南昌大学光电效应教材.docx
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南昌大学光电效应教材
南昌大学物理实验报告
课程名称：
大学物理实验
实验名称：
光电效应
学院：
专业班级：
学生姓名：
学号：
实验地点：
座位号：
实验时间：
一、实验目的：
1.研究光电管的伏安特性及光电特性
2.比较不同频率光强的伏安特性曲线与遏止电压
3.了解光电效应的规律，加深对光的量子性的理解
4.验证爱因斯坦方程，并测定普朗克常量h
二、实验原理：
1、光电效应与爱因斯坦方程
用合适频率的光照射在某些金属表面上时，会有电子从金属表面逸出，这种现象叫做光电效应，从金属表面逸出的电子叫光电子。
为了解释光电效应现象，爱因斯坦提出了“光量子”的概念，认为对于频率为的光波，每个光子的能量为
式中，为普朗克常数，它的公认值是=6.626。
按照爱因斯坦的理论，光电效应的实质是当光子和电子相碰撞时，光子把全部能量传递给电子，电子所获得的能量，一部分用来克服金属表面对它的约束，其余的能量则成为该光电子逸出金属表面后的动能。
爱因斯坦提出了著名的光电方程：
（1）
式中，为入射光的频率，为电子的质量，为光电子逸出金属表面的初速度，为被光线照射的金属材料的逸出功，为从金属逸出的光电子的最大初动能。
由
（1）式可见，入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子动能必然也越大，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，所有光电子都不能到达阳极，光电流才为零。
这个相对于阴极为负值的阳极电位被称为光电效应的截止电压。
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。
产生光电效应的最低频率是，通常称为光电效应的截止频率。
不同材料有不同的逸出功，因而也不同。
由于光的强弱决定于光量子的数量，所以光电流与入射光的强度成正比。
又因为一个电子只能吸收一个光子的能量，所以光电子获得的能量与光强无关，只与光子的频率成正比，，将（3）式改写为
（4）
上式表明，截止电压是入射光频率的线性函数，如图2，当入射光的频率时，截止电压，没有光电子逸出。
图中的直线的斜率是一个正的常数：
（5）
由此可见，只要用实验方法作出不同频率下的曲线，并求出此曲线的斜率，就可以通过式（5）求出普朗克常数。
其中是电子的电量。
U0-v直线
2、光电效应的伏安特性曲线
下图是利用光电管进行光电效应实验的原理图。
频率为、强度为的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之间建立起的电场对从光电管阴极逸出的光电子起加速作用，随着电压的增加，到达阳极的光电子将逐渐增多。
当正向电压增加到时，光电流达到最大，不再增加，此时即称为饱和状态，对应的光电流即称为饱和光电流。
光电效应原理图
由于光电子从阴极表面逸出时具有一定的初速度，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，光电流随之减少；当反向电压达到截止电压时，光电流为零。
爱因斯坦方程是在同种金属做阴极和阳极，且阳极很小的理想状态下导出的。
实际上做阴极的金属逸出功比作阳极的金属逸出功小，所以实验中存在着如下问题：
（1）暗电流和本底电流存在，可利用此，测出截止电压（补偿法）。
（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。
由于它们的存在，使得I～U曲线较理论曲线下移，如下图所示。
伏安特性曲线
三、实验内容和步骤：
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箱电压输入端与FB807测试仪后面板上电压输出连接起来。
将‘电流量程’选择开关置于合适挡位：
测量截止电势时调到A，做伏安特性则调到A.测定仪在开机或改变电流量程后，都需要进行调零。
调零时应将装滤色片置于‘0’，旋转调零旋钮使电流指示为000.0
2.用FB807实验仪测定截止电势差、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势时，可采用零点流法（即交点法），即直接将各谱线照射下测得的电流为零时对应的电势差的绝对值作为截止电势差.此法的前提是阳极反向电流、暗电流和本底电流都很小，用零点法测得的截止电势差与真实值相差较小；且各谱线的截止电势差都相差对-v曲线的斜率无大的影响，即对h的测量不会产生大的影响。
（1）测量截止电势差
工作电压转换按钮于释放状态，电压调节范围是-2V至+2V，“电流量程”开关应置于*A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，即脱离定位销，把ф4mm的光阑标志对准上面的白点，是定位销复位。
再把装滤色片的转盘放在挡光位，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，此时把电压表显示的值调节为-1999V；打开汞灯遮光盖，电流表显示对应的电流值I应为负值。
用电压粗调和细调旋钮，逐步升高工作电压，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，该电压即为365nm单色光的遏止电势差。
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。
一一记录值。
（2）测光电管的伏安特性曲线
此时，将工作电压转换按钮下，电压调节范围转变为：
-2V至+30V，“电流量程”开关应转换至*A档，并重新调零。
其余操作步骤与“测量截止电势差”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、同意距离条件下5条伏安特性曲线。
记录所测及I的数据到表中，在坐标纸上作对于应波长及光强的伏安特性曲线。
观察同一距离、不同光阑、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2mm，4mm，8mm时对应的电流值于表中，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、某条谱线在的饱和伏安特性曲线。
在为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离，如300mm，350mm，400mm等对应的电流值于表中，同样可以验证光电管的饱和电流与入射光强成正比。
四、实验数据与处理：
-v关系
波长/nm
365
405
436
546
577
频率/*Hz
8.214
7.408
6.879
5.490
5.196
截止电压/V
-1.811
-1.395
-1.227
-0.726
-0.609
波长为577nm
L为400mm
/V
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
I/*A
0
4
19
26
31
36
39
43
46
48
50
52
53
55
57
/V
28
30
I/*A
58
58
波长为
546nm
L为400mm
/V
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
I/*A
1
2
6
9
11
12
14
15
16
17
17
18
19
19
20
/V
28
30
I/*A
20
20
=4.0Vλ=546nmL=400mm
光阑孔直径D/mm
2
4
8
I/*A
9
28
104
=4.0Vλ=546nmD=4mm
距离L/mm
300
350
400
I/*A
58
38
28
五、误差分析：
本实验中应用不同的方法都测出了普朗克常数，但都有一定的实验误差，据分析误差产生原因是：
1、暗电流的影响，暗电流是光电管没有受到光照射时，也会产生电流，它是由于热电子发射、和光电管管壳漏电等原因造成；
2、本底电流的影响，本底电流是由于室内的各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的变化而变化。
3、光电管制作时产生的影响：
（1）、由于制作光电管时，阳极上也往往溅射有阴极材料，所以当入射光射到阳极上或由阴极漫反射到阳极上时，阳极也有光电子发射，当阳极加负电位、阴极加正电位时，对阴极发射的光电子起了减速的作用，而对阳极的电子却起了加速的作用，
4、实验者自身的影响：
（1）从不同频率的伏安特性曲线读到的“抬头电压”（截止电压），不同人读得的不一样，经过处理后的到Ua--V曲线也不一样，测出的数值就不一样；
（2）调零时，可能会出现误差，及在测量时恐怕也会使原来调零的系统不再准确。
5、参考值本身就具有一定的精确度，本身就有一定的误差。
六、附上原始数据：
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