实验光电效应和普朗克常数测定概要.doc

实验 光电效应和普朗克常数测定 【实验目的】： 通过实验了解光的量子性。测量光电管的弱电流特性，找出不同光频率下的截止电压。验证爱因斯坦方程，并由此求出普朗克常数。 【实验仪器】： 光电管，高压汞灯，滤色片，微电流测量放大器。 【实验原理】： 在光的照射下，从金属表面释放电子的现象称为光电效应。光电效应的基本规律可归纳为：光电流与光强成正比；入射光频率低于某一临界值时，不论光的强度如何，都没有光电子产生，称为截止频率；光电子的动能与光强无关，与入射光频率成正比。 爱因斯坦突破了光的能量连续分布的观念，他认为光是以能量的光量子的形式一份一份向外辐射。光电效应中，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为 （6—1—1） 此式称为爱因斯坦方程。式中为普朗克常数，公认值为6.626176×10-34。即存在一截止频率，此时吸收的光子能量恰好用于电子逸出功，没有多余的动能。由上式可知，当时，则，存在一截止频率，此时吸收的光子能量恰好用于电子逸出功，没有多余能量。因而当时没有光电流，只有入射光的频率时才有光电流。由于不同金属的逸出功数值不同，所以有不同的截止频率。当时，光电子具有较大动能，在阳极不加电压，甚至阳极电位低于阴极电位时，也会有光电子到达阳极，产生为光电流。 本实验采用减速电场法，如图6—1—1所示。单色光透过光电管的玻璃口照射到阴极K上，从K发射出的光电子向阳极A运动，在阳极加上相对阴极为负的电压U0，以阻止光电子向阳极运动。随着反射电压U0的增加，到达阳极的电子数减少，光电流减少，当反向电压满足 （6—1—2） 将没有光电子到达阳极，光电流为零。称U0为截止电压。由（6—1—1）和（6—1—2）两式得 即 　 （6—1—3） 将代入（6—1—3）式有 （6—1—4） （6—1—4）式表明，对同一种光电阴极材料制成的光电管，其截止电压U0和入射光频率成线性关系。直线斜率k=h/e。当时，U0=0，没有光电子逸出。 对于不同频率的光，可以得到与之对应的I-U特性（光电伏安特性）曲线和截止电压U0的值，可在方格坐标纸上作出U0～图线，根据已知的电子电量e值和图线斜率k即可确定普朗克常数h的值。 对于本实验还需要说明 （１）暗盒中的光电管即使没有光照射，在外加电压下也会有微弱电流，称暗电流。其主要原因是极间绝缘电阻漏电和阴极在常温下的热电子发射等。暗电流与外加电压基本上成线性关系。 （２）阳极上沉积有阴极材料，遇到由阴极散射的光或其它杂散光的照射，也会发射光电子，反向的电压对阳极发射的光电子起加速作用，形成反向饱和电流。 由于以上原因，致使实测曲线光电流为零时所对应的电压并不是截止电压，真正的截止电压在该曲线的直线部分与曲线部分相接的点C处，如图６—１－２所示。 【实验步骤与内容】： １．测试前的准备 （１）认真阅读光电效应实验仪的使用说明书。 （２）安放好仪器，用遮光罩罩住暗盒的光窗。插上电源预热20～30分钟然后调整测量放大器的零点和满度。 ２．测量光电管的暗电流 （１）连接好光电暗盒与测量放大器之间的屏蔽电缆、地线和阳极电源线。测量放大器的“倍率”旋钮置×10-6档。 （２）顺时针缓慢旋转“电压调节”旋钮，并适当地改变“电压量程”和“电压极性”开关。仔细记录在不同电压下的相应电流值（电流值=倍率×电表读数×微安）。此时所读得的即为光电管的暗电流。 ３．测量光电管的I-U特性 （１）让光尖锐出射孔对准暗盒窗口，并使暗盒离开光30～50厘米。测量放大器“倍率”旋钮置×10-6挡。撤去遮光罩，换上滤色片。“电压调节”从-3伏或-2伏调起，缓慢增加，先观察不同滤色片下的电流变化情况，记下电流明显变化的电压值以使精确测量。 （２）在上述粗测的基础上进行精确测量记录。从短波长起小心地逐次换入滤色片，仔细读出不同频率入射光照射下的光电流，并记录数据，注意在电流开始变化的地方多读几个值。 （３）在方格纸（如25×20厘米）上，仔细作出不同波长（频率）的I-U曲线。从曲线中认真找出电流开始变化的“抬头点”，确定IAK的截止电压U0。 （４）把不同频率下的截止电压U0描绘在方格纸上。如果光电效应遵从爱因斯坦方程，则U0 =曲线应该是一条直线。求出直线的斜率k =ΔU0/Δv，求出普朗克常数h =ek，计算出所测值与公认值之间的误差。 （５）改变光源与暗盒的距离L和光阑孔φ，重复上述步骤３～５次。 ★【注意事项】： １．必须在了解仪器的使用规则后方可进行实验。 ２．滤色片是经精选和精加工的，更换时注意避免污染，使用前应用擦镜纸认真