光电效应测普朗克常数实验研究应用.docx
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光电效应测普朗克常数实验研究应用
学士学位论文
论文题目：
光电效应测普朗克常数实验研究
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5月20日
目录
1.引言
1
2.实验原理
1
3影响测量精度重要因素分析
1
3.1暗电流影响
2
3.2反向电流影响
2
3.3本底电流影响
2
3.4滤波片及其她因素影响
2
4.测量办法比较分析
2
4.1零点法
2
4.2拐点法
3
4.3补偿法
4
4.4解析法
5
5.1无损探伤
8
5.2磁强计
8
5.3大地磁测量
9
5.4地下无线电通讯
10
6.总结
10
参照文献
10
道谢
10
光电管测量普朗克常量实验研究
摘要：
赫兹在1987年证明电磁波存在和光电磁理论时发现了光电效应，为理解释光电效应现象，爱因斯坦在普朗克量子学说基本上提出了光电子理论。
运用光电效应测量普朗克常数是大学物理基本实验之一。
由于各种因素影响遏制电压难以精确测量导致了测量成果不精确。
本文分析比较了几种惯用测量遏制电压办法，并对实验成果进行了分析。
核心词：
光电效应；普朗克常数
PhototubeExperimentalMeasurementofPlanckConstantResearch
Hertzin1987confirmedtheexistenceofelectromagneticwavesandelectromagnetictheoryoflightwhenthephotoelectriceffectwasfound，inordertoexplainthephenomenonofphotoelectriceffect，Einstein'stheoryinthePlanckquantumbasedonthetheoryofphotonics.PhotoelectriceffectusingPlanckconstantmeasurementofthebasicexperimentisoneofcollegephysics.Duetovariousfactorsitisdifficulttocontaintheaccuratemeasurementofvoltagecausedbyinaccuratemeasurements.Thispapercomparesseveralcommonlyusedmethodsofmeasuringthevoltagetocontaintheexperimentalresultsareanalyzed
KeyWords：
PhotoelectricEffect；PlanckConstant
1引言
1887年赫兹在证明电磁波存在和光电磁理论实验中发现了光电效应，实验
置图如图
（1）所示，光电效应得到了许多当时物理学理论无法解释成果。
爱因斯坦在普朗克量子假说基本上提出了光量子理论。
爱因斯坦以为只要把光能量当作是不持续分布,而是一份一份地集中在光量子（光子）上,就可以较好解释光电效应发现现象。
1905年,她在《关于光产生和转化一种启发性观点》一文中阐述了这一思想。
运用光电效应测量普朗克常量理论根据就是爱因斯坦光量子理论。
2实验原理
对于光电效应,爱因斯坦依照能量转化与守恒原理提出一种守恒方程：
（1）
其中h为普朗克常数，v为光频率,
光子逸出初动能,w为金属逸出功.直接测量初动能较困难，但可以通过对阴极加上高电位，阳极自然成为低电位，从而遏止阴极电子飞向阳极，调节两极电位差，使电位差正好能制止阴极电子飞达阳极，此时电势能就等于电子初动能,
即
（2）
其中：
u为反向遏止电压，对不同频率光，得到不同反向遏止电压,结合方程
（1）：
（3）
于是可以建立起频率和反向遏止电压之间函数关系，从（3）式中可得：
（4）
由式（4）中可知反向遏止电压与光频率是线性关系。
因此只要可以精确测量出遏制电压，并会出u-v直线，测出直线斜率k=
，就可以通过h=
得到普朗克常数h。
3.影响测量精度重要因素分析
在实际实验无法得到精确成果重要因素是遏制电压普通难以精准测量。
影响遏制电压测量重要因素是光电管中暗电流、反向电流，本底电流影响以及实验仪器等其她因素影响.
3.1暗电流
在通电时没有光照条件下，微电流测量仪也会测量到电流.这种电流是由于电子热运动和光电管管壳漏电导致。
普通称之为暗电流。
3.2反向电流
反向电流产生因素是由于加工工艺自身引起，即在制造光电管时，往阴极上喷涂光电效应阴极材料时，免不了要有某些阴极材料溅到阳极上，并且无法去除.在进行光电效应实验时，光照在光电管上,由于光反射，不但阴极有电子逸出，同样阳极也会产生光电效应有电子逸出，从而形成了反向电流。
3.3本底电流
实验室内各种漫反射光线有少量会进入壳子从而引起光电流。
这种电流称为本底电流。
本实验采用是杭州大华仪器制造有限公司生产DH-GD-1普朗克常量测试仪，该仪器光电管在几乎封闭黑色壳子里，可以有效减少漫反射光线，从而有效减少本底电流影响。
3.4滤波片及其她因素影响
通过滤波片产生某种频率单色光，往往并不是非常纯单一波长单色光，其中普通还包具有几种其她波长成分光谱线例如钠黄光中包括579.7nm、579.1nm等两种以上波长成分谱线。
因而测量截止电压时误差较大。
电压表、电流表敏捷度不够高以及转换电压表量程时对其接触电势影响和实验者操作水平等，也会带来测量误差。
以上因素存在不可避免影响对遏制电压测量，使遏制电压测量值与真实值之间存在误差。
也就是说，当微电流仪电流值为零时不能阐明是正常光电流为零，而有也许是各种电流和值为零，那么此时零电流相应电压也就也许不是遏制电压，这样得到u-v直线与实际直线是不一致。
通过对暗电流，本底电流和反向电流分析，可以看出，选取适当正规厂家生产实验仪器可以有效减少三种电流影响。
在选取好适当实验仪器后还要对测量办法进行分析比较，选用最科学测量办法。
如下是惯用测量遏制电压u几种办法以及实验成果分析。
4．测量办法分析比较
4.1零点法（交点法）
在大学实验中用零点法拟定遏制电压进一步拟定普朗克常量是选取比较广泛实验办法。
零点法也称交点法，是光电效应伏安特性曲线与横坐标轴交点电压，即电流为零时电压。
4.1.1原理
零电流法是直接将各谱线照射下测得电流为零时相应电压作为截止电压U。
运用此法前提是阳极反向电流、暗电流和本底电流都很小，测得各谱线截止电压值与真实值相差很小,且都相差△U，对U～ν曲线斜率无大影响,因而对h测量不会产生大影响。
杭州大华仪器制造有限公司生产DH-GD-1普朗克常数测试仪光电管阳极用溢出功较大材料制作，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，减少其溅射阴极材料，实验中尽量在黑暗环境中进行，避免入射光和各种漫射光照射在阳极上，这样可以使反向电流和本底电流大大减少，使其微电流仪为零时测得遏制电压与真实遏制电压非常相近，以为两者近似相等。
4.1.2实验成果分析
使用杭州大华仪器制造有限公司生产DH-GD-1普朗克常数测试仪在黑暗环境下，分别测量波长为365nm,405nm,436nm,546nm,577nm单色光交点电压，数据表格如下所示：
λ/nm
365
405
436
546
577
v/1014Hz
8.22
7.41
6.28
5.49
5.20
u
1.823
1.622
1.461
0.666
0.447
用最小二乘法线性拟合解决数据得到u-v直线如图
（2）所示：
图
（2）
直线斜率为k=4.4567×10-15，
普朗克常数h=
=7.14×10-34（J·S），
误差分析：
=|7.14-6.626|/6.626=7.75%
4.2拐点法
光电管阳极存在反向电流，并且有时候反向电流值比较大；但在构造设计上，如果能使反向电流较快达到饱和，则光电效应伏安特性曲线心如饱和段后有明显拐点。
拐点出相应电压作为遏制电压。
4.2.1原理
测量光电效应伏安特性曲线，并在进行粗略测量基本上进行精准测量并记录数据。
从短波起小心逐次更换滤色片（切忌变化光源和光电管暗盒之间相对位置）。
仔细读出不同频率入射光照射下光电流随电压变化数据。
本实验采用杭州大华仪器制造有限公司生产DH-GD-1普朗克常数测试仪分别测量波长为365nm,405nm,436nm,546nm,577nm单色光伏安特性曲线，精准记录测量数据并用Origin6.0Professional对实验数据进行解决，得到了各种频率单色光相应伏安特性曲线，如图（3）所示：
图（3）
由曲线可得到各频率单色光拐点电压。
4.2.2实验成果分析
实验数据表格如下
λ/nm
365
405
436
546
577
v/1014Hz
8.22
7.41
6.28
5.49
5.20
u
1.852
1.670
1.468
0.871
0.578
用最小二乘法线性拟合解决数据得到u-v直线图（4）：
图（4）
直线斜率为k=4.0078×10-15，
普朗克常数h=
=6.42×10-34（J·S）,
误差分析：
=|6.42-6.626|/6.626=3.11%
4.3补偿法
在实际实验过程中总有暗电流，本底电流和反向电流影响，导致实验成果不精确，补偿法考虑了这些影响，并设法补偿了这些因素导致影响。
4.3.1原理
调节电压U使电流为零后,保持U不变,遮挡汞灯光源,此时测得电流I1为电压接近截止电压时暗电流和本底电流。
记录数据I1,重新让汞灯照射光电管,调节电压U使电流值至I1,将此时相应电压U绝对值作为遏制电压，记录数据。
4.3.2实验成果分析
依照补偿法原理，测得了一下数据：
λ/nm
365
405
436
546
577
v/1014Hz
8.22
7.41
6.28
5.49
5.20
I1（×10-13A）
-3.4
-1.7
-4.4
-1.0
-3.8
u
1.866
1.501
1.289
0.677
0.527
用最小二乘法线性拟合解决数据得到u-v直线图（5）：
图（5）
直线斜率为k=4.2882×10-15,
普朗克常数h=
=6.87×10-34（J·S）
误差分析：
=|6.26-6.87|/6.26=3.7%
4.4解析法
从光电管溢出光电子在阴极附近产生电子云势垒，光电子受电子云激发电场和外电场共同作用，应用肖脱基效应公式，通过严格数学计算得到遏制电压解析表达式。
4.4.1原理
光强为P,频率为ν光束照射到阴极表面时,阴极产生光电效应,光电子逸出阴极表面,光电子并不是直接飞向阳极,而是光电子动能Ek=
转变为电势能汇集在阴极表面,在阴极表面形成电子云,电子云电势称为电子云势垒,其势垒值就是截止电位Us
=
（5）
光电子相距阴极为r时,光电子受到电子云激发电场和外电场共同作用,其合电场为:
E=
-E外（6）
式中
是电子云产生电场,其大小为
=
（7）
r为阴极到阳极之间距离.
E为外电场,其大小为E=
（8）
应用肖脱基效应公式,阴极发射电流为:
（9）
式中IK0为UKA=0时与入射光强度,频率关于阴极电流，b、b′是与光电管构造关于常
数，T为绝对温度.
总电流IAK为
（10）
在常温下,当UKA与Us相差较小时，
即有:
（11）
杂散电流
（UAK）比较小,在截止电位附近区域可以以为
（UKA）不变,用常量
表达。
在IAK-UAK伏安特性曲线上取（U0,0），（U1，I1）两点代入（11）式得:
（12）
（13）
（12）、（13）平方相比,整顿可得:
（14）
式（14）即为遏制电压解析式，其中,U1、U0均为UAK是负数，
为IAK亦是负数.
4.4.2实验成果分析
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