光电效应实验报告概要

光电效应实验报告姓名：付剑飞；学号：12020012010；班级：12光科摘要1887年，赫兹在研究电磁辐射时意外发现，光照射金属表面时，在一定条件下，有电子从金属的表面溢出，这种现象被称作光电效应，多溢出的电子称为光电子。由此光电子的定向运动形成的电流称为光电流。1905年爱因斯坦用光量子理论圆满解释了光电效应得出爱因斯坦光电效应方程并由此获得诺贝尔奖，可见光电效应的重要性。本次实验便是这这样的理论基础上开展的测量有关光电管的U-I曲线和截止频率等的工作。关键词光电子；截止频率；光电流；普朗克常数；截止电压；爱因斯坦方程引言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。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。通过实验有助于理解量子理论。【实验目的】1、通过实验了解光的量子性；2、测量光电管的弱电流特性，找出不同光频率下的截止电压；3、验证爱因斯坦方程，并由此求出普朗克常数。【仪器用具】 ZKY-GD-3普朗克常数测试仪。本仪器主要由光源，滤色片（5片）和光阑（3片，直径分别是2mm,4mm,8mm），光电管，微电流测量仪四部分组成。【实验原理】一、光电效应与爱因斯坦方程用合适频率的光照射在某些金属表面上时，会有电子从金属表面逸出，这种现象叫做光电效应，从金属表面逸出的电子叫光电子。为了解释光电效应现象，爱因斯坦提出了“光量子”的概念，认为对于频率为的光波，每个光子的能量为式中，为普朗克常数，它的公认值是=6.626。按照爱因斯坦的理论，光电效应的实质是当光子和电子相碰撞时，光子把全光电效应原理图由于光电子从阴极表面逸出时具有一定的初速度，所以当两极间电位差为零时，仍有光电流I存在，若在两极间施加一反向电压，光电流随之减少；当反向电压达到截止电压时，光电流为零。爱因斯坦方程是在同种金属做阴极和阳极，且阳极很小的理想状态下导出的。实际上做阴极的金属逸出功比作阳极的金属逸出功小，所以实验中存在着如下问题：（1）暗电流和本底电流存在，可利用此，测出截止电压（补偿法）。（2）阳极电流。制作光电管阴极时，阳极上也会被溅射有阴极材料，所以光入射到阳极上或由阴极反射到阳极上，阳极上也有光电子发射，就形成阳极电流。由于它们的存在，使得I～U曲线较理论曲线下移，如下图所示。伏安特性曲线【实验步骤】一、调整仪器

(1)连接仪器；接好电源，打开电源开关，充分预热（不少于20分钟）。

(2)在测量电路连接完毕后，没有给测量信号时，旋转“调零”旋钮调零。每换一次量程，必须重新调零。

(3)取下暗盒光窗口遮光罩，换上365.0nm滤光片，取下汞灯出光窗口的遮光罩，装好遮光筒，调节好暗盒与汞灯距离。注意：汞灯一旦开启不要随意关闭。点亮的汞灯如熄灭需经3-5min冷却后才能再次开启。二、测量内容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，将电压选择按键开关置于–2～＋2V档，将“电流量程”选择开关置于A档。调零。从-2V到+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。作出暗电流的I-U特性曲线并给出结论。手动测量不同波长下的光电管的I-U特性A,取下暗黑遮光罩，分别换上365.0nm、435.8nm的滤波片和2mm的光阑，微电流测试仪调零，先粗略的增大电压看整体情况，选择合适的电流放大倍率。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I-U特性曲线并求出截止电压。B,用零电流发分别测出波长为365.0nm、404.7nm、435.8nm、546.1nm、557.0nm的截止电压，这时电压档选-2-+2V合适。注意：每测完一个波长数据都需要再次调零。[实验数据及处理]一，原始数据记录如下表一暗电流和本底电流I-U对应值表电压/V-1.983-1.675-1.461-1.230-1.027-0.844-0.658-0.457-0.258电流/10e-13-0.2-0.1-0.1-0.1-0.10000电压/V0.5600.2780.2980.4690.7090.9501.1571.4021.714电流/10e-1300.10.20.20.30.40.40.50.6表二365.0nm滤色片，距离400mm，光阑直径2mm时的I-U对应值表电压/V-2.1-1.9-1.8-1.7-1.6-1.5-1.4-1.3-1.2-1.0电流/10e-10-0.013-0.00960.0090.00910.03150.08190.14030.6000.70000.9000电压/V-0.8-0.6-0.20.20.81.41.82.83.84.8电流/10e-101.01.21.62.12.83.64.36.28.09.0电压/V5.86.87.88.810.812.814.816.817.818.8电流/10e-109.710.210.911.613.214.916.718.018.719.4电压/V19.821.823.824.825.826.827.828.829.129.4电流/10e-1019.921.121.721.922.222.823.123.423.323.4表三436.0nm滤色片，距离400mm，光阑直径2mm时的I-U对应值表电压/V-2.0-1.9-1.8-1.5-1.3-1.2-1.1-1.0-0.9电流/10e-11-0.097-0.095-0.097-0.093-0.080-0.0460.0320.2480.403电压/V-0.8-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.10电流/10e-110.7061.0181.3641.7463.84.04.34.65.0电压/V0.10.20.30.40.81.82.83.84.8电流/10e-115.66.06.56.98.414.321.524.726.7电压/V5.86.87.88.89.810.811.812.813.8电流/10e-1128.530.132.334.436.139.241.144.246.4电压/V14.815.816.817.818.819.820.821.822.8电流/10e-1148.750.752.254.857.158.960.462.163.6电压/V23.824.825.826.226.827.227.828.228.5电流/10e-1164.966.167.267.868.468.969.069.669.9电压/V29.029.329.529.9电流/10e-1170.070.570.771.3表四零电流发测截止电压波长-截止电压对应值表波长/nm365.0404.7435.8546.1577.0频率/10e14HZ8.227.416.885.495.20Ua/V-1.727-1.385-1.095-0.583-0.464表五同一波长（365.0nm）同一距离（400mm）不同光阑直径I-U对应值表光阑电流/10e-10A电压/V1.85.88.812.82mm4.39.711.614.94mm12.629.936.548.58mm52.8118.3158.8213.0表六同一波长（365.0nm）同一光阑（2mm）不同距离I-U对应值表距离电流/10e-10电压/V1.85.88.812.8300mm7.61821.828.7400mm4.39.711.614.9二，实验数据处理如下:1，暗电流分析如图1所示，它显示的是暗电流和本底电流随电压的变化，即不加光照的情况下，仪器中的阴极K本身也会在常温下由于电子热运动的热电流和光电子等漏电形势下产生漏电流，这种电流并不是我们所需要的。由图可以看出，暗电流很小，在0.4*10^13A附近,通过excel可获得它的线性拟合曲线，y=0.1975x+0.1392。其实，细细分析，这条曲线根本就没有多大意义，首先，暗电流是阴极K上的电子由于一些原因脱离到阳极A中，这样使得暗电流只能小于零，而我们这里测得的数据有大于零部分。第二，由于实验室条件限制，电流测微仪准确性不够，或者说我们那台测量仪器本身就有很大的浮动，有时候光浮动都超过0.4*10^13A。但是，从数据可以看出，暗电流对该实验产生的影响很小，至少对我们组这次的实验，我们所要测得普朗克常量也可以允许有少量的误差。所以我们后面将不在分析暗电流的影响。图SEQ图\*ARABIC12，分析365.0nm、435.8nm波长时的I-U特性曲线并给出截止电压如图2、图3所示，综合这两图和上面暗电流的分析可知，由于暗电流很小，在图上根本就很难分辨出有电流小于零的部分。分析两条曲线，它们的整体走向和趋势都类似，都是递增，而且在中间部分有一大段类似线性的曲线，但注意图2的电流量程要比图3的高一个数量级，所以总体上讲，在相同的条件下，短波长的电流要大于长波长。由图2、图3可以看出，365.0nm时的截止电压Ua=-1.81V,436.0nm时截止电压Ua=-1.0V.显然，波长短的截止电压更大，这也不难理解，波长越短能量越大，光电子能量越高，所需要克服电场力做功越大，自然，所需电压越高。图SEQ图\*ARABIC2图33，根据不同波长的截止电压求普朗克常量h值如图4所示，用excel做出Ua-v的散点图并进行线性拟合，先从两条曲线大致重合和R值很接近1可以看出，数据测得准确，符合度很高。所获得的线性回归方程为y=0.4156x-1.7088，显然斜率K=0.4156，所以h’=eK=6.658*10^-34J.s。公认值为h=6.626*10^-34J.s。相对误差为|h’-h|/h=0.48%.不难看出，这个误差已经相当小。图44，验证电流与光强的关系，并得出结论如图5所示，当波长和距离一定时，改变光阑直径的大小，显然，光阑直径越小，光电流越小，而且并不是线性的减小。光阑直径为8mm的电流远大于光阑直径为4mm和2mm的电流，反而2mm和4mm的电流相差不是很大。光阑直径越大，光强也越大，可以得出结论，光强越大，光电流越大。当然前提是光频率的大小要大于截止频率。如图6所示，当波长和光阑直径一定时，改变距离的大小，显然，距离越小，光电流越大，距离越小，光强也越大，可以得出结论，光强越大，光电流越大。前提是光频率的大小要大于截止频率。总之，光频率在大于截止频率时，光强越大，光电流越大。图SEQ图\*ARABIC3图SEQ图\*ARABIC45，误差分析对于普朗克常量的确定，是通过测不同频率下的截止电压的大小来得到的。而其主要误差也就是在这一测量过程中产生的。查阅有关资料知为了能准确测定普朗克常数,实验中所用的光电管必须具备下列条件:对可见光区域内所有谱线都较灵敏；(2)阳极包围阴极,这样当阴极有负电位时,大部分光电子都能到达阳极；(3)阳极没有光电效应,不会产生反向电流；(4)光电管的暗电流很小；(5)减小或避免杂散光的影响。综合其它的影响可知，在实验中的主要误差有：光电管中暗电流的影响；滤色片产生的滤色光并不完全单一；实验汞灯受交变电压影响而不能完全稳定；仪器读数微小跳动的读数误差；暗箱封闭不严而受杂质光的影响。测量过程中产生的反向电流的影响；对于以上各种误差，分析可知，由于实验中产生的暗电流很小（低于实验测量的精度）故1暗电流的影响可忽略不计；而对于2、5的影响可通过仪器采购途径实现；而对于3个人认为可以通过在装置前加稳压器来实现微小电压扰动对实验的影响；对4完全可通过操作者本人的良好的实验习惯来实现。最后，对于6中反向电压的影响，查阅有关资料知：光电管在制造的过程中，很难保证阳极不被阴极材料所污染(即阴极表面的低逸出功材料溅射到阳极上）。而且查知这种污染会在光电管的反复使用过程中日趋加重，造成被污染后的阳极逸出功降低。当从阴极反射过来的散射光照到它时便会发射出光电子而形成阳极光电流反向电流。使得实验结果产生一定的偏差。而对此我们可通过切断阴极反射过来的散射光与阳极间的联系从而避免反向电流的影响。实验者自身的影响：（1）从不同频率的伏安特性曲线读到的“抬头电压”（截止电压），不同人读得的不一样，经过处理后的到Us____v曲线也不一样，测出的数值就不一样；（2）调零时，可能会出现误差，及在测量时恐怕也会使原来调零的系统不再准确。参考值本身就具有一定的精确度，本身就有一定的误差。理论本身就有一定的误差，例如，1963年Ready等人用激光作光电发射实验时，发现了与爱因斯坦方程偏离的奇异光电发射。1968年Teich和Wolga用GaAs激光器发射的hn=1.48eV的光子照射逸出功为A=2.3eV的钠金属时，发现光电流与光强的平方成正比。按爱因斯坦方程，光子的频率处于钠的阀频率以下，不会有光电子发射，然而新现象却发生了，不但有光电子发射，而且光电流不是与光强成正比，而是与光强的平方成正比。于是，人们设想光子间进行了“合作”，两个光子同时被电子吸收得以跃过表面能垒，称为双光子光电发射。后来，进一步的实验表明，可以三个、多个、甚至40个光子同时被电子吸收而发射光电子，称为多光子光电发射。人们推断，n光子的光电发射过程的光电流似乎应与光强的n次方成正比。【实验改进方案】针对本底电流产生的原因，可设计一个遮光罩，罩住从汞灯到光电管这段测量线路，来减少周围杂散光对实验的影响。实验中电流数据会有微小跳动，可能是由于逸出的光电子朝各个方向运动的都有，而光电倍增管没有及时捕捉到所有的光电子，从而产生跳动，可对光电倍增管进行改进。再者，光子本来就是一份一份的，打在阴极板上，不可能每时每刻的光量子都相同，并且经过空气，加上电流传输的过程中对电源电压的影响以及电子的飘逸，导致了电