光電效應(yīng)和普朗克常數(shù)的測(cè)量

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1、☆講義閱后請(qǐng)放在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，不要帶走！☆光電效應(yīng)與普朗克常數(shù)的測(cè)量【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?)通過光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)加深對(duì)光的量子性的認(rèn)識(shí)；2)驗(yàn)證愛因斯坦方程，測(cè)定普朗克常數(shù)h；3)測(cè)定光電管的伏安特性曲線．【實(shí)驗(yàn)原理】圖1實(shí)驗(yàn)原理圖光電效應(yīng)是由赫茲在1887年首先發(fā)現(xiàn)的，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)認(rèn)識(shí)光的本質(zhì)具有極其重要的意義．1905年，愛因斯坦從普朗克的能量子假設(shè)中得到啟發(fā)，提出光量子的概念，成功地說明了光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律．1916年，密立根以精確的光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了愛因斯坦的光電方程，測(cè)出的普朗克常數(shù)與普朗克按絕對(duì)黑體輻射定律中的計(jì)算值完全一致．愛因斯坦和密立根分別于1921年和1923年

2、獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)．光電效應(yīng)的應(yīng)用極為廣泛．用光電效應(yīng)的原理制成的光電管、光電倍增管及光電池等各種光電器件，是光電自動(dòng)控制、有聲電影、電視錄像、傳真和電報(bào)等設(shè)備中不可缺少的器件．在光的照射下，從金屬表面釋放電子的現(xiàn)象稱光電效應(yīng)．圖2I－U特性曲線1．光電效應(yīng)及其規(guī)律光電效應(yīng)的基本規(guī)律有：①飽和光電流：飽和光電流強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度成正比；②存在截止頻率：對(duì)某一種金屬來說，只有當(dāng)入射光的頻率大于某一頻率時(shí)，電子才能從金屬表面逸出，電路中才有光電流，這個(gè)頻率叫做截止頻率——紅限；③線性性：用不同頻率的光照射金屬K的表面時(shí)，只要入射光的頻率大于截止頻率，截止電壓與入射光頻率

3、具有線性關(guān)系．④瞬時(shí)性：無論入射光的強(qiáng)度如何，只要其頻率大于截止頻率，則當(dāng)光照射到金屬表面時(shí)，幾乎立即就有光電流逸出（延遲時(shí)間約為10-9s）．2．愛因斯坦光子假說與光電效應(yīng)方程1905年，愛因斯坦對(duì)光的本性提出了新的理論，認(rèn)為光束可以看成是由微粒構(gòu)成的粒子流，這些粒子流叫做光量子，簡(jiǎn)稱光子．在真空中，光子以光速c運(yùn)動(dòng)．一個(gè)頻率為的光子具有能量，為普朗克常數(shù)．按照光子理論，光電效應(yīng)可解釋如下：當(dāng)金屬中的一個(gè)自由電子從頻率為的入射光中吸收一個(gè)光子后，就獲得能量．如果大于電子從金屬表面逸出時(shí)所需的逸出功，這個(gè)電子就可從金屬中逸出．根據(jù)能量守恒定律，應(yīng)有（1）-5-式中

4、是光電子的最大初動(dòng)能，上式稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程．愛因斯坦方程表明光電子的初動(dòng)能與入射光的頻率成線性關(guān)系．入射光的強(qiáng)度增加時(shí)，光子數(shù)也增多，因而單位時(shí)間內(nèi)光電子數(shù)目也將隨之增加，這就很自然地說明了光電子數(shù)與光的強(qiáng)度之間的正比關(guān)系．由方程(1)，假定，得：．這表明頻率為(截止頻率)的光子具有發(fā)射光電子的最小能量．如果光子頻率低于，不管光子數(shù)目多大，單個(gè)光子沒有足夠的能量去發(fā)射光電子，所以截止頻率相當(dāng)于電子所吸收的能量全部消耗于電子的逸出功時(shí)入射光的頻率．3．普朗克常量的測(cè)量如圖1表示實(shí)驗(yàn)裝置的光電原理．單色光投射到光電管的陰極金屬板K，釋放光電子（發(fā)生光電效應(yīng)），

5、A是集電極（陽極）．由光電子形成的光電流可以被微安表測(cè)量．在保持光照射不變的情況下，如果在AK之間施加反向電壓（集電極為負(fù)電位），光電子就會(huì)受到電場(chǎng)的阻擋作用，當(dāng)反向電壓足夠大時(shí)，達(dá)到光電流降到零，就稱做截止電壓．不難理解，截止電壓與光電子最大初動(dòng)能間有如下關(guān)系（2）即有（3）則測(cè)出不同頻率的入射光所對(duì)應(yīng)的截止電壓，由此可作圖線，由直線斜率可求得普朗克常數(shù)．由該直線與橫軸的交點(diǎn)，可求出“紅限”頻率．這就是密立根驗(yàn)證愛因斯坦光電效應(yīng)方程的主要實(shí)驗(yàn)思想．實(shí)際測(cè)量的光電管伏安特性曲線存在某些干擾，主要有：（1）存在暗電流和本底電流：在完全沒有光的照射下，由光電管陰極本身

6、的電子熱運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的電流稱為暗電流．由于外界各種漫反射光照射到光電管陰極所形成的電流稱為本底電流．實(shí)驗(yàn)曲線0陽極光電流陰極光電流暗電流圖4存在反向電流的I-U特性曲線（2）存在陽極電流：光電管在制造和使用時(shí)，陽極不可避免地被陰極材料所沾染．在光的照射下，被沾染的陽極也會(huì)發(fā)射光電子并形成陽極電流，在光電管加反向電壓時(shí)，該電流流向與陰極電流流向相反．由于上述原因，致使實(shí)測(cè)曲線光電流為零時(shí)所對(duì)應(yīng)的電壓并不是截止電壓．確定截止電壓，主要有兩種辦法：①交點(diǎn)法光電管陽極用逸出功較大的材料制作，制作過程中盡量防止陰極材料蒸發(fā)，實(shí)驗(yàn)前對(duì)光電管陽極通電，減少其上濺射的陰極材料，實(shí)驗(yàn)

7、中避免入射光直接照射到陽極上，這樣可使它的反向電流大大減少,因此曲線與U軸交點(diǎn)的電位差值近似等于遏止電位差，此即為交點(diǎn)法．②拐點(diǎn)法光電管陽極反向電流雖然較大，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，若使反向光電流能較快地飽和，則伏安特性曲線在反向電流進(jìn)入飽和段后有著明顯的拐點(diǎn)，因此測(cè)出拐點(diǎn)即測(cè)出了理論值．-5-【實(shí)驗(yàn)裝置】光源（高壓汞燈，可用譜線為、、、、共五條強(qiáng)譜線）、濾光片、光電管暗盒、微電流測(cè)量?jī)x、光電管工作電源圖5實(shí)驗(yàn)裝置【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟】1.測(cè)試前準(zhǔn)備:⑴接通測(cè)試儀及汞燈電源，預(yù)熱約20min．蓋上光電管暗箱和汞燈的遮光蓋，將光電管與汞燈距離調(diào)整并保持在400mm不變．注意：汞

8、燈一旦開啟