实验一光电效应讲义实验一光电效应讲义.doc

实验一 光电效应 1887年，赫兹在研究电磁辐射时意外发现，光照射金属表面时，在一定的条件下，有电子从金属的表面溢出，这种物理现象被称作光电效应，所溢出的电子称光电子。由此光电子的定向运动形成的电流称光电流。 1888年以后，W.哈尔瓦克斯、A.Γ.斯托列托夫、P.勒纳德等人对光电效应进行了长时间的研究，并总结出了光电效应的基本实验事实： 1.光强一定时，光电管两端电压增大时，光电流趋向一饱和值。对于同一频率不同光强时，光电发射率（光电流强度或逸出电子数）与光强P成正比，见图1(a)、(b)。 2.对于不同频率的光,其截止电压不同，光电效应存在一个阈频率（截止频率、极限频率或红限频率），当入射光频率低于某一阈值时，不论光的强度如何，都没有光电子产生，见图1（c）、（d）。 3.光电子的动能与入射光强无关，但与入射光的频率成线性关系。 4.光电效应是瞬时效应，一经光束照射立即产生光电子。 图1 光电效应规律 上述实验事实用麦克斯韦的经典电磁理论无法作出圆满的解释。1905年，爱因斯坦用光量子理论圆满解释了光电效应，并得出爱因斯坦光电效应方程。后来密立根对光电效应展开全面的实验研究，证明了爱因斯坦光电效应方程的正确性，并精确测出普朗克常数。因为在光电效应等方面的杰出贡献，爱因斯坦和密立根分别于1921年和1923年获得诺贝尔物理学奖。 光电效应和光量子理论在物理学的发展史上具有划时代的意义，量子论是近代物理的理论基础之一。而光电效应则可以给量子论以直观鲜明的物理图像。随着科学技术的发展，利用光电效应制成的光电元件在许多科技领域得到广泛的应用，并且至今还在不断开辟新的应用领域，具有广阔的应用前景。 本实验利用“减速电势法”测量光电子的动能，从而验证爱因斯坦方程，并测得普朗克常数。经过本实验有助于进一步理解量子理论。 【实验目的】 1．通过实验了解光的量子性。 2．测量光电管的弱电流特性，找出不同光频率下的截止电压。 3．验证爱因斯坦方程，并由此求出普朗克常数。 【实验原理】 当一定频率的光照射某些金属表面时，可以使电子从金属表面逸出，这就是光电效应现象。1900年德国物理学家普朗克（Plank）在研究黑体辐射时，提出辐射能量不是连续的的假设。1905年爱因斯坦在解释光电子效应时，将普朗克（Plank）的辐射能量不连续的假设作了重大发展。提出光并不是由麦克斯韦（Maxwell）电磁场理论提出的传统意义上的波。而是由能量为的光电子（简称光子）构成的粒子流。他认为光是以能量的光量子的形式一份一份向外辐射。具有能量的一个光子作用于金属中的一个自由电子，光子能量或者被完全电子吸收，或者完全不吸收。电子吸收光子能量后，一部分用于逸出功，剩余部分成为逸出电子的最大动能，如果此能量大于或等于电子摆脱金属表面约束的逸出功，电子就能从金属中逸出。按照能量守恒定律有： （1） （1）式即为爱因斯坦方程，其中为普朗克常量，为光电子频率，表示逸出光电子的最大速率，为光电子逸出金属表面时所具有的最大初动能，为光束照射金属材料逸出功。此式表明：光电子的初动能与入射光的频率有线性关系，而与入射光强度无关。若入射光频率低，光子能量小于逸出功时，将不会产生光电效应。此时对应入射光频率为：????????? (2） 为极限频率。不同金属材料因逸出功不同，其极限频率也各不相同。 本实验采用减速电场法，实验原理如图2所示，当单色光照射到光电管的阴极上时，有光电子逸出。若给阳极加上正向电压，阴极加上反向电压，光电子被加速，光电流增加。而当阴极加上正向电压，阳极加上反向电压时，光电子减速。由于光电子具备初动能，即使不加外加速电压时，仍然有光电子落到阳极。 当光电管加反向电压（反向，正向）光电流减少，直到电压达到时，光电流为0 ，此时没有光电子逸出，称为截止电压。与此对应的光电子最大初动能应等于它克服电场力所做的功。 ?????? ?? ???? ????????????????（3） 光电流与外加电压的伏安特性曲线如图3所示。 图2 实验原理图??? 图3 光电管的I-V特性曲线 将（1）和（2）代入（3）式可得 ?? ?? ??????????????（4） （4）式表明：截止电压与入射光频率是线性关系，只要测出不同频率下的值，做出曲线，该曲