指導(dǎo)教師:迭東光電效應(yīng)

光電效應(yīng)是光具有粒子性的重要表征，是經(jīng)典電磁理論無法解釋的現(xiàn)象之一。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)了量子理論的建立和近代物理學(xué)的發(fā)展。利用光電效應(yīng)制成的光電器件，如光電管、光電池、光電倍增管等，已在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、天文和軍事等方面得到了廣泛的應(yīng)用。一、實驗?zāi)康暮腿蝿?wù)驗證Einstein方程，測定Planck常數(shù)h。了解光電效應(yīng)的規(guī)律，加深對光的量子性認(rèn)識。

學(xué)習(xí)測定普朗克常數(shù)h的一種實驗方法。

光電效應(yīng)是由物理學(xué)家赫茲首先發(fā)現(xiàn)的。此后不久，許多的研究者做了各種實驗，詳細(xì)地研究了這種現(xiàn)象。典型實驗裝置如下圖所示：

V光電管RKA光照G-U+U圖1光電效應(yīng)實驗裝置二、實驗原理

圖中光電管內(nèi)裝有陰極K和陽極A，陰極K為金屬板。A和K兩極分別與電流計G、伏特表V及電源相連。當(dāng)一定頻率的單色光照射到陰極K上時，①陰極K有沒有光電子釋放，可通過電流計有沒有電流來判斷；②如果有光電子釋放，其最大初動能可通過改變陰極K和陽極A兩端的電壓來測定；③單位時間發(fā)射出的光電子數(shù)，可通過電流表的電流的大小來反映。根據(jù)前人的研究，其基本實驗規(guī)律有：

1．任何一種金屬，都有一個極限頻率(又稱紅限)，入射光的頻率低于這個頻率就不能產(chǎn)生光電效應(yīng)。

2.光電效應(yīng)是瞬時效應(yīng)，即使入射光的強(qiáng)度非常弱，幾乎在開始照射的同時就有光電子產(chǎn)生，延遲的時間最多為10-9S數(shù)量級。

3.入射光頻率大于極限頻率時，光電管的伏安特性如圖2所示，其中光電流為零時所對應(yīng)的電壓稱為截止電壓。從圖中我們可以看出：飽和光電流IS（單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)）與入射光強(qiáng)度成正比。

UPI大小P圖2同一頻率，不同光強(qiáng)時的伏安特性曲線IU圖3不同頻率時，光電管的伏安特性曲線IS

4.不同頻率的光，其截止電壓的值是不同的，如圖3所示。顯然，光電子的最大初動能與截止電壓U0之間有如下關(guān)系式：式中m和e分別為電子的質(zhì)量和電量，Vm是逸出光電子的最大初速率。

以上實驗事實是光的波動理論所不能解釋的。1905年Einstein在Plank的量子假說基礎(chǔ)上，提出了光量子理論：光能不象波動理論所想象的那樣連續(xù)分布的，而是集中在被稱之為光子的微粒上；但這種微粒仍然保持著頻率(或波長)的概念，頻率為

的光子具有的能量E=h

，其中h為普朗克常數(shù)。當(dāng)光照射在金屬上時，實質(zhì)上是光子和金屬中的電子相互作用的一個過程，如果入射光的頻率足夠高，處于束縛態(tài)的電子將吸收光子的全部能量，一部分能量消耗于電子從金屬表面逸出所需要的逸出功W，其余部分轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮拥某鮿幽埽鶕?jù)能量守恒原理可得，光電子的最大初動能為：上式稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程。由此可以看出，光電子的最大初動能只與入射光的頻率有關(guān)，與強(qiáng)度無關(guān)。當(dāng)光電子的最大初動能為零時，由(2)式可得截止頻率為：將(1)式代入(2)

式可得(4)式表明，對同一陰極，截止電壓U0與入射光頻率

成線性關(guān)系（如圖4所示），其斜率為K=h/e。因此，只要對不同頻率

的入射光，測出相應(yīng)的截止電壓U0，作v-U0關(guān)系曲線圖，若得到的是一條直線，則愛因斯坦方程便可得到驗證。同時，求出直線斜率K，利用已知的電子電量e，即可算出普朗克常數(shù)h，再利用截距還可求出截止頻率。圖4截止電壓U0與入射光頻率的關(guān)系U0vvc斜率h/e陰極電流實測電流陽極反向電流IU···圖5實測光電管的

I–U

特性曲線光電檢測裝置

光電管暗箱，汞燈，汞燈電源，實驗基準(zhǔn)平臺，濾光片（365nm、405nm、436nm、546nm、577nm），光闌（2mm、4mm、8mm）。實驗主機(jī)

GD-4型智能普朗克常數(shù)測試儀（微電流放大器、掃描電壓源發(fā)生器）配套設(shè)備

控制計算機(jī)及相關(guān)軟件三、實驗儀器圖6實驗裝置示意圖四、參考實驗步驟1.按要求完成電纜連接，蓋上光蓋，確定無誤后，按下汞燈及普朗克常數(shù)測試儀的電源開關(guān)接通電源，預(yù)熱約20分鐘。2.在預(yù)熱過程中，調(diào)整光電管與汞燈距離約為40cm，并保持不變。然后關(guān)閉計算機(jī)所有的活動窗口，雙擊桌面上的“計算機(jī)輔助實驗系統(tǒng)”圖標(biāo)，在用戶欄和密碼欄都輸入“student”后，再點擊“登陸（L）”鍵，打開“計算機(jī)輔助實驗系統(tǒng)—光電效應(yīng)”窗口，然后暫停計算機(jī)操作。一.普朗克常數(shù)h的測定3.在汞燈和普朗克常數(shù)測試儀預(yù)熱約20分鐘之后，先把普朗克常數(shù)測試儀后面板上的微電流輸入電纜卸掉，再將“電流量程”開關(guān)旋轉(zhuǎn)至檔，接著旋轉(zhuǎn)“調(diào)零”旋鈕使電流指示為000.0，調(diào)節(jié)好后將先前斷開的微電流輸入電纜與普朗克常數(shù)測試儀連接起來，最后按“調(diào)零確認(rèn)/系統(tǒng)清零”鍵，系統(tǒng)進(jìn)入測試狀態(tài)。4.將光電管暗箱光蓋取下，裝上孔徑為4mm的光闌，然后套上中心波長為“365nm”的濾光片。5.回到計算機(jī)上操作。

在“計算機(jī)輔助實驗系統(tǒng)—光電效應(yīng)”窗口中，將鼠標(biāo)指

向“開始”并點擊，在新的窗口中正確輸入或選擇相關(guān)信息，點擊“開始（S）”鍵，選擇“是（Y）”，設(shè)置實驗參數(shù)”，然后點擊“設(shè)置（S）”和“是”開始實驗，取下汞燈的光蓋等待，直到電流曲線與橫軸相交，然后點擊“結(jié)束”，將汞燈的光蓋蓋上，然后移動鼠標(biāo)使“+”對準(zhǔn)“U-I曲線”與U軸（即橫軸）的交點使電流為零，此時的電壓就是該頻率（或波長）光對應(yīng)的截止電壓，并將其記錄在實驗預(yù)習(xí)報告的數(shù)據(jù)記錄表格內(nèi)。6.對于波長為405nm、436nm、546nm、578nm的光，分別重復(fù)4、5

測定其截止電壓。

7.測完截止電壓后，請蓋上光電管暗箱和汞燈的光蓋，然后點擊桌面上的“光電效應(yīng)數(shù)據(jù)處理”圖標(biāo)，在數(shù)據(jù)處理程序中輸入各頻率對應(yīng)的截止電壓U0，最后將計算結(jié)果記錄下來。二.驗證光電效應(yīng)的伏安特性曲線（選做）1.“電流量程”開關(guān)撥至10－10A檔，并重新調(diào)零。2.將直徑4mm的光闌及所選譜線的濾色片裝在光電管暗箱光輸入口上。3.測伏安特性曲線可選用“微機(jī)顯示/微機(jī)測試”兩種模式之一，測量的最大范圍為-1~50V，自動測量時步長為1V。4.根據(jù)實驗需要可選擇：（a）同時觀察5條譜線在同一光闌、同一距離下的伏安飽和特性曲線。

（b）同時觀察某條譜線在不同距離(即不同光強(qiáng))、同一光闌下的伏安飽和特性曲線。

（c）同時觀察某條譜線在不同光闌(即不同光通量)

、同一距離下的伏安飽和特性曲線。

由此可驗證光電管飽和光電流與入射光強(qiáng)成正比。實驗完畢，請老師簽字，確定合格后，請關(guān)閉計算機(jī)，保持儀器整潔，放好凳子。

保護(hù)光電管。在正式測試之前或?qū)嶒炌戤呏?，?yīng)將光電管金屬罩上的入射窗口蓋好；在換用濾光片或光闌時，應(yīng)將汞燈的出光窗口蓋住，防止光線射入，以免陰極材料老化，減弱光電轉(zhuǎn)化效率，降低光電靈敏度。五、實驗注意事項保護(hù)光源。汞燈的功率較大，溫度很高，一旦打開，不