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1、实验十五-光电效应【实验目的】1 了解光电效应的规律，加深hv对光的量子性的理解。2.测量普朗克常数h。J©【实验原理】©亠1 T光电效应的实验原理如图1所示。当入射光照射到光电管阴图l 实验原极K上时，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，测量光电 流I的大小，即可得出光电管的伏安特性曲线。1 光电效应的基本特点：(1) 对应于某一频率光的光电效应，I Uak关 系如图2所示。可见，对一定的频率，存在 一电压Uo,当Uak < Uo时，电流为零，Uo被 称为截止电压，它与阴极材料的构成有关。(2) 当Uak > Uo后，迅速增
2、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) 作截止电压Uo与频率y的关系图如图4所 示。Uo与Y成正比关系。但当入射光频率低 于某极限值Y (不同金属有不同的 Y值)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 y，一旦光照射靶 上立即就有光电子产生。从光照射到光电子 产生的间隔至多为10-9秒的数量级。2 光电效应的基本解释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
3、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 y的光子具有能量 E=h y h为普朗克常数。当光子照射到金属表面 上时，一次为金属中的某个电子全部吸收， 而无需 积累能量的时间。电子把吸收光子的能量的一部分 用来克服金属表面对它的吸引力，余下的就变为该 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)(1) 式中，A为金属的逸出功，2m 2为光电子获得 的初始动能。由该式可见，入射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，也会有电子穿过两极间的势垒到达阳极形 成光电流，直至阳极电位等于截止电压，这时光
4、电 流才为零，此时有关系：eUo 1m 2当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，这时光电流出现饱和。饱和光电流 I M的大小与入射光的强度 P成正比。光子的能量h VA时，电子不能脱离金属，因 而没有光电流产生。产生光电效应的最低频率 (截 止频率)是v=A/h。将(2)式代入(1)式可得：eU0 hv A此式表明截止电压Uo是频率 V勺线性函数， 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
5、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。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5仪器结构图【实验仪器】ZKY-GD-4智能光电效应实验仪【实验内容】1 测试前准备将实验仪及汞灯电源接通（汞灯及光电管暗箱遮 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。用专用连接线将光电管暗箱电压输入端与实验 仪电压输出端（后面板上）连接起来（红一红，兰一 兰）。将“电流量程”选择开关置于所选档位，进行测 试前调零。实验仪在开机或改变电流量程后，都会 自动进入调零状态。调零时应将光电管暗箱电流输 出端K与实验仪微电流输入端（后面板上）断开， 旋转“调零
6、”旋钮使电流指示为000.0。调节好后， 用高频匹配电缆将电流输入连接起来， 按“调零确 认/系统清零”键，系统进入测试状态。若要动态显示采集曲线，需将实验仪的“信号 输出”端口接至示波器的“ Y ”输入端，“同步输 出”端口接至示波器的“外触发”输入端。示波器 “触发源”开关拨至“外”，“ 丫衰减”旋钮拨至约 “ 1V/格”，“扫描时间”旋钮拨至约“ 20卩s/格”。 此时示波器将用轮流扫描的方式显示5个存储区中存储的曲线，横轴代表电压Uak，纵轴代表电流 I。2测普朗克常数h测量截止电压时，“伏安特性测试/截止电压 测试”状态键应为截止电压测试状态，“电流量程” 开关应处于10-13A档。
7、(1)手动测量使“手动/自动”模式键处于手动模式。将直径4mm的光阑及365.0nm的滤色片装在 光电管暗箱光输入口上，打开汞灯遮光盖。此时电压表显示UAk的值，单位为伏；电流表 显示与UAk对应的电流值I，单位为所选择的“电 流量程”。用电压调节键f、f、J可调节Uak 的值，f、键用于选择调节位数f、 J键用于调 节值的大小。从低到高调节电压(绝对值减小)，观察电流值 的变化，寻找电流刚好为零时对应的 Uak ,以其绝 对值作为该波长对应的 Uo的值，并将数据记于表 一中。为尽快找到Uo的值，调节时应从高位到低 位，先确定高位的值，再顺次往低位调节。依次换上 404.7 nm,435.8
8、nm, 546.1 nm, 577.0 nm的滤色片，重复以上测量步骤。（2）自动测量按“手动/自动”模式键切换到自动模式。此时电流表左边的指示灯闪烁，表示系统处于 自动测量扫描范围设置状态，用电压调节键可设置 扫描起始和终止电压。对各条谱线，我们建议扫描范围大致设置为：365nm, -1.90-1.50V; 405nm, -1.60-1.20V; 436nm , 1.35-0.95V; 546nm , -0.80-0.40V; 577nm, -0.65-0.25V。实验仪设有5个数据存储区，每个存储区可存 储500组数据，并有指示灯表示其状态。灯亮表示 该存储区已存有数据，灯不亮为空存储区，
9、灯闪烁 表示系统预选的或正在存储数据的存储区。、设置好扫描起始和终止电压后，按动相应的存 储区按键，仪器将先清除存储区原有数据，等待约 30秒，然后按4mV的步长自动扫描，得到I随 Uak变化，并显示、存储相应的电压、电流值。扫描完成后，仪器自动进入数据查询状态，此 时查询指示灯亮，显示区显示扫描起始电压和相应 的电流值。用电压调节键改变电压值，就可查阅到 在测试过程中，扫描电压为当前显示值时相应的电 流值。读取电流为零时对应的Uak，以其绝对值作 为该波长对应的Uo的值，并将数据记于表一中。按“查询”键，查询指示灯灭，系统回复到扫 描范围设置状态，可进行下一次测量。在自动测量过程中或测量完成
10、后，按“手动 / 自动”键，系统回复到手动测量模式，模式转换前 工作的存储区内的数据将被清除。若仪器与示波器连接，则可观察到Uak为负值时各谱线在选定的扫描范围内的伏安特性曲线。V直线的斜率k，即可用h=e k求出普朗克常 数，并与h的公认值ho比较求出相对误差 E=(h-ho)/ho 100% ,式中 e=1.602X 10-19C , ho=6.626X 10-34J So3 测光电管的伏安特性曲线测量时，“伏安特性测试/截止电压测试”状态 键应为伏安特性测试状态。“电流量程”开关应拨 至10-10A档，并重新调零。将直径4mm的光阑及所选谱线的滤色片装在 光电管暗箱光输入口上。测伏安特性
11、曲线可选用“手动/自动”两种模 式之一，测量的最大范围为-150V,自动测量时 步长为1V，仪器功能及使用方法如前所述。(1) 可同时观察5条谱线在同一光阑、同一 距离下伏安饱和特性曲线。记录所测Uak及I的数据到表二中，在座 标纸上作对应于以上波长及光强的伏安特性曲 线。(2) 可同时观察某条谱线在不同光阑(即不同 光通量)、同一距离下的伏安饱和特性曲线。由此 可验证光电管饱和光电流与入射光强成正比(选 做)。在Uak为50V时，将仪器设置为手动模式， 测量并记录对同一谱线、同一入射距离，光阑分别 为2mm、4mm、8mm时对应的电流值于表三中， 验证光电管的饱和光电流与入射光强成正比。(3
12、) 可同时观察某条谱线在不同距离(即不同 光强)、同一光阑下的伏安饱和特性曲线。也可在Uak为50V时，将仪器设置为手动 模式，测量并记录对同一谱线，同一光阑时，光电 管与入射光在不同距离，女口 300mm、400mm等对 应的电流值于表四中，同样验证光电管的饱和电流 与入射光强成正比。【实验数据】(1)普朗克常数测量电流测量范围：10-13A , L=400mm，光阑孔径=4mm。波长 （nm）365.0404.7435.8546.1577.0频率8 2147 4086 8795 4905 196(*1014Hz)截戈止电压U0（V）-1.772-1.436-1.206-0.658-0.53
13、4Uv的关系曲线8.50 2 4 6 8 /20 0 0 01- - - - -5.566.577.58R2= 0.99984频率 v ( *10A14Hz )=-0.4083X + 1.5888w6 8-2Q k h/eke6.533*1034误差:6.626*10 34 6.533*106.626*103434 =1.4%（2）伏安特性测量（饱和曲线测量）电流测量范围：10-1°A , L=400mm，光阑孔径 =4mm。波长 （nm）365.0404.7435.8546.1577.(0电流I（*10-10A）电压U（ V）04.81.11.30.90.7214.33.25.52
14、.71.5423.06.39.53.82.8628.07.510.84.23.2833.48.412.34.53.31038.49.213.94.93.51242.910.015.45.23.61447.010.816.85.63.71650.911.518.15.93.81854.712.419.46.34.02058.313.220.86.74.32261.814.122.07.04.52465.014.923.17.34.72668.015.624.07.64.82870.516.224.97.85.03072.916.825.68.05.13275.217.226.28.25.2347
15、7.317.626.88.45.33679.218.127.38.55.33881.018.427.88.65.44082.718.828.68.85.44284.319.128.88.95.54486.719.429.29.05.54688.119.729.59.15.64889.520.029.99.35.65090.920.330.39.45.6不同频率时伏安特性曲线测量A 入1（ 流 电电压U (V)-365*404.7-435.8546.1577（3） 在波长 =365nm，L=400mm，U=20V，不通光阑直径下的电流光阑直径（mm）248电流 I（*10-10A）17.959.8224电流i与光阑直径 的曲线0 23456789光阑直径 （mm）5AMnwlA nwj M 流电（4）在波长 =365nm, =4mm , U=20V，不通 距离下的电流距离 L(mm)300350400电流 1(*10-10A)116 282 261 0电流I与距离L的曲线