光電效應(yīng)普朗克常數(shù)的測(cè)量

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1、云南大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心實(shí)驗(yàn)報(bào)告云南大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱：創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：光電效應(yīng)普朗克常數(shù)的測(cè)量學(xué)生姓名：朱江醒學(xué)號(hào)：20051050148物理科學(xué)技術(shù)學(xué)院物理系2005級(jí)數(shù)理基礎(chǔ)科學(xué)專業(yè)成績(jī)指導(dǎo)教師：姜澤軍實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2007年12月1日8時(shí)30分至12時(shí)30分實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：物理館實(shí)驗(yàn)類型：教學(xué)(演示□驗(yàn)證□綜合□設(shè)計(jì)□)學(xué)生科研□課外開放□測(cè)試□其它□10云南大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．了解光電效應(yīng)及其規(guī)律，理解愛因斯坦光電方程的物理意義2．用減速電位法測(cè)量光電子初動(dòng)能，求普朗克常數(shù)。

2、二、實(shí)驗(yàn)原理1．光電效應(yīng)金屬在光的照射下釋放出電子的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)。根據(jù)愛因斯坦的“光量子概念”，每一個(gè)光子具有能量，當(dāng)光照射到金屬上時(shí)，其能量被電子吸收，一部分消耗于電子的逸出功Ws，另一部分轉(zhuǎn)換為電子逸出金屬表面后的動(dòng)能。由能量守恒定律得(1)圖1此式稱為愛因斯坦光電方程。式中為普朗克常數(shù)，為入射光的頻率，m為電子質(zhì)量，v為電子的最大速度，上式右邊第一項(xiàng)為電子最大初動(dòng)能。用光電方程圓滿解釋了光電效應(yīng)的基本實(shí)驗(yàn)事實(shí)：電子的初動(dòng)能與入射光頻率呈線性關(guān)系，與入射光的強(qiáng)度無關(guān)。任何金屬都存在一截止頻率，，又稱紅限，當(dāng)入射光

3、的頻率小于時(shí)，不論光的強(qiáng)度如何，都不產(chǎn)生光電效應(yīng)。此外，光電流大小(即電子數(shù)目)只決定于光的強(qiáng)度。2．驗(yàn)證愛因斯坦光電方程，求普朗克常數(shù)圖2圖1本實(shí)驗(yàn)采用“減速電位法”決定電子的最大初動(dòng)能，并由此求出普朗克常數(shù)。實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示。圖中K為光電管陰極，A為陽極。當(dāng)頻率為的單色光入射到光電管陰極上時(shí)，電子從陰極逸出，向陽極運(yùn)動(dòng)，形成光電流。當(dāng)為正值時(shí)，越大，光電流越大，當(dāng)電壓達(dá)到一定值時(shí)，光電流飽和，如圖2中虛線所示。若為負(fù)(即在光電管上加減速電位)，光電流逐漸減小，直到達(dá)到某一負(fù)值時(shí)，光電流為零，稱為遏止電位或截止電壓。

4、這是因?yàn)閺年帢O逸出的具有最大初動(dòng)能的電子不能穿過反向電場(chǎng)到達(dá)陽極，即10云南大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心實(shí)驗(yàn)報(bào)告（2）將（2）式代入（1）式得當(dāng)用不同頻率的單色光照射時(shí)，有……..聯(lián)立其中任意兩個(gè)方程，得圖3（3）由此可見，愛因斯坦光電方程提供了一種測(cè)量普朗克常數(shù)的方法，如果從實(shí)驗(yàn)所得的關(guān)系是一條直線(如圖3)，其斜率，為電子電荷，由此可求出普朗克常數(shù)。這也就證實(shí)了光電方程的正確性。3．光電管的實(shí)際U-I特性曲線由于下述原因光電管的實(shí)測(cè)U-I特性曲線如圖2中實(shí)線所示，光電流沒有一個(gè)銳截止點(diǎn)。（1）在光電管制造過程中，有些光陰極物

5、質(zhì)濺射到陽極上，受光照射(包括漫反射光)時(shí)，陽極也會(huì)發(fā)射光電子，使光電管極間出現(xiàn)反向電流(陽極電流)。（2）無光照射時(shí)，在外加電壓下，光電管中仍有微弱電流流過，稱為暗電流。這是由于光電管電極在常溫下的熱電子發(fā)射以及管座和管殼外表面的漏電造成的。（3）陽極和陰極材料不同引起的接觸電位差。4．遏止電位的確定由于上述原因使遏止電位的確定帶有很大的任意性。實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)根據(jù)光電管的不同結(jié)構(gòu)與性能，采用不同方法確定。（1）陰極是平面電極、陽極做成大環(huán)形可加熱結(jié)構(gòu)的光電管（如國產(chǎn)1997型或GDh-110云南大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心實(shí)驗(yàn)報(bào)告型

6、）其陰極電流上升很快，反向電流較小，特性曲線與橫軸的交點(diǎn)可近似當(dāng)作遏止電壓，這種方法稱為“交點(diǎn)法”。（2）陰極為球殼形、陽極為半徑比陰極小得多的同心小球的光電管（如GD-4型），反向電流容易飽和，可以把反向電流進(jìn)入飽和時(shí)的拐點(diǎn)（圖2中）電壓近似作為遏止電位，這種方法叫做“拐點(diǎn)法”。不過，不論采用什么方法，均在不同程度上引進(jìn)系統(tǒng)誤差，使測(cè)量的誤差較大。三、實(shí)驗(yàn)儀器本實(shí)驗(yàn)采用GD-IV型微機(jī)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀，包括四部分：1．光源。用高壓汞燈，燈泡選用GGQ-50WHg型，光譜范圍在302.3~872.0nm之間。2．光電管。采

7、用GDhl型光電管，陽極為鎳圈，陰極為銀—氧—鉀（Ag-O-K），光譜范圍為340~700nm。它裝在帶有入射窗口的暗盒內(nèi)。高度可調(diào)，入射窗口配有5mm孔徑光闌。3．濾色片。用NG型濾色片獲得單色光，它是一組（5塊）寬帶型有色玻璃組合濾色片，有選通365.0、405.7、435.8、546.1、577.0nm譜線的能力。4．微電流測(cè)量放大器。電流測(cè)量范圍10-5～10-13A，分6檔，十進(jìn)變換，微電流指示用3位半數(shù)字電流表，讀數(shù)精度分0.1A（用于調(diào)零和校準(zhǔn)）和1A（用于測(cè)量）兩檔。機(jī)內(nèi)附有光電管工作電源。分直流和掃描兩

8、檔，直流用于手動(dòng)調(diào)節(jié)電壓，掃描用于記錄儀或微機(jī)自動(dòng)測(cè)量時(shí)，自動(dòng)改變電壓。直流電壓輸出0～±3V，連續(xù)可調(diào)。掃描電壓為三角波，幅度0～±3V，周期50s。圖6四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1．手動(dòng)測(cè)量光電管的U-I特性曲線。（1）將光源、光電管暗盒、微電流放大器等安放在適當(dāng)位置，光源與光電管的距離取30~50cm，注意兩者光路共軸。暫不