近代物理实验四光电效应测普朗克常数Word下载.docx

近代物理实验四光电效应测普朗克常数Word下载.docx

《近代物理实验四光电效应测普朗克常数Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《近代物理实验四光电效应测普朗克常数Word下载.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

m:

电子的质量

u:

光电子逸出金属表面时的初速度

ws为受光线照射的金属材料的逸出功,即电子脱离金属束缚消耗的能量，从爱因斯坦方程显然看出,光子的能量

部分转化为电子脱离金属束缚所消耗的逸出功,另一

部分为电子的运动动能,当不受其他空间电荷阻止

时,此动能为最大动能。

入射到金属表面的光频率

越高，逸出来的电子最大动能也越大，如图1：

e:

截止电压：

由于光电子具有最大的

动能，即使阳极不加电压也会有光电子落入而形

成电流。

甚至阳极相对于阴极的电位低时也会有

光电子落到阳极，直到阳极电位低于某一数值时，此时的反向电场能完全阻止光电子到达阳极；

当当所有光电子都不能到达阳极，光电流为零，此时相对于阴极为负的阳极电压称为光电效应的截

止电压；

此时显然有，兵

eVs=

图1

D：

阈频率：

金属材料的逸出功Ws是金属的固有属性，对于给定的金属材料Ws是一个定值。

它与入射光的频率有关，令

Ws=hv0……

V0阈频率。

即具有阈频率的光子恰恰具有逸出功，而没有多余的功能，代入3式，有：

表示

与入射光频率为线性关系，若

则

，此时没有光电子析出，

如图2所示：

图2

且k=h/e为一常数，只要用实验方法测出不同v下的Vs-v的线性关系并求出K值，即可算出h值。

一、仪器概述

当光照在物体上时，光的能量仅部分以热的形式被物体吸收，而另一部分则转化为物体中某些电子的能量，使电子逸出物体表面，这种现象称为光电效应。

逸出的电子称为光电子，在光电效应中，光显示出它的粒子性质，所以这种现象对认识光的本性，具有极其重要的意义。

1905年爱因斯坦发展了辐射能量E以hv（v是光的频率）为不连续的最小单位的量子化思想，成功地解释了光电效应实验中遇到的问题。

1916年密立根用光电效应法测量了普朗克常数h，确定了光量子能量方程式的成立。

今天，光电效应已经广泛地运用于现代科学技术的各个领域，利用光电效应制成的光电器件已成为光电自动控制、电报、以及微弱光信号检测等技术中不可缺少的器件。

二、主要技术参数

1、微电流测量仪

电流测量范围:

10-8～10-13A，分6档，三位半数显

零漂：

开机20分钟后，30分钟内不大于满度读数的±

0.2％（10-13A档）

2、光电管工作电源

电压调节范围：

-2～+2V，-2V～+30V共2档，三位半数显，最小分辨率

0.01V，稳定度≤0.1％

3、光电管

光谱响应范围:

340～700nm

最小阴极灵敏度:

≥1μA／Lm

阳极：

镍圈

暗电流：

I≤2×

10-12A（-2V≤UAK≤0V）

4、滤光片

中心波长：

365.0404.7435.8546.1577.0nm共五组

5、汞灯

光谱范围为320.3nm～872.0nm共有五组强谱线

6、测量误差≤3%

三、仪器的结构及组成

（1）电压选择开关

（2）电源开关

（3）电压显示窗（4）电压调节粗调

（5）电压调节微调（6）电流显示窗

（7）电流调零（8）电流量程选择开关

图一普朗克常数测试仪前面板图

（1）电源插座

（2）电压输出“+”

（3）电压输出“－”（4）微电流输入端

图二普朗克常数测试仪后面板图

图三仪器整体结构图

1、汞灯电源2、汞灯3、滤光片4、光阑5、光电管6、基准平台

四、实验装置说明

1、光源

用高压汞灯做光源，配以专用镇流器，光谱范围为320.3nm～872.0nm，可用谱线为365.0nm、404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm，共五条强线谱线。

2、滤光片

滤光片的主要指标是半宽度和透过率。

透过某种谱线的滤光片不允许其附近的谱线透过（我们精心设计制作了一组高性能的滤光片，保证了在测量某一谱线时无其他谱线干扰，避免了谱线相互干扰带来的测量误差）。

高压汞灯发出的可见光中，强度较大的谱线有5条，仪器配以相应的5种滤光片。

3、光电管暗盒

采用测h专用光电管，由于采用了特殊结构，使光不能直接照射到阳极，由阴极反射照到阳极的光也很少，加上采用新型的阴、阳极材料及制造工艺，使得阳极反向电流大大降低，暗电流也很低（≤2×

10-12A）

4、微电流测量仪

在微电流测量中采用了高精度集成电路构成电流放大器，对测量回路而言，放大器近似于理想电流表，对测量回路无影响，使测量仪具有高灵敏度（电流测量范围10-8～10-13A）高稳定性（零漂小于满刻度的0.2％），从而使测量精度、准确度大大提高。

测量结果由3

位LED显示。

5、光电管工作电源

普朗克常数测试仪提供了两组光电管工作电源（-2～+2V，-2～+30V），连续可调，精度为0.1％，最小分辨率0.01伏，电压值由三位半LED数显。

五、实验目的

1、了解光的量子性，光电效应的规律，加深对光的量子性的理解。

2、验证爱因斯坦方程，并测定普朗克常数h。

3、学习作图法处理数据

六、实验原理

光电效应实验原理如图四所示，其中S为真空光电管，K为阴极，A为阳极，当无光照射阴极时，由于阳极与阴极是断路，所以检流计G中无电流流过，当用一波长比较短的单色光照射到阴极K上时，形成光电流，光电流随加速电位差U变化的伏安特性曲线如图五所示。

1、光电流与入射光强度的关系

光电流随加速电位差U的增加而增加，加速电位差增加到一定量值后，光电流达到饱和值IH，饱和电流与光强成正比，而与入射光的频率无关。

当U=UA-UK变成负值时，光电流迅速减小。

实验指出，有一个遏止电位差Ua存在，当电位差达到这个值时，光电流为零。

图四：

光电效应实验原理图图五：

光电管的伏安特性曲线

2、光电子的初动能与入射光频率之间的关系

光电子从阴极逸出时，具有初动能，在减速电压下，光电子逆着电场力方向由K极向A极运动，当U=Ua时，光电子不再能达到A极，光电流为零，所以电子的初动能等于它克服电场力所作的功，即

（1）

根据爱因斯坦关于光的本性的假设，光是一粒一粒运动着的粒子流，这些光粒子称为光子，每一光子的能量为E=

，其中h为普朗克常量，v为光波的频率，所以不同频率的光波对应光子的能量不同，光电子吸收了光子的能量hv之后，一部分消耗于克服电子的逸出功A，另一部分转换为电子动能，由能量守恒定律可知

（2）

式

（2）称为爱因斯坦光电效应方程。

由此可见，光电子的初动能与入射光频率v呈线性关系，而与入射光的强度无关。

3、光电效应有光电阈存在

实验指出，当光的频率

时，不论用多强的光照射到物质都不会产生光电效应，根据式

（2），

，

称为红限。

爱因斯坦光电效应方程同时提供了测普朗克常数的一种方法：

由式

（1）和

（2）可得：

，当用不同频率（v1，v2,v3…vn）的单色光分别做光源时，就有：

…………

任意联立其中两个方程就可得到

（3）

由此若测定了两个不同频率的单色光所对应的遏止电位差即可算出普朗克常数h，也可由v-U直线的斜率求出h。

因此，用光电效应方法测量普朗克常数的关键在于获得单色光，测量光电管的伏安特性曲线和确定遏止电位差值。

实验中，单色光可由汞灯光源经过滤光片选择谱线产生，汞灯是一种气体放电光源，点燃稳定后，在可见光区域内有几条波长相差较远的强谱线，如表1所示，与滤光片联合作用后可产生需要的单色光。

表1可见光区汞灯强谱线

波长/nm

频率/1014Hz

颜色

579.0

5.179

黄

577.0

5.196

546.1

5.490

绿

435.8

6.879

蓝

404.7

7.408

紫

365.0

8.214

近紫外

为了获得准确的遏止电位差值，本实验用的光电管应该具备下列条件：

①对所有可见光谱都比较灵敏。

②阳极包围阴极，这样当阳极为负电位时，大部分光电子仍能射到阳极。

③阳极没有光电效应，不会产生反向电流。

④暗电流很小。

但是实际使用的真空型光电管并不完全满足以上条件，由于存在阳极光电效应所引起的反向电流和暗电流（即无光照射时的电流），所以测得的电流值，实际上包括上述两种电流和由阴极光电效应所产生的正向电流三个部分，所以伏安曲线并不与U轴相切，由于暗电流是由阴极的热电子发射及光电管管壳漏电等原因产生，与阴极正向光电流相比，其值很小，且基本上随电位差U呈线性变化，因此可忽略其对遏止电位差的影响。

阳极反向光电流虽然在实验中较显著，但它服从一定规律，据此，确定遏止电位差值，可采用以下两种方法：

（1）交点法

光电管阳极用逸出功较大的材料制作，制作过程中尽量防止阴极材料蒸发，实验前对光电管阳极通电，减少其上溅射的阴极材料，实验中避免入射光直接照射到阳极上，这样可使它的反向电流大大减少，其伏安特性曲线与图五十分接近，因此曲线与U轴交点的电位差值近似等于遏止电位差Ua，此即交点法。

（2）拐点法

光电管阳极反向光电流虽然较大，但在结构设计上，若使反向光电流能较快地饱和，则伏安特性曲线在反向电流进入饱和段后有着明显的拐点，如图六所示，此拐点的电位差即为遏止电位差。

七、实验内容及步骤

（1）测试前准备：

将测试仪及汞灯电源接通，预热20分钟。

把汞灯及光电管暗箱遮光盖盖上，将汞灯暗箱光输出口对准光电管暗箱光输入口，调整光电管与汞灯距离为约40cm并保持不变。

用专用连接线将光电管暗箱电压输入端与测试仪电压输出端（后面板上）连接起来（红—红，兰—兰）。

将“电流量程”选择开关置于所选档位，仪器在充分预热后，进行测试前调零，旋转“调零”旋钮使电流指示为000.0。

用高频匹配电缆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）连接起来。

（2）测光电管的伏安特性曲线：

将电压选择按键置于-2V～+30V，根据光电流的大小；

将“电流量程”选择开关置于10-10A或10-11A档；

将直径2mm的光阑及435.8nm的滤色片装在光电管暗箱光输入口上。

a．从低到高调节电压，记录电流从零到非零点所对应的电压值作为第一组数据，以后电压每变化一定值记录一组数据到表2中。

注意:

由于光电流会随光源、环境光以及时间的变化而变化，测量光电流时，选定UAK后,应取光电流读数的平均值。

b．在UAK为30V时，根据光电流的大小，将“电流量程”选择开关置于10-10A或10-9A档，记录光阑分别为2mm,4mm,8mm时对应的电流值于表3中。

换上直径4mm的光阑及546.1nm的滤色片，重复a、b测量步骤。

用表2数据在座标纸上作对应于以上两种波长及光强的伏安特性曲线。

　　由于照到光电管上的光强与光阑面积成正比，用表3数据验证光电管的饱和光电流与入射光强成正比。

表2I—UAK关系

435.8nm

光阑2nm

UAK（V）

I（×

10-11A）

546.1nm

光阑4nm

表3IM—P关系UAK=V

光阑孔Φ

10-10A）

（3）测普朗克常数h：

理论上，测出各频率的光照射下阴极电流为零时对应的UAK，其绝对值即该频率的截止电压，然而实际上由于光电管的阳极反向电流，暗电流，本底电流及极间接触电位差的影响，实测电流并非阴极电流，实测电流为零时对应的UAK也并非截止电压。

光电管制作过程中阳极往往被污染，沾上少许阴极材料，入射光照射阳极或入射光从阴极反射到阳极之后都会造成阳极光电子发射，UAK为负值时，阳极发射的电子向阴极迁移构成了阳极反向电流。

暗电流和本底电流是热激发产生的光电流与杂散光照射光电管产生的光电流，可以在光电管制作或测量过程中采取适当措施以减少或消除它们的影响。

极间接触电位差与入射光频率无关，只影响U0的准确性，不影响U0—v直线斜率，对测定h无影响。

此外，由于截止电压是光电流为零时对应的电压，若电流放大器灵敏度不够，或稳定性不好，都会给测量带来较大误差。

本实验仪器的电流放大器灵敏度高，稳定性好。

本实验仪器采用了新型结构的光电管。

由于其特殊结构使光不能直接照射到阳极，由阴极反射照到阳极的光也很少，加上采用新型的阴，阳极材料及制造工艺，使得阳极反向电流大大降低，暗电流也很少。

由于本仪器的特点，在测量各谱线的截止电压U0时，可不用难于操作的“拐点法”，而用“零电流法”或“补偿法”。

零电流法是直接将各谱线照射下测得的电流为零时对应的电压UAK的绝对值作为截止电压U0。

此法的前提是阳极反向电流，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很小。

且各谱线的截止电压都相差U，对U0-v曲线的斜率无大的影响，因此对h的测量不会产生大的影响。

补偿法是调节电压UAK使电流为零后，保持UAK不变，遮挡汞灯光源，此时测得的电流I1为电压接近截止电压时的暗电流和本底电流。

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的绝对值作为截

止电压U0。

此法可补偿暗电流和本底电流对测量结果的影响。

测量：

将选择按键置于-2V～+2V档；

将“电流量程”选择开关置于10-12A档，将测试仪电流输入电缆断开，调零后重新接上；

将直径4mm的光阑及365.0nm的滤色片装在光电管暗箱光输入口上。

从低到高调节电压，用“零电流法”或“补偿法”测量该波长对应的U0，并将数据记于表4中。

依次换上404.7nm，435.8nm，546.1nm，577.0nm的滤色片，重复以上测量步骤。

表4、U0~V关系光阑孔Φ=mm

波长λ（nm）

频率v（×

1014Hz）

8.216

7.410

6.882

5.492

截止电压U0（V）

数据处理：

可用以下三种方法之一处理表4的实验数据，得出U0—V直线的斜率k。

a．根据线性回归理论，U0—v直线的斜率k的最佳拟合值为：

其中：

表示频率v的平均值

表示频率v的平方的平均值

表示截止电压U0的平均值

表示频率v与截止电压U0的乘积的平均值

b．根据。

可用逐差法从表4的后四组数据中求出两个k，将其平均值作为所求k的数值。

c．可用表4数据在座标纸上作U0—v直线，由图求出直线斜率k。

求出直线斜率k后，可用h=ek求出普朗克常数，并与h的公认值h0比较求出相对误差：

，式中e=1.602×

10-19C，h0=6.626×

10-34J.s。

八、注意事项

1、汞灯关闭后，不要立即开启电源。

必须待灯丝冷却后，再开启，否则会影响汞灯寿命。

2、光电管应保持清洁，避免用手摸，而且应放置在遮光罩内，不用时禁止用光照射。

3、滤光片要保持清洁，禁止用手摸光学面。

4、在光电管不使用时，要断掉施加在光电管阳极与阴极间的电压，保护光电管，防止意外的光线照射。

九、装箱清单

1、普朗克常数测试仪1台2、光电管暗盒（含光电管）1个

3、高压汞灯光源（含高压汞灯）1个　　4、高压汞灯镇流器　1个

5、实验基准平台1个

6、滤光片365nm、405nm、436nm、546nm、577nm各一个（5个）

7、光栅φ2、φ4、φ8各1个8、遮光盖子　　　1个　9、信号电缆线　1根10、加速电压连接线　　2根　11、电源线　　　1根12、保险管0.5A　　　　2只　13、使用说明书　　1份