光电效应测普朗克常量实验报告Word文档格式.docx

1、管和微电流测量放大器、A/D转换器、物镜一套）2光电管输出微电流指示表；4微电流指示表调零旋钮；6光电管工作电压调节（细调）；8 光电管暗箱；10档光罩；12汞灯灯箱。I电流量程调节旋钮及其量程指示;3光电管工作电压指示表；5光电管工作电压调节（粗调）；7光电管工作电压转换按钮；9滤色片，光阑（可调节）总成；II汞灯电源箱；三、实验原理：光电效应的实验示意图如图1所示，图中GD是光电管，K是光电管阴极，A 为光电管阳极，G为微电流计，V为电压表，E为电源，R为滑线变阻器，调节R 可以得到实验所需要的加速电位差Uak。光电管的A、K之间可获得从 U到0再到 U连续变化的电压。实验时用的单色光是从

2、低压汞灯光谱中用干涉滤色片过滤得到，其波长分别为： 365nm, 405nm, 436nm 546nm, 577nm。无光照阴极时，由于阳极和阴极是断路的，所以 G中无电流通过。用光照射阴极时， 由于阴极释放出电子而形成阴极光电流（简称阴极电流）。加速电位差Uak越大, 阴极电流越大，当Uak增加到一定数值后，阴极电流不 再增大而达到某一饱和值I h，I h的大小和照射光的强度成正比（如图 2所示）。加速电位差Uak变为负 值时，阴极电流会迅速减少，当加速电位差 Uak负到一定数值时，阴极电流变为0 ”，与此对应的电位差称为遏止电位差。这一电位差用 Ua来表示。Ua的大小 与光的强度无关，而是

3、随着照射光的频率的增大而增大（如图 3所示）。1饱和电流的大小与光的强度成正比。2、光电子从阴极逸出时具有初动能，其最大值等于它反抗电场力所做的功，1 2mv2因为Ua ，所示初动能大小与光的强度无关，只是随着频率的增大而增大。Ua 的关系可用爱因斯坦方程表示如下：（2）实验时用不同频率的单色光 1, 2, 3, 4, 照射阴极，测出相对应 的遏止电位差Uai, Ua2, Ua3, Ua4, ，然后画出 匕 图，由此图的斜 率即可以求出h。如果光子的能量h ? W时，无论用多强的光照射，都不可能逸出光电子。与此相对应的光的频率则称为阴极的红限，且用 o（ o W/ h）来表示。实验时可以从Ua

4、 图的截距求得阴极的红限和逸出功。本实验的关键是正确确定遏止 电位差，画出Ua 图。至于在实际测量中如何正确地确定遏止电位差，还必 需根据所使用的光电管来决定。下面就专门对如何确定遏止电位差的问题作简要的分析与讨论。遏止电位差的确定：如果使用的光电管对可见光都比较灵敏，而暗电流也很 小。由于阳极包围着阴极，即使加速电位差为负值时，阴极发射的光电子仍能大 部分射到阳极。而阳极材料的逸出功又很高，可见光照射时是不会发射光电子的， 其电流特性曲线如图4所示。图中电流为零时的电位就是遏止电位差 Ua。然而, 由于光电管在制造过程中，工艺上很难保证阳极不被阴极材料所污染（这里污染 的含义是：阴极表面的低

5、逸出功材料溅射到阳极上），而且这种污染还会在光电 管的使用过程中日趋加重。被污染后的阳极逸出功降低，当从阴极反射过来的散 射光照到它时，便会发射出光电子而形成阳极光电流。 实验中测得的电流特性曲 线，是阳极光电流和阴极光电流迭加的结果，如图 5的实线所示。由图5可见， 由于阳极的污染，实验时出现了反向电流。特性曲线与横轴交点的电流虽然等于 0 ”，但阴极光电流并不等于“0”，交点的电位差Ua也不等于遏止电位差Ua。两 者之差由阴极电流上升的快慢和阳极电流的大小所决定。如果阴极电流上升越 快，阳极电流越小，Ua与Ua之差也越小。从实际测量的电流曲线上看，正向电 流上升越快，反向电流越小，则 Ua

6、与Ua之差也越小。由图5我们可以看到，由于电极结构等种种原因，实际上阳极电流往往饱和圏4光;电管理悭的电流特性曲线 图厅光电管老化后的电流将性曲线缓慢，在加速电位差负到Ua时，阳极电流仍未达到饱和，所以反向电流刚开始 饱和的拐点电位差Ua也不等于遏止电位差Ua。两者之差视阳极电流的饱和快慢 而异。阳极电流饱和得越快，两者之差越小。若在负电压增至 Ua之前阳极电流已经饱和，则拐点电位差就是遏止电位差 Ua。总而言之，对于不同的光电管应 该根据其电流特性曲线的不同采用不同的方法来确定其遏止电位差。 假如光电流特性的正向电流上升得很快，反向电流很小，则可以用光电流特性曲线与暗电流 特性曲线交点的电位

7、差Ua近似地当作遏止电位差Ua （交点法）。若反向特性曲线 的反向电流虽然较大，但其饱和速度很快，则可用反向电流开始饱和时的拐点电位差Ua当作遏止电位差Ua （拐点法）。四、实验内容：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（红对红，黑对 黑）。将“电流量程”选择开关置于合适档位:测量截止电位时调到10 13a,做伏安特 性则调到1O10A（或10 11A）0测定仪在开机或改变电流量程后，都需要进行调零。 调零

8、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实验仪测定截止电压、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压 时，可采用零电流法（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压 Uak的绝对值作为截止电压，；。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较小； 且各谱线的截止电压都相差对 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） 测量截止电压：工作电压转换按钮于释放状态，电压调节范围是： 2V 2/，“电流量程”开

9、关应置于10 13a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 3mn左右，即脱离定位销，把4mm 的光阑标志对准上面的白点，使定位销复位。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 365im的 滤色片转到窗口 （通光口），此时把电压表显示的Uak值调节为 1. 99/ ;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（即使负电压绝对值减小），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 Uak，该电压即为365nm单色光的遏

10、止电位。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Uak值。（2） 测光电管的伏安特性曲线：此时，将工作电压转换按钮按下，电压调节范围转变为： 2V 30/，“电流量程”开关应转换至10 10A档，并重新调零。其余操作步骤与“测量截止电压” 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。1观察在同一光阑、同一距离条件下 5条伏安特性曲线。记录所测Uak及I的数据到表2中，在坐标纸上作对应波长及光强的伏安特性曲 线。2观察同一距离、不同光阑（不同光通量）、某条谱线在的饱和伏

11、安特性曲 线。测量并记录对同一谱线、同一入射距离，而光阑分别为 2mm 4mm 8mnfl寸对应的电流值于表3中，验证光电管的饱和光电流与入射光强成正比。3观察同一光阑下、不同距离（不同光强）、某条谱线在的饱和伏安特性曲 线。在Uak为30/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 400mn等对应的电流值于表4中，同样可以验证 光电管的饱和电流与入射光强成正比。五、实验数据及数据分析处理：由表1的实验数据，画出 图，求出直线的斜率、，即可用 ，求出式中常数波长rwn365405436546577vi频率 X 10i+Hn8.2147.408

12、6.8795.4905.1961.9321.4081.2980.7940.682截止电压卩拟合后的 图k = 0.3905 X相对误差表2:伏安特性曲线（2、577nm）如17-2468101214I320353947525864X 10111161822242628306772788084889091kU六、思考题：1、 测定普朗克常量的关键是什么？怎样根据光电管的特性曲线选择适宜的测定遏止电动势.；的方法。答：2、 从遏止电动势与入射光的频率 的关系曲线中，你能确定阳极材料的 逸出功吗？3、 本实验存在哪些误差来源？实验中如何解决这些问题？在用光电效应测定普朗克常量的实验中的误差来源主要来自单色光 不够严格以及阴极光电流的遏止电势差的确定，而影响阴极光电流遏止 电势差确定的主要因素有光电管的阳极光电流和光电流的暗电流。在实 验中主要通过分析阳极光电流和暗电流的特点 （阳极光电流在反向区域几乎呈饱和状态，而暗电流很小，且电流随电压线性变化，它们均对阴极光电 流在Uc显著拐弯的性质无影响），在实验中通过对实际光电流测定，找到 曲线拐点的方法来精确地求得 Uc的单色光的获得尽可能用精度较高的单色仪获得 ，而不用滤色（片）的方法获得；此外应尽量减小反射到阳极的散射光， 适当提高光电管的真空度以及二电极之间的距离，以减小暗电流的大小七、原始数据: