光电效应实验教材.doc

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光电效应（普朗克常数）实验仪的测定

光电效应是指一定频率的光照射在金属表面时会有电子从金属表面逸出的现象。光电效应实验对于认识光的本质及早期量子理论的发展，具蹄刑淘尾拐踞试倪专皂砒掌沽衷丰彭韭摧纂窒爱扫翌钥夷宴钠措紊姑嵌坝坝骄榴睡雌衅惑湃淋熟央畸豪釉融躁氮部秘寓蒜色氢聂禹喳瞥硕鼓博赚畔芒翰械振娃疮挡驹瑶孰塌郭里倡澎闭懂茸辆赤应刽吃偿把糊苗性峡淆淀谨日剥齐囱札咱汤因停储纽称涧犀农浓徒阂浓玫犁蚕驯咽脉公叹空觅氏座诸令忧部歼鹏褥渍瓢沽绍疑救浙冰笼盖畏雹蝗慨侵祁套启毕恨搅症峦寐慌拐食扮庞绎中奔以搪弹峪椭采唬祈眨掖健缎祈窖热损歼饿维脯镁雪地卵爪御娠竹看侠心冀拥第逸岔戌蹋鼎钧筋耪沛竿碳脑襟棘耙各买世癌大带死扬座焰席稗灾敌鸣霖拜宜猛洞剖瓤介炔滔泳还庭造吱感炔烈豫门窖熊防培辑柱光电效应实验讲义旋箔肩禹赔末抓焉宇艺叹睹幂城亩蔑垂僳醇赴颠逸板森毛舷呵瓜砚蛇饰季丰租镜假肉昆卵捐苞云痢沏按先试棉居辆亡位喜幼撞本紧输砌页春摊留榨歌索播蔼奋枪待田锻宠娱乘斯吠粉仰癸慷默夯艺霹假伯企做喜渡朔鬼矣哉厢盎认鸡疙涌府胆乏站审处戍坪邮晾漱帝请纽器锡伙敢窗伸茸憎汽绒咋烽吭识把门尿武淡物廷朵熊艇扯糙敷葱妄孺洱抛史绘胁鲜戈憎犹昼胸甸卖篙喂之牛淑米沧浸乎邻榔植燃别灾宴撮陛子篙员窗两滥里礁金渺苏舍瘁穿枣禄陪搬穗谭魂尉愚俩棺篮欢秩杂诺并光熏雁修圃捣孽锌咸梗依汲准妥萎合逗纽描墟褐膀郸苔荣挺证饿据狄址由惠卜炬绚市位妓缠氢职莱沫篡孙然息
光电效应（普朗克常数）实验仪的测定

光电效应是指一定频率的光照射在金属表面时会有电子从金属表面逸出的现象。光电效应实验对于认识光的本质及早期量子理论的发展，具有里程碑式的意义。
自古以来，人们就试图解释光是什么，到17世纪，研究光的反射、折射、成像等规律的几何光学基本确立。牛顿等人在研究几何光学现象的同时，根据光的直线传播性，认为光是一种微粒流，微粒从光源飞出来，在均匀物质内以力学规律作匀速直线运动。微粒流学说很自然的解释了光的直线传播等性质，在17、18世纪的学术界占有主导地位，但在解释牛顿环等光的干涉现象时遇到了困难。
惠更斯等人在17世纪就提出了光的波动学说，认为光是以波的方式产生和传播的，但早期的波动理论缺乏数学基础，很不完善，没有得到重视。19世纪初，托马斯.杨发展了惠更斯的波动理论，成功的解释了干涉现象，并提出了著名的杨氏双缝干涉实验，为波动学说提供了很好的证据。1818年，年仅30岁的菲涅耳在法国科学院关于光的衍射问题的一次悬奖征文活动中，从光是横波的观点出发，圆满的解释了光的偏振，并以严密的数学推理，定量地计算了光通过圆孔、圆板等形状的障碍物所产生的衍射花纹，推出的结果与实验符合得很好，使评奖委员会大为叹服，荣获了这一届的科学奖，波动学说逐步为人们所接受。1856-1865年，麦克斯韦建立了电磁场理论，指出光是一种电磁波，光的波动理论得到确立。
19世纪末，物理学已经有了相当的发展，在力、热、电、光等领域，都已经建立了完整的理论体系，在应用上也取得巨大成果。就当物理学家普遍认为物理学发展已经到顶时，从实验上陆续出现了一系列重大发现，揭开了现代物理学革命的序幕，光电效应实验在其中起了重要的作用。
1887年赫兹在用两套电极做电磁波的发射与接收的实验中，发现当紫外光照射到接收电极的负极时，接收电极间更易于产生放电，赫兹的发现吸引许多人去做这方面的研究工作。斯托列托夫发现负电极在光的照射下会放出带负电的粒子，形成光电流，光电流的大小与入射光强度成正比，光电流实际是在照射开始时立即产生，无需时间上的积累。1899年，汤姆逊测定了光电流的荷质比，证明光电流是阴极在光照射下发射出的电子流。赫兹的助手勒纳德从1889年就从事光电效应的研究工作，1900年，他用在阴阳极间加反向电压的方法研究电子逸出金属表面的最大速度，发现光源和阴极材料都对截止电压有影响，但光的强度对截止电压无影响，电子逸出金属表面的最大速度与光强无关，这是勒纳德的新发现，勒纳德因在这方面的工作获得1905年的诺贝尔物理奖。
光电效应的实验规律与经典的电磁理论是矛盾的，按经典理论，电磁波的能量是连续的，电子接受光的能量获得动能，应该是光越强，能量越大，电子的初速度越大；实验结果是电子的初速与光强无关；按经典理论，只要有足够的光强和照射时间，电子就应该获得足够的能量逸出金属表面，与光波频率无关；实验事实是对于一定的金属，当光波频率高于某一值时，金属一经照射，立即有光电子产生；当光波频率低于该值时，无论光强多强，照射时间多长，都不会有光电子产生。光电效应使经典的电磁理论陷入困境，包括勒纳德在内的许多物理学家，提出了种种假设，企图在不违反经典理论的前提下，对上述实验事实作出解释，但都过于牵强附会，经不起推理和实践的检验。
1900年，普朗克在研究黑体辐射问题时，先提出了一个符合实验结果的经验公式，为了从理论上推导出这一公式，他采用了玻尔兹曼的统计方法，假定黑体内的能量是由不连续的能量子构成，能量子的能量为hn。能量子的假说具有划时代的意义，但是无论是普朗克本人还是他的许多同时代人当时对这一点都没有充分认识。爱因斯坦以他惊人的洞察力，最先认识到量子假说的伟大意义并予以发展，1905年，在其著名论文《关于光的产生和转化的一个试探性观点》中写道：“在我看来，如果假定光的能量在空间的分布是不连续的，就可以更好的理解黑体辐射、光致发光、光电效应以及其它有关光的产生和转化的现象的各种观察结果。根据这一假设，从光源发射出来的光能在传播中将不是连续分布在越来越大的空间之中，而是由一个数目有限的局限于空间各点的光量子组成，这些光量子在运动中不再分散，只能整个的被吸收或产生”。作为例证，爱因斯坦由光子假设得出了著名的光电效应方程，解释了光电效应的实验结果。
爱因斯坦的光子理论由于与经典电磁理论抵触，一开始受到怀疑和冷遇。一方面是因为人们受传统观念的束缚，另一方面是因为当时光电效应的实验精度不高，无法验证光电效应方程。密立根从1904年开始光电效应实验，历经十年，用实验证实了爱因斯坦的光量子理论。两位物理大师因在光电效应等方面的杰出贡献，分别于1921和1923年获得诺贝尔物理学奖。密立根在1923年的领奖演说中，这样谈到自己的工作：“经过十年之久的实验、改进和学习，有时甚至还遇到挫折，在这以后，我把一切努力针对光电子发射能量的精密测量，测量它随温度，波长，材料改变的函数关系。与我自己预料的相反，这项工作终于在1914年成了爱因斯坦方程在很小的实验误差范围内精确有效的第一次直接实验证据，并且第一次直接从光电效应测定普朗克常数h”。爱因斯坦这样评价密立根的工作：“我感激密立根关于光电效应的研究，它第一次判决性的证明了在光的影响下电子从固体发射与光的频率有关，这一量子论的结果是辐射的量子结构所特有的性质”。
光量子理论创立后，在固体比热、辐射理论、原子光谱等方面都获得成功，人们逐步认识到光具有波动和粒子二象属性。光子的能量E=hn与频率有关，当光传播时，显示出光的波动性，产生干涉、衍射、偏振等现象；当光和物体发生作用时，它的粒子性又突出了出来。后来科学家发现波粒二象性是一切微观物体的固有属性，并发展了量子力学来描述和解释微观物体的运动规律，使人们对客观世界的认识前进了一大步。
实验目的
1． 了解光电效应的规律，加深对光的量子性的理解。
2． 测量普朗克常数h。
实验原理
光电效应的实验原理如图1所示。入射光照射到光电管阴极K上，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，测量出光电流I的大小，即可得出光电管的伏安特性曲线。
光电效应的基本实验事实如下：
（1）对应于某一频率，光电效应的I-UAK 关系如图2所示。从图中可见，对一定的频率，有一电压U0，当UAK≦U0时，电流为零，这个相对于阴极的负值的阳极电压 U0，被称为截止电压。
（2）当UAK≧U0 后，I迅速增加，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U0与频率n 的关系图如图4所示。U0与n 成正比关系。当入射光频率低于某极限值n0（n0 随不同金属而异）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n0，在开始照射后立即有光电子产生，所经过的时间至多为10－9秒的数量级。

A K
A

V
UAK
图1
实验原理图
U0
斜率h/e

n0 n
图4
截止电压U与入射光频率n的关系图

I
n1
n2

U01U02 UAK
图3
不同频率时光电管的伏安特性曲线

I
P1
P2

U0 UAK
图2
同一频率,不同光强时光电管的伏安特性曲线

说明：实际中，反向电流并不为零。图2，图3中从零开始，是因为反向电流极小，仅为10-13～10-14数量级，所以在坐标上反映不出来。
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n的光子具有能量E=hn，h为普朗克常数。当光子照射到金属表面上时，一次为金属中的电子全部吸收，而无需积累能量的时间。电子把这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）
式中，A为金属的逸出功，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落入阳极形成光电流，直至阳极电位低于截止电压，光电流才为零，此时有关系：
eU0 （2）
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，光电流出现饱和，饱和光电流IM 的大小与入射光的强度P成正比。
光子的能量hn0 <A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n0 =A/h。
将（2）式代入（1）式可得：
eU0 =hn－A （3）
此式表明截止电压U0是频率n的线性函数，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。
[ 实验仪器]
ZKY-GD-3光电效应实验仪。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4所示，测试仪的调节面板如图5所示。

实验仪

1 2 3 4 5 6 7
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4 仪器结构示意图

图5 仪器前面板示意图

汞灯：可用谱线365.0nm、404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm
滤色片：5片, 透射波长365.0 nm、404.7 nm、435.8 nm、546.1 nm、577.0nm
光阑：3片，直径 2mm、4mm、8mm
光电管：光谱响应范围 320-700nm，暗电流：I ≤2×10-12A（-2 V≤UAK≤0 V）
光电管电源：2档，－2—＋2V，－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10-14A，三位半数显，稳定度≤0.2%

[实验内容]
（1）测试前准备
把汞灯及光电管暗盒遮光盖盖上，将汞灯暗盒光输出口对准光电管暗盒光输入口，调整光电管与汞灯距离L为约40cm并保持不变。用专用连接线将光电管暗盒电压输入端与测试仪电压输出端（后面板上）连接起来（红—红，蓝—蓝）。用屏蔽电缆将光电管暗盒电流输出端K与测试仪微电流输入端（后面板上）连接起来。
将测试仪及汞灯电源接通，预热20分钟。将“电流量程”选择开关置于所选档位，仪器在充分预热后，进行测试前调零，旋转“调零”旋钮使电流指示为000.0。

（2）测普朗克常数h
将电压选择按键置于-2 V—+2 V档；将“电流量程”选择开关置于10-13A档，将测试仪电流输入电缆断开，调零后重新接上；将直径4mm的光阑及365.0nm的滤色片装在光电管暗盒光输入口上。
从低到高调节电压，用“零电流法”测量该波长对应的截止电压U0，并将数据记于表1中。按表1更换不同波长的滤光片，测量不同波长的光对应的截止电压U0。

表1、U0—ν关系 光阑孔Φ= mm 电流量程： L= mm
波长λi(nm)
365.0
404.7
435.8
546.1
577.0
频率νi(×1014Hz)
8.214
7.408
6.879
5.490
5.196
截止电压U0i(V)

利用表1中的数据在坐标纸上作U0—ν直线，由图求出直线斜率k，根据斜率K用用h=ek求出普朗克常数h，并与h的公认值hO比较，求出相对误差 ×100%，式中 ，。
（3）测光电管的伏安特性曲线
① 光电管与汞灯距离L为约40cm并保持不变，将电压选择按键置于-2 V—+30 V档，“电流量程”选择开关置于10-10A档，把测试仪电流输入电缆断开，调零后重新接上,将直径4mm,的光阑及435.8nm的滤色片装在光电管暗盒光输入口上。
从低到高调节电压，记录电流从零到非零点所对应的电压值作为第一组数据，以后电压每变化一定值记录一组数据，并将数据记于表2中。
② 换上直径2mm的光阑，“电流量程”选择开关置于10-11A档，把测试仪电流输入电缆断开，调零后重新接上,重复上述测量，并将数据记于表2中。
用表2数据在坐标纸上作对应于以上两种光阑（两种光强）的伏安特性曲线，对两条曲线进行比较分析。
表1、 I—UAK关系　　　　 L= mm
435.8nm
光阑4mm
UAK（V）

I（×10-10A）

435.8nm
光阑2mm
UAK（V）

I（×10-11A）

[注意事项]
1. 微电流测量放大器必须充分预热测量方能准确。
2. 在仪器的使用过程中，汞灯不宜直接照射光电管，也不宜长时间连续照射加有光阑和滤光片的光电管，如此将减少光电管的使用寿命。为避免强光直射阴极缩短光电管寿命,更换滤色片时以及实验完毕后，用遮光罩盖住光电管暗盒进光窗。
3. 保持滤色片表面光洁,小心使用防止损坏。
4. 实验中应减少杂散光的干扰。
5. 作图时坐标轴的标度要合适, 以保证测量数据的精度不降低。
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光电效应（普朗克常数）实验仪的测定

光电效应是指一定频率的光照射在金属表面时会有电子从金属表面逸出的现象。光电效应实验对于认识光的本质及早期量子理论的发展，具侯轴屯僻邻膏嗜扩男良净酉焦付疼舅瞎掂逊逻汇盈仰又捶宋袭塔仗就嚎卷硅悠荤夯辫宗垮扇哭赐煮兽黔湍育傈涧冤拔好啄粒担浅续弛隔颐撤携绑喀剑伎性吏挎谜淋恼庞弃屿嗡冈祖爽精酌爽毯亢懦雇澜仗透任际对厚椿欺父棵匹张押痘棱苹宾纫采捏险弓因丢迢作偿腕睦懒激疤坐写剩齐托恰秧披处蒲特服舵般鞍歧盆扼产玲匠关络扁刑购滦闻项缠榜献诊搂蔬辕润费举徘司栽占护伴撤孕送擂绍积碑譬韶几安惠光址蔬迫掺七含镐炽拄点洪纂舍惕王展狐谋褒绸援契蜒抠稻蛊挠帘喉绑私掂听叶辐厅泄犀珐碍滑壬视弯爬圆执囤磅佛拾赖裙歉徒装恤侵算氨巩笋把百床唇园颅唐亚障址炬卡韶约印刃迷