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最新光电管特性的研究

 

光电管特性的研究

课题光电管特性的研究

1.了解光电效应实验的基本规律和光的量子性;

教学目的2.测定光电管的伏安特性,研究光电流强度与加在光电管两极间电压的关系;

3.测定光电管的光电特性,研究光电流强度与照在光电管阴极上光通量的关系。

重难点1.光电管的伏安特性和光电特性;

2.最小二乘法处理数据。

教学方法讲授、讨论、实验演示相结合。

学时3个学时

一、前言

光电效应是指在光的作用下,从物体表面释放电子的现象,所逸出的电子称为光电子。

这种现象是1887年赫兹研究电磁波时发现的。

在光电效应中,光不仅在被吸收或发射时以能量«SkipRecordIf...»的微粒出现,而且以微粒形式在空间传播,充分显示了光的粒子性。

1905年爱因斯坦引入光量子理论,给出了光电效应方程,成功地解释了光电效应的全部实验规律。

1916年密立根用光电效应实验验证了爱因斯坦的光电效应方程,并测定了普朗克常量。

爱因斯坦和密立根都因为光电效应方面的杰出贡献,分别获得1921年和1923年诺贝尔物理学奖。

而今光电效应已经广泛地应用于各科技领域,例如利用光电效应制成的光电管、光电倍增管等光电转换其间,把光学量转换成电学量来测量。

光电元件已成为石油钻井、传真电报、自动控制等生产和科研中不可缺少的元件。

二、实验仪器

暗匣(内装光电管及小灯泡及米尺);光电效应实验仪(包括«SkipRecordIf...»稳压电源、«SkipRecordIf...»可调稳压电源、«SkipRecordIf...»位数子电压表和电流表,分别指示光电管电压、光源电流和光电流、调节光电管电压的电位器、调小灯电流的可变电阻)。

 

三、实验原理

金属或金属化合物在光的照射下有电子逸出的现象,称为光电效应,或称为光电发射。

产生光电发射的物体表面通常接电源负极,所以又称为光电阴极,光电阴极往往不由纯金属制成,而常用锑钯或银氧钯的复杂化合物制成,因为这些金属化合物阴极的电子逸出功远较纯金属小,这样就能在较小光照下得到较大的光电流。

把光电阴极和另一个金属电极-阳极仪器封装在抽成真空的玻璃壳里就成了光电管。

光电管在现代科学技术中如自动控制、有声电影、电视、以及光讯号测量等方面都有重要的应用。

1905年爱因斯坦提出“光子”概念,光是由一些能量«SkipRecordIf...»的粒子组成的粒子流。

按照光子理论,光电效应是光子与电子碰撞,光子把全部能量(«SkipRecordIf...»)传给电子,电子获得的能量,一部分用来克服金属表面对它的束缚,另一部分成为该电子(光电子)逸出金属表面后的动能。

根据能量守恒有

«SkipRecordIf...»

该式就是著名的爱因斯坦光电效应方程。

由于一个电子只能吸收一个光子的能量,该式表明光电子的初动能与入射光的频率呈线性关系,与入射光子数无关。

本实验是利用真空光电管来研究这一实验的基本规律,验证爱因斯坦的光电子理论。

实验原理图如图5.12-1所示,«SkipRecordIf...»为光电管的阴极,«SkipRecordIf...»为光电管的阳极,调节«SkipRecordIf...»,可在«SkipRecordIf...»、«SkipRecordIf...»两极间获得连续变化的电压。

光的强弱决定于光子的多少,当用一定强度的光照射到光电管阴极时,光子(«SkipRecordIf...»)流射到«SkipRecordIf...»上打出光电子,阴极释放的电子在电场的作用下向阳极迁移,回路中将形成光电流。

光电流的大小与光电管两极间电压及光电管阴极的光通量(光通量与光强成正比)都有关。

1.光电流与加速电压的关系

保持光源与光电管的距离一定,如果阳极«SkipRecordIf...»为高电势,则电子将加速飞向阳极,光电流«SkipRecordIf...»随两极间的加速电压改变而改变。

如图5.12-2所示,开始光电流随加速电压增加而增加,当加速电压增加到一定值后,光电流不再增加,这是因为在一定光照度下单位时间内所产生的光电子数目一定,而且这些电子在电场的作用下已全部跑出阳极,从而达到饱和。

此时的光电流称饱和光电流,用«SkipRecordIf...»表示。

对不同的光强,饱和光电流«SkipRecordIf...»与入射光强«SkipRecordIf...»成正比。

由于光电流从阴极表面逸出时具有一定的初速度«SkipRecordIf...»,所以,当两极间电压为零时,仍有光电流«SkipRecordIf...»存在,若阳极«SkipRecordIf...»为低电势,则电子被减速。

当减速电压加到某一值时,飞出的电子被遏制,光电流随之减少为零,此时的减速电压«SkipRecordIf...»称为临界截止电压(亦称遏止电压)。

则有

«SkipRecordIf...»

由爱因斯坦光电效应方程有«SkipRecordIf...»

上式说明临界截止电压与光的强度无光。

2.光电流与阴极表面光通量的关系

设光电管的阴极面积为«SkipRecordIf...»,阴极与发光强度为的点光源间的距离为«SkipRecordIf...»,由光度学理论可知,点光源到达的光通量为

«SkipRecordIf...»

上式表明,点光源在光电管阴极表面«SkipRecordIf...»的光通量与光源的发光强度成正比,与«SkipRecordIf...»到光源的距离«SkipRecordIf...»的平方成反比。

当光电管两极间的加速电压在能产生饱和光电流的某一定值时,保持点光源发光强度不变,光电流与阴极表面的光通量的关系可根据该式来进行研究。

改变点光源与光电管之间的距离«SkipRecordIf...»,测出饱和光电流«SkipRecordIf...»与«SkipRecordIf...»的关系曲线即可知«SkipRecordIf...»与«SkipRecordIf...»的关系。

若«SkipRecordIf...»与«SkipRecordIf...»的关系为一直线,如图5.12-3所示,即验证了光电流与入射光光通量的线性关系。

实际上,实验中使用的点光源都不是理想的点光源,而具有一定的发光面积,但只要光电管与光源足够远,可以近似地把它看作点光源。

另外,对于一般的光电管,其阴极是蒸镀在玻璃壳内表面的锑铯化合物,因它的逸出功很不均匀,光电流没有一个截止点,又由于光电管结构上的原因,故有下述三种因素产生实验误差:

(1)在光电管的制造中,免不了有些光阴极物质溅到阳极上,而当光照射在阴极时,部分漫反射到阳极上的光使之也发射光电子。

而反向电压对这些光电子则是加速场,使它们到达阴极,形成反向电流。

(2)无光照时,加上外加电压,光电管中仍有微弱的电流流过,称为暗电流。

形成暗电流的主要原因是阴极在常温下的热电子发射,以及阴极和阳极之间的绝缘不良造成漏电。

(3)阳极和阴极材料不同引起不同的接触电势差。

由于上述因素,实验中所测得的光电管临界截止电压要比真正的临界截止电压值小。

光电特性曲线也存在着截距«SkipRecordIf...»(理论上在«SkipRecordIf...»时,«SkipRecordIf...»),对此我们应加以分析。

四、实验内容与步骤

1.测光电管的伏安特性曲线

(1)按图5.12-4接好线路,使光电管阳极为高电势,检查正负极插线无误后,打开光电效应仪的电源开关,并预热10分钟。

(2)选取合适的小灯电流值。

测量前先测出小灯泡与光电管阴极间的初始间距«SkipRecordIf...»,并记录。

使光源与光电管阴极的距离为«SkipRecordIf...»,并保持不变,顺时针调节电压调节旋钮,达到最大值,给光电管加的电压,再顺时针调节电流调节旋钮,保证光电流不逸出即可,记下小灯电流值。

(3)研究光电管正向伏安特性。

记下暗箱滑板距离«SkipRecordIf...»(一般取«SkipRecordIf...»左右,注意小灯泡与阴极间距«SkipRecordIf...»应为«SkipRecordIf...»,并保持不变,调节电压调节旋钮,观察光电管加上正向电压时的伏安特性,然后使电压由«SkipRecordIf...»逐步降到«SkipRecordIf...»。

每降低«SkipRecordIf...»(或«SkipRecordIf...»)测读一次相应的光电流值,测量次数不少于«SkipRecordIf...»次。

由于光电管的伏安特性为非线性曲线,因此,在非线性区域,测试点应多一些。

(4)测临界截止电压。

光电管电压为零时光电流不为零,这是因为电子在获得光子能量后就有了动能,仍能到达阳极形成电流。

将光电管接线的极性对调,即在光电管两极加上反向电压,使光电管阳极为负电势,慢慢增大反向电压,记下使光电流刚好为零的电压值,即为临界截止电压。

注意:

这时指示的电流极性与实际电流极性相反。

(5)研究光电管在不同光强照射下的伏安特性,采用两种方法。

①使小灯电流降低«SkipRecordIf...»,重复步骤(3)、(4),测读并记录实验数据。

注意不要改变光源与光电管的距离。

②使暗箱滑板距离为«SkipRecordIf...»(一般取«SkipRecordIf...»左右),重复步骤(3)、(4),测读并记录实验数据。

注意不要改变灯电流值的大小。

(6)根据记录数据,绘制三条伏安特性曲线。

2.测定饱和光电流与阴极上光通量的关系

(1)根据光电管伏安特性的实验结果,在产生饱和光电流的电压区域中取一电压值(注意不要取拐点,取饱和区域中间点),加在光电管的两极上并保持不变。

注意光源电流值不改变。

(2)将光源放在离光电管较近的位置,通过拖动暗箱滑板,使光电管阴极逐渐远离光电管,记下暗箱滑板读数«SkipRecordIf...»(每次改变«SkipRecordIf...»或«SkipRecordIf...»)及对应的饱和光电流值«SkipRecordIf...»。

至少测读«SkipRecordIf...»组数据。

五、数据表格及数据处理

1.伏安特性

(1)初始距离«SkipRecordIf...»小灯电流«SkipRecordIf...»米尺读数«SkipRecordIf...»

测量次数

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

«SkipRecordIf...»

24

22

20

18

16

14

12

10

8

6

«SkipRecordIf...»

13.03

12.99

12.95

12.92

12.90

12.87

12.80

12.68

12.46

11.95

测量次数

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

«SkipRecordIf...»

5

4

3

2

1

0

-0.1

-0.2

-0.3

-0.4

«SkipRecordIf...»

11.38

10.45

8.84

6.48

3.21

0.30

0.08

0.03

0.01

0

(2)小灯电流«SkipRecordIf...»距离«SkipRecordIf...»

测量次数

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

«SkipRecordIf...»

24

22

20

18

16

14

12

10

8

6

«SkipRecordIf...»

10.36

10.32

10.30

10.27

10.26

10.24

10.18

10.09

9.95

9.66

测量次数

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

«SkipRecordIf...»

5

4

3

2

1

0

-0.1

-0.2

-0.3

-0.4

«SkipRecordIf...»

9.35

8.75

7.57

5.64

2.82

0.26

0.05

0.03

0.01

0

(3)小灯电流«SkipRecordIf...»距离«SkipRecordIf...»

测量次数

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

«SkipRecordIf...»

24

22

20

18

16

14

12

10

8

6

«SkipRecordIf...»

5.21

5.20

5.18

5.17

5.16

5.14

5.12

5.07

5.0

4.91

测量次数

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

«SkipRecordIf...»

5

4

3

2

1

0

-0.1

-0.2

-0.3

-0.4

«SkipRecordIf...»

4.84

4.72

4.49

3.74

1.92

0.13

0.04

0.02

0.01

0

2.光电特性

极间电压«SkipRecordIf...»小灯电流«SkipRecordIf...»

测量次数

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

«SkipRecordIf...»

4.5

5

5.5

6

6.5

7

7.5

8

8.5

9

«SkipRecordIf...»

11.10

10.40

9.72

9.02

8.35

7.74

7.19

6.68

6.25

5.85

2.用测得的数据作曲线

(1)在同一坐标纸上以光电流«SkipRecordIf...»为纵轴,加速电压«SkipRecordIf...»为横轴,绘制光电管的三条伏安特性曲线,并作曲线分析。

 

(2)在坐标纸上以饱和光电流«SkipRecordIf...»为纵轴,点光源到阴极距离的平方的倒数«SkipRecordIf...»为横轴,绘制光电管的光电特性曲线。

(见下面)

(3)设有直线方程«SkipRecordIf...»,根据所测数据用最小二乘法求出该直线的斜率«SkipRecordIf...»、截距«SkipRecordIf...»以及相关系数«SkipRecordIf...»,由拟合的方程在

(2)中的坐标纸上绘制光电管的«SkipRecordIf...»曲线,并作曲线分析。

«SkipRecordIf...»«SkipRecordIf...»

«SkipRecordIf...»

«SkipRecordIf...»

«SkipRecordIf...»«SkipRecordIf...»

«SkipRecordIf...»

 

六、注意事项

1.实验仪器在打开后要预热10分钟。

2.光源电流不得超过«SkipRecordIf...»,如光源电流过大,容易烧坏灯泡。

3.注意光源与光电管的距离,应为光源与光电管阴极的初始距离加上暗箱滑板的读数的值(即«SkipRecordIf...»)。

4.在研究伏安特性中,需确定光源电流值,应先将电压调至最大,再调光电源电流到达合适位置,以保证光电流不溢出。

5.在研究光电特性中,选取饱和光电流的电压值最好不要选取拐点,因为拐点不稳定,一般选取饱和区域中间值,以确保能够获得饱和光电流。

6.在研究光电特性中,暗箱滑板从里往外拉,以保证光电流不溢出。

7.仪器使用完后,将电压旋钮和光源电流调至最小,以免启动仪器时,电流过大烧坏灯泡。

七、教学后记

1.实验测量光电管伏安特性时,比书上要多一条曲线,这是因为实验中我们通过两种方式(改变光源电流和光源到光电管的距离)来改变照在光电管的光强,因此在检查预习和讲课中要提醒学生多画一个表格记录数据。

2.学生上学期理论课中已经对光电效应知识进行了学习,因此这个实验的授课多采用提问和讨论的方式,和学生共同探讨本实验的意义,以及光电管的伏安特性曲线的特点和物理解释。

3.该实验仪器使用简单,因此学生都能成功顺利完成实验,在检查数据时要求他们粗略画出图象,回去后再用坐标纸描点。

4.在实验中最易出现的错误有:

①测量数据时,没有关闭暗箱;②测量伏安特性时,同时改变光源电流和光源到光电管阴极间距,或在第二次测量时减小光源电流,第三次测量时减小光源到光电管阴极间距。

注:

此实验报告只限当时器材所编,如与你所做有所差别,也在所难免,但还是希望能帮上你的忙!

时间:

2011年

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