實驗講義-光電效應(yīng)和普朗克常數(shù)的測量

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1、實驗--光電效應(yīng)和普朗克常數(shù)的測量1887年德國物理學(xué)家H.R.赫茲發(fā)現(xiàn)電火花間隙受到紫外線照射時會產(chǎn)生更強的電火花。赫茲的論文《紫外光對放電的影響》發(fā)表在1887年《物理學(xué)年鑒》上。論文詳細(xì)描述了他的發(fā)現(xiàn)。赫茲的論文發(fā)表后，立即引起了廣泛的反響，許多物理學(xué)家紛紛對此現(xiàn)象進(jìn)行了研究，用紫外光或波長更短的X光照射一些金屬，都觀察到金屬表面有電子逸出的現(xiàn)象，稱之為光電效應(yīng)。對光電效應(yīng)現(xiàn)象的研究，使人們進(jìn)一步認(rèn)識到光的波粒二象性的本質(zhì)，促進(jìn)了光量子理論的建立和近代物理學(xué)的發(fā)展，現(xiàn)在光電效應(yīng)以及根據(jù)光電效應(yīng)制成的各種光電器件已

2、被廣泛地應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科研和國防等各領(lǐng)域。【實驗?zāi)康摹竣偻ㄟ^實驗加深對光的量子性的認(rèn)識；②驗證愛因斯坦方程，并測量普朗克常數(shù)以及陰極材料的“紅限”頻率?！緦嶒炘怼恳弧⒐怆娦?yīng)及其實驗規(guī)律當(dāng)一定頻率的光照射到某些金屬表面上時，可以使電子從金屬表面逸出，這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)，所產(chǎn)生的電子稱為光電子。研究光電效應(yīng)的實驗裝置如圖4.3.1所示，入射光照射到陰極K時，由光電效應(yīng)產(chǎn)生的光電子以某一初動能飛出，光電子受電場力的作用向陽極A遷移而構(gòu)成光電流。一定頻率的光照射陰極K所得到的光電流和兩極間的電壓的實驗曲線如圖4.3.

3、2所示。隨著光電管兩端電壓的增大,光電流趨于一個飽和值，當(dāng)≤時，光電流為零，稱為反向遏止電壓。kAGAV入射光光電管圖4.3.1光電效應(yīng)實驗裝置示意圖0圖4.3.2U——I特性曲線總結(jié)所有的實驗結(jié)果，光電效應(yīng)的實驗規(guī)律可歸納為：（1）對于一種陰極材料，當(dāng)照射光的頻率確定時，飽和光電流的大小與入射光的強度成正比。7（1）反向遏止電壓的物理含義是：當(dāng)在光電管兩端所加的反向電壓為時，則逸出金屬電極K后具有最大動能的電子也不能到達(dá)陽極A，此時（4.3.1）實驗得出光電子的初動能與入射光的強度無關(guān)，而只與入射光的頻率有關(guān)。（2）

4、光電效應(yīng)存在一個閾頻率，當(dāng)入射光的頻率時，不論光的強度如何都沒有光電子產(chǎn)生。（3）光電效應(yīng)是瞬時效應(yīng)，只要照射光的頻率大于，一經(jīng)光線照射，立刻產(chǎn)生光電子，響應(yīng)時間為。對于這些實驗事實，經(jīng)典的波動理論無法給出圓滿的解釋。按照電磁波理論，電子從波陣面連續(xù)地獲得能量。獲得能量的大小應(yīng)當(dāng)與照射光的強度有關(guān)，與照射的時間長短有關(guān)，而與照射光的頻率無關(guān)。因此對于任何頻率的光，只要有足夠的光強度或足夠的照射時間，總會發(fā)生光電效應(yīng)。這些結(jié)論是與實驗結(jié)果直接矛盾的。二、愛因斯坦方程和密立根實驗1905年愛因斯坦受普朗克量子假設(shè)的啟發(fā)，提

5、出了光量子假說，即：一束光是一粒一粒以光速C運動的粒子流，這些粒子稱為光子，光子的能量為（為普朗克常數(shù)，為光的頻率）。當(dāng)光子照射金屬時，金屬中的電子全部吸收光子的能量，電子把光子能量的一部分變成它逸出金屬表面所需的功，另一部分轉(zhuǎn)化為光電子的動能，即：（4.3.2）式中:—普朗克常數(shù)，公認(rèn)值為6.62916這就是著名的愛因斯坦光電效應(yīng)方程。根據(jù)這一理論，光電子的能量只決定于照射光的頻率，并與之成線性關(guān)系。由（4.3.2）式可見,只有當(dāng)時,才會有光電子發(fā)射,我們把記作,即（4.3.3）這就是說是能發(fā)生光電效應(yīng)的入射光的最小

6、頻率，顯然它的值隨金屬種類不同而不同,又稱“紅限”頻率。圖4.3.3愛因斯坦光量子理論圓滿地解釋了光電效應(yīng)的各條實驗規(guī)律。愛因斯坦的光子理論由于與經(jīng)典電磁理論抵觸，一開始受到懷疑和冷遇。一方面是因為人們受傳統(tǒng)觀念的束縛，另一方面是因為當(dāng)時光電效應(yīng)的實驗精度不高，無法驗證光電效應(yīng)方程。密立根從1904年開始光電效應(yīng)實驗，1912-1915年間，密立根對一些金屬進(jìn)行測量，得出了光電子的最大動能7和入射光頻率之間的嚴(yán)格線性關(guān)系（圖4.3.3），直線在橫軸上的交點，說明照射光的頻率小于時不會有光電子發(fā)射。不同的金屬其值不同，但

7、所有的金屬直線的斜率卻是不變的。密立根于1916年發(fā)表論文證實了愛因斯坦方程的正確性，并直接運用光電方法對普朗克常數(shù)作了首次測量。歷經(jīng)十年，密立根用實驗證實了愛因斯坦的光量子理論。兩位物理大師因在光電效應(yīng)等方面的杰出貢獻(xiàn)，分別于1921和1923年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。光量子理論創(chuàng)立后，在固體比熱，輻射理論，原子光譜等方面都獲得成功，人們逐步認(rèn)識到光具有波動和粒子二象屬性。光子的能量與頻率有關(guān)，當(dāng)光傳播時，顯示出光的波動性，產(chǎn)生干涉，衍射，偏振等現(xiàn)象；當(dāng)光和物體發(fā)生作用時，它的粒子性又突出了出來。后來科學(xué)家發(fā)現(xiàn)波粒二象性

8、是一切微觀物體的固有屬性，并發(fā)展了量子力學(xué)來描述和解釋微觀物體的運動規(guī)律，使人們對客觀世界的認(rèn)識前進(jìn)了一大步。三、普朗克常數(shù)的測量原理根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程（4.3.2）式、截止電壓與光電子的最大初動能的關(guān)系（4.3.2）式以及“紅限”頻率與逸出金屬表面所需的功之間的關(guān)系（4.3.3）式，可得到：0圖4.3.4照射光頻率與截止電