试验一光电效应讲义

实验一光电效应1887年，赫兹在研究电磁辐射时意外发现，光照射金属表面时，在一定的条件下,有电子从金属的表面溢出，这种物理现象被称作光电效应，所溢出的电子称光电子。由此光电子的定向运动形成的电流称光电流。1888年以后，W.哈尔瓦克斯、A.r.斯托列托夫、P.勒纳德等人对光电效应进行了长时间的研究，并总结出了光电效应的基本实验事实：.光强一定时，光电管两端电压增大时，光电流趋向一饱和值。对于同一频率不同光强时，光电发射率（光电流强度或逸出电子数）与光强P成正比，见图1（a）、（b）。.对于不同频率的光,其截止电压不同，光电效应存在一个阈频率（截止频率、极限频率或红限频率），当入射光频率低于某一阈值时，不论光的强度如何，都没有光电子产生，见图1（c）、（d）。.光电子的动能与入射光强无关，但与入射光的频率成线性关系。.光电效应是瞬时效应，一经光束照射立即产生光电子。图1 光电效应规律上述实验事实用麦克斯韦的经典电磁理论无法作出圆满的解释。1905年，爱因斯坦用光量子理论圆满解释了光电效应，并得出爱因斯坦光电效应方程。后来密立根对光电效应展开全面的实验研究，证明了爱因斯坦光电效应方程的正确性，并精确测出普朗克常数h。因为在光电效应等方面的杰出贡献，爱因斯坦和密立根分别于1921年和1923年获得诺贝尔物理学奖。光电效应和光量子理论在物理学的发展史上具有划时代的意义，量子论是近代物理的理论基础之一。而光电效应则可以给量子论以直观鲜明的物理图像。随着科学技术的发展，利用光电效应制成的光电元件在许多科技领域得到广泛的应用，并且至今还在不断开辟新的应用领域，具有广阔的应用前景。本实验利用“减速电势法”测量光电子的动能，从而验证爱因斯坦方程，并测得普朗克常数。经过本实验有助于进一步理解量子理论。【实验目的】.通过实验了解光的量子性。.测量光电管的弱电流特性，找出不同光频率下的截止电压。.验证爱因斯坦方程，并由此求出普朗克常数。【实验原理】当一定频率的光照射某些金属表面时，可以使电子从金属表面逸出，这就是光电效应现象。1900年德国物理学家普朗克^h欣）在研究黑体辐射时，提出辐射能量不是连续的的假设。1905年爱因斯坦在解释光电子效应时，将普朗克也珀欣）的辐射能量不连续的假设作了重大发展。提出光并不是由麦克斯韦（Maxwell）电磁场理论提出的传统意义上的波。而是由能量为hv的光电子（简称光子）构成的粒子流。他认为光是以能量Ehv的光量子的形式一份一份向外辐射。具有能量hv的一个光子作用于金属中的一个自由电子，光子能量hv或者被完全电子吸收，或者完全不吸收。电子吸收光子能量hv后，一部分用于逸出功人，剩余部分成为逸出电子的最大动能，如果此能量大于或等于电子摆脱金属表面约束的逸出功，电子就能从金属中逸出。按照能量守恒定律有：(1)%mV2A(1)(1)式即为爱因斯坦方程，其中卜为普朗克常量，为光电子频率，嗫表示逸出光电子的最大速率，12mV2为光电子逸出金属表面时所具有的最大初动能，A为光束照/乙m射金属材料逸出功。此式表明：光电子的初动能与入射光的频率有线性关系，而与入射光强度无关。若入射光频率低，光子能量小于逸出功人时，将不会产生光电效应。此时对应入射光频率为：0Ah ⑶。为极限频率。不同金属材料因逸出功不同，其极限频率也各不相同。本实验采用减速电场法，实验原理如图2所示，当单色光照射到光电管的阳极K上时，有光电子逸出。若给阳极A加上正向电压，阳极K加上反向电压，光电子被加速，光电流增加。而当阳极K加上正向电压，阳极A加上反向电压时，光电子减速。由于光电子具备初动能，即使不加外加速电压时，仍然有光电子落到阳极。当光电管加反向电压(A反向，K正向)光电流减少，直到电压达至|」Ua时，光电流为0，此时没有光电子逸出，U称为截止电压。与此对应的光电子最大初动能应等a于它克服电场力所做的功。(3)光电流与外加电压的伏安特性曲线如图3所示。

图2实验原理图频率为了强度为产的光束图2实验原理图频率为了强度为产的光束将（1）和（2）代入（3）式可得（4）TOC\o"1-5"\h\zh A h（4）U — — —\o"CurrentDocument"a e e e 0(4)式表明：截止电压(4)式表明：截止电压Ua与入射光频率是线性关系，只要测出不同频率下的U值,a做出u曲线，该曲线应为一直线，见图4。其斜率为he，从而可以求出卜。a e实际测出的曲线较图4复杂，如图实际测出的曲线较图4复杂，如图5所示：图4Ua曲线 图5"一।曲线主要影响因素有以下几个方面：.暗电流和本底电流：当光电管在没有受到光照时产生的电流叫做暗电流。它主要是由阳极(K)在常温下的电子热运动产生的热电流和光电子等漏电形式下的漏电流组成。本底电流是由于各种漫反射光照在对光电二电极上引起的电流。这两种电流都会随外电压的变化而变化,且二者都使外电压为-Ua时，光电流不能降为0。为此应尽量减少杂散光进入光电管，并保持底座、引脚和玻璃泡的清洁与干燥。因暗电流和本底电流均属于直流，可使用交流电光源和交流放大器，以减少上述因素的影响。.反向电流：在制作和使用光电管时，阳极A上会溅有阳极材料，当光束照射到阳极A上时，阳极也会发射电子，阳极K上发射的光电子也可能被A表面所反射，反向的电压对阳极发射的光电子起加速作用，形成反向饱和电流。因此在实验时，应适当减小光阑的孔径，并调整暗盒的方向避免光直接照射到阳极上，从而使反向电流最小。.接触电位差：必须指出，爱因斯坦方程是在同种金属做发射体（阳极）和接受体（阳极）的情况下导出的。不同的两种金属相接触的地方存在着接触电位差。接触电位差的大小与金属的逸出功有关。由于阳极、阳极和导线的材料不同而形成的电位差为接触电压。此电压难以测量，因而给实验带来误差。由于接触电压是不随入射光的频率变化的常数，只影响U的准确性，不影响U图的直线斜率，：，对测定h无影响。a a ，e【实验配置】.实验装置：ZKY-GD-3普朗克常数测试仪。.实验仪器：本仪器主要由汞灯及光源，滤色片，光阑，光电管，微电流测量仪四部分组成。如图6所示：图6 实验原理图(1)光电管：GDH-1型。阳极为镍圈。阳极为银-氧-钾，光谱范围分300-700nm,最小阳极光灵敏度1A/Lm，暗电流21012A(2VUAK0V)。(2)光源仪器用高压汞灯。在3023-8720的谱线范围内有6条谱线可供使用。如表1所示：表1TOC\o"1-5"\h\z波长/3650 4047 4358 5461 5770 5790(3)滤色片:一组5片，它可以透射中心波长为：3650、 4047、4358、 5461 、5770 。(4)光阑3片，直径2mm,4mm,8mm。(5)微电流测量放大器：控制面板如图7。电流测量范围在108—1013A,三位半数显。机内附有两档-2V-+2V,-2—+30V精密连续可调的光电管工作电压源，稳定度力猿，三位半数显。图7 微型电流放大器面板图【实验内容及步骤】.测试前的准备(1)认真阅读光电效应实验仪的使用说明书。(2)安放好仪器，用遮光罩罩住暗盒的光窗。(3)将光源、光电管暗盒、微电流测量仪安排在适当位置。光源汞灯与光电管距离约40cm在暗盒上装入直径4mm的光阑，并用遮光罩盖住光电管暗盒的光窗。(4)接好电源，打开微电流放大器的电源开关和光源开关，预热20―30分钟然后调整测量放大器的零点和满度。注意：汞灯一旦开启，不要随意关闭。点亮的汞灯如熄灭需经3-5分钟冷却后才能再次开启。.测量内容(1)测量光电管的暗电流和本底电流用遮光罩盖住光电管暗盒的光窗，顺时针缓慢旋转“电压调节”旋钮，并合适地改变“电压量程”和“电压极性”开关，从-2V-+2V之间每变化0.2V测量一组数据，记录电压及对应电流值.该电流为光电管的暗电流和本底电流。做出暗电流的IU特性曲线并给出结论。⑵手动测量不同波长下光电管的1U特性。①取下暗盒遮光罩，分别换上365.0nm、435.8nm的滤色片和2mm的光阑，微电流放大器倍率置10JA或1012A档（只是作为参考，具体量程应根据实际情况确定）,“电压调节选择-2—+30V档，从低到高调节电压记录对应的电流值，做出1U特性曲线并求出截止电压。②分别测出波长为365.0、404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm的截止电压（可用零电流法或补偿法）。（3）验证光电流与光强的关系①在同一波长（如365.0nm）下，同一入射光距离不变的情况下，分别放置2mm,4mm,8mm光阑时，按上述方法测量IU值。验证光电流与光强的关系。②在同一波长（如365.0nm）下，同一光阑（2mm,4mm,8mm）时，光电管与入射光不同距离时（如300mm,400mm）按上述方法测量IU值。验证光电流与光强的关系。（4）数据处理①所有的测量数据均要列出表格，给出相应结论。@.作出暗电流和本底电流的IU特性曲线并给出结论。b.做出365.0nm、435.8nmIU特性曲线并求出截止电压。口测出波长为365.0、404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm的截止电压并求h值。利用以下两种方法求出卜值并计算误差，分析误差的产生原因：▲以Ua为纵坐标，以为横坐标在坐标纸上绘制出对应直线。求出直线的斜率k。将其代入人巾求出卜。并计算出测量值和公认值之间的误差。▲利用线形回归法（最小乘法）求出最佳直线斜率k,然后求出八，并计算出测量值和公认值之间的误差。 — jkUaUaZ—/ 2 2d.验证光电流与光强的关系，并得出结论。【注意事项】.滤色片一定安装在暗盒光窗上。.更换滤色片是，一定使用遮光罩盖住暗盒光圈。.不能用手触摸滤光片。【思考题】.实验时，如果改变光电管与暗盒的距离对IU曲线有无影响？.为什么利用作图法求卜不受接触电压的影响？.光电流或截止电压随光源光强变化吗？对这些现象的解释与光的波动理论是否一致？.光电管的阳极用涂有溢出功小的光敏材料，而阳极则采用溢出功大的金属材料制造，为什么？.本实验有哪些误差来源，实验中如何减小误差，你有何改进建议？光电效应在技术中的应用利用光电效应制成的光电管在工业生产和现代科学技术领域得到广泛的应用，这里仅举两例。光控制电器利用光电管制成的光控制电器，可以用于自动控制，如自动计数、自动报警、自动跟踪等等，图8是光控继电器的示意图，它的工作原理是：当光照在光电管上时，光电管电路中产生电光流，经过放大器放大，使电磁铁M磁化，而把衔铁N吸住，当光电管上没有光照时，光电管电路中没有电流，电磁铁M就自动控制，利用光电效应还可测量一些转动物体的转速。图8图8光控制电器原理图9 光电倍增管结构图光电倍增管利用光电效应还可以制造多种光电器件，如光电倍增管、电视摄像管、光电管、电光度计等，这里介绍一下光电倍增管。这种管子可以测量非常微弱的光。图9是光电倍增管的大致结构，它的管内除有一个阳极K和一个阳极A外，还有若干个倍增电极K1、K2、K3、K4、K5等。使用时不但要在阴极和阳极之间加上电压，各倍增电极也要加上电压，使阳极电势最低，各个倍增电极