实验十二-用光电效应测定普朗克常量.doc

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1、实验十二   用光电效应测定普朗克常量当一定频率的光照射到某些金属材料表面时，可使金属中的电子从金属表面逸出的现象，叫光电效应．光电效应是经典电磁理论所不能解释的．光电效应实验及其光量子理论的解释是量子理论的生长点，在揭示光的波粒二象性方面具有划时代的深远意义，而普朗克常量正是量子理论与经典理论的联系常数．·实验目的1．通过实验加深对光的量子性的认识；2．用最高频滤波片，测量光电管的伏安特性曲线；3．通过光电管的弱电流特性，测出不同频率下的遏止电压（三种方法任选其一），求出普朗克常量；4．探究光电管的饱和光电流与入射光强的关系；探讨比较确定遏止电压的三种方法（自主设计实验方案）．

2、·实验仪器高压汞灯，干涉滤光片，光阑，光电效应实验仪．ZKY-GD-3光电效应实验仪，如图12-1（a）所示．仪器由汞灯及电源，滤色片，光阑，光电管、测试仪（含光电管电源和微电流放大器）构成，仪器结构如图12-1（b）所示，测试仪的调节面板如图12-2所示．图12-1（a）光电效应实验仪实物图实验仪1234567图12-1（b）仪器结构示意图1汞灯电源2汞灯3滤色片4光阑5光电管6基座7实验仪图12-2仪器前面板示意图光阑：3片，直径2mm、4mm、8mm汞灯：可用谱线365.0nm、404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm、579.0nm滤色片：5片,透射

3、波长365.0nm、404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm光电管：阳极为镍圈，阴极为银-氧-钾（Ag-O-K），光谱响应范围320~700nm，暗电流：I≤2×10-12A（-2V≤UAK≤0V）光电管电源：2档，－2～0V，－2～＋30V，三位半数显，稳定度≤0.1%微电流放大器：6档，10-8—10-13A，分辨率10-13A，三位半数显，稳定度≤0.2%·实验原理一定频率的光照射到金属表面上，可以使电子从金属表面逸出．1905年爱因斯坦依照普朗克的量子假设，提出了光子的概念．他认为光是一群微粒流；频率为的光子具有能量，为普朗克常量．根据这一理论，当金

4、属中的电子吸收一个频率为的光子时，便获得这光子的全部能量，如果这能量大于电子摆脱金属表面的约束所需要的脱出功，电子就会从金属中逸出．按照能量守恒原理有：（9-1）上式称为爱因斯坦方程，其中和是光电子的质量和最大速度，是光电子逸出表面后所具有的最大动能．它说明光子能量小于时，电子不能逸出金属表面，因而没有光电效应产生；产生光电效应的入射光最低频率，称为光电效应的极限频率（又称红限）．不同的金属材料有不同的脱出功，因而也是不同的．在实验中将采用“减速电势法”进行测量并求出普朗克常量．实验原理如图12-3所示．图12-4光电流与外加电压的关系不同频率时光电管的伏安特性曲线同一频率,不同

5、光强时光电管的伏安特性曲线n1n2I1I2图12-3普朗克常量测定原理图当单色光入射到光电管的阴极K上时，如有光电子逸出，则当阳极A接正极，K接负极时，光电子就被加速；而当K加正电势，A加负电势时，光电子就被减速．当A、K之间所加电压（）足够大时，光电流达到饱和值，当，并满足方程：(9-2)时，光电流将为零，此时的称为遏止电压．光电流与所加电压的关系如图12-4所示．将（9-2）式代入（9-1）式可得：(9-3)它表示与间存在线性关系，其斜率等于/，因而可以从对与的数据分析中求出普朗克常量．实验时测不出，测得的是与导线和阴极间的正向接触电势之差，即，将此式代入（9-3）式，可得：

6、（9-4）由于是不随而变的常量，所以与间也是线性关系，如图12-5所示．图12-5-曲线图测量不同频率光的值，可求得此线性关系的斜率，由于所以（9-5）即从测得的数据求出斜率，乘以电子电荷（=1.602×10-19C）就可求出普朗克常量．由光电效应测定普朗克常量，需要排除一些干扰，才能获得一定精度的可以重复的结果．主要影响的因素有：1．暗电流和本底电流：光电管在没有受到光照时，也会产生电流，称为暗电流，它是由热电流、漏电流两部分组成；本底电流是周围杂散光射入光电管所致，它们都随外加电压的变化而变化，故排除暗电流和本底的影响是十分必要的．2．反向电流：由于制作光电管时阳极A上往往溅

7、有阴极材料，所以当光射到A上或由于杂散光漫射到A上时，阳极A也往往有光电子发射；此外，阴极发射的光电子也可能被A的表面所反射．当A加负电势，K加正电势时，对阴极K上发射的光电子而言起了减速作用，而对阳极A发射或反射的光电子而言却起了加速作用，使阳极A发出的光电子也到达阴极K，形成反向电流．这样实测的光电流应为阴极电流、暗电流和本底电流以及反向电流之和，如图12-6实线所示．图12-6光电管的I-V关系曲线·实验内容与步骤1．测试前准备仔细阅读光电效应实验指导及操作说明书．将实验仪