光电效应测普朗克常量讲解

《光电效应测普朗克常量讲解》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光电效应测普朗克常量讲解（14页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、什么叫光电效应？1）概述在光的照射下，使物体中的电子脱出的现象叫做光电效应。说明 光电效应的实验规律。a. 阴极（发射光电子的金属材料）发射的光电子数和照射发光强度成正比。b. 光电子脱出物体时的初速度和照射光的频率有关而和发光强度无关。这就是 说，光电子的初动能只和照射光的频率有关而和发光强度无关。c. 仅当照射物体的光频率不小于某个确定值时，物体才能发出光电子，这个频 率蛳叫做极限频率（或叫做截止频率），相应的波长入。叫做红限波长。不同物质 的极限频率”和相应的红限波长入。是不同的。d. 从实验知道，产生光电流的过程非常快，一般不超过10-9秒；停止用光照射, 光电流也就立即停止。这表明，

2、光电效应是瞬时的。 解释光电效应的爱因斯坦方程:根据爱因斯坦的理论，当光子照射到物体上时， 它的能量可以被物体中的某个电子全部吸收。电子吸收光子的能量hu后，能量 增加，不需要积累能量的过程。如果电子吸收的能量hu足够大，能够克服脱离 原子所需要的能量（即电离能量）1和脱离物体表面时的逸出功（或叫做功函 数）W，那末电子就可以离开物体表面脱逸出来，成为光电子，这就是光电效应。 爱因斯坦方程是hu =（1/2）mv2+I+W式中（1/2）mv2是脱出物体的光电子的初动能。金属内部有大量的自由电子，这是金属的特征，因而对于金属来说，I项可以略 去，爱因斯坦方程成为hu =（1/2）mv2+W假如h

3、u W,电子就不能脱出金属的表面。对于一定的金属，产生光电效应的最 小光频率（极限频率）U 0。由hu 0=W确定。相应的红限波长为入0=C/u 0二hc/W。发光强度增加使照射到物体上的光子的数量增加，因而发射的光电子数和照射光 的强度成正比。 利用光电效应可制造光电倍增管。光电倍增管能将一次次闪光转换成一个个放 大了的电脉冲，然后送到电子线路去，记录下来。什么叫内光电效应？内光电效应是光电效应的一种，主要由于光量子作用，引发物质电化学性质变化 （比如电阻率改变，这是与外光电效应的区别，外光电效应则是逸出电子）。内 光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应。半导体的内光电效应半导体材料的价带

4、与导带间有一个带隙,其能量间隔为Eg。一般情况下，价带 中的电子不会自发地跃迁到导带,所以半导体材料的导电性远不如导体。但如果 通过某种方式给价带中的电子提供能量,就可以将其激发到导带中，形成载流子， 增加导电性。光照就是一种激励方式。当入射光的能量hv三Eg （Eg为带隙间隔） 时,价带中的电子就会吸收光子的能量,跃迁到导带,而在价带中留下一个空穴， 形成一对可以导电的电子一一空穴对。这里的电子并未逸出形成光电子,但显然 存在着由于光照而产生的电效应。因此，这种光电效应就是一种内光电效应。从 理论和实验结果分析，要使价带中的电子跃迁到导带,也存在一个入射光的极限 能量，即E入二hv 0=Eg

5、,其中v 0是低频限（即极限频率V 0二Egh）。这个关系也可以 用长波限表示，即入0二hcEg。入射光的频率大于V 0或波长小于入0时，才会发生电 子的带间跃迁。什么是外光电效应：当光照射某种物质时，若入射的光子能量 足够大，它和物 质中的电子相互作用，致使电子逸出物质表面，这就是外光电效应，逸出物质表 面的电子叫做光电子。普朗克常数h的重要性：普朗克最大贡献是在1900年提出了光量子假说。光量子假说的主要内容：1900年，德国物理学家普朗克在研究物体热辐射 的规律时发现，只有认为电磁波的吸收和发射不是连续的，而是一份一份地进行 的，理论计算结果才能跟实验事实相符，这样的一份能量叫做能量子，

6、普朗克还 认为每一份能量等于HV,其中V是辐射电磁波的频率，H是一个普朗克常量 =6.63*10的-34次方焦秒，受他的启发，爱因斯坦于1905年提出，在空间传播 的光也不是连续的，而是一份一份的，每一份叫一个光量子，简称光子，光子的 能量E跟跟光的频率V成正比，即E=HV。这个学说以后就叫光量子假说。光子说还认为每一个光子的能量只决定于光子的频率，例如蓝光的频率比红 光高，所以蓝光的光子的能量比红光子的能量大，同样颜色的光，强弱的不同则 反映了单位时间内射到单位面积的光子数的多少。普朗克常数普朗克演讲的内容是关于物体热辐射的规律，即关于一定温度的物体发出的 热辐射在不同频率上的能量分布规律。

7、普朗克对于这一问题的研究已有6个年 头了，今天他将公布自己关于热辐射规律的最新研究结果。普朗克首先报告了他 在两个月前发现的辐射定律，这一定律与最新的实验结果精确符合（后来人们称 此定律为普朗克定律）。然后，普朗克指出，为了推导出这一定律，必须假设在 光波的发射和吸收过程中，物体的能量变化是不连续的，或者说，物体通过分立 的跳跃非连续地改变它们的能量，能量值只能取某个最小能量元的整数倍。为此， 普朗克还引入了一个新的自然常数h = 6.63 X 10-27 ergs。这一假设后来被 称为能量量子化假设，其中最小能量元被称为能量量子，而常数h被称为普朗 克常数。于是，在一次普通的物理学会议上，在

8、与会者们的不经意间，普朗克首次指 出了热辐射过程中能量变化的非连续性。今天我们知道，普朗克所提出的能量量 子化假设是一个划时代的发现，能量子的存在打破了一切自然过程都是连续的经 典定论，第一次向人们揭示了自然的非连续本性。普朗克的发现使神秘的量子从 此出现在人们的面前，它让物理学家们即兴奋，又烦恼，直到今天。物体通过分立的跳跃非连续地改变它们的能量呢，但是，怎么会这样呢？物 体能量的变化怎么会是非连续的呢？根据我们熟悉的经典理论，任何过程的能量 变化都是连续的，而且光从光源中也是连续地、不间断地发射出来的。没有人愿意接受一个解释不通的假设，尤其是严肃的科学家。因此，即使 普朗克为了说明物体热辐

9、射的规律被迫假设能量量子的存在，但他内心却无法容 忍这样一个近乎荒谬的假设。他需要理解它！就象人们理解牛顿力学那样。于是， 在能量量子化假设提出之后的十余年里，普朗克本人一直试图利用经典的连续概 念来解释辐射能量的不连续性，但最终归于失败。1931年，普朗克在给好友伍 德（W订lias Wood）的信中真实地回顾了他发现量子的不情愿历程，他写道，“简 单地说，我可以把这整个的步骤描述成一种孤注一掷的行动，因为我在天性上是 平和的、反对可疑的冒险的，然而我已经和辐射与物质之间的平衡问题斗争了六 年（从1894年开始）而没有得到任何成功的结果。我明白，这个问题在物理学 中是有根本重要性的，而且我也

10、知道了描述正常谱（即黑体辐射谱）中的能量分 布的公式，因此就必须不惜任何代价来找出它的一种理论诠释，不管那代价有多 高。” 通俗地说普朗克常数是联系能量和频率的一个常数。大家都知道光有能量， 但如何表示光的能量呢？光具有波粒二象性，对于一个光子E=hv E-能量v 光的频率（每种光的频率不同的）h普朗克常数普朗克常数是量子力学里的一个基本常数，在量子力学的基本假设中它出现在量 子化规则q,p=ih/2pi和薛定谔方程中。它首先是普朗克先引入的，后来人们 研究与微观现象相关的问题的时候，多次通过多种方式都得到了这么一个常数,， 最终出现在量子力学的假设中，是一个基本的常数。普朗克常数并不是能量的

11、 最小单位。对于光子来说，普朗克常数乘以频率才是能量，能量是一份一份的是 说比如一束频率为v的光，是由许多频率为v能量为hv的光子组成，而这里的 频率可以是很小的，低频光子的能量是很低的。而且从量刚上来看，普朗克常数 的量刚是作用量的量刚，不是能量的量刚，所以它不是能量的最小单位。普朗克常数的测量方法1利用黑体辐射。这是普朗克提出量子概念的根基。他假设能量是量子化的，而 且这个量子数必须是6.6260693（11） X10 （-34） Js，才能很自然的得到与实 验符合很好的黑体辐射公式，就这样引入了普朗克常量。2.量子霍尔效应法。3.光电效应测量普朗克常数3.1实验原理（1）光电效应光电效应

12、【5】是当光照射到金属上时，有电子从金 属中逸出。图3光电效应测普朗克常数原理图（2）实验原理【6】实验原理如 图3所示，根据爱因斯坦提出的光量子理论假设，每一粒子的能量为E = hv， h为普朗克常数，v为电磁波的频率。当光照射到金属表面上时，金属中的一个 电子或者吸收一个光子或者根本不吸收。按照能量守恒原理，爱因斯坦提出了着 名的光电效应方程：hv = mv02+W0 （6）式中，WO为金属的逸出功，mv02为光 电子获得的初始功能。实验中，A和K间加的是反向电压，它对光电子运动起到 减速作用。随着UAK的增加，到达阳极的光电子数减少，即直至光电流减小为零， 则此时电压为遏止电压，则有：e

13、U0= mv02 （7）光子的能量hv 0 W0时，（6） 式方程无解，即不能产生光电效应。所以产生光电效应的极限频率是将（7）式 代入（6）式可得：eUO = h WO （8）即U0二WO （9）对于一定的金属W0是定 值，则（9）式可看成是电压U0的一次线性函数，其斜率0，因此只要测出不 同频率 对应的U0,就可求出k从而求得普朗克常数ho3.2. 测量截止电压U0的三种方法【7】（1）拐点法因为光电管的阳极反向电流、 暗电流、本底电流以及极间接触电位差的影响，实际测到的电流不是阴极电流， 所以实际测量电流1=0时，对应的UAK不是实际遏止电压，而遏止电压点应为反 向光电流刚开始变小时对应

14、的那一点，即图4中U0点。由图4测量光电管的完 整的伏安特性曲线。数据从短波开始逐次更换滤色片（不能改变光源和光电管暗 盒之间的相对位置）。读出并记录不同频率入射光照射下的光电流随电压的变化 数据。实验用ZKY-GD-3光电效应实验仪测量。利用Advanced grapher软件根据 实验记录的数据绘制曲线如图5。从图5的实验数据曲线确定U0值。表1入射 光的波长入、频率V与对应的截止电压U0的实验数据利用一元线性最小二乘法 处理数据,可求出线性函数斜率b1的最佳值。图4光电管的伏安特性曲线 图5 实验曲线图 通过计算，求得 b1=4.17X10-15h1=eb1=1.60X10-19X4.1

15、7X10-15=6.68 X 10-34（JS）与公认值的相对误差为（公认值h0=6.626 X 10-34JS）E1 =0.81%（2）补偿法补偿法是首先调节UAK使电流I为零后，保持UAK不变，遮挡汞灯光 源，此时测得的电流I1为电压接近遏止电压时的暗电流和本底电流。记录数据I 1,重新让汞灯照射光电管，调节电压UAK使电流值至I1,将此时对应的电压UAK 的绝对值作为遏止电压U0,并记录数据。这是通过补偿暗电流和本底电流对测量 结果的影响，来测量出准确的截止电压U0。表2电流I1与截止电压U0的实验 数据 同样利用一元线性最小二乘法处理表2。通过计算得h2=7.03X 10-34（JS）

16、 E2= = =6.1%（3）零电流法零电流法是要求阳极反向电流、暗电流和本底电流都很小，这样测 得的遏止电压与真实值相差很小，各谱线的遏止电压与真实值相差很小，且各谱 线的遏止电压都相差 U。这样就可以直接将各谱线在照射下测得的电流为零时 对应的电压UAK的绝对值作为遏止电压U0,且对U0v曲线斜率的影响不大，因 此对h的测量也不会有大的影响。表3各波长对应I为零时的电压UAK同样利 用一元线性最小二乘法处理表3。通过计算得出h3=7.51X 10-34(JS)E3= 13.3%4.3黑体辐射测量普朗克常数3.3. 实验原理根据普朗克定律，受热表面辐射的能量是量子化的，每一个能量 子一光子具有的能量为： = 3(10)式中3是光子的角频率，=。由普朗克公 式给出黑体辐射强度的频率分布：B(3、T)= (11)式中N是常数,T是辐射 体的绝对温度,KB