实验二十六光电效应的研究

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1、实验二十六光电效应的研究实验内容1.测试光电效应的基本特性曲线。2.通过实验验证爱因斯坦光电方程，并由此求岀普朗克常数。教学要求1.了解光电效应的基本规律，加深对光的量子性的理解。2.掌握作图法数据处理。实验器材光电效应测试仪金属屮的自由电了，在光的照射下吸收光能从金属表面逸出的现象称为光电效应。量子理论是近代物理的基础么一，而光电效应则给予量子理论以鲜明、直观、清晰的物体图像，并广泛地应用于科技和生产生活的各个方面，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传感器件和换能元件。光电效应是1887年，赫兹在验证麦克斯韦关于电磁波的理论预言时意外发现的

2、。1888年以后，哈耳瓦克斯、斯托列托夫、勒纳得等人对光电效应作了长时间的研究，并总结出了光电效应的基木实验事实。1900年，普朗克为了解决黑体辐射能量分布规律时提出了“能量了”假设，其屮引入了一个普适常数h,称为普朗克常数。目前其公认值为/F6.6260755X10-：HJS普朗克常数是一个重要的普适常数，可以用光电法简单而准确的测出。光电效应的基本实验事实为：1.饱和光电流与光强成正比。2.光电效应存在一个阈频率，当入射光的频率低于此值时，无论光强如何，都无光电流产生。3.光电子的初动能与光强无关，但与入射光的频率成正比。4.光电效应是瞬吋效应，一经光线入射，立即产生光电子。光电效应的上

3、述实验事实无法用麦克斯韦经典电磁理论作出圆满解释o1905年,为了解释光电效应的实验事实，爱因斯坦人胆地把普朗克关于辐射能量不连续的观念应用于光辐射，提出的“光最子”的概念，从而成功地解释了光电效应现象。1916年密立根用实验证明了爱因斯坦光电效应方程的正确性，并楮确测定了普朗克常数的数值。此后才建立了光的波粒二象性学说，全面的解釋了光的各种现象，成为现代光学理论的基础。实验原理根据爱因斯坦假设，当光与物质相互作用时•，其能流并不像波动理论所指出的那样,不是连续分布的，而是集中在一•些叫做光子(或光量子)的粒子上，当光的频率为"时,每个光子具有的能最为e=hu0当金属受到频率为"的光照射吋，金

4、属中的电子在获得一个光子的能量后，将能最的一部分用作逸出金属表血所需的逸出功必另一部分则表现为电了逸出金属表面时的初动能丄/〃汽即：21hu二一加+阪(26-1)2这就是爱因斯坦光电效应方程o图26-1入射光频率不同的1-U曲线图26-2入射光强度不同的I-U曲线由(26-1)式可见，入射到金属表面的光的频率越高，逸出电子的初动能越人，如图26-1所示。正因为电子具有初动能，所以即使在加速电压箱于0时，依然有光电子落到阳极而形成光电流，甚至当阳极的电位低于阴极的电位时也会有光电子落到阳极，直到加速电压为某一负值仏时，所有光电子都不能到达阳极，光电流才为零，如图26-2所示,从称为光电效应的截止

5、电压。此时el/~-mv=O(26-2)2代入(26-1)式有eUs=hu-必(26-3)由于金属材料的逸出功必是金属材料的同有属性，对于给定的基础材料必为一个定值，它为入射光的频率无关，若令炉力几，"淋为对应材料光电效应的红限频率，或称阈频率。即具有红限频率的光子的能量恰恰等于电子需要的逸出功，此时的逸出电子没有多余的动能。式(26-3)可改写成hWhUs二一U-—-(V-V0)(26-4)eee式(26-4)表明，截止电位仏是入射光频率〃的线性函数。当入射光的频率"二几时,截止电位仏=0,没冇光电了逸出。对应曲线如图(26-3),其斜率K=〃e为一个正常数。故冇/FeK(26-5)可见，只

6、要用实验方法测出不同频率下的截止电压从，再作出仏-〃直线，并求岀该肓线的斜率K,就可通过(26-5)式求出普朗克常数的数值。其屮e=1.6X10'9库仑,是电子的电荷量。图26-4是利用光电管进行光电效应实验的原理图。频率为-强度为HKJ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之间加正向电压弘•，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，随着电压為的增加，到达阳极的光电子将逐渐增多。当正向电压弘增加到仏时，光电流达到最大，不再增加，此时即称为饱和状态，对应的光电流即称为饱和光电流。如在阴极K和阳极AZ间加有反向电压弘，它使电极K、AZ问建立的电场对

7、从光电管阴极逸出的电子的运动起减速作用，随着电压弘的增加，能够到达阳极的光电了将逐渐减少，当弘二仏时，光电流降为0。不同强度的光线照射后的/-州线如图26-2所示，不同频率的光照射后的/〜〃曲线如图26-1所示。如果在肓角坐标系屮绘出的弘〜"关系曲线是一条直线，就证明了爱因斯坦光电效应方程的正确性，由该肓线的斜率K便可求出普朗克常数力，由肓线与坐标横轴的交点Q可求出光电管阴极的逸出电位爱因斯坦方程