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1、光电效应测定普朗克常数(FB80型光电效朗克常定仪实验讲义杭州精科仪器有限公司光电效应测定普朗克常数当光照射在物体上时，光的能量只有部分以热的形式被物体所吸收，而另一部分则 转换为物体中某些电子的能量，使这些电子逸出物体表面，这种现象称为光电效应。在 光电效应这一现象中，光显示出它的粒子性，所以深入观察光电效应现象，对认识光的 本性具有极其重要的意义。普朗克常数h是1900年普朗克为了解决黑体辐射能量分布时 提出的“能量子”假设中的一个普适常数，是基本作用量子，也是粗略地判断一个物理 体系是否需要用量子力学来描述的依据。1905年爱因斯坦为了解释光电效应现象，提出了“光量子”假设，即频率为v的
2、光 子其能量为hv。当电子吸收了光子能量hv之后，一部分消耗与电子的逸出功W， 另一部分转换为电子的动能2m v2,即m v2 = h v - W（1）2上式称为爱因斯坦光电效应方程。 1916年密立根首次用油滴实验证实了爱因斯坦光电效 应方程，并在当时的条件下，较为精确地测得普朗克常数为：h二6.57 x 10-34焦尔秒, 其不确定度大约为 0.5%。这一数据与现在的公认值比较，相对误差也只有 0.9 % 。为 此， 1923年密立根因这项工作而荣获诺贝尔物理学奖。目前利用光电效应制成的光电器件和光电管、光电池、光电倍增管等已成为生产和 科研中不可缺少的重要器件。【实验目的】1. 了解光电
3、效应的基本规律，验证爱因斯坦光电效应方程。光电效应实鲨示意團2掌握用光电效应法测定普朗克常数h。 【实验原理】光电效应的实验示意图如图 1 所示，图中GD是光电管，K是光电管阴极，A为光电管 阳极，G为微电流计，V为电压表，E为电 源，R为滑线变阻器，调节R可以得到实验所 需要的加速电位差U 。光电管的A、K之间AK可获得从-U到0再到+ U连续变化的电压。实验时用的单色光是从低压汞灯光谱中用干涉滤 色片过滤得到，其波长分别为：365nm, 405nm, 436nm, 546nm, 577nm 。无光照阴极时，由于阳极和阴极是断路的，所以G中无电流通过。用光照射阴极时，由 于阴极释放出电子而形
4、成阴极光电流（简称阴极电流）。加速电位差U 越大，阴极电AK流越大，当U 增加到一定数值后，阴极电流不再增大而达到某一饱和值I , I的大AKH H小和照射光的强度成正比（如图2所示）。加速电位差U 变为负值时，阴极电流会迅AK速减少，当加速电位差U 负到一定数值时，阴极电流变为“0 ”，与此对应的电位差称 AK为遏止电位差。这一电位差用Ua来表示。|Ua I的大小与光的强度无关，而是随着照射 光的频率的增大而增大（如图3所示）。1. 饱和电流的大小与光的强度成正比。2. 光电子从阴极逸出时具有初动能，其最大值等于它反抗电场力所做的功，即：1 mv e Umv2 = e x U2 a因为U X
5、V，所示初动能大小与光的强度无关，只是随着频率的增大而增大。aXV的关系可用爱因斯坦方程表示如下：2）U hWU = v -a ee实验时用不同频率的单色光C , V , V , V ,）照射阴极，测出相对应的遏止电 1234位差MJ , U , U , U ,丿，然后画出U V图，由此图的斜率即可以求出h。a1 a 2a3a 4a如果光子的能量hv W时，无论用多强的光照射，都不可能逸出光电子。与此相对应的光的频率则称为阴极的红限，且用v （v W/h）来表示。实验时可以从U V图的0 0a截距求得阴极的红限和逸出功。本实验的关键是正确确定遏止电位差，画出U V图。 a至于在实际测量中如何正
6、确地确定遏止电位差，还必需根据所使用的光电管来决定。下 面就专门对如何确定遏止电位差的问题作简要的分析与讨论。遏止电位差的确定：如果使用的光电管对可见光都比较灵敏，而暗电流也很小。由 于阳极包围着阴极，即使加速电位差为负值时，阴极发射的光电子仍能大部分射到阳 极。而阳极材料的逸出功又很高，可见光照射时是不会发射光电子的，其电流特性曲线 如图 4 所示。图中电流为零时的电位就是遏止电位差 U 。 然而，由于光电管在制造 a过程中，工艺上很难保证阳极不被阴极材料所污染（这里污染的含义是：阴极表面的低 逸出功材料溅射到阳极上），而且这种污染还会在光电管的使用过程中日趋加重。被污染后的阳极逸出功降低，
7、当从阴极反射过来的散射光照到它时，便会发射出光电子而形 成阳极光电流。实验中测得的电流特性曲线，是阳极光电流和阴极光电流迭加的结果，如图 5的实线所示。由图5可见，由于阳极的污染，实验时出现了反向电流。特性曲线与横轴交点的电流虽然等于“0”，但阴极光电流并不等于“0”，交点的电位差U也不 a 等于遏止电位差 U 。两者之差由阴极电流上升的快慢和阳极电流的大小所决定。如果 a阴极电流上升越快，阳极电流越小，U与U之差也越小。从实际测量的电流曲线上 aa看，正向电流上升越快，反向电流越小，则U与U之差也越小。aa 由图5我们可以看到，由于电极结构等种种原因，实际上阳极电流往往饱和缓慢，在加速电位差
8、负到 U 时，阳极电流仍未达到饱和，所以反向电流刚开始饱和的拐点电位 a图5光电管老化后的电菽特性曲线差U也不等于遏止电位差U。两者之差视阳极电流的饱和快慢而异。阳极电流饱和得 aa越快，两者之差越小。若在负电压增至 U 之前阳极电流已经饱和，则拐点电位差就是遏a止电位差U。总而言之，对于不同的光电管应该根据其电流特性曲线的不同采用不同的 a方法来确定其遏止电位差。假如光电流特性的正向电流上升得很快，反向电流很小，则 可以用光电流特性曲线与暗电流特性曲线交点的电位差 U近似地当作遏止电位差U aa （交点法）。若反向特性曲线的反向电流虽然较大，但其饱和速度很快，则可用反向电 流开始饱和时的拐点
9、电位差U当作遏止电位差U （拐点法）。aa【实验仪器】FB807型光电效应（普朗克常数）测定仪。1、实验仪器构成：FB807型光电效应（普朗克常数）测定仪由光电检测装置和测定仪 主机两部分组成。光电检测装置包括：光电管暗箱、汞灯灯箱、汞灯电源箱和导轨等。2、实验主机为FB807型光电效应（普朗克常数）测定仪，该测定试仪是主要包含微电 流放大器和直流电压发生器两大部份组成的整体仪器。3、光电管暗箱：安装有滤色片，光阑（可调节）、档光罩、光电管。4、汞灯灯箱：安装有汞灯管、档光罩。5、汞灯电源箱：箱内安装镇流器，提供点亮汞灯的电源。6、实验仪器的组成见图623910程XH1*| V4电FB8d7型
10、光电效应（普朗克欝数）测定仪天； 大甘 肠at实脸中心 硏制 枕州站号仪星有喂公甸*|追图中1电流量程调节旋钮及其量程指示3光电管工作电压指示表；5 光电管工作电压调节（粗调）；图62光电管输出微电流指示表；4微电流指示表调零旋钮；6 光电管工作电压调节（细调）7 光电管工作电压转换按钮：按钮释放测量截止电位，按钮按下测量伏安特性8光电管暗箱；9滤色片，光阑（可调节）总成；10档光罩；11汞灯电源箱；12汞灯灯箱。【实验内容】1、测试前准备：仪器连接：将FB807测试仪及汞灯电源接通（光电管暗箱调节到遮光位置），预热 20分钟。调整光电管与汞灯距离约为40cm并保持不变。用专用连接线将光电管暗
11、箱电 压输入端与FB807测试仪后面板上电压输出连接起来（红对红，黑对黑）。将“电流量 程”选择开关置于合适档位:测量截止电位调到10T3A，做伏安特性调到10-ioA （或 10-nA）。测定仪在开机或改变电流量程后，都需要进行调零。调零时应将光电管暗箱 电流输出端K与测试仪微电流输入端（后面板上）断开，旋转“调零”旋钮使电流指示 为000.0。调节好后，用Q9插头高频匹配电缆将信号电流输入与光电管暗盒上信号电 流输出端连接起来。2、用FB807实验仪测定截止电压、伏安特性：由于本实验仪器的电流放大器灵敏度高，稳定性好，光电管阳极反向电流，暗电流水平也较低，在测量各谱线的截止电压U时，可采用
12、零电流法（即交点法），即直接将a各谱线照射下测得的电流为零时对应的电压u 的绝对值作为截止电压u。此法的前AKa提是阳极反向电流、暗电流和本底电流都很小，用零电流法测得的截止电压与真实值相差较小。且各谱线的截止电压都相差AU对U v曲线的斜率无大的影响，因此对h的 a测量不会产生大的影响。 测量截止电压：工作电压转换按钮于释放状态，电压调节范围是：-2V+2V，“电流量程”开 关应置于x 10-13A档。在不接输入信号的状态下对微电流测量装置调零。操作方法是： 将暗盒前面的转盘用手轻轻拉出约3mm左右，即脱离定位销，把4mm的光阑标志对准 上面的白点，使定位销复位。再把装滤色片的转盘放在挡光位
13、，即指示“0 ”对准上面 的白点，在此状态下测量光电管的暗电流。然后把365nm的滤色片转到窗口（通光口）， 此时把电压表显示的U 值调节为-1.999V ；打开汞灯遮光盖，电流表显示对应的电流AK值I应为负值。用电压粗调和细调旋钮，逐步升高工作电压（即使负电压绝对值减小）， 当电压到达某一数值，光电管输出电流为零时，记录对应的工作电压U ，该电压即为AK365nm单色光的遏止电位。然后按顺序依次换上405nm, 436nm, 546nm, 577nm的 滤色片，重复以上测量步骤。一一记录U 值。AK（ 2 ）测光电管的伏安特性曲线：此时，将工作电压转换按钮按下，电压调节范围转变为：-2V +
14、30V，“电流量 程”开关应转换至x 10-10A档，并重新调零。其余操作步骤与“测量截止电压”类同， 不过此时要把每一个工作电压和对应的电流值加以记录，以便画出饱和伏安特性曲线， 并对该特性进行研究分析。 观察在同一光阑、同一距离条件下5条伏安特性曲线。记录所测U 及I的数据到表2中，在座标纸上作对应于以上波长及光强的伏安特性曲AK线。 观察同一距离、不同光阑（不同光通量）、某条谱线在的饱和伏安特性曲线。测量并记录对同一谱线、同一入射距离，而光阑分别为2mm, 4mm, 8mm时对应的电 流值于表3中，验证光电管的饱和光电流与入射光强成正比。 观察同一光阑下、不同距离（不同光强）、某条谱线在
15、的饱和伏安特性曲线。在30V时，测量并记录对同一谱线、同一光阑时，光电管与入射光在不同距 AK离，如300mm, 350mm, 400mm等对应的电流值于表4中，同样可以验证光电管的饱 和电流与入射光强成正比。【数据处理】由表1的实验数据，画出Uv图，求出直线的斜率K，即可用h = e K求出普 a朗克常数h，把它与公认值h比较，求出实验结果的相对误差E二（h -h ）/h，式中0 0 0e = 1.602x 10-19C，h 二 6.626 x 10-34J s0表1 U v关系a波长X (nm)(1 365a405436546577频率v x 1014 Hz丿8.2147.4086.8795.4905.196截止电压U .（V）ai表2 IUAK关系U(V)/ AK、I(x 10-10 A 丿
