光电效应试验报告

1、光电效应【实验目的】（1）了解光电效应的规律，加深对光的疑子性的认识。（2）测量普朗克常【实验仪器】ZKY-GD-4光电效应实验仪，北组成为：微电流放大器，光电管工作电源，光电管，滤色片, 汞灯。如下图所示。1汞灯电源2汞灯3滤色片4光阑5光电管6基座图5 仪器结构图【实验原理】光电效应的实验原理如图1所示。入射光照射到光电管阴极Kt,产生的光电子在电场 的作用下向阳极A迁移构成光电流.改变外加电压Uak，测量出光电流I的大小，即可得岀光 电管的伏安特性曲线。光电效应的基本实验事实如下：实脸原理图特,性曲线（1）对应于某一频率，光电效应的I-UAK关系如图2所示。从图中可见，对一左的频率,有一

2、电压U0,当UAKU0时.电流为零，这个相对于阴极的负值的阳极电压U0,被称为截止 电压。当UaQU。后，I迅速增加，然后趋于饱和，饱和光电流IM的大小与入射光的强度P成正比。页脚(3) 对于不同频率的光，其截I匕电压的值不同，如图3所示。(4) 截止电压U0与频率V的关系如图4所示，U。与V成正比。当入射光频率低于某极 限值Do (V0随不同金属而异)时，不论光的强度如何，照射时间多长，都没有光电流产 生。(5) 光电效应是瞬时效应。即使入射光的强度非常微弱，只要频率大于V0 ,在开始照 射后立即有光电子产生，所经过的时间至多为秒的数量级。按照爱因斯坦的光量子理论，光能并不像电磁波理论所想象

3、的那样，分布在波阵而上, 而是集中在被称之为光子的微粒上，但这种微粒仍然保持着频率(或波长)的概念，频率为V的光子具有能屋E = hV, h为普朗克常数。当光子照射到金属表而上时，一次被金属中 的电子全部吸收，而无需积累能虽:的时间。电子把这能量的一部分用来克服金属表而对它的 吸引力，余下的就变为电子离开金属表面后的动能，按照能量守恒原理，爱因斯坦提岀了著 爼的光电效应方程：hv = |7nv02 + A(1)1 o式中，A为金属的逸出功，-mv02为光电子获得的初始动能。由该式可见，入射到金属表而的光频率越高，逸出的电子动能越大，所以即使阳极电位 比阴极电位低时也会有电子落入阳极形成光电流，

4、直至阳极电位低于截止电压，光电流才为 零，此时有关系：&u0 =|mv02(2)阳极电位高于截止电压后，随着阳极电位的升高，阳极对阴极发射的电子的 收集作用越强，光电流随之上升；当阳极电压高到一定程度，已把阴极发射的光 电子儿乎全收集到阳极，再增加时I不再变化，光电流出现饱和，饱和光电页脚 流5的大小与入射光的强度P成正比。光子的能量h%A时，电子不能脱离金属，因而没有光电流产生。产生光电 效应的最低频率（截止频率）是坯二A/h。将（2）式代入（1）式可得：eU& =hvA（3）此式表明截止电压是频率v的线性函数，直线斜率k二h/e,只要用实 验方法得岀不同的频率对应的截止电压，求出直线斜率，

5、就可算出普朗克常数h。 爱因斯坦的光量子理论成功地解释了光电效应规律。【实验步骤】1、测试前准备1）将实验仪及汞灯电源接通（汞灯及光电管暗盒遮光盖盖上），预热20mino2）调整光电管与汞灯距离为约40cm并保持不变。3）用专用连接线将光电管暗箱电圧输入端与实验仪电压输出端（后而板上）连接起来 （红一红，蓝一蓝）。4）将“电流量程”选择开关置于所选档位，进行测试前调零。调零时应将光电管暗盒 电流输岀端K与实验仪微电流输入端（后而板上）断开，且必须断开连线的实验仪一端。旋 转“调零”旋钮使电流指示为000.0。5）调节好后，用高频匹配电缆将电流输入连接起来，按“调零确认/系统淸零”键，系 统进入

6、测试状态。如果要动态显示采集曲线，需将实验仪的“信号输出”端口接至示波器的“Y”输入端，“同步输出”端口接至示波器的“外触发”输入端。示波器“触发源”开关拨至“外”，“Y 衰减”旋钮拨至约“IV/格”，“扫描时间”旋钮拨至约“20 us/格”。此时示波器将用轮 流扫描的方式显示5个存储区中存储的曲线，横轴代表电压Uar，纵轴代表电流I。2、测普朗克常数h:测量截止电压时，“伏安特性测试/截止电压测试”状态键应为截止电压测试状态，“电 流量程”开关应处于10 一 1%档。1）手动测疑 使“手动/自动”模式键处于手动模式。 将直径4mm的光阑及365. Onm的滤色片装在光电管暗盒光输入口上，打开

7、汞灯遮光盖。页脚此时电压表显示Uak的值，单位为伏：电流表显示与Uqc对应的电流值I，单位为所选择的 “电流量程”。用电压调芍键一、一、f、I可调节Sk的值，一、一键用于选择调节位, t、I键用于调节值的大小。 从低到高调肖电压（绝对值减小），观察电流值的变化，寻找电流为零时对应的Uak， 以其绝对值作为该波长对应的U。的值，并将数据记于表1中。为尽快找到U。的值，调节时应 从高位到低位，先确定髙位的值，再顺次往低位调节。 依次换上365.0 nm, 435.8 nm, 546. lnm, 404. 7 nm的滤色片，重复以上测量步骤。2）自动测量 按“手动/自动”模式键切换到自动模式。此时电

8、流表左边的指示灯闪烁，表示系统处于自动测量扫描用设置状态，用电压调 节键可设置扫描起始和终止电压。（注：显区左边设苣起始电压，右边设置终止电压） 实验仪设有5个数拯存储区，每个存储区可存储500组数据，由指示灯表示其状态。灯亮表 示该存储区已存有数据，灯不亮为空存储区，灯闪烁表示系统预选的或正在存储数据的存储 区。 设置好扫描起始和终止电压后，按动相应的存储区按键，仪器将先淸除存储区原有数 据，等待约30秒，然后按4mV的步长自动扫描，并显示、存储相应的电压、电流值。扫描 完成后，仪器自动进入数需査询状态，此时查询指示灯亮，显示区显示扫描起始电压和相应 的电流值。用电压调肖键改变电压值，就可查

9、阅到在测试过程中，扫描电压为当前显示值时 相应的电流值。读取电流为零时对应的UAI（,以英绝对值作为该波长对应的I；的值，并将 数据记于表1中。表1 517关系光阑孔二mm波长入i（nm）365.0404.7435.8546577.0频率叫(X1014 Hz)&2147.4086.8795.4905.196截止电压手动%(V)自动按“查询键，查询指示灯火，系统回复到扫描用设程状态，可进行下一次测量。将仪器 与示波器连接，可观察到UAI为负值时各谱线在选左的扫描羽的伏安特性曲线。3、测光电管的伏安特性曲线：此时，将“伏安特性测试/截止电压测试”状态键切换至伏安特性测试状态。“电流量 程”开关应拨

10、至IO-10 A档，并重新调零。将直径4mm的光阑及所选谱线的滤色片装在光电管暗盒光输入口上。测伏安特性曲线可页脚选用“手动/自动”两种模式之一，测呈的最大囤为-150V。手动测量时每隔0. 5V记录一 组数据，自动测量时步长为IV。记录所测UAI及I的数据。 从低到高调肖电压，记录电流从零到非零点所对应的电压值并作为第一组数拯，以 后电压没变化一左值（可选为IV）记录一组数拯到数据记录表中。换上546nm的滤色片，重复上述实验步骤。 在Uar为50V时，将仪器设置为手动模式，测疑记录同一谱线、同一入射距离、光 阑分别为2mm, 4mm, 8mm时对应的电流值于数据记录表中。 在Uak为50V

11、时，将仪器设巻为手动模式，测疑并记录同一谱线、同一光阑、不同入 射距离时对应的电流值于数据记录表中。【实验数据处理】（1）求普朗克常数实验中测得的数据如下表所示：U。与关系数据记录表光缆孔=4mm波长人/nm365.0404.7435.8546. 1577.0频率 v,/(xl014)8. 2147. 4086. 8975. 4905. 196截止电压Uox/V-1. 838-1. 460-1. 326-0. 812-0. 668由实验数拯得到的截止电压U。与光频率的关系如下图所示:123456?y 二-0. 3746x + 1. 2673R2 = 0. 9959光的频率Vi/(1014Hz)

12、截止电压与光频率的关系曲线页脚由eU0 = hv-A可知，上述直线的斜率为+，则普朗克常疑为：h = 0.3746 x IO-14 x 1.602 x 1019 J-5 = 6.0xl 0,4 J s而由最小二乘法的得到的斜率的标准差为=0.013945 ,则可知所求的普朗克常量力的不 确泄度为：Uh =eUh =(3) - sh = 1.602 x IO-19 x 3.18 x 0.013945 xl014 = 0.7 x IO-34 J 5测得的普朗克常量与公认值仏的相对误差为：厂 h - /?06.0 x 10-34 J 5 - 6.626 x 10-34 J 5门“，E = =q= -

13、0.094/?06.626 x 10-対八 s实验得到的普郎克常数为：h = (6.0 0.7) xl0-34J-so(2) 做出两种波长及光强的伏安特性曲线实验中，得到的实验数据记录表如下：对于435. 8nm的滤色片，入射距离L二400mm,光阑4nm,数据记录为：1_J关系-10123456789/(xlO-,oA)01.52.74.16.37.58.610.211.813.614.8uAK/v10111213141516171819207/(xlO-,oA)15.917.018. 119.219.520.321. 121.522.422.923.6匕212223242526272829

14、3031Z/(xlO-,oA)24.024.725.325.826.326.627. 127.227.828.228.5匕3233343536373839104142/(xlO-,oA)28.829.029.429.730. 130.330.530.831. 131. 131.4uAK/v4344454647484950/(xlO-,(,A)31.631.832. 132.632.833.233.333.4页脚对于546. lnm的滤色片,入射距离L二400mm,光阑4nm数据记录为:1決系uAK/v-10123456789/(xlO-,oA)-0. 40.41.32.23.34. 14.65

15、.25.76. 67.0匕1011121314151617181920/(xlO-,oA)7.07.27.68. 18.38.48.79.09.29.49.6匕2122232425262728293031Z/(xlO-,oA)9.810.010. 110.310.410.510.610.711.011.011.0U,K W3233343536373839404142/(xlO-,oA)11. 111.211.211.311.411.411.611.611.611.611.65k W4344454647484950/(xlO-,oA)11.711.811.912. 112. 112.212.21

16、2.3由实验得到的数据绘制出的两种波长及光强的伏安特性曲线如下:Q22)、I 垢莊呆-40-onJO nronlutoc1 1 1 1 15W26304056阴极电流为零时对应电压V/v波长为435. 8nm 波长为546. lnm不同波长及光强下的伏安特性曲线页脚(3) 由于照到光电管上的光强与光阑而积成正比，用中数据验证光电管的饱和光电流与 入射光强成正比：同样用中数据验证光电流与入射光强成正比。对于实验：在Uak为50V时，将仪器设置为手动模式测量记录同一谱线、同一入 射距离、光阑分别为2mm, 4mm, 8mm时对应的电流值，数据记录表如下：关系OOOOOOOOO 64208642 I

17、X IX IX IX波长为435. 8nm 波长为546. lnm20405060435.8nm光阑孔2 mm4 mm8mmZ/(xlO_loA)9.333.8140.3546lnm光阑孔2 mm4 mm8mmZ/(xlO_loA)3.412.349.5% =50VL = 400/7/77由实验数据得到饱和光电流与光阑而积的关系曲线如下:光阑向积S/ (mm 2)饱和光电流I与光阑面积S的关系曲线图由图可知，饱和光电流I与光阑面积S在入射光波长不变时成正比例关系，而光强又与 光阑而积成正比，从而验证了光电管的饱和电流与入射光强成正比。对于实验，在UAK为50V时，将仪器设置为手动模式，测量并记

18、录同一谱线、同一光阑、不同入射距离时对应的电流值，来验证光电流与入射光强成正比。数据记录表如下：页脚435. 8nm入射距离L/mm200250300350400/(xlO-,oA)51.028.318.212.59.3546 lnm入射距离L/mm200250300350400Z/(xlO-,oA)19.010.46.84.63.4% = 50VL = 4OO/Z/7?对于光阑面积S不变时，由于入射距离的变化，使同一波长光的光强发生改变。尝试将 光源看做点光源，其发岀的光为球状，则一定距离处的光强与距离的平方成反比，与距离的 平方分之一成正比。若要验证光电流与入射光强成正比，可通过验证光电流

19、与距离的平方分 之一成线性关系而间接征得。根据IM -P关系，得到光电流与距离的平方分之一的关系曲 线如图所示：o o o o o o O6 5 4 3 2 1 (2丿2)、1曲来波长为435. 8nm 波长为546. lnm5IX30入射距离平方分之一 1/-2/（-2）光电流强度与入射距离平方分之一的关系曲线由图可知，其间关系在实验误差允许的用，较好的符合了某种线性关系，证明了这种假 设具有成立的可能性。从而也证明了光电流与入射光强成正比。【实验分析与误差讨论】1、阳极反向电流，暗电流，本底电流如何影响测量结果？答：阳极反向电流是由于光电管制造时由于光电管阳极沾上少数阴极材料，则在入射光照射或入射光从阴极反射到阳极后都会造成阳极电子发射。当Uak值为为负值时，阳极发射页脚 的电子向阴极迁移形成阳极反向电流，从而当实验中测得电流为零时，对应的Uar并非截止 电压，对实验造成误差。而对于暗电流和本底电流是热激