光电效应实验讲义

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1、光电效应法测定普朗克常数一、实验及应用背景介绍光电效应是指一定频率的光照射在金属表面时会有电子从金属表面逸出的现象。1887年物理学家赫兹用实验验证电磁波的存在时发现了这一现象，但是这一实验现象无法用当时人们所熟知的电磁波理论加以解释。1905年，爱因斯坦大胆地把普朗克在进行黑体辐射研究过程中提出的辐射能量不连续观点应用于光辐射，提出“光量子”概念，从而成功地解释了光电效应现象。1916年密立根通过光电效应对普朗克常数的精确测量，证实了爱因斯坦方程的正确性，并精确地测出了普朗克常数。爱因斯坦与密立根都因光

2、电效应等方面的杰出贡献，分别于1921年和1923年获得了诺贝尔奖。光电效应实验对于认识光的本质及早期量子理论的发展，具有里程碑式的意义。随着科学技术的发展，光电效应已广泛用于工农业生产、国防和许多科技领域。利用光电效应制成的光电器件，如光电管、光电池、光电倍增管等，已成为生产和科研中不可缺少的器件。二、实验目的和教学要求1、定性分析光电效应规律，通过光电效应实验进一步理解光的量子性；2、学习验证爱因斯坦光电方程的实验方法，并测定普朗克常数h；3、进一步练习利用线性回归和作图法处理实验数据。三、实验原理光

3、电效应的实验原理如图1所示。入射光照射到光电管阴极K上，产生的光电子在电场的作用下向阳极A迁移构成光电流，改变外加电压UAK，测量出光电流I的大小，即可得出光电管的伏安特性曲线。AKAVUAK图1实验原理图U0斜率h/en0n图4截止电压U与入射光频率n的关系图In1n2U01U02UAK图3不同频率时光电管的伏安特性曲线IP1P2U0UAK图2同一频率,不同光强时光电管的伏安特性曲线光电效应的基本实验事实如下：(1)对应于某一频率,光电效应的I-UAK关系如图2所示。从图中可见，对一定的频率，有一电压U

4、0,当UAK≦U0时，电流为零，这个相对于阴极的负值的阳极电压U0，被称为截止电压。(2)当UAK≧U0后，I迅速增加，然后趋于饱和，饱和光电流IM的大小与入射光的强度P成正比。(3)对于不同频率的光，其截止电压的值不同，如图3所示。(4)截止电压U0与频率n的关系如图4所示，U0与n成正比。当入射光频率低于某极限值n0（n0随不同金属而异）时，不论光的强度如何，照射时间多长，都没有光电流产生。(5)光电效应是瞬时效应。即使入射光的强度非常微弱，只要频率大于n0，在开始照射后立即有光电子产生，所经过的时间

5、至多为10－9秒的数量级。按照爱因斯坦的光量子理论，光能并不像电磁波理论所想象的那样，分布在波阵面上，而是集中在被称之为光子的微粒上，但这种微粒仍然保持着频率（或波长）的概念，频率为n的光子具有能量E=hn，h为普朗克常数。当光子照射到金属表面上时，一次被金属中的电子全部吸收，而无需积累能量的时间。电子把这能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引力，余下的就变为电子离开金属表面后的动能，按照能量守恒原理，爱因斯坦提出了著名的光电效应方程：（1）式中，A为金属的逸出功，为光电子获得的初始动能。由该式可见，入射

6、到金属表面的光频率越高，逸出的电子动能越大，所以即使阳极电位比阴极电位低时也会有电子落入阳极形成光电流，直至阳极电位低于截止电压，光电流才为零，此时有关系：eU0（2）阳极电位高于截止电压后，随着阳极电位的升高，阳极对阴极发射的电子的收集作用越强，光电流随之上升；当阳极电压高到一定程度，已把阴极发射的光电子几乎全收集到阳极，再增加UAK时I不再变化，光电流出现饱和，饱和光电流IM的大小与入射光的强度P成正比。光子的能量hn0

7、n0=A/h。将(2)式代入(1)式可得：eU0=hn－A（3）此式表明截止电压U0是频率n的线性函数，直线斜率k=h/e，只要用实验方法得出不同的频率对应的截止电压，求出直线斜率，就可算出普朗克常数h。爱因斯坦的光量子理论成功地解释了光电效应规律。一、实验仪器介绍光电效应实验仪ZKY-GD-4由光电检测装置和实验仪主机两部分组成。光电检测装置包括：光电管暗盒，高压汞灯灯箱，高压汞灯电源和实验基准平台。实验主机为GD-4型光电效应（普朗克常数）实验仪，该实验仪是由微电流放大器和扫描电压源发生器两部分组成的

8、整体仪器。仪器结构如图5所示。实验仪1234561汞灯电源2汞灯3滤色片4光阑5光电管6基座图5仪器结构图实验仪有手动和自动两种工作模式，具有数据自动采集，存储，实时显示采集数据，动态显示采集曲线（连接普通示波器，可同时显示5个存储区中存储的曲线），及采集完成后查询数据的功能。二、实验内容和操作提示（1）测试前准备：将实验仪及汞灯电源接通（汞灯及光电管暗盒遮光盖盖上），预热20分钟。调整光电管与汞灯距离为约40cm并保持不变。