光电效应实验

1、光电效应的实验 仪器介绍LB-PH3A光电效应（普朗克常数）实验仪由汞灯及电源、光阑与滤色片、光电管、测试仪（含光电管电源和微电流放大器）构成，实验仪结构如图1所示，测试仪的调节面板如图2所示。汞灯 刻度尺 光阑与滤色片 光电管图1 实验仪结构图图2 测试仪前面板图LB-PH3A光电效应（普朗克常数）实验仪有以下特点：1 在微电流测量中采用高精度集成电路构成电流放大器。对测量回路而言，放大器近似于理想电流表，对测量回路无影响。精心设计、精心选择元器件、精心制作，使电流放大器达到高灵敏度、高稳定性，使测量准确度大大提高。2 采用了新型结构的光电管。由于其特殊结构使光不能直接照射到阳极，由阴极反射

2、到阳极的光也很少，加上采用新型的阴、阳极材料及制造工艺，使得阳极反向电流大大降低，暗电流水平也很低。3 设计制作了一组高性能的滤色片。保证了在测量一组谱线时无其余谱线的干扰，避免了谱线相互干扰带来的测量误差。4 由于仪器的稳定性好且无谱线间的相互干扰，测出的I - U特性曲线平滑、重复性好。5 通过改变实验仪的电压档位的方式，利用光电效应测量普朗克常数、光电管伏安特性以及验证饱和光电流与入射光强成正比等实验。6 本仪器可用三种不同方法测量普朗克常数（拐点法、零电流法、补偿法），因此有较好的可比性。7 采用上述测量方法，不但使得U0测量快速、重复性好，而且据此计算出的h误差不大于3 %。其技术参

3、数如下：1 微电流放大器：电流测量范围：10-7 10-13 A，分6档，三位半数字显示零漂：开机20分钟后，30分钟内不大于满读数的 0. 2 %（10-13 A档）2 光电管工作电源：电压调节范围：-2 +2 V，-2 +20 V，分两档，三位半数字显示不稳定度0. 1 %3 光电管：光谱响应范围：340 700 nm最小阴极灵敏度1 A（-2 VUAK0 V）阳极：镍圈暗电流I 5 10-12 A（-2 VUAK0 V）4 滤光片组：5组，中心波长为：365. 0 nm，404. 7 nm，435. 8 nm，546. 1 nm，578. 0 nm5 汞灯：可用谱线：365. 0 nm，

4、404. 7 nm，435. 8 nm，546. 1 nm，578. 0 nm6 测量误差3 % 实验目的与原理光电效应是，一定频率的光照射在金属表面时，会有电子从金属表面逸出的现象。在光电效应中，光显示出它的粒子性，这种现象对于认识光的本质，具有极其重要的意义。1887年赫兹发现了光电效应现象，以后又经过许多人的研究，总结出一系列实验规律。由于这些规律用经典的电磁理论无法圆满地进行解释，爱因斯坦于1905年应用并发展了普朗克的量子理论，首次提出了“光量子”的概念，并成功地解释了光电效应的全部规律。十年后，密立根用实验证实了爱因斯坦的光量子理论，精确地测定了普朗克常数。两位物理大师因在光电效应

5、等方面的杰出贡献，分别于1921年和1923年获得诺贝尔物理学奖。光电效应实验和光量子理论在物理学的发展史中具有重大而深远的意义。利用光电效应制成了许多光电器件，在科学和技术上得到了极其广泛的应用。实验目的：1 了解光电效应的规律，加深对光的量子性的理解。2 测量普朗克常数和测定光电管的光电特性曲线。实验原理： 光电效应的实验原理如图3所示。入射光照射到光电管阴极K上，产生光电子在电场作用下向阳极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，即可得出光电管的伏安特性曲线。光电效应的基本实验事实如下：1 对应于某一频率，光电效应的I - UAK关系如图4所示。从图中可见，对一定的频

6、率，有一电压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。2 当UAKU0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。3 对于不同频率的光，其截止频率不同，如图5所示。4 作截止电压U0与频率的关系图如图6所示，U0与成正比关系。当入射光频率低于某极限值0（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 光电效应时瞬时效应。即使入射光的强度非常微弱，只要频率大于0，在开始照射后立即有光电子产生，所经过的时间至多为10-9秒的数量级。图3 图4图 5 图6经典电磁理论认为，电子从波阵面上连续地获得能量，

7、获得的能量的大小应与光的强度有关。因此对于任何频率，只要有足够的光强度和足够的照射时间，总会发生光电效应，而实验事实与此是直接矛盾的。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的那样，分布在波阵面上，而是集中在被称为光子的微粒上，但这种微粒仍然保持着频率（或波长）的概念，频率为的光子具有能量，h为普朗克常数。当光子照射到金属表面上时，一次为金属中的电子全部吸收，而无需积累能量的时间。电子把这能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引力，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，爱因斯坦提出了著名的光电效应方程： （1）式中，A为金属的逸出功，为光电子获得的初始动能。由该式可

8、见，入射到金属表面的光频率越高，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，直至阳极电位低于截止电压，光电流才为零，此时有关系： （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增强，光电流I随之上升，当阳极电压高到一定程度，把阴极发射的光电子几乎全收集到阳极，再增加UAK时，I不再变化，光电流出现饱和，饱和光电流IM的大小与入射光的强度P成正比。光子的能量时，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。将（2）式代入（1）式可得： （3）只要用实验方法得出在不同频率光照下对应的截止电压，求出直

9、线斜率，就可以算出普朗克常数h。爱因斯坦的光量子理论成功地解释了光电效应规律。 实验内容及步骤一、测试前准备将测试仪及汞灯电源接通，预热20分钟。把汞灯及光电管暗箱遮光盖盖上，将汞灯暗箱光输出口对准光电管暗箱光输入口，调整光电管于汞灯距离约30 cm处并保持不变。用专用连接线将光电管暗箱电压输入端与测试仪电压输出端（后面板上）连接起来（红-红，黑-黑）。仪器在充分预热后，进行测试前调零：先将电器箱与光电管断开，在无光电管电流输入的情况下，将“电流量程”选择开关置于10-13档，进行测量档调零，旋转“电流调零”旋钮使电流指示为0。用高频匹配电缆将光电管暗箱电流输出端K与测试仪微电流输入端（后面板

10、上）连接起来。另：购买多台的客户应注意，在仪器的连接过程中，因为汞灯功率较大，请尽量避免将4台以上的仪器连接在一个插座上，否则容易出现开机若干时间后汞灯自熄现象，实验室最好是配备有空调专用插座。（注：在进行测量时，各表头数值请在完全稳定后记录，如此可减小读数误差。）二、测光电管的伏安特性曲线1. 将“电压量程”按键置于I（+2 V）档；将“电流量程”选择开关置于10-13档。 2. 将滤色片旋转365. 0 nm，调光阑到2 mm档。3. 从低到高调节电压，记录电流从非零到零点所对应的电压值作为表一数据的前面部分（精细），以后电压每变化一定值（可调节“电压量程”档到II（+20 V）档）记录相

11、应的电流值到表一数据的后面部分（在做此步骤时，“电流量程”选择开关应置于10-11档）。4. 在UAK为20 V时，将“电流量程”选择开关置于10-11档，记录光阑分别为4 mm，8 mm，10 mm，12 mm时对应的电流值于表二中。5. 分别换上404. 7 nm，435. 8 nm，546. 1 nm，578. 0 nm的滤色片及2 mm的光阑，重复3、4测量步骤。6. 用表一中的数据在坐标纸上作对应波长及光强的伏安特性曲线（以电压值作横坐标、电流值作纵坐标）。表一 I - UAK关系 光阑 = _ mm L距离 = _ cm365. 0 nmUAK（V）I404. 7 nmUAK（V）

12、I435. 8 nmUAK（V）I546. 1 nmUAK（V）I578. 0 nmUAK（V）I图7 不同频率伏安特性曲线图三、验证饱和光电流与入射光强成正比由于照到光电管上的光强与光阑面积成正比，用表二数据验证光电管的饱和光电流与入射光强成正比。表二 IM - P关系 UAK = _ V光阑孔径2 mm4 mm8 mm10 mm12 mmI365. 0 nmI404. 7 nmI435. 8 nmI546. 1 nmI578. 0 nm四、测普朗克常数1拐点法：图8 拐点法测普朗克常数图根据表一数据画出的伏安特性图中分别找出每条谱线的“抬头电压”（随电压缓慢增加电流有较大变化的横坐标值），

13、记录此值。在另一张坐标纸上以刚记录的电压值的绝对值为纵坐标，以相应谱线的频率为横坐标作出五个点，用此五点作一条U0 - 直线，在直线上找两点求出直线斜率k，求出直线的斜率k后，可用h = ek求出普朗克常数，并与h的公认值h0比较求出相对误差。2零电流法、补偿法：理论上，测出各频率光的照射下阴极电流为零时对应的UAK，其绝对值即该频率的截止电压，然而实际上由于光电管的阳极反向电流、暗电流、本底电流及极间接触电位差的影响，实测电流并非阴极电流，实测电流为零时对应的UAK也并非截止电压。光电管制作过程中阳极往往被污染，沾上少许阴极材料，入射光照射阳极或入射光从阴极反射到阳极之后都会造成阳极光电子发

14、射，UAK为负值时，阳极发射的电子向阴极迁移构成了阳极反向电流。暗电流和本底电流是热激发产生的光电流与杂散光照射光电管产生的光电流，可以在光电管制作或测量过程中，采取适当措施以减小或消除它们的影响。极间接触电位差与入射光频率无关，只影响U0的准确性，不影响U0 - 直线斜率，对测定h无影响。此外，由于截止电压是光电流为零时对应的电压，若电流放大器灵敏度不够，或稳定性不好，都会给测量带来较大误差。本实验仪器的电流放大器灵敏度高、稳定性好。本实验仪器采用了新型结构的光电管。由于其特殊结构使光不能直接照射到阳极，由阴极反射到阳极的光也很少，加上采用新型的阴、阳极材料及制造工艺，使得阳极反向电流大大降

15、低，暗电流水平也很低。由于本仪器的特点，在测量五个谱线的截止电压U0时，可不用难于操作的“拐点法”，而用“零电流法”或“补偿法”。零电流法：零电流法是直接将各谱线照射下测得的电流为零时对应的电压UAK作为截止电压U0。此法的前提是阳极方向电流、暗电流和杂散光产生的电流都很小，用零电流法测得的截止电压与真实值相差很小，且各谱线的截止电压都相差U对U0 - 曲线的斜率无大的影响，因此对h的测量不会产生大的影响。测量：将电压选择按键置于I（+2 V）档；将“电流量程”选择开关置于10-13档，将测试仪电流输入电缆断开，调零后重新接上；调到直径4 mm的光阑及365. 0 nm的滤色片。从低到高调节电

16、压，测量该波长对应的U0，并将数据记于表三中。依次换上404. 7 nm，435. 8 nm，546. 1 nm，578. 0 nm的滤色片，重复以上测量步骤。表三 U0 - 关系 光阑 = _ mm波长（nm）365. 0 nm404. 7 nm435. 8 nm546. 1 nm578. 0 nm频率（1014 Hz）8. 2147. 4086. 8795. 4905. 196截止电压U0（V） 补偿法：补偿法是调节电压UAK使电流为零后，保持UAK不变，遮挡汞灯光源，此时测得的电流I1为电压接近截止电压时的暗电流和杂散光产生的电流。重新让汞灯照射光电管，调节电压UAK使电流值至I1，将此

17、时对应的电压UAK作为截止电压U0。此法可补偿暗电流和杂散光产生的电流对测量结果的影响。测量： 将电压选择按键置于I（+2 V）档；将“电流量程”选择开关置于10-13档，将测试仪电流输入电缆断开，调零后重新接上；调到直径4 mm的光阑及365. 0 nm的滤色片。从低到高调节电压，测量该波长对应的U0，并将数据记于表四中。依次换上404. 7 nm，435. 8 nm，546. 1 nm，578. 0 nm的滤色片，重复以上测量步骤。表四 U0 - 关系 光阑 = _ mm波长（nm）365. 0 nm404. 7 nm435. 8 nm546. 1 nm578. 0 nm频率（1014 H

18、z）8. 2147. 4086. 8795. 4905. 196截止电压U0（V） 数据处理：可用以下二种方法之一处理表三、四的实验数据，得出U0 - 直线的斜率k。法一： 根据，可用逐差法从表三的五组数据中求出四个k，将其平均值作为所求k的数值，求出直线的斜率k后，可用h = ek求出普朗克常数，并与h的公认值h0比较求出相对误差。法二：可用表三、四数据在坐标纸上作U0 - 直线，由图求出直线的斜率k。求出直线的斜率k后，可用h = ek求出普朗克常数，并与h的公认值h0比较求出相对误差。标准值：e = 1. 602 10-19 Ch0 = 6. 626 10-34 Js 实验数据记录仪（微

19、机接口）的使用LB-PH3A光电效应（普朗克常数）实验数据记录仪是LB-PH3A光电效应（普朗克常数）实验仪与微机的接口，用于将实验数据采集到计算机中，以进行处理和分析。它通过串口与计算机通信，其工作软件适用于Windows 9x/2000/Me/XP等操作系统。.1 硬件和软件安装请关闭各机箱的电源，然后参照下图进行连接。完成后，再用串口线连接计算机与LB-PH3A光电效应（普朗克常数）实验数据记录仪后面板。连接好以后，就可以打开电源工作了。电流输入 电压输入 电压输出信号输出 光电管电压输出 光电流输入uuuvu：双Q9头高频匹配电缆v：Q9 双夹口电缆LB-PH3A光电效应（普朗克常数）

20、实验数据记录仪后面板LB-PH3A光电效应（普朗克常数）测试仪后面板光电管暗箱电压输入端（红/黑）光电管暗箱电流输出端KLB-PH3A光电效应（普朗克常数）实验仪工作软件“planck”很简单，也不大，将光盘里的文件复制到硬盘上即可，或直接在光盘上运行。.2 软件介绍:查看菜单工具栏命令命令：用此命令可显示和隐藏工具栏。工具栏包括了光电效应实验系统中一些最普通命令的按钮，如文件打开。在工具栏被显示时，一个打勾记号出现在该菜单项目的旁边；状态栏命令命令：此命令可用来显示和隐藏状态区。状态区描述了被选取的菜单项目或被按下的工具栏按钮，以及键盘的锁定状态将要执行的操作。当状态区被显示时，在菜单项目的

21、旁边会出现一个打勾记号；:设置菜单通信设置对话框命令： 请选择您的普朗克常数测定仪面板上对应的电压量程。 请选择您的普朗克常数测定仪面板上对应的电流量程。 请确定您的硬件通信接口位置（COM1或COM2）。图像显示设置命令： 请选择您要希望的图形显示格式。（显示网格或不显示网格） 请选择您喜欢的背景颜色。 确定您从颜色对话框中选择的颜色将在此框当中预览。数据显示设置命令： 请选择您要希望的数据显示格式。（显示全部数据或显示当前正在采集的数据） 请选择您喜欢的背景颜色。 确定您从颜色对话框中选择的颜色将在此框当中预览。滤色片设置命令： 请输入您要添加的滤色片的颜色，可以是中文，也可以是英语，作为

22、滤色片的标志。 请输入您要添加的滤色片的波长，必须为整数倍的nm，见厂家仪器标识。 确定您要添加上述输入值。 自动列表您已添加的滤色片的颜色。 自动列表您已添加的滤色片的相应波长。 删除您选定的一组滤色片。（包括颜色和波长） 清空所有已添加的滤色片。（包括所有颜色和波长）:实验内容菜单数据测试命令： 请选择您已添加的一种滤色片。（作为待测滤色片） 开始测量已选滤色片的数据（光电管上所加的电压和当前的光电流）。 列表已测试的滤色片。 将已测试的滤色片移动至未测量列中，以便重新测量。 显示已测的某一种滤色片的数据及图形。 显示所有已测的滤色片的数据及图形。停止采集命令：停止采集数据采集数据过程中，

23、采用此命令来结束采集数据。清除数据命令：将所有已采集到的曲线的数据清空；:图像缩放菜单放大当前图像命令：单击该按钮可以放大当前图像。快捷键为Page Up。该功能在计算结果绘图时无效。缩小当前图像命令：单击该按钮可以缩小当前图像。快捷键为Page Down。该功能在计算结果绘图时无效。显示全部图像命令：单击该按钮可以显示全部图像。快捷键为ESC。即撤消已有的所有放大缩小和上下左右的平移操作。该功能在计算结果绘图时无效。左移当前图像命令：单击该按钮可以左移当前图像。快捷键为Left Arrow。该功能在计算结果绘图时无效。右移当前图像命令：单击该按钮可以右移当前图像。快捷键为Right Arro

24、w。该功能在计算结果绘图时无效。上移当前图像命令：单击该按钮可以上移当前图像。快捷键为Up Arrow。该功能在计算结果绘图时无效。下移当前图像命令：单击该按钮可以下移当前图像。快捷键为Down Arrow。该功能在计算结果绘图时无效。:计算结果菜单手工处理数据计算命令：您可以通过该对话框直接填入您通过观察得到的反向截止电压来计算普朗克常量。.3 实验过程1. 首先打开普朗克常数测试仪主机和汞灯电源，预热2030分钟。其间可打开计算机和计算机接口的电源，然后把普朗克常数数据处理软件安装在电脑中。接着双击有“planck”标志的圆形图案进入普朗克常数数据处理软件界面。待所有仪器均稳定后方可测量。2. 测量开始时，请先编辑您要测量的滤色片，名称自定，滤色片的波长由厂家提供。例如：对于要测量的波长为578nm红色滤色片，您可在滤色片编辑对话框内编辑滤色片的名称为“红色”或“578”等，而波长则必须如实填写为“578”nm。按此方法将您要测量的所有滤色片依次添加到计算机中。（本程序已预置滤色片的颜色和波长）3. 检查软件设置菜单中的电压、电流量程