南昌大学物理实验报告光电效应资料下载.pdf

1、光电效应 二、实验目的：1、通过实验深刻理解爱因斯坦的光电效应理论，了解光电效应的基本规律；2、掌握用光电管进行光电效应研究的方法；3、学习对光电管伏安特性曲线的处理方法，并用以测定普朗克常数。三、实验仪器：光电效应测试仪、汞灯及电源、滤色片、光阑、光电管、测试仪 四、实验原理：1、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 E=h，其中 南昌大学物理实验报告 2017 为普朗克常数。按照爱因斯坦的理论，光电

2、效应的实质是当光子和电子相碰撞时，光子把全部能量传递给电子，电子所获得的能量，一部分用来克服金属表面对它的约束，其余的能量则成为该光电子逸出金属表面后的动能。爱因斯坦提出了著名的光电方程：h=122+式中，为入射光的频率，m 为电子的质量，v为光电子逸出金属表面的初速度，W 为被光线照射的金属材料的逸出功，1/2mv2 为从金属逸出的光电子的最大初动能。由（1）式可见，入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子动能必然也越大，所以即使阴极不加电压也会有光电子落入阳极而形成光电流，甚至阳极电位比阴极电位低时也会有光电子落到阳极，直至阳极电位低于某一数值时，所有光电子都不能到达阳极，光电流才为零。这个

3、相对于阴极为负值的阳极电位 0U 被称为光电效应的截止电压。显然，有 e0-1/2m2=0 （2）代入上式即有 h=0+w （3）由上式可知，若光电子能量 h+W，则不能产生光电子。产生光电效应的最低频率是 0=W/h，通常称为光电效应的截止频率。不同材料有不同的逸出功，因而0也不同。由于光的强弱决定于光量子的数量，所以光电流与入射光的强度成正比。又因为一个电子只能吸收一个光子的能量，所以光电子获得的能量与光强无关，只与光子的频率成正比，将（3）式改写为=（）南昌大学物理实验报告 2017 上式表明,截止电压0是入射光频率的线性函数，如图 2，当入射光的频率=0时，截止电压0=0，没有光电子逸

4、出。图中的直线的斜率 k=h/e 是一个正的常数：k=h/e （5）由此可见，只要用实验方法作出不同频率下的 U0-曲线，并求出此曲线的斜率，就可以通过式（5）求出普朗克常数 h。其中 e=1.601019是电子的电量 1.1.光电效应的伏安特性曲线光电效应的伏安特性曲线 图 3 是利用光电管进行光电效应实验的原理图。频率为、强度为 P 的光线照射到光电管阴极上，即有光电子从阴极逸出。如在阴极 K 和阳极 A 之间加正向电压它使 K、A 之间建立起的电场对从光电管阴极逸出的光电子起加速作用，随着电压的增加，到达阳极的光电子将逐渐增多。当正向电压U增加到时，光电流达到最大，不再增加，此时即称为饱

5、和状态，对应的光电流即称为饱和光电流。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：南昌大学物理实验报告 2017 暗电流和本底电流。当光电管阴极没有受到光线照射时也会产生电子流，称为暗电流。它是由电子的热运动和光电管管壳漏电等原因造成的。室内各种漫反射光射入光电管造成的光电流称为本底电流。暗电流和本底电流随着 K、A 之间电压大小变

6、化而变化。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，使得实际 IU 曲线较理论曲线下移 由于暗电流是由阴极的热电子发射及光电管管壳漏电等原因产生，与阴极正向光电流相比，其值很小，且基本上随电位差 U 呈线性变化，因此可忽略其对遏止电位差的影响。阳极反向电流虽然在实验中较显著，但它服从一定规律。因此，确定遏止电位差值可采用以下两种方法 交点法交点法 光电管阳极用逸出功较大的材料制作，制作过程中尽 量防止阴极材料蒸发，实验前对光电管阳极通电，减少其上溅 射的阴极材料，实验中避免入射光直接照射

7、到阳极上，这样可使它的反向电流大大减少，其伏安特性曲线与图 5 十分接近，因此曲线与 U 轴交点的电位差值近似等于遏止电位差 U0，此即本实验采用的交点法（或零电流法）（2）（2）拐点法拐点法 光电管阳极反向电流虽然较大，但在结构设计上，若使反向光电流能较快地饱和，则伏安特性曲线在反向电流进入饱和段后南昌大学物理实验报告 2017 有着明显的拐点，如图 6 中虚线所示的理论曲线下移为实线所示的实测曲线，遏止电位差 U0 也下移到 U0 点。因此测出 U0 点即测出了理论值 U0 五、实验内容及步骤：1 1 调整仪器调整仪器 （1 1）连接仪器；接好电源，打开电源开关，充分预热（不少于 20 分

8、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。2 2、测量普朗克常数、测量普朗克常数 h h （1）将电压选择按键开关置于22V 档，将“电流量程”选择开关置于 A 档。将测试仪电流输入电缆断开，调零后重新接上（2）将直径为 4mm 的光阑和 365.0nm 的滤色片装在光电管电暗箱输入口上。（3）从高到低调节电压，用“零电流法”测量该波长对应的0U，并数据记录。（4）依次换上 405nm、436nm、546nm、577n

9、m 的滤色片，重复步骤（1）、（2）、（3）。（5）测量三组数据,然后对 h南昌大学物理实验报告 2017 求平均值 3 3、测量光电管的伏案特性曲、测量光电管的伏案特性曲线：（1）暗盒光窗口装 365nm 滤光片和 4mm 光阑，缓慢调节电压旋钮，令电压输出值缓慢由 0V 伏增加到 30V，每隔 1V 记一个电流值。但注意在电流值为零处记下截止电压值。（2）在暗盒光窗口上换上577nm滤光片，仍用4mm的光阑，重复步骤（1）。（3）选择合适的坐标，分别作出两种光阑下的光电管伏安特性曲线 UI 4 4、探究饱和电流与光通量、光强的关系、探究饱和电流与光通量、光强的关系 控制电压 U=30.0V

10、,波长为 365nm,L=400nm 时，记录光阑孔分别为 2、4、8 时的电流。（2）制电压 U=30.0V,波长为 365nm,光阑孔为 2nm 时，记录距离 L 分别为 300nm、350nm、400mm 时的电流。六、数据记录与处理：表一表一 波长 365 405 436 546 546 频率 1014 8.214 7.408 6.879 5.490 5.196 截止电压-1.809-1.482-1.278-0.706-0.501 南昌大学物理实验报告 2017 计算普朗克常量:当利用不同频率的单色光分别作光源时,可以测出不同频率下的 遏止电位 U a。作出 U a 与的曲线,测曲线的

11、斜率k，h=ek 便可求出普朗克常数。测得斜率 k=0.40161014 h=ek=1.160210190.40161014=6.63341034 表二 I 光阑孔 ：4mm 波长 ：577nm（）-2.0 2.0 4.0 8.0 10.0 14.0 16.0 19.0 24.0 I（1010）0.0 10.0.15.0 20.0 22.0 25.0 27.0 28.0 30.0 光阑孔：436nm （）-2.0.2.4.0 6.0 8.0 16.0 22.0 28.0-2-1.8-1.6-1.4-1.2-1-0.8-0.6-0.4-0.200246810Y 值 线性（Y 值）南昌大学物理实验

12、报告 2017 0 0 0 I（1010）0.0 1.0 8.0 13.0 16.0 20.0 31.0 36.0 41.0 表三P 关系 30V :436nm D:8nm 051015202530354045-5051015202530436nm Y 值 05101520253035-5051015202530577nm Y 值 南昌大学物理实验报告 2017 距离 L/nm 300 350 400 L/X1010 364 240 169 表四P 关系 9V :577nm L:4nm 光 阑 孔 直 径D/nm 2 4 8 I/1010 6 20 80 七、实验小结（思考与讨论）：七、实验小结（思考与讨论）：注意事项 1、微电流测量仪和汞灯的预热时间必须长于 20 分钟，连线时务必先接好地线，后接信号线。切勿让电压输出端 A 与地短路，以免损坏电源。微电流测量仪每改变一次量程，必须重新调零。2、微电流测量仪与暗盒之间的距离在整个实验过程中应当一致。3、注意保护滤光片，勿用手触摸其表面，防止污染。4、实验结束时应盖上光电管暗合遮光盖和汞灯遮光盖。南昌大学物理实验报告 2017