光电效应测定普朗克常数

1、近代物理实验近代物理实验3232WmVhv221A.爱因斯坦爱因斯坦M.普朗克普朗克sJh341062916.6 光电效应现象：光电效应现象： 1887 1887年德国物理学家年德国物理学家H.R.H.R.赫兹发现电火花间隙赫兹发现电火花间隙受到紫外线照射时会产生更强的电火花。赫兹的论文紫外光对放电受到紫外线照射时会产生更强的电火花。赫兹的论文紫外光对放电的影响发表在的影响发表在18871887 年物理学年鉴上。论文详细描述了他的发年物理学年鉴上。论文详细描述了他的发现。现。 赫兹的论文发表后，立即引起了广泛的反响，许多物理学家纷纷赫兹的论文发表后，立即引起了广泛的反响，许多物理学家纷纷对此现

2、象进行了研究，用紫外光或波长更短的对此现象进行了研究，用紫外光或波长更短的X X光照射一些金属，都光照射一些金属，都观察到金属表面有电子逸出的现象，称之为光电效应。观察到金属表面有电子逸出的现象，称之为光电效应。 对于光电效应的实验规律，经典的波动理论无法给出圆满的解释。对于光电效应的实验规律，经典的波动理论无法给出圆满的解释。19051905年爱因斯坦受普朗克量子假设的启发，提出了光量子假说，即：年爱因斯坦受普朗克量子假设的启发，提出了光量子假说，即：一束光是一粒一粒以光速一束光是一粒一粒以光速C C运动的粒子流，这些粒子称为光子，光子运动的粒子流，这些粒子称为光子，光子的能量为的能量为E

3、Ehvhv（h h为普朗克常数，为普朗克常数，v v为光的频率）。根据光量子假说，为光的频率）。根据光量子假说，爱因斯坦给出了著名的光电效应方程，并成功地解释了光电效应的各爱因斯坦给出了著名的光电效应方程，并成功地解释了光电效应的各条实验规律。条实验规律。 然而，爱因斯坦的光量子假说和光电效应方程并没有立即得到然而，爱因斯坦的光量子假说和光电效应方程并没有立即得到人们的承认，原因是经典的电磁理论的传统观念束缚了人们的思想，人们的承认，原因是经典的电磁理论的传统观念束缚了人们的思想，同时这个假说未获得全面的验证。同时这个假说未获得全面的验证。 1912-1915年间，密立根以卓越的研究方法和精湛

4、的实验技术，检验了爱年间，密立根以卓越的研究方法和精湛的实验技术，检验了爱因斯坦因斯坦1905年提出的光电效应公式。于年提出的光电效应公式。于1916年发表论文证实了爱因斯坦方程年发表论文证实了爱因斯坦方程的正确性，并直接运用光电方法对普朗克常数的正确性，并直接运用光电方法对普朗克常数h作了首次测量。作了首次测量。 1922年，康普顿发现了年，康普顿发现了“康普顿效应康普顿效应”，他采用单个光子和自由电子的简，他采用单个光子和自由电子的简单碰撞理论，对这个效应做出了满意的理论解释，进一步证实了爱因斯坦的光单碰撞理论，对这个效应做出了满意的理论解释，进一步证实了爱因斯坦的光子理论。子理论。 密立

5、根和康普顿的精密实验研究终于确立了光量子论的地位。密立根和康普顿的精密实验研究终于确立了光量子论的地位。 密立根（密立根（Robert Andrews Millikan,1868-1953)因对基本电荷和光电效应的研究，获得了因对基本电荷和光电效应的研究，获得了1923年度的诺贝尔物理学奖。年度的诺贝尔物理学奖。 R.密粒根密粒根 康普顿（康普顿（Arthur Holly Compton, 1892-1962）因发现康普顿效应获得了）因发现康普顿效应获得了1927年度的诺贝尔物理学奖。年度的诺贝尔物理学奖。 H.康普顿康普顿 爱因斯坦（爱因斯坦（Albert Einstein, 1879-19

6、55）因在理论物理方面的成就，尤其是发现了光电效因在理论物理方面的成就，尤其是发现了光电效应的规律，获得了应的规律，获得了1921年度的诺贝尔物理学奖。年度的诺贝尔物理学奖。 A.爱因斯坦爱因斯坦 滤色片滤色片: : 是一组外径为是一组外径为36mm36mm的宽带通型有色玻璃组合滤色片的宽带通型有色玻璃组合滤色片, ,具有滤选具有滤选 3650A,4047A,4358A,5461A和和5770A等谱线的能力等谱线的能力。 滤色片性能表滤色片性能表 中性减光片中性减光片: :是三块一组外径是三块一组外径为为 36mm的中性减光片。光通的中性减光片。光通过减光片后过减光片后, ,光强将减弱。在单光

7、强将减弱。在单色光为色光为5770A时，其减光率分别时，其减光率分别可达可达25%、50%、和、和75%。 当一定频率的光照射到某些金属表面上时，可以使电子从金属表面逸出，当一定频率的光照射到某些金属表面上时，可以使电子从金属表面逸出，这种现象称为光电效应，所产生的电子称为光电子。这种现象称为光电效应，所产生的电子称为光电子。光电效应的实验规律：光电效应的实验规律： 饱和光电流与入射光强成正比；饱和光电流与入射光强成正比；( (频率相同）频率相同） 光电效应存在一个截止频率光电效应存在一个截止频率 ，当入射光的频率，当入射光的频率 时，不论光的强度时，不论光的强度如如 何都没有光电子产生；何都

8、没有光电子产生； 光电子的初动能与光强无关，而与入射光的频率成正比；光电子的初动能与光强无关，而与入射光的频率成正比； 只要只要 ，无论光强如何，都会立即引起光电子发射，无论光强如何，都会立即引起光电子发射， 。 对于这些实验事实，经典的波动理论无法给出圆满的解释。对于这些实验事实，经典的波动理论无法给出圆满的解释。 0v0vv st9100vv 爱因斯坦光量子理论：爱因斯坦光量子理论： 爱因斯坦受普朗克量子假设的启发，提出了光量子假设，当光子照射金爱因斯坦受普朗克量子假设的启发，提出了光量子假设，当光子照射金属时，金属中的电子全部吸收光子的能量属时，金属中的电子全部吸收光子的能量hv，电子把

9、光子能量的一部分变成，电子把光子能量的一部分变成它逸出金属表面所需的功它逸出金属表面所需的功W，另一部分转化为光电子的动能，即：，另一部分转化为光电子的动能，即：WmVhv221爱因斯坦方程爱因斯坦方程爱因斯坦光量子理论圆满地解释了光电效应的各条实验规律。爱因斯坦光量子理论圆满地解释了光电效应的各条实验规律。SeUmV221图图1光电效应实验原理图光电效应实验原理图UGSUUImI0图图2 IU 特性曲线特性曲线（频率相同）（频率相同）光强较大光强较大光强较小光强较小 截止频率截止频率 ：根据爱因斯坦方程，只有当：根据爱因斯坦方程，只有当 才会有光电子发射，即才会有光电子发射，即截止频率为截止

10、频率为 （ 值随金属种类不同而不同值随金属种类不同而不同 ）0vWhv hWv00vSU 反向遏止电压反向遏止电压 ：使光电流为零而在光电管两端所加的反向电压（如图：使光电流为零而在光电管两端所加的反向电压（如图2所示），显然，反向遏止电压的物理含义为所示），显然，反向遏止电压的物理含义为 根据根据SeUmV2210vvehUShWv0WmVhv221SUv0v 上式说明上式说明 与入射光频率与入射光频率 成直线关系，实验中可用不同频率的成直线关系，实验中可用不同频率的入射光照射，分别找到相应的遏止电压入射光照射，分别找到相应的遏止电压 ，就可作出，就可作出 的实验的实验直线，此直线的斜率就是

11、直线，此直线的斜率就是 SU 由该直线与横轴的交点，可求出由该直线与横轴的交点，可求出“红限红限”频率频率 。这就是密立根验。这就是密立根验证爱因斯坦光电效应方程的主要实验思想。证爱因斯坦光电效应方程的主要实验思想。vUSehk 则普朗克常数则普朗克常数ekh 注：注：dI 实际测量的光电管伏安特性曲线如实际测量的光电管伏安特性曲线如图图3所示。这是由于在实验进行时，光所示。这是由于在实验进行时，光电管中还伴有两个现象，即阳极的光电电管中还伴有两个现象，即阳极的光电子发射和暗电流。阳极的光电子发射是子发射和暗电流。阳极的光电子发射是阳极材料在光照下发射的光电子，对这阳极材料在光照下发射的光电子

12、，对这些光电子而言，外加反向电场是加速电些光电子而言，外加反向电场是加速电场，因此它们很容易到达阴极，形成反场，因此它们很容易到达阴极，形成反向电流。暗电流向电流。暗电流 则是在无光照射时，则是在无光照射时，外加反向电压下光电管流过的微弱电流。外加反向电压下光电管流过的微弱电流。由于这两个因素的影响，实验中实测的由于这两个因素的影响，实验中实测的IU特性曲线往往如图特性曲线往往如图3所示。曲线的所示。曲线的下部转变为直线，转变点下部转变为直线，转变点B(抬头点抬头点)对应对应的外加电压值才是遏止电压。的外加电压值才是遏止电压。图图3 IU实验曲线实验曲线暗电流暗电流实验曲线实验曲线SUUImI

13、0SUB一、测量一、测量IU伏安特性曲线伏安特性曲线 将挡光盖盖住光源出光孔，把暗盒入光孔套架上挡光盖取下来，换上滤将挡光盖盖住光源出光孔，把暗盒入光孔套架上挡光盖取下来，换上滤色片，再从光源出光孔上取下挡光盖，顺时针旋转色片，再从光源出光孔上取下挡光盖，顺时针旋转“电压调节电压调节”旋钮，使电旋钮，使电压由压由-3V逐渐升高到逐渐升高到30V，观察光电流的变化，记下一组，观察光电流的变化，记下一组IU值，由短波到值，由短波到长波逐次换上五种不同波长的滤色片，这样可记长波逐次换上五种不同波长的滤色片，这样可记5组组IU值。值。注意测量点应合理分配，具体为：注意测量点应合理分配，具体为： 3V

14、0V 电流开始变化电流开始变化(急剧变化急剧变化)时细测几个点时细测几个点(间隔间隔0.1V或或0.2V) 0V 10V 每隔每隔1V记一个电流值记一个电流值 10V 30V 每隔每隔5V记一个电流值记一个电流值二、测量二、测量IP特性特性(光电特性光电特性)曲线曲线 把把577型滤色片装在暗盒光窗上，电压由型滤色片装在暗盒光窗上，电压由0V升到升到30V，记下饱和电压值，记下饱和电压值，我们可视之为透光率为我们可视之为透光率为100%的情况，还可测出透光率分别为的情况，还可测出透光率分别为75%，50%和和25%的三种情况，即将三块减光片分别装在光源出光口，电压都是从的三种情况，即将三块减光片分别装在光源出光口，电压都是从0V升到升到30V的。由此可观察饱和光电流与光的强度的关系。的。由此可观察饱和光电流与光的强度的关系。 一、根据测量数据作出一、根据测量数据作出5种不同频率的照射光所对应种不同频率的照射光所对应 的的IU伏安特性曲线，由此确定伏安特性曲线，由此确定5种不同频率的照射光所对应截止种不同频率的照射光所对应截止电压值。电压值。参考表格：参考表格：数据拟合：数据拟合：1作图法作图法作出作出USv的实验直线，求此直线的斜率的实验直线，求此直线的斜率k；普朗克常数普朗克常数 hek （与公认值进行比较，计算相对不确定度）（