光电效应讲义

PAGEPAGE3实验三光电效应【实验目的】加深对光的量子性的认识。验证爱因斯坦方程，测定普朗克常数。测定光电管的伏安特性曲线。【实验原理】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。光电效应是光的经典电磁理论所不能解释的。1905年爱因斯坦依照普朗克的量子假设，提出了光子的概念。他认为光是一种微粒—光子；频率为的光子具有能量h，h为普朗克常数，目前国际公认值为h=(6．6260755±0．0000040)×10-34J·s。当金属中的电子吸收一个频率为的光子时，便获得这光子的全部能量h，如果这能量大于电子摆脱金属表面的约束所需要的逸出功W，电子就会从金属中逸出．按照能量守恒原理有：(3.1)上式称为爱因斯坦方程，其中m和vm是光电子的质量和最大速度，是光电子逸出表面后所具有的最大动能．它说明光子能量h小于W时，电子不能逸出金属表面，因而没有光电效应产生；产生光电效应的入射光最低频率=W／h，称为光电效应的极限频率(又称红限)。不同的金属材料有不同的逸出功，因而也是不同的。用光电管进行光电效应实验，测量普朗克常数的实验原理如图3.1所示。图中K为图3.1光电效应实验原理图光电管的阴极，A为阳极，微安表用于测量微小的光电流，电压表用于测量光电管两极间的电压，E为电源，R提供的分压可以改变光电管两极间的电势差。当单色光入射到光电管的阴极K上时，如有光电子逸出，则当阳极A加正电势，K加负电势时，光电子就被加速；而当K加正电势，A加负电势时，光电子就被减速。当A、K之间所加电压U足够大时，光电流达到饱和值Im,当U≤-U0，并满足方程源为-3～+3V连续可调，电压量程分0V～±1V～±2V～±3V六段读数，读数精度0．02V。测量放大器可以连续地工作8小时以上。图3.5光电效应实验装置示意图【实验内容】测试前的准备(1)将光源、光电管暗盒、微电流测量放大器安放在适当位置，连接好光电管暗盒与测量放大器之间的屏蔽电缆、地线和阳极电源线。参见图3.5和图3.6。将微电流测量放大器面板上各开关、旋钮置于下列位置：“倍率”开关置“ZERO”；“电流极性”置“-”；“工作选择”置“DC”；“扫描平移”任意；“电压极性”置“-”；“电压量程”置“-3”；“电压调节”反时针调到头。(2)打开微电流测量放大器电源开关让其预热20-30分钟。在光电管暗盒的光窗上装光阑；并盖上遮光罩，打开光源开关，让汞灯预热。测量光电管的I—U特性使暗盒离开光源30～50cm，基本等高，暗盒窗口正对光源出射孔。取去暗盒窗口上的遮光罩，换上波长λ=365nm的滤色片。将倍率旋钮置于“10-7”档，此时光电流大小应在此量程范围内（注意，光电管暗盒正对汞灯时，电流最小）。选择合适的电流和电压量程，测出-3～3V时不同电压下的光电流。测量时，-3～0V时每0.1V测一个点，0V以上可加大间隔。测量光电管拐点和本底电流。依次调换不同波长的滤色片，重复上面的测量，只测-3～0V时的光电流，每0.1V测一个点。挡住汞灯出光口，测量0V时光电管的本底电流（每个滤色片都测）。测量光电管的暗电流。用遮光罩罩住光电管暗盒，测量0V时光电管的暗电流。求普朗克常数h把不同频率下的截止电压描绘在方格纸上，如果实验结果准确，则U0=f(ν)关系曲线是一直线，求出直线的斜率，从而可算出普朗克常数h，并将结果与公认值比较，求出百分误差。【注意事项】在数据表格后加拐点及本底电流数据表（365nm的本底电流记在I—V表中）。电压（V）-3.0-2.9-2.8-2.7-2.6-2.5-2.4-2.3-2.2-2.1-2.0405nm436nm546nm577nm电压（V）-1.9-1.8-1.7-1.6-1.5-1.4-1.3-1.2-1.1-1.0-0.9405nm436nm546nm577nm电压（V）-0.8-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.10本底405nm436nm546nm577nm微电流测量放大器必须充分预热。为避免强光直射阴极缩短光电管寿命，更换滤色片时以及实验完毕后用遮光罩盖住光电管暗