析，这条曲线根本就没有多大意义，首先，暗电流是阴极K上的电子由于一些原因脱离到阳极A中，这样使得暗电流只能小于零，而我们这里
12、测得 的数据有大于零部分。第二，由于实验室条件限制，电流测微仪准确性不够，或 者说我们那台测量仪器本身就有很大的浮动，有时候光浮动都超过0.4*103A。 但是，从数据可以看出，暗电流对该实验产生的影响很小，至少对我们组这次的 实验，我们所要测得普朗克常量也可以允许有少量的误差。所以我们后面将不在 分析暗电流的影响。TT/Vn bAn an oU.Li111fl3_0 oiiJ-0. 4y 二 0.19x4-0.1392 暗电流ITJ曲线= 0. 3GLG亠.囂|萼1如图2、图3所示，综合这两图和上面暗电流的分析可知，由于暗电流很小，在 图上根本就很难分辨出有电流小于零的部分。分析两条曲线，它们的整体走向和 趋势都类似，都是递增，而且在中间部分有一大段类似线性的曲线，但注意图2 的电流量程要比图3的高一个数量级，所以总体上讲，在相同的条件下，短波长 的电流要大于长波长。由图2、图3可以看出，365.0nm时的截止电压Ua=-1.81V,436.0nm时截止电压 Ua=-1.0V.显然，波长短的截止电压更大，这也不难理解，波长越短能量越大， 光电子能量越高，所需要克服电场力做功越大，自然，所需电压越高。图23 6滤波片40 Omm距离,2mm光阑I-U曲线436nm滤波片400mm距离 2mm光阑ITJ曲线80VIIUOIU/V3, 根据不同波长的截止电
