光電效應(yīng)測普朗克常數(shù)

光電效應(yīng)實驗組2013-8-30特別注意：光電管易損壞！實驗前切勿打開桌面電源！【實驗?zāi)康摹?、測定光電效應(yīng)的基本特性曲線，加深對光的量子性的認識；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。1.測量普朗克常數(shù)h及“紅限”頻率0；2.測定光電管的伏安特性（I-U）曲線；3.測量飽和電流與光強（Im-P）關(guān)系?！緦嶒瀮?nèi)容】光電效應(yīng)現(xiàn)象及其歷史光電效應(yīng)：光照射到金屬上，引起物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化。這類光變致電的現(xiàn)象被人們統(tǒng)稱為光電效應(yīng)。赫茲在做電磁波實驗的時候，發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)。H.R.Hertz1857-1894初次試驗：1887年光電效應(yīng)是赫茲（H.R.Hertz）于驗證電磁波存在時意外發(fā)現(xiàn)的，然而這一現(xiàn)象是無法用麥克斯韋的經(jīng)典電磁理論對其做出成功解釋的。理論解釋：1905年愛因斯坦在普朗克（M.Planck）量子假設(shè)的基礎(chǔ)上提出了光量子（光子）概念，并由此圓滿地解釋了光電效應(yīng)的各種實驗規(guī)律。再次試驗：10年后密立根（R.A.Millikan）以精湛的實驗技術(shù)驗證了愛因斯坦的光電效應(yīng)方程。獲得成就：愛因斯坦和密立根主要因光電效應(yīng)方面的杰出貢獻分別榮獲1921年和1923年的諾貝爾物理學(xué)獎。光電效應(yīng)現(xiàn)象及其歷史光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和解釋極大推動了量子力學(xué)的發(fā)展！推動了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展！使得人類生活發(fā)生極大的變化！光電效應(yīng)的應(yīng)用利用光電效應(yīng)可以把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺瑒幼餮杆凫`敏，因此利用光電效應(yīng)制作的光電器件在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)技術(shù)和文化生活領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用．光電管就是應(yīng)用最普遍的一種光電器件

電磁波（光）電信號光電器件（光敏管、光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光敏組件、色敏器件、光敏可控硅器件、光耦合器等光電器件）。太陽能電池。成像系統(tǒng)（CCD、微光夜視）。光電倍增管光電效應(yīng)的實驗原理①圖中的Im是飽和光電流，它與“單位時間內(nèi)發(fā)射出的光電子數(shù)”有關(guān)，由入射光的強度決定；②圖中的Us是反向截止電壓(遏止電壓)，它與“光電子的最大初動能”有關(guān)，由入射光的頻率決定．“I～U”曲線：如圖所示的是光電流強度I隨光電管兩極間電壓U的變化曲線，相應(yīng)的物理意義是：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。光電效應(yīng)現(xiàn)象的原理在光電效應(yīng)中，要釋放光電子顯然需要有足夠的能量。根據(jù)經(jīng)典電磁理論，光是電磁波，電磁波的能量決定于它的強度，即只與電磁波的振幅有關(guān)，而與電磁波的頻率無關(guān)。而實驗規(guī)律中的第一、第二兩點顯然用經(jīng)典理論無法解釋。經(jīng)典解釋存在截止頻率、光電效應(yīng)與光的頻率有關(guān)，而與光強無關(guān)。第三條也不能解釋，因為根據(jù)經(jīng)典理論，對很弱的光要想使電子獲得足夠的能量逸出，必須有一個能量積累的過程而不可能瞬時產(chǎn)生光電子。光電效應(yīng)現(xiàn)象的原理量子解釋（愛因斯坦）光電子的最大初動能入射到金屬表面的光頻率越高，逸出的電子動能必然也越大，所以即使陰極不加電壓也會有光電子落入陽極而形成光電流，甚至陽極電位比陰極電位低時也會有光電子落到陽極，直至陽極電位低于某一數(shù)值時，所有光電子都不能到達陽極，光電流才為零。這個相對于陰極為負值的陽極電位US被稱為光電效應(yīng)的截止電壓(遏止電壓)。截止頻率愛因斯坦光電效應(yīng)方程“紅限”頻率要想發(fā)射光電子流，必須光電效應(yīng)現(xiàn)象的原理“I～U”曲線：如圖所示的是光電流強度I隨光電管兩極間電壓U的變化曲線。實際“I～U”曲線：實驗中影響光電效應(yīng)伏安－特性的因素很多：暗電流、陽極電流、不同材料的接觸電壓以及照射光的非單色性。曲線的下部轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€，轉(zhuǎn)變點B(抬頭點)對應(yīng)的外加電壓值才是遏止電壓US。影響準確測量的因素：光電效應(yīng)現(xiàn)象的原理暗電流或本底電流：當光電管陰極沒有受到光線照射時也會產(chǎn)生電子流，稱為暗電流。它是由電子的熱運動和光電管管殼漏電等原因造成的。室內(nèi)各種漫反射光射入光電管造成的光電流稱為本底電流。暗電流和本底電流隨著K、A之間電壓大小變化而變化。陽極電流：陽極的光電子發(fā)射是陽極材料在光照下發(fā)射的光電子，對這些光電子而言，外加反向電場是加速電場，因此它們很容易到達陰極，形成反向電流（陽極電流）。由于它們的存在，使得I～U曲線較理論曲線下移，如圖所示。ZKY-GD-3型光電效應(yīng)實驗儀上式表明與入射光頻率成直線關(guān)系，實驗中可用不同頻率的入射光照射，分別測量相應(yīng)的截止電壓，就可作出的實驗直線，此直線的斜率就是由該直線與橫軸的交點，可求出“紅限”頻率。這就是密立根驗證愛因斯坦光電效應(yīng)方程的主要實驗思想。則普朗克常數(shù)普朗克常數(shù)的測量原理實驗儀器ZKY-GD-3型光電效應(yīng)實驗儀

普朗克常數(shù)的測量高壓汞燈

光電管

濾光片及光闌遮光蓋

測試儀40cm實驗儀器普朗克常數(shù)的測量測試儀光電管暗盒光電管光闌濾光片高壓汞燈汞燈電源ZKY-GD-3光電效應(yīng)實驗儀結(jié)構(gòu)示意圖五種帶通型濾光片安裝在接收暗盒的進光窗口上，以獲得所需要的單色光。濾光片型號NG365NG405NG436NG546NG577透射波長（nm）365.0404.7435.8546.1577.0實驗儀器普朗克常數(shù)的測量ZKY-GD-3光電效應(yīng)實驗儀結(jié)構(gòu)示意圖實驗（1）用實驗（2\3）用調(diào)零和測量切換調(diào)零量程實驗儀器ZKY-GD-3型光電效應(yīng)實驗儀特點

由于其特殊結(jié)構(gòu)使光不能直接照射到陽極；由陰極反射照到陽極的光也很少；加上采用新型的陰、陽極材料及制造工藝，使得陽極反向電流、光電管暗電流大大降低；由此測定的光電管的伏安特性曲線點與點基本重合。因而可以把實測電流為零時對應(yīng)的光電管電壓值作為截止電壓，此種方法稱為零電流法。普朗克常數(shù)的測量ZKY-GD-3型光電效應(yīng)實驗儀采用了新型結(jié)構(gòu)的光電管。普朗克常數(shù)的測量1.測量普朗克常數(shù)、“紅限”頻率本實驗采用ZKY-GD-3型光電效應(yīng)實驗儀。由于其特殊結(jié)構(gòu)使暗電流大大降低，由此測定的光電管的伏安特性曲線與基本重合。因而可以把實測電流為零時對應(yīng)的光電管電壓值作為截止電壓，此種方法稱為零電流法。（1）用零電流法測定h和由于光電管的陽極反向電流、暗電流、本底電流及極間接觸電位差等因素的影響，實測電流為零時對應(yīng)的光電管的電壓并非截止電壓，而對應(yīng)于U—I實驗曲線反向電流開始趨于常量的點（拐點），因此，通過實驗測量光電管的伏安特性，根據(jù)U—I實驗曲線分析其“拐點”，由此得出截止電壓。此方法稱為“拐點法”。普朗克常數(shù)的測量1.測量普朗克常數(shù)、“紅限”頻率將電壓選擇按鍵置于-2V～0V檔，電流量程選擇在10-13A擋，重新調(diào)節(jié)測試儀零點。將直徑為4mm的光闌及365.0nm的濾色片裝在光電管暗盒光輸入口上。調(diào)節(jié)電壓UAK，使光電流指示為零，此時測試儀所顯示的電壓值即為與入射光頻率對應(yīng)的截止電壓。更換其余四個濾光片（注意：更換濾光片時先將汞燈用遮光蓋蓋上?。?，測出各頻率的光所對應(yīng)的截止電壓。重復(fù)上述測量步驟，測量4組數(shù)據(jù)。平均值4321

截止電壓5.1965.4906.8797.4088.214頻率（×1014Hz）577.0546.1435.8404.7365.0波長（nm）數(shù)據(jù)記錄表格一(每種情況測量四次)普朗克常數(shù)的測量3.驗證光電管的飽和光電流與入射光強的正比關(guān)系

將“電流量程”選擇開關(guān)置于10-11A檔，重新調(diào)節(jié)測試儀零點。將電壓調(diào)到25V，在同一譜線,在同一入射距離下,記錄光闌分別為2mm，4mm，8mm時對應(yīng)的電流值。由于照到光電管上的光強與光闌面積成正比，用表三數(shù)據(jù)驗證光電管的飽和光電流與入射光強成正比。435.8nm光闌Φ2mm4mm8mmI（×10-11A）546.1nm光闌Φ2mm4mm8mmI（×10-11A）數(shù)據(jù)記錄表格三由于照到光電管上的光強與光闌面積成正比，用表三數(shù)據(jù)驗證光電管的飽和光電流與入射光強成正比?！緮?shù)據(jù)處理】普朗克常數(shù)的測量（一）根據(jù)表格一測量數(shù)據(jù)1>作圖法作出US－v的實驗直線，由此直線的斜率k計算普朗克常數(shù)h＝ek，與公認值進行比較計算相對不確定度。由該直線與橫軸的交點得出“紅限”頻率v0。2>最小二乘法根據(jù)最小二乘法求出直線方程普朗克常數(shù)“紅限”頻率【數(shù)據(jù)處理】普朗克常數(shù)的測量（二）根據(jù)表格二測量數(shù)據(jù)，作對應(yīng)于以上兩種波長及光強的伏安特性曲線。（三）根據(jù)表格三測量數(shù)據(jù)，作對應(yīng)于以上兩種波長的Im—P關(guān)系曲線，并給出結(jié)論思考題光電效應(yīng)的實驗規(guī)律是什么？經(jīng)典的波動理論是如何解釋光電效應(yīng)的各條實驗規(guī)律?愛因斯坦光量子假說的內(nèi)容是什么？它是如何解釋光電效應(yīng)的各條實驗規(guī)律?密立根驗證愛因斯坦光電效應(yīng)方程的主要實驗思想是什么？注意事項汞燈一旦開啟，切勿關(guān)閉！切勿觸摸