光电效应实验校正与深入研究

吉林大学开放性创新实验项目学期检查表项目名称：光电效应实验校正与深入研究 编号：946OEP19负责人 王志军 指导教师 王志军，何越，王连元姓名 学号 学院 专业 年级51120234 电子学院 电子信息科学与技术 二年级62120821 地探学院 地球物理 二年级62120823 地探学院 地球物理 二年级参加学生（组）项目开始时间 2013.09 计划完成时间 2014.03项目实验工作计划2013.09201.10 光电效应实验测量及查找资料。2013.10201.12 对影响光电流的因素进行总结、分析并测量光电效率随光频率的变化关系，不同光强与光电流的定量关系;滤波片厚度与光强的关系。2013.01201.03 数据整理，撰写项目报告。项目实验内容1， 查阅资料，研究影响光电流的主要因素并提出实验方案，学习光谱仪的使用。2， 测量光电效应的光电流及对应的光谱。3， 测量不同光强的光谱及对应的光电流。4， 测量不同数量滤波片及其对应的光电流。5， 数据处理、分析，撰写项目报告。6， 撰写相关论文。项目成果通过测量光谱及测量光电流，深入研究并分析了光电效率随频率的变化关系，及不同光强与光电流的定量关系。正在撰写相关论文。项目经费详细支出明细：光电管 2*800 元，滤色片 2400 元，汞管 2*300 元，共 4600 元。项目负责单位： 负责人（签章） 年 月 日注：此表以项目为单位填写，如多组学生进行同一实验项目，每组独立填写。此页不够，可加附页。光电效应实验校正与深入研究摘要：本文介绍了作者的光电效应实验方法、结果及所得出的：关于饱和光电流与光强的关系的正确表述：在其他条件（如光电率、频率等）一定的情况下，对于同一光波，饱和光电流与光强（光子数）成正比。否则，饱和光电流与光强（光子数）不一定成正比。介绍了通过采用减光度不同的多个减光片组合得到滤波片厚度的平滑变化，验证得出：对于某一光波，光强与滤波片厚度呈现严格的指数关系。实验中发现：有些波长的光波（如 436nm 的光）饱和光电流与光强的关系出现特异变化，有些减光片得到的饱和光电流陡然增长。关键词：光电效应 饱和光电流 滤镜 光电管 光强 入射光波长目录前言 .11 研究任务 .12 实验原理 .13 实验方法 .13.1 实验仪器介绍 .13.2 测量光电子的初动能 .23.3 用不同波长的光波探究饱和光电流与入射光频率的关系 .33.4 用减光片控制同一光波的光强以确定饱和光电流与光强 的关系 .73.5 确定光强与滤波片厚度的关系 .84 实验中发现的问题及所采取的应对措施 .84.1 饱和电流与入射光强的关系分析 .94.2 滤光片厚度的调整 .9结论 .10致谢 .11前言光电效应是指：当以一定频率的光照射到金属表面时，金属中的电子吸收光的能量，从而使电子从金属表面逸出的现象，1887 年由赫兹发现的。之后人们对这一现象进行了大量的研究实验，由于缺乏理论指导，并没取得大的进展和广泛应用。直到 1905 年，爱因斯坦将普朗克的能量子思想引入到光电效应中，提出光子的概念，成功地解释了光电效应，并提出了著名的光电效应方程。一个多世纪以来一直成为光电效应研究的科学指导依据和有力工具。人们对光电效应的研究和应用也由此取得巨大的成果。作者在学习和研究光电效应中发现：在多数书籍中，关于饱和光电流与光强的关系的叙述不严谨，忽略了影响饱和光电流的其他因素，如光电率、频率等。作者经过反复实验，依据实验结果补充校正了部分关于饱和光电流与光强的关系的表述，希望能同广大同行交流共享。1.研究任务验证并深入研究以下基本实验事实：(1)饱和光电流 Im 与入射光强成正比；(2)光电效应存在一个频率 0(截止频率 )，当入射光的频率低于域频率时，不论光的强度如何，都没有光电效应产生；(3)光电子的动能与光强无关，但与入射光的频率成线性关系； (4)光电效应是“瞬时”的，当入射光的频率大于截止频率时，一经光照射，立刻产生光电子，时间的滞后不超过 10-9s1。2.实验原理依据爱因斯坦光子概念对光电效应的成功解释，以及所提出的著名的光电效应方程。他提出光并不是由麦克斯韦电磁场理论提出的传统意义上的波，而是由能量为 h的光量子构成的粒子流。光电效应的物理基础就是光子与金属(表面 )中的自由电子发生完全弹性碰撞，电子要么全部吸收，要么根本不吸收光子的能量。并由此得光电效应方程：（1）WmEhk2式中 Ek 为光电子的初动能，m 为电子的质量。 为光电子逸出金属表面的初速度； 为光电子的频率；W 为光照射的金属材料的逸出功，为定值。3.实验方法3.1 实验仪器介绍采用 ZKY-GD-3 光电效应实验仪进行实验。仪器由汞灯及电源，滤色片，光阑，光电管、测试仪(含光电管电源和微电流放大器 )构成，仪器结构如图 2 所示，测试仪的调节面板如图 3 所示。VGCK_+1 2 3 4 5 6 71 汞灯电源 2 汞灯 3 滤色片 4 光阑 5 光电管 6 导轨 7 实验仪图 2 仪器结构示意图图 3 仪器前面板示意汞灯：可用谱线 365.0nm、404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm滤色片：5 片， 透射波长 365.0 nm、404.7 nm、435.8 nm、546.1 nm、577.0nm 光阑：3 片，直径 2mm、4mm、8mm光电管：光谱响应范围 320-700nm，暗电流：I 210 -12A（-2 VU AK0 V）光电管电源：2 档，20V，230V，三位半数显，稳定度0.1%微电流放大器：6 档，10 -810-13A，分辨率 10-14A，三位半数显，稳定度0.2%3.2 测量光电子的初动能采用如图 1 所示的电路 2测量光电子的初动能。 图 1 测光电子初动能电路图在光电管两端加上反向电压，以单色光照射光电管阴极 K，由阴极逸出的光电子具有相同的初动能，克服反向电压向下的电场力向上（阳极）运动，随着反向电压的增大，光电流逐渐减小，当反向电压增加到 U0时，光电流降为 0，此时反向电压对电子作的功 eU0等于光电子逸出的初动能，即：实验仪（2）01meU当光子的能量 h0I365I536I577I405,而饱和光电流的大小关系是：Im365Im436Im405Im546Im577，从而与实验规律不相符。为此在实验中又计算出相对光强及相应的光子数，又经过归一化处理，得到如下数据：光子数与饱和电流波长 nm 积分宽度(nm) 积分值（光强） 光子数（I/hv） 饱和光电流 365 20.1 1.000 1 1405 20.1 0.152 0.169 0.28436 20.1 1.