光电效应测普朗克常数实验报告.docx

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光电效应测普朗克常数实验报告

普朗克常量测定

【摘要】

本文介绍了大学物理试验中常见光电效应测普朗克常量试验基础原理及试验操作过程,验证了爱因斯坦光电效应方程并正确测量了普朗克常量,经过对试验得出数据仔细分析比较,探讨了误差现象及其产生原因,依据试验过程中得到体会和思索,提出了部分改善试验仪器和条件设想。

【关键字】

爱因斯坦光电方程;光电流;普朗克常量

【引言】

在文艺复兴和工业革命后,物理学得到了迅猛发展,在实际应用中也发挥了巨大作用。

此刻大家感觉物理学大厦已经建成,剩下只是部分补充。

直到19世纪末,物理学领域出现了四大危机:

光电效应、固体比热、黑体辐射、原子光谱,其试验现象用经典物理学理论难以解释,尤其对光电效应现象解释与理论大相径庭。

光电效应最初是赫兹在1886年12月进行电磁波试验研究中偶然发觉,即使是偶然发觉,但她立刻意识到它关键性,所以在以后多个月中她临时放下了手头研究,对这一现象进行了专门研究。

即使赫兹没能给出光电效应以合了解释,但赫兹论文发表后,光电效应成了19世纪末物理学中一个非常活跃研究课题。

勒纳是赫兹学生和助手,很早就对光电效应产生了爱好。

19她发表论文介绍了她研究结果,勒纳得出,发射电子数正比于入射光所带能量,电子速度和动能与发射电子数目完全无关,而只与波长相关,波长降低动能增加,每种金属对应一特定频率,当入射光小于这一频率时,不发生光电效应。

即使勒纳对光电效应规律认识很清楚,但其解释却是错误。

19,爱伊斯坦在普朗克能量子启发下,提出了光量子概念,并成功解释了光电效应。

接着,密立根对光电效应进行了左右研究,与19发表论文正是了爱因斯坦正确性,并正确测出了普朗克常量。

从而为量子物理学诞生奠定了坚实理论和试验基础,爱因斯坦和密立根都因为光电效应方面杰出贡献,分别于1921年和1923年取得了诺贝尔物理学奖。

对光电效应研究,使大家深入认识到光波粒二象性本质,促进了光电

子理论简历和近代物理学发展。

利用光电效应制成电器件如光电管、光电池、光电倍增管等,已成为生产和科研中不可或缺传感和换能器。

光电探测器和光电测量仪应用也越来越广泛。

另外,利用光电效应还能够制部分光控继电器,用于自动控制、自动设计数、自动报警、自动跟踪等。

【试验目】

1、经过试验深刻了解爱因斯坦光电效应理论,了解光电效应基础规律;

2、掌握用光电管进行光电效应研究方法;

3、学习对光电管伏安特征曲线处理方法,并用以测定普朗克常数h。

【仪器用具】

普朗克常量测定仪一套,包含:

工作台、磁性底座、光电管、光源、滤色片或单色仪、微电流放大器等。

【试验原理】

1、光电效应与爱因斯坦方程

用适宜频率光照射在一些金属表面上时,会有电子从金属表面逸出,这种现象叫做光电效应,从金属表面逸出电子叫光电子。

为了解释光电效应现象,爱因斯坦提出了“光量子”概念,认为对于频率为光波,每个光子能量为

式中,为普朗克常数,它公认值是=6.626。

根据爱因斯坦理论,光电效应实质是当光子和电子相碰撞时,光子把全部能量传输给电子,电子所取得能量,一部分用来克服金属表面对它约束,其它能量则成为该光电子逸出金属表面后动能。

爱因斯坦提出了著名光电方程:

（1）

式中,为入射光频率,为电子质量,为光电子逸出金属表面初速度,为被光线照射金属材料逸出功,为从金属逸出光电子最大初动能。

由

（1）式可见,入射到金属表面光频率越高,逸出电子动能肯定也越大,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,全部光电子都不能抵达阳极,光电流才为零。

这个相对于阴极为负值阳极电位被称为光电效应截止电压。

  显然,有

（2）

代入

（1）式,即有

                      （3）

由上式可知,若光电子能量,则不能产生光电子。

产生光电效应最低频率是,通常称为光电效应截止频率。

不一样材料有不一样逸出功,所以也不一样。

因为光强弱决定于光量子数量,所以光电流与入射光强度成正比。

又因为一个电子只能吸收一个光子能量,所以光电子取得能量与光强无关,只与光子频率成正比,,将（3）式改写为

                 （4）

上式表明,截止电压是入射光频率线性函数,如图2,当入射光频率时,截止电压,没有光电子逸出。

图中直线斜率是一个正常数:

                          （5）

由此可见,只要用试验方法作出不一样频率下曲线,并求出此曲线斜率,就能够经过式（5）求出普朗克常数。

其中是电子电量。

U0-v直线

2、光电效应伏安特征曲线

下图是利用光电管进行光电效应试验原理图。

频率为、强度为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,它使K、A之间建立起电场对从光电管阴极逸出光电子起加速作用,伴随电压增加,抵达阳极光电子将逐步增多。

当正向电压增加到时,光电流达成最大,不再增加,此时即称为饱和状态,对应光电流即称为饱和光电流。

光电效应原理图

因为光电子从阴极表面逸出时含有一定初速度,所以当两极间电位差为零时,仍有光电流I存在,若在两极间施加一反向电压,光电流随之降低;当反向电压达成截止电压时,光电流为零。

爱因斯坦方程是在同种金属做阴极和阳极,且阳极很小理想状态下导出。

实际上做阴极金属逸出功比作阳极金属逸出功小,所以试验中存在着以下问题:

（1）暗电流和本底电流存在,可利用此,测出截止电压（赔偿法）。

（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。

因为它们存在,使得I～U曲线较理论曲线下移,以下图所表示。

伏安特征曲线

【试验步骤】

 1、调整仪器

（1）连接仪器;接好电源,打开电源开关,充足预热（不少于20分钟）。

（2）在测量电路连接完成后,没有给测量信号时,旋转“调零”旋钮调零。

每换一次量程,必需重新调零。

 （3）取下暗盒光窗口遮光罩,换上365.0nm滤光片,取下汞灯出光窗口遮光罩,装好遮光筒,调整好暗盒与汞灯距离。

2、测定光电管暗电流

合适选择电压和电流量程,在无光照条件下,测出不一样电压下对应暗电流值。

3、测量光电管伏安特征曲线

（1）取下暗盒盖,让光电管对准单色仪出射狭缝,按螺旋测微头显示波长（nm）在可见光范围内选择一个波长输出,依据微安表指示,找到峰值,并设置合适倍率按键。

（2）选择合适电压和电流量程,从-1.50V起测出不一样电压下光电流,相继选择波长为365nm,385nm,400,500nm,600nm,650nm单色光反复测量。

（3）选择适宜坐标,分别作出两种光阑下光电管伏安特征曲线U～I。

【试验统计与处理】

365nm

U/V

-2.50

-2.00

-1.60

-1.40

-1.38

-1.36

-1.34

-1.32

-1.30

I/µA

-22.0

-20.2

-18.6

-14.4

-13.8

-13.0

-11.9

-10.2

-8.9

U/V

-1.28

-1.26

-1.24

-1.20

-0.90

-0.60

-0.30

0

0.30

I/µA

-7.9

-6.0

-4.2

-0.3

55.4

122

202

280

342

385nm

U/V

-3.00

-2.80

-2.60

-2.40

-2.30

-2.20

-2.10

-2.00

-1.90

I/µA

-39.0

-38.4

-38.0

-37.8

-37.2

-36.8

-36.4

-35.9

-35.4

U/V

-1.80

-1.70

-1.60

-1.50

-1.40

-1.10

-0.80

-0.50

-0.2

I/µA

-34.6

-34.2

-33.8

-32.2

-30.4

-5.8

80

219

360

400nm

U/V

-3.00

-2.80

-2.60

-2.40

-2.30

-2.00

-1.80

-1.58

-1.38

I/µA

-54.2

-54.0

-53.8

-52.2

-52.0

-50.0

-48.2

-46.2

-44.2

U/V

-1.26

-1.16

-1.08

-1.00

-0.8

-0.52

-0.32

0.15

I/µA

-40.4

-34.0

-22.8

-4.8

84.4

258

418

698

500nm

U/V

-2.56

-2.17

-1.73

-1.51

-1.21

-0.93

-0.75

-0.66

-0.58

I/µA

-78.0

-76.2

-73.0

-70.2

-66.8

-60.8

-53.0

-39.9

-10.2

U/V

-0.32

-0.13

0

0.12

0.21

0.69

I/µA

222

468

650

822

928

1020

600nm

U/V

-3.91

-2.51

-1.71

-0.86

-0.69

-0.51

-0.39

-0.34

-0.15

I/µA

-12.0

-11.6

-10.2

-8.5

-8.2

-6.6

-4.0

-1.4

34.0

U/V

-0.03

0.22

0.57

I/µA

80.0

140

162

650nm

U/V

-2.63

-2.51

-2.24

-1.93

-1.79

-1.61

-1.51

-1.41

-1.29

I/µA

-45.0

-44.2

-43.9

-40.8

-39.0

-31.2

-26.2

-18.2

-5.9

U/V

-0.93

-0.62

0.19

0.91

1.75

2.28

I/µA

43.0

100

439

662

722

742

选择“抬头点”,用直线模拟以下图:

经过拟累计算得到直线:

Y=2. −3.117×10x

即斜率==3.117×10

所以,h’=6.391×10

经查阅,h=6.626076×10

【试验分析讨论】

本试验中应用不一样方法都测出了普朗克常数,但都有一定试验误差,据分析误差产生原因是:

1、暗电流影响,暗电流是光电管没有受到光照射时,也会产生电流,它是因为热电子发射、和光电管管壳漏电等原因造成;

2、本底电流影响,本底电流是因为室内多种漫反射光线射入光电管所致,它们均使光电流不可能降为零且随电压改变而改变。