GD3光电效应普朗克常数实验仪实验指导及操作说明书20111020

1、ZKY-GD-3光电效应(普朗克常数)实验仪实验指导及操作说明书成 都 世 纪 中 科 仪 器 有 限 公 司地址：成都市人民南路四段九号中科院成都分院 邮编：610041电话：（028）85247006 85243932 传真：（028）85247006网址；n E-mail: ZKYZKY.Cn ZKY-GD-3光电效应(普朗克常数)实验仪技术参数1微电流放大器： 电流测量范围：10-810-13 A，分6档。 零漂：开机20分钟后，30分钟内不大于满度读数的±0.2%（10-13A档）2光电管工作电源：电压调节范围：-20V, -2+30V, 分2档，三位半数显。 稳定度0.1

2、%3光电管： 光谱响应范围：300700nm 最小阴极灵敏度1µA/Lm阳极： 镍圈 暗电流：I2×10-12 A（-2VUAK0V）4滤光片组：5组：中心波长365.0，404.7，435.8，546.1，577.0nm5汞灯： 可用谱线365.0nm、404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nmZKY-GD-3 光电效应（普朗克常数）简介一、仪器主要结构特点：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。由于精心设计，精心选择元器件，精心制作，使电流放大器达到高灵敏度（10-8-10-13

3、A分6挡，），高稳定性（零漂小于满刻度0.2%），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，由阴极反射照到阳极的光也很少，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。保证了在测量某一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。二、仪器使用特点：1由于仪器的稳定性好且无谱线之间的相互干扰，测出的I-U特性曲线平滑，重复性好。2在测量各谱线的截止电压U0时，可不用难于操作的“拐点法”，而用“零电流法”或“补偿法”。零电流法是直接将各谱线照射下测得的电流为零时对应的电压UA

4、K作为截止电压U0。此法的前提是阳极反向电流、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-n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。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。3使用我们的仪器，采用上述测量方法，不但使得U0的测量快速，重复性好，而且据此计算出的h误差小于5%。光电效应和普

5、朗克常数的测定光电效应是指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。光电效应实验对于认识光的本质及早期量子理论的发展，具有里程碑式的意义。自古以来，人们就试图解释光是什么，到17世纪，研究光的反射，折射，成像等规律的几何光学基本确立。牛顿等人在研究几何光学现象的同时，根据光的直线传播性，认为光是一种微粒流，微粒从光源飞出来，在均匀物质内以力学规律作匀速直线运动。微粒流学说很自然的解释了光的直线传播等性质，在17，18世纪的学术界占有主导地位，但在解释牛顿环等光的干涉现象时遇到了困难。惠更斯等人在17世纪就提出了光的波动学说，认为光是以波的方式产生和传播的，但早期的波动理论缺乏数

6、学基础，很不完善，没有得到重视。19世纪初，托马斯.杨发展了惠更斯的波动理论，成功的解释了干涉现象，并提出了著名的杨氏双缝干涉实验，为波动学说提供了很好的证据。1818年，年仅30岁的菲涅耳在法国科学院关于光的衍射问题的一次悬奖征文活动中，从光是横波的观点出发，圆满的解释了光的偏振，并以严密的数学推理，定量的计算了光通过圆孔，圆板等形状的障碍物所产生的衍射花纹，推出的结果与实验符合得很好，使评奖委员会大为叹服，荣获了这一届的科学奖，波动学说逐步为人们所接受。1856-1865年，麦克斯韦建立了电磁场理论，指出光是一种电磁波，光的波动理论得到确立。19世纪末，物理学已经有了相当的发展，在力、热、

7、电、光等领域，都已经建立了完整的理论体系，在应用上也取得巨大成果。就当物理学家普遍认为物理学发展已经到顶时，从实验上陆续出现了一系列重大发现，揭开了现代物理学革命的序幕，光电效应实验在其中起了重要的作用。1887年赫兹在用两套电极做电磁波的发射与接收的实验中，发现当紫外光照射到接收电极的负极时，接收电极间更易于产生放电，赫兹的发现吸引许多人去做这方面的研究工作。斯托列托夫发现负电极在光的照射下会放出带负电的粒子，形成光电流，光电流的大小与入射光强度成正比，光电流实际是在照射开始时立即产生，无需时间上的积累。1899年，汤姆逊测定了光电流的荷质比，证明光电流是阴极在光照射下发射出的电子流。赫兹的

8、助手勒纳德从1889年就从事光电效应的研究工作，1900年，他用在阴阳极间加反向电压的方法研究电子逸出金属表面的最大速度，发现光源和阴极材料都对截止电压有影响，但光的强度对截止电压无影响，电子逸出金属表面的最大速度与光强无关，这是勒纳德的新发现，勒纳德因在这方面的工作获得1905年的诺贝尔物理奖。光电效应的实验规律与经典的电磁理论是矛盾的，按经典理论，电磁波的能量是连续的，电子接受光的能量获得动能，应该是光越强，能量越大，电子的初速度越大；实验结果是电子的初速与光强无关；按经典理论，只要有足够的光强和照射时间，电子就应该获得足够的能量逸出金属表面，与光波频率无关；实验事实是对于一定的金属，当光

9、波频率高于某一值时，金属一经照射，立即有光电子产生；当光波频率低于该值时，无论光强多强，照射时间多长，都不会有光电子产生。光电效应使经典的电磁理论陷入困境，包括勒纳德在内的许多物理学家，提出了种种假设，企图在不违反经典理论的前提下，对上述实验事实作出解释，但都过于牵强附会，经不起推理和实践的检验。1900年，普朗克在研究黑体辐射问题时，先提出了一个符合实验结果的经验公式，为了从理论上推导出这一公式，他采用了玻尔兹曼的统计方法，假定黑体内的能量是由不连续的能量子构成，能量子的能量为hn。能量子的假说具有划时代的意义，但是无论是普朗克本人还是他的许多同时代人当时对这一点都没有充分认识。爱因斯坦以他

10、惊人的洞察力，最先认识到量子假说的伟大意义并予以发展，1905年，在其著名论文关于光的产生和转化的一个试探性观点中写道：“在我看来，如果假定光的能量在空间的分布是不连续的，就可以更好的理解黑体辐射，光致发光，光电效应以及其它有关光的产生和转化的现象的各种观察结果。根据这一假设，从光源发射出来的光能在传播中将不是连续分布在越来越大的空间之中，而是由一个数目有限的局限于空间各点的光量子组成，这些光量子在运动中不再分散，只能整个的被吸收或产生”。作为例证，爱因斯坦由光子假设得出了著名的光电效应方程，解释了光电效应的实验结果。爱因斯坦的光子理论由于与经典电磁理论抵触，一开始受到怀疑和冷遇。一方面是因为

11、人们受传统观念的束缚，另一方面是因为当时光电效应的实验精度不高，无法验证光电效应方程。密立根从1904年开始光电效应实验，历经十年，用实验证实了爱因斯坦的光量子理论。两位物理大师因在光电效应等方面的杰出贡献，分别于1921和1923年获得诺贝尔物理学奖。密立根在1923年的领奖演说中，这样谈到自己的工作：“经过十年之久的实验、改进和学习，有时甚至还遇到挫折，在这以后，我把一切努力针对光电子发射能量的精密测量，测量它随温度，波长，材料改变的函数关系。与我自己预料的相反，这项工作终于在1914年成了爱因斯坦方程在很小的实验误差范围内精确有效的第一次直接实验证据，并且第一次直接从光电效应测定普朗克常

12、数h”。爱因斯坦这样评价密立根的工作：“我感激密立根关于光电效应的研究，它第一次判决性的证明了在光的影响下电子从固体发射与光的频率有关，这一量子论的结果是辐射的量子结构所特有的性质”。光量子理论创立后，在固体比热，辐射理论，原子光谱等方面都获得成功，人们逐步认识到光具有波动和粒子二象属性。光子的能量E=hn与频率有关，当光传播时，显示出光的波动性，产生干涉，衍射，偏振等现象；当光和物体发生作用时，它的粒子性又突出了出来。后来科学家发现波粒二象性是一切微观物体的固有属性，并发展了量子力学来描述和解释微观物体的运动规律，使人们对客观世界的认识前进了一大步。实验目的1 了解光电效应的规律，加深对光的

13、量子性的理解。2 测量普朗克常数h。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K上，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，即可得出光电管的伏安特性曲线。1、光电效应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K上，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，即可得出光电管的伏安特性曲线。图1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IUAK 关系如图3所示。从图中可见，对一定的频率，有一电压U0，当UAKU0时，电流为零，这个相

14、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，其截止电压的值不同，如图4所示。 （4）作截止电压U0与频率n 的关系图如图5所示。U0与n 成正比关系。当入射光频率低于某极限值n0（n0 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n0，在开始照射后立即有光电子产生，所经过的时间至多为109秒的数量级。n1n2n0n图2实验原理图图3同一频率,不同光强时光电管的伏安特性曲线图4不

15、同频率时光电管的伏安特性曲线图5截止电压U0与入射光频率n的关系图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n的光子具有能量E=hn，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，为最大速度，m为光电子的质量，为光的频率，h为布朗克常数。由该式

16、可见，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： eU0 （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hn0 <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n0 =A/h。将（2）式代入（1）式可得： eU0 =hnA （

17、3）此式表明截止电压U0是频率n的线性函数，直线斜率k=h/e，只要用实验方法得出不同的频率对应的截止电压，求出直线斜率，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。2、影响准确测量截止电压的因素测量普朗克参数h的关键是正确的测出截止电压U0，但实际上由于光电管制作工艺等原因，给准确测定截止电压带来了一定的困难。暗电流，本底电流和反向电流是对测量产生影响的主要因素。（1）在无光照时，也会产生电流，称之为暗电流。它是由阴极在常温下的热电子发射形成的热电流和封闭在暗盒里的光电管在外加电压下因管子阴极和阳极间绝缘电阻漏电而产生的漏电流两部分组成。（2）本底电流是周围杂散光进入

18、光电管所致。（3）反向电流是由于制作光电管时阳极上往往溅有阴极材料，所以当光照射到阳极上和杂散光漫射到阳极上时，阳极上往往有光电子发射；此外，阴极发射的光电子也可能被阳极的表面反射。当阳极A为负电势，阴极K为正电势时，对阴极K上发射的光电子而言起减速作用，而对阳极A发射或反射的光电子而言却起了加速作用，使阳极A发射岀的光电子也到达阴极K，形成反向电流。 由于上述原因，实测的光电光伏安特性曲线与理想曲线有区别。图6 光电流曲线分析实验仪器ZKY-GD-3光电效应实验仪。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5所示，测试仪的调节面板如图6所示

19、。实验仪 1 2 3 4 5 6 7图7 仪器结构示意图1汞灯电源 2汞灯 3滤色片 4光阑 5光电管 6基座 7实验仪图6 仪器前面板示意图汞灯：可用谱线365.0nm、404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm、579.0nm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：阳极为镍圈，阴极为银-氧-钾（Ag-O-K），光谱响应范围 320 700nm，暗电流：I 2×10-12A（-2 VUAK0 V）光电管电源：2档，20V，230V，三位半数显，

20、稳定度0.1%微电流放大器：6档，10-810-13A，分辨率10-13A，三位半数显，稳定度0.2%实验内容及步骤（1）测试前准备将测试仪及汞灯电源接通，预热20分钟。把汞灯及光电管暗盒遮光盖盖上，将汞灯暗盒光输出口对准光电管暗盒光输入口，调整光电管与汞灯距离为约40cm并保持不变。用专用连接线将光电管暗盒电压输入端与测试仪电压输出端（后面板上）连接起来（红红，蓝蓝）。调零：将“电流量程”选择开关置于所选档位，仪器在充分预热后，进行测试前调零。调零时，将“调零/测量”切换开关切换到“调零”档位，旋转“电流调零”旋钮使电流指示为“000”。调节好后，将“调零/测量”切换开关切换到“测试”档位，

21、就可以进行实验了。注意：在进行每一组实验前， 必须按照上面的调零方法进行调零，否则会影响实验精度。（2）测普朗克常数h问题讨论：理论上，测出各频率的光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

22、在光电管制作，或测量过程中采取适当措施以减小或消除他们的影响。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，由阴极反射照到阳极的光也很少，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。由于本仪器的特点，在测量各谱线的截止电压U0时，可不用难于操作的“拐点法”，而用“零电流法”或“补偿法”。零电流法是直

23、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U0。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很小。且各谱线的截止电压都相差U对U0-n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。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本底电流。重新让汞灯照射光电管，调节电压UAK使电流值至I1，将此时对应的电压UAK的绝对值作为截止电压U0。此法可补偿暗电流和本底电流对测量结果的影响。测量：将电压选择按键置于-2 V0 V档；将仪器按照前面方法调零；将直径4m

24、m的光阑及365.0nm的滤色片装在光电管暗盒光输入口上。从低到高调节电压，用“零电流法”或“补偿法”测量该波长对应的U0，并将数据记于表一中。依次换上404.7 nm，435.8 nm，546.1nm，577.0 nm的滤色片，重复以上测量步骤。表一、U0关系 光阑孔= mm波长i(nm)365.0404.7435.8546.1577.0频率i(×1014Hz)8.2147.4086.8795.4905.196截止电压U0i(V)数据处理：可用以下三种方法之一处理表一的实验数据，得出U0直线的斜率k。a.根据线性回归理论, U0直线的斜率k的最佳拟合值为: 其中： 表示频率的平均值 表示频率的平方的平均值 表示截止电压UO的平均值 表示频率与截止电压U0的乘积的平均值b.根据k=，可用逐差法从表三的四组数据中求出两个k，将其平均值作为所求K的数值。c.可用表三数据在座标纸上作U0直线，由图求出直线斜率k。求出直线斜率K后，可用h=ek求出普朗克常数，并与h的公认值hO比较求出相对误差 ，式中 ，。（3）测光电管的伏安