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文檔簡介
1、光電效應(yīng)講義實驗三 光電效應(yīng)【實驗?zāi)康摹?. 加深對光的量子性的認(rèn)識。2. 驗證愛因斯坦方程,測定普朗克常數(shù)3. 測定光電管的伏安特性曲線。【實驗原理】當(dāng)一定頻率的光照射到某些金屬外表上時,可以使電子從金屬外表逸出,這種現(xiàn)象稱為光電效 應(yīng).所產(chǎn)生的電子,稱為光電子。光電效應(yīng)是光 的經(jīng)典電磁理論所不能解釋的。1905年愛因斯坦 依照普朗克的量子假設(shè),提出了光子的概念。他認(rèn) 為光是一種微粒一光子;頻率為的光子具有能 量h , h為普朗克常數(shù),目前國際公認(rèn)值為h =(6 . 6260755 ± 0. 0000040) X 10-34 J s。當(dāng) 金屬中的電子吸收一個頻率為的光子時,便獲得這
2、光子的全部能量h,如果這能量大于電子擺脫金 屬外表的約束所需要的逸出功 W,電子就會從金屬中逸出.按照能量守恒原理有:(3.1)2mv m W2上式稱為愛因斯坦方程, 其中m和Vm是光電子 的質(zhì)量和最大速度,-mvm2是光電子逸出2外表后所具有的最大動能.它說明光子能量h 小于W時,電子不能逸 出金屬外表,因而沒有 光電效應(yīng)產(chǎn)生;產(chǎn)生光 電效應(yīng)的入射光最低頻 率=W / h,稱為光電 效應(yīng)的極限頻率又稱 紅限。不同的金屬材 料有不同的逸出功,因 而也是不同的。用光電管進行光電 效應(yīng)實驗,測量普朗克常數(shù)的實驗原理如圖3.1所示。圖中K為圖3.1光電效應(yīng)實驗原理圖光電管的陰極,A為陽極,微安表用于
3、測量微小的 光電流,電壓表用于測量光電管兩極間的電壓,E為電源,R提供的分壓可以改變光電管兩極間的電 勢差。當(dāng)單色光入射到光電管的陰極 K上時,如有 光電子逸出,那么當(dāng)陽極 A加正電勢,K加負(fù) 電勢時,光電子就被加速;而當(dāng)K加正電勢,A加負(fù)電勢時,光電子就被減速。當(dāng)A、K之間所加電壓U足夠大時,光電流到達(dá)飽和值I m ,當(dāng)U< -Uo,并滿足方程(3.1eU 0 _mvm22時,光電流將為零,此時的Uo稱為截止電壓。式中e為電子電量。光電管的伏安特性曲線光電流與所加電壓的I U關(guān)系如圖3.2所示。當(dāng)用一定強度的光 照射在光電管陰極K上時,光電流I隨兩極間的加 速電壓改變而改變,開始光電流
4、I隨兩極間的加速 電壓增加而增加,當(dāng)加速電壓增加到一定值后,光 電流不再增加.這是因為在一定照度下,單位時間11圖3.3截止電壓 Uo是入射光頻率的線性關(guān)系圖線圖3.2光電管的伏安特性曲線內(nèi)所產(chǎn)生的光電子數(shù)目一定,而且這些電子在電場的作用下已全都跑向陽極 A,從而到達(dá)飽和。我 們稱此時的電流為飽和電流I m。由于光電子從陰極外表逸出時具有一定的初速度,所以當(dāng)兩極間 電勢差為零時,仍有光電流I存在。假設(shè)在兩極間施 加一反向電壓,光電流隨之減?。划?dāng)反向電壓到達(dá) 截止電壓Uo時,光電流為零。將式(3.2)代人式(3.1)可得eU。= hW即U0 w ho(3.3)e e e上式說明,截止電壓 Uo是
5、入射光頻率 的線性函數(shù), 其直線的斜率等于 h/e。可見,只要用實驗方法, 測量不同頻率光的截止電壓,作出Uo 圖線,如圖3.3所示。從圖中求得直線的斜率 勺,e即可求出普朗克常數(shù)h。另外,從直線和橫坐標(biāo) 的交點還可求出極限頻率 。因此,由光電效應(yīng)測定普朗克常數(shù) h的關(guān)鍵是 正確地測定截止電壓Uo。需要指出的是, 實際的 光電管由于制作工藝等原因,給測定截止電壓帶來 一些困難。對測量產(chǎn)生影響的主要因素如下:(1)暗電流和本底電流光電管在沒有受到光照時,也會產(chǎn)生電流, 稱為暗電流。它是由陰極在常溫下的熱電子發(fā)射 形成的熱電流和封閉在暗盒里的光電管在外加電 壓下因管子陰極和陽極間絕緣電阻漏電而產(chǎn)生
6、的 漏電流兩局部組成。本底電流是周圍雜散光射入 光電管所致。( 2) 反向電流由于制作光電管時陽極上往往濺有陰極材料, 所以當(dāng)光照到陽極上或雜散光漫射到陽極上時, 陽極上也往往有光電子發(fā)射;此外,陰極發(fā)射的 光電子也可能被陽極的外表所反射。當(dāng)陽極 A 加負(fù)電勢,陰極 K 加正電勢時,對陰極 K 上發(fā)射 的光電子而言起減速作用,而對陽極 A 發(fā)射或反射 的光電子而言卻起了加速作用,使陽極 A 發(fā)出的光 電子也到達(dá)陰極 K ,形成反向電流。由于上述種種原因,實測的光電管伏安特性(I U)曲線與理想曲線是有區(qū)別的。圖 3.4 中實線表示實測 線。實測曲線上每一點曲 線,虛線表示理想曲 的電流值是以上
7、三個電 線即陰極光電流曲線, 流值的代數(shù)和。顯然,點劃 線代表影響較大的 實測曲線上光電流 I 為反向電流 及暗電流曲 零的點所對應(yīng)的電壓值并不是截止電壓。從圖 3.4可看出,陽極光電 流即反向電流和暗電 流的存在,使陰極光電 流曲線下移,實測曲線的 拐點或稱抬頭點處的電壓值與截止電壓 近似相等, 可代替截止電壓。因此,光電效應(yīng)實驗是通過找出實驗伏安特性曲線的拐點來確定截止電壓U0的?!緝x器介紹】1. GDH I型光電管:陽極為鎳圈,陰極為銀一氧-鉀Ag-0-K,光譜范圍 340 . 0700 . 0nm光窗口為無鉛多硼硅玻璃,最高靈敏波長是410 . 0 ± 10 . 0nm,陰極
8、光靈敏度為 1卩A/Lm , 暗電流為10-12 A。為了防止雜散光和外界電磁場對微弱光電流的干擾,光電管安裝在可升降 的鋁質(zhì)暗盒中,暗盒窗口可以安放光闌孔和濾 色片。2. 光源:高壓汞燈,譜線范圍在 302.3 872.0 nm3. NG型濾色片:一組有色玻璃濾色片。濾通的譜線波長分別為 365 nm,404 nm,436 nm,546 nm,577 nm 。4. GP- H型微電流測量放大器:電流測量范圍為10-610 -13 A,分六檔十進變換;工作電源為 -3+3V連續(xù)可調(diào),電壓量程分 0V土 1V ± 2V土 3V六段讀數(shù),讀數(shù)精度0 . 02V。測 量放大器可以連續(xù)地工作
9、8小時以上。丄卜.一 -J tEZZ3圖3.5光電效應(yīng)實驗裝置示意圖【實驗內(nèi)容】1. 測試前的準(zhǔn)備(1) 將光源、光電管暗盒、微電流測量放大器安放在適當(dāng)位置,連接好光電管暗盒與測量放 大器之間的屏蔽電纜、地線和陽極電源線。參見 圖 3.5 和圖 3.6 。將微電流測量放大器面板上各 開關(guān)、旋鈕置于以下位置:“倍率開關(guān)置“ ZERO ;“電流極性 置 “- ;“工作選擇置“ DC ;“掃描平移任 意; “電壓極性置“ - ;“電壓量程置“ - 3 ;“電壓調(diào)節(jié)反時針調(diào)到頭。(2) 翻開微電流測量放大器電源開關(guān)讓其預(yù) 熱 20-30 分鐘。在光電管暗盒的光窗上裝 光闌;并蓋上遮光罩,翻開光源開關(guān),
10、讓汞燈預(yù) 熱。2. 測量光電管的 I U 特性(1) 使暗盒離開光源3050 cm,根本等高, 暗盒窗口正對光源出射孔。(2) 取去暗盒窗口上的遮光罩,換上波長入=365 nm 的濾色片。將倍率旋鈕置于“10-7檔,此時光電流大小應(yīng)在此量程范圍內(nèi)(注 意,光電管暗盒正對汞燈時,電流最小) 。(3) 選擇適宜的電流和電壓量程,測出 -3 3V 時不同電壓下的光電流。測量時, -3 0V 時每 0.1V 測一個點,0V 以上可加大間隔。3. 測量光電管拐點和本底電流。(1) 依次調(diào)換不同波長的濾色片,重復(fù)上面的測量,只測-30V時的光電流,每0.1V測 一個點。(2) 擋住汞燈出光口,測量0V時光
11、電管的本 底電流(每個濾色片都測)。4. 測量光電管的暗電流。用遮光罩罩住光電管暗盒,測量0V時光電管的暗電流。5. 求普朗克常數(shù)h把不同頻率下的截止電壓描繪在方格紙上,如果實驗結(jié)果準(zhǔn)確,那么 U0 =f ( v )關(guān)系曲線是一直線, 求出直線的斜率,從而可算出普朗克常數(shù)h,并將 結(jié)果與公認(rèn)值比擬,求出百分誤差?!究记绊氈?.在數(shù)據(jù)表格后加拐點及本底電流數(shù)據(jù)表(365nm 的本底電流記在I V表中)。電壓(V)-3.0-2.-92. -28!. -27-2.6-2.5-2.-42.-:32. -2210405nm436nm546nm577nm電壓98765,-1.43211. -1.09-1.-1. -1.-1.-1. -1.-1.-0.V)405nm436nm546nm577nm電壓(V)-0.3765-0.-43210.-().-0,-0.-0.-0.(0本底405nm436nm5
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