光电效应的实验及理论研究
光电效应的实验及理论
研究
集团标准化小组：[VVOPPT-JOPP28-JPPTL98-LOPPNN]
JISHOU UNIVERSITY
本科生毕业论文题目：光电效应理论及实验探讨
作者：杨麟
学号：
所属学院：物理与机电工程学院
专业年级：2012级应用物理专业
指导教师：邬云雯职称：教授
完成时间：2016年4月27日
吉首大学教务处制
光电效应的理论及实验探讨
杨麟
（吉首大学物理与机电工程，湖南吉首 416000）
摘要：为了更加深入的探索“光与电之间的相互转换”这一未来的热门领域，分析了光电效应产生的基本原理和实验规律，并用实验加以验证，为以后进一步的研究打下了基础。
关键词：光电效应；光电子；频率；遏止电压
Theoretical and Experimental Investigation
of the photoelectric effect
Yanglin
(College of Physics, Mechanical and Electrical Engineering, Jishou
University,Jishou,Hunan 416000)
Abstract: For more in-depth exploration of "mutual conversion between light and electricity," the next hot area, analyzes the basic principles and laws of the photoelectric effect experiment generated and verified by experiment, for further research laid the foundation for later. Keywords: the photoelectric effect ; Optoelectronics ; frequency ; Curb voltage
引言
光电效应是指光照射到金属上，引起物质的电性质发生变化的这一类现象的总和。由物理学家赫兹于1887年发现，而正确的解释为爱因斯坦所提出。自20世纪70年代以来，随着社会的发展和科技创新，越来越多的人把焦点集中在对光能和电能的运用，由于光电效应能实现光能和电能之间的转换，因此也有了越来越多了的应用。特别是近30年，光电效应更是广泛的应用于工业和军事领域，已经成为人类文明发展不可缺失的一部分！本文较为详细的介绍了光电效应的理论知识及发展历史，并设计实验加以验证。1.光电效应的理论探讨
1.1光电效的含义
在物理学中，光电效应是一个重要而神奇的现象。物质在高于某特定频率的光波照射下，引起物质的电性质发生变化。这类光变致电的现象被人们统称为光电效应。其中光电效应分为光电子发射、光电导效应和光生伏特效应。前一种发生在物体表面，使物体内的电子逸出物体表面，称为外光电效应。后两种发生在物内部，使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差或引起材料电导率的变化，称为内光电效应。
1.2光电效应的理论发展和研究历史
德国物理学家赫兹在1887年用莱顿瓶做放电实验观察到了光电效应和电磁波的发射与接收,正是这个实验中赫兹注意到当紫外光照射在火花隙的负极上,放电就比较容易发生。赫兹的论文《紫外线对放电的影响》发表后，引起物理学界广泛的注意，许多物理学家进行了进一步的实验研究。
1888年，德国物理学家霍尔瓦克斯（Wilhelm Hallwachs）证实，这是由于在放电间隙内出
现了荷电体的缘故。
1899年，J.J.汤姆孙用巧妙的方法测得产生的光电流的荷质比，获得的值与阴极射线粒子的荷质比相近，这就说明产生的光电流和阴极射线一样是电子流。这样，物理学家就认识到，这一现象的实质是由于光（特别是紫外光）照射到金属表面使金属内部的自由电子获得更大的动能，因而从金属表面逃逸出来的一种现象。
1899—1902年，勒纳德（P.Lenard，1862—1947）对光电效应进行了系统的研究，并首先将这一现象称为“光电效应”。为了研究光电子从金属表面逸出时所具有的能量，勒纳德在电极间加一可调节反向电压，直到使光电流截止，从反向电压的截止值，可以推算电子逸出金属表面时的最大速度。他选用不同的金属材料，用不同的光源照射，对反向电压的截止值进行了研究，并总
mv2,可以计算出发射电子的能量。由此结出了光电效应的一些实验规律。根据动能定理：eU=1
2
mv2+I+W
可以得出：hf=1
2
深入的实验发现的规律与经典理论存在诸多矛盾，但许多物理学家还是想在经典电磁理论的框架内解释光电效应的实验规律。有一些物理学家试图把光电效应解释为一种共振现象，但也不能完全合理。勒纳德在1902年提出触发假说，假设在电子的发射过程中，光只起触发作用，电子原本就是以某一速度在原子内部运动，光照射到原子上，只要光的频率与电子本身的振动频率一致，就发生共振，电子就以其自身的速度从原子内部逸出。勒纳德认为，原子里电子的振动频率是特定的，只有频率合适的光才能起触发作用。勒纳德的假说在当时很有影响，被一些物理学家接受。但是，不久，勒纳德的触发假说被他自己的实验否定。
直到1905年，爱因斯坦把普朗克量子化观点进一步研究和推广，由此提出了光量子即光子概念,爱因斯坦认为,光在空间的传播正象粒子那样运动,并把组成光束的粒子称为光子，光子的能量并不是连续分布的函数，射向金属表面的光，实质上就是具有能量ε=hν的光子流。如果照射的光的频率过低，即光子流中每个光子能量较小，当它照射到金属表面时，这一光子就被电子吸收了，它所增加的能量ε=hν仍然不足以让电子脱离金属表面（即ε=hν要小于电子的逸出功），电子就不能脱离开金属表面，因而不能产生光电效应。如果照射光的频率高到能使电子吸收后其能量足以克服逸出功而脱离金属表面，就会产生光电效应。此时逸出电子的、和逸出功之间的关系可表示为：
Εk(max)=hν- W0
这就是爱因斯坦光电效应方程。
其中hν为入射光子能量，由频率决定。Εk(max)为光电子的最大初动能，W0 金属的逸出功。爱因斯坦的这一理论成功的解析了光电效应。
1.3光电效应实验规律
经过许多科学家的一系列的实验，得出光电效应实验规律如下:
1．光电子动能和入射光频率之间的关系：光电子的最大初动能与入射光频率成正比,而与光的强度无关。
2．光电效应的红限：只有当照射物体的光频率大于某个确定值时（不同金属有不同值），光电效应才会发生。而低于这一频率的光，无论照射多长时间也不会产生光电效应。称这一确定的光频率为光电效应的红限。
3．光电效应与时间关系：光电效应与光照几乎同时产生和消失,滞后时间最多不超过10-9S,通常称为光电效应的瞬时性。
4. 光电子的数目和入射光的强度之间的关系：当入射光的频率一定,而改变入射光的强度,饱和电流与入射光强度成正比,单位时间内发出的光电子数与入射光强度成正比。
mv2+W0的正确性
5.爱因斯坦光电效应方程：hνi=1
2
在当时人们试图用光的波动理论对以上实验结果加以解释,但实验结果与波动理论解释之间存在尖锐矛盾, 根据经典的电磁理论，光是一种电磁波，电磁波的能量只决定于它的强度，即只与电磁波的振幅有关，而与它的频率无关。上述实验规律中的第一、第二两点显然无法用经典理论来解释。而且也不能解释第三条，因为根据经典理论，对很弱的光要想获得足够的能量使电子逸出，就必须有一个能量积累的过程，光电子是不可能瞬时产生的。这充分暴露光的波动理论的不完全性,而用爱因斯坦的光子假设成功的对光电效应的解释证实了光子假设的实在性。下面我们用实验加以验证。
2.光电效应实验仪器及实验原理
2.1实验仪器
光电效应实验装置如下图1所示：
图1 光电效应实验装置图
上图所示实验仪为ZKY-GD-4光电效应实验仪，其组成为：微电流放大器，光电管工作电源
光电管滤色片，汞灯。
2.2实验原理
研究光电效应的实验装置原理电路图如下图2所示，K和A是封闭在真空玻璃管中的两个电极(其中K为阴极，A为阳极)，当光束从窗口射入到K极时，便会在K极上发射光电子。K于A之间的电压大小可以调整，以便控制光
电子发射的速度。图中的微电流计和电压表分别用来测量K,A两极之间的电压和光电流。图中电源的正负极也可以对调，当电源如图2所示接入时，A极吸收从K极发射出的光电子，从而形成光电流。滑动变阻器采用了分压式接法用来调节两极间的电压,这样连接就可以让A,K两极间的电压从零开始变化。
图2 光电效应实验装置原理电路图光电效应是一种微观现象，想要观察影响光电效应的因素，就必须把这种微观现象转化为宏观现象的变化，以此来进行判断。这也是一种普遍的试验方法。在图2中，我们可以通过观察微电流计示数的变化，来判断产生光电子数目的多少。比如，如果电流表示数增大，则说明光电流增大，因此可以说明光电子产生的数目变多。反之，则光电子产生数目变少。由此可以研究光电子的数目和入射光强，频率的关系。而持续改变入射光的频率，并且在阴极K和阳极A之间施加正向电压，观察示数的变化直到刚好为零，记录使微电流计示数刚好为零的光频率就可以得出光电效应的红限频率的大概值。
由于直接测量光电子的动能比较困难，所以我们在阴极K和阳极A两端加上反向电压，来控制光电子发射的速度，而发射端是从金属表面开始的,因此,在金属内部不受反向电压的影响,只有当光电子逸出金属表面的瞬间,才开始受到电压的作用而做减速运动，当反向电压逐渐增大，光电子发射的数目减少，直到为零。我们就称这个光电子发射数目刚好为零的反向电压为遏止电压。结合动能定理可以用公式表示为：eU a=1
mv2（1）
2
其中Ua称为反向遏止电压。请注意对不同频率νi的光,有不同的反向遏止电压！
由上述公式可知，光电子的能量(最大初动能)决定了遏止电压的大小,我们可以通过研测量遏止电压这个可观测的宏观物理量与如射光的强度、频率的关系来得知光电子能量这个不可观测的微观物理量与哪些因素有关了,这就是物理上经常用的转化思想,也是这个实验装置的巧妙之处.或者可以说,从遏止电压可以推算出电子逸出金属表面时的能量(最大初动能)。
另外，我们也可以通过测量不同频率的入射光的遏止电压来测量另一个与光电效应有关的重要的物理量普朗克常数。
由爱因斯坦光电效应方程：
mv2+W0 (2)
hνi=1
2
其中hνi为光电子的能量，1
mv2为光电子的最大初动能，W0为逸出功。
2
再结合以上（1），(2)两式可以得出：
U g=h e?（νi + W0h?） (3)
由(3)式可知反向遏止电压Ug与光频率νi是线性关系,直线的斜率即为h/e,由于电子电量e为已知,所以普朗克常量可以用斜率与e乘积求得.实验时改变νi测相应Uai,作Uai-νi图,并求斜率K=h/e。
3.光电效应实验内容和步骤
3.1实验测量入射光的频率，光强对光电效应的影响
本次实验采用“手动模式”进行测量。
3.1.1实验步骤
（1）将实验仪及汞灯电源接通（汞灯及光电管暗盒遮光盖盖上），预热20min。（2）调整光电管与汞灯距离为约40cm并保持不变。
（3）用专用连接线将光电管暗箱电压输入端与实验仪电压输出端（后面板上）连接起来（红—红，蓝—蓝）。
（4）将“电流量程”选择开关置于所选档位，进行测试前调零。调零时应将光电管暗盒电流输出端K与实验仪微电流输入端（后面板上）断开，且必须断开连线的实验仪一端。旋转“调零”旋钮使电流指示为000.0。
（5）调节好后，用高频匹配电缆将电流输入连接起来，按“调零确认/系统清零”键，系统进入测试状态。
（6）将“伏安特性测试/截止电压测试”状态键切换至伏安特性测试状态。将“电流量程”开关拨至10?10A档。
（7）将直径4mm的光阑及435.8nm的滤色片装在光电管暗盒光输入口上，并调节入射距离至400mm。从低到高调节电压，调节范围为“-1～50V”。
（8）保持入射距离不变。记录数据，并测绘入射光波的“伏-安特性曲线”。
（9）保持入射光波的频率不变(435.8nm)，改变入射光波的强度（改变入射距离分别为800mm，400mm和200mm）。记录数据，并测绘入射光波的伏-安特性曲线。（10）将“伏安特性测试/截止电压测试”状态键切换至截止电压测试状态。保持入射距离为400mm不变，改变入射光的频率。测绘入射光波的频率-遏止电压曲线图。记录及结果分析
(1)通过试验，得到实验数据记录表如下：
表1 正向电压U 0和阴极电流I 的数据记录表
由表1中的数据可以得到，在入射光的强度与频率不变的情况下，电流——电压的实验曲线如图3所示
图3 光电效应“伏-安”特性曲线图
曲线表明，当加速电压U 增加到一定值时，光电流达到饱和值I m 。当所有的电子都到达后,即使再增加电压也不会出现变也.原因是光照一定时,单位时间产生的电子数目是一定的,当产生的数量与到达阳极的数量相等时,即单位时间内发射的光电子全部到达阳极后,电流就不会再增大了。
另一方面，当加速电压逐渐减小到零，并逐渐变负时（这时电场力对于光电子来说是阻力），光电流并不降为零，这就表明从电极K 逸出的光电子具有初动能。所以尽管有电场力阻碍它运动，仍有部分初动能比较大的光电子到达电极A 。但由于单位时间内到达阳极A 的光电子数减少，所以光电流就随着减小。随着反向电压越来越大，单位时间内到达阳极A 的光电子数就越来越少，光电流也就越来越小。但是当反向电压增大到等于 -U g 时，就能阻止所有的光电子飞向电极A ，光电流降为零，这个电压叫遏止电压。它使具有最大初速度的光电子也不能到达电极A 。这样我们就能根据遏止电压 -U g 来确定电子的最大初速度和最大初动能，即可得：eU g =1
2mv 2，式中e 为电子的电荷。
（2）保持入射光的频率不变，改变入射光的强度，得到实验数据记录表如下：
表2
表3
表4
有上述表2, 3, 4中记录的数据可以得到，在用相同频率不同强度的光去照射电极K时，电流—电压的曲线如图4所示。
图4不同光强下的光电效应“伏-安”特性曲线
（1）曲线表明，对于不同强度的光，U g是相同的，这说明同一种频率，不同强度的光所产生的光电子的最大初动能是相同的。但光电流强度不同，这是因为入射光的强度是由单位时间到达金属表面的光子数目决定的，而被击中的光电子（亦即吸收了光子能量的电子）数又与光子数目成正比，这样光的强度越大，被击出的光电子数就越多，则形成的光电流就越强。即当入射光的频率一定时，光电流的强度与入射光的强度成正比。而饱和光电流I m的值，由光电效应中光电子的定向移动形成光电流强度,这个强度与入射光强度有关,但不由入射光强度唯一决定,由于单位时间内发射出来的光电子数与入射光强度成正比,但光电子从金属表面发射出来初速度大小和方向不尽相同,因此在外加电压一定时,不能保证光电子全部到达阳极,当外加电压达到某一值时,从阴极出来的全部电子才能达到阳极,即光电流强度随外加电压的增大会趋向
于一个饱和值,显然饱和光电流不但与入射光强度有关,也与外加电压有关,是二者共同决定的。
（2）光电子能量(最大初动能)不是由遏止电压决定的。遏止电压是刚好使光电流为0的临界电压,是加在发射端阴极K和接收端阳极A两端上的,而发射端是从金属表面开始的,因此,在金属内部不受遏止电压的影响,只有当光电子逸出金属表面的瞬间,才开始受到电压的作用而做减速运动;而且遏止电压是由动能定理推出来的,电场对电子做的功等于最大初动能,此时电子到达光电管的阳极速度刚好为零,无光电流产生,光电管两极电压为遏止电压.可见,是光电子的能量(最大初动能)决定了遏止电压
mv2，可的大小。而对于相同频率的光，无论光的强弱如何，U g是相同的。由eU g=1
2
见相同频率的光，光电子产生的初动能是相同的。即光电子的初动能由入射光的频率决定，而与入射光的强度无关。
（3）当更换不同的滤色片，用不同频率的光去照射电极K时，得到频率-遏止电压的曲线图如图5所示，
图5
曲线表明，遏止电压与入射光的频率有关，当入射光的频率小于某一特定值时，无论入射光的强度如何变化，都不能产生光电子，即遏止电压为零。而当入射光的频率高于这一特定值时，入射光的频率与遏止电压成正比关系（遏止电压由入射光的频率决定）。因此，把图4中的ν0称为入射光的极限截止频率。对于不同的材料极限频率不同。
3.2测量普朗克常数
实验中，我们采取“手动测量”的方式进行试验。
(1)将“电压量程”开关拨至10V档。并将实验仪器从新进行调零。使“自动/手动”模式键处于手动模式中。
(2)将直径4mm的光阑及365.0nm的滤色片装在光电管暗盒光输入口上，打开汞灯的光盖。此时电压表显示的值，单位为伏；电流表显示与对应的电流值I，单位为所选择的“电流量程”。用电压调节键→、←、↑、↓可调节的值，→、←键用于选择调节位↑、↓键用于调节值的大小。
(3)从低到高调节电压（绝对值减小），观察电流值的变化，寻找电流为零时对应的，以其绝对值作为该波长对应的的值，并将数据记于表5中。为尽快找到的值，调节时应从高位到低位，先确定高位的值，再顺次往低位调节。
(4)依次换上365.0 nm，435.8 nm，546.1 nm，404.7 nm ，577.0 nm的滤色片，重复以上测量步骤。
实验中测得的数据如下表5所示：
表5 遏止电压U g与频率νi数据记录表
由表5中记录的数据可得遏止电压与光频率的曲线关系图如下图5：
图5 遏止电压与光频率关系曲线
3.2.3结果计算
由（2）式U g=h e?（νi + W0h?）可知，上述直线的斜率为h/e，则普朗克常量为：h=0.3764×10?14×1.602×10?19=6.0×10?34J.s
而由最小二乘法的得到的斜率的标准差为s b=0.139450，则可知所求的普朗克常量h
的不确定度为：
U h=e U b=1.602×10?19×3.18×0.01394×10?14=0.7×10?34 J.s
测得的普朗克常量h与公认值h0的相对误差为：
E=h?h0
h0 =6.0×10
?14J.s ? 6.626×10?34J.s
6.626×10?34J.s
= -0.094
实验得到的普郎克常数为：h=（6.0±0,7）×10?34 J.s
从实验的角度分析，实际影响实验验精度的因素可分为两大类：类是电流误差的影响,另一类是实验条件所致，下面就这两个问题作一简要的分析与讨论。
（1）引起电流误差主要原因有暗电流、反向电流和本底电流。
暗电流是指在仪器工作时, 完全没有光照的条件下,微电流计的电流,它主要来源于阴极的热电子发射及漏电流。但常用的普朗克常数测试仪其暗电流的数量级大约为10-11A,而测量电流的数量级大约为10-9A,故暗电流的影响可忽略不计。
反向电流是由于在制造过程中光阴极物质溅射到阳极上,当光照射时其行为与光
阴极相似,致使在截止电压以下获得一个反向电流,随着反向电压增加,反向电流趋于
饱和.这是因为在测量反向遏止电压时,阴极是高电位,阳极是低电位,阳极上的阴极材料光电子在光电效应中的加速电场中所产生的反向电流就是在加上反向电压后总有0. 2～0. 4μA(随频率不同而异)的光电流的原因. 实验中测得的电流特性曲线,是阴极
光电流和阴极光电流叠加的结果,如图6实线所示。由图6见,由于阳极的污染,实验
时出现了反向电流。特性曲线与横轴交点的电流虽然等于“0”,但阴极光电流并不等于“0”,交点的电位差U g。两者之差由阴极电流上升的快慢和阳极电流的大小所决
定。如果阴极电流上升越快,阳极电流越小,U g′与U g之差也越小。从实际测量的电流曲线上看,正向电流上升越快,反向电流越小,则U g′与U g之差也越小。
图6 光电管的反向电流
（2）实验条件选取所产生的误差
出于对现有测量仪器的改进和数据处理的角度去考虑,首先保证光源的单色性是相当重要的。实验中常用的单色光源是由汞灯加各种滤色片形成的, 实验中滤色片有一定的狭缝宽度，滤色片产生的光并不完全是单一的滤色，会产生一定的误差。
其次, 实验中以汞灯作为光源，而汞灯在交变电压变化的情况下并不能完全稳定，产生的光也不稳定。而且由于光源与光电管接收装置是分离的,故在实验中选取两者之间合适的距离也非常重要。这主要是因为两者的距离太近,光电管阴极容易疲劳。距离太远,又会使得阴极电流过小,而致使微电流计灵敏度降低。
再者，在读数时，由于产生的光电流的变化，仪器示数会有微小的跳动，也会产生读数误差。另外，装有阴极管的暗箱封闭不严，可能会受到杂光的影响。以上这些因素均会给实验造成一定的误差。
4.实验结论
通过上述实验，可以得出如下实验结论：
1.在一定范围内，当入射光的频率一定时，入射光的强度和产生的数目成正比。超过一定范围后，光电子产生的速度逐渐下降，达到饱和状态后，光电子的数目将不再随光强增大而增加。
2.只有当入射光的频率大于某个确定值时（不同金属有不同值），光电效应才会发生。而低于这一频率的光，无论照射多长时间也不会产生光电效应。
3.当入射光的频率大于某特定值时，遏止电压的大小与入射光频率成正比，而与入射光的强度无关。即产生的光电子的最大初动能由入射光的频率决定，而与入射光的强度无关。
4.实验测得普朗克常数为：h=（6.0±0,7）×10?34J.s，与公认值h0=6.626×
10?34J.s的相对误差为9.4%
上述实验结论符合已经得出的实验规律，因实验条件所限，所测得的普朗克常数
与公认值存在一定的误差。但相对误差也得以控制在10%以内，实验结果足以应证爱
因斯坦光电效应方程的正确性。
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南昌大学物理实验报告 学生姓名：黄晨学号：5502211059 专业班级：应用物理111 班级编号：S008实验时间：13 时00分第03周星期三座位号：07 教师编号：T003成绩：此式称为爱因斯坦方程，式中h为普朗克常数，v为入射光频。v存在截止频率，是的 吸收的光子的能量恰好用于抵消电子逸出功而没有多余的动能，只有当入射光的频率大于截止频率时，才能产生光电流。不同金属有不同逸出功，就有不同的截止频率。 1、光电效应的基本实验规律 （1）伏安特性曲线 当光强一定时，光电流随着极间电压的增大而增大，并趋于一个饱和值。 （2）遏制电压及普朗克常数的测量 当极间电压为零时，光电流并不等于零，这是因为电子从阴极溢出时还具有初动能，只有加上适当的反电压时，光电流才等于零。
光电效应法测普朗克常量实验报告
实验题目：光电效应法测普朗克常量 实验目的：1.了解光电效应的基本规律； 2.用光电效应方法测量普朗克常量和测定光电管的光电特性曲线。 实验原理：当光照在物体上时，光的能量仅部分地以热的形式被物体吸收，而另一部分则转换为物体中某些电子的能量，使电子逸出物体表面，这种现象称为光电效应，逸出的电子称为光电子。在光电效应中，光显示出它的粒子性质，所以这种现象对认识光的本性，具有极其重要的意义。 光电效应实验原理如图8.2.1-1所示。 1． 光电流与入射光强度的关系 光电流随加速电位差U 的增加而增加，加速电位差增加到一定量值后，光电流达到饱和值和值I H ，饱和电流与光强成正比，而与入射光的频率无关。当U= U A -U K 变成负值时，光电流迅速减小。实验指出，有一个遏止电位差U a 存在，当电位差达到这个值时，光电流为零。 2． 光电子的初动能与入射频率之间的关系 光电子从阴极逸出时，具有初动能，在减速电压下，光电子逆着电场力方向由K 极向A 极运动。当U=U a 时，光电子不再能达到A 极，光电流为零。所以电子的初动能等于它克服电场力作用的功。即 a eU mv =2 2 1 （1） 根据爱因斯坦关于光的本性的假设，光是一粒一粒运动着的粒子流，这些光粒子称为光子。每一光子的能量为hv =ε，其中h 为普朗克常量，ν为光波的频率。所以不同频率的光波对应光子的能量不同。光电子吸收了光子的能量h ν之后，一部分消耗于克服电子的逸
出功A ，另一部分转换为电子动能。由能量守恒定律可知 A mv hv += 2 2 1 （2） 式（2）称为爱因斯坦光电效应方程。 由此可见，光电子的初动能与入射光频率ν呈线性关系，而与入射光的强度无关。 3． 光电效应有光电存在 实验指出，当光的频率0v v <时，不论用多强的光照射到物质都不会产生光电效应，根据式（2），h A v = 0，ν0称为红限。 爱因斯坦光电效应方程同时提供了测普朗克常量的一种方法：由式（1）和（2）可得： A U e hv +=0，当用不同频率（ν1，ν2，ν3，…，νn ）的单色光分别做光源时，就有 A U e hv +=11 A U e hv +=22 ………… A U e hv n n += 任意联立其中两个方程就可得到 j i j i v v U U e h --= )( （3） 由此若测定了两个不同频率的单色光所对应的遏止电位差即可算出普朗克常量h ，也可由ν-U 直线的斜率求出h 。 因此，用光电效应方法测量普朗克常量的关键在于获得单色光、测得光电管的伏安特性曲线和确定遏止电位差值。 实验中，单色光可由水银灯光源经过单色仪选择谱线产生。 表8.2.1-1 可见光区汞灯强谱线
(整理)5光电效应实验.
光电效应实验 一定频率的光照射在金属表面时, 会有电子从金属表面逸出,这种现象称为光电效应。1887年赫兹发现了光电效应现象，以后又经过许多人的研究，总结出一系列实验规律。1905年，爱因斯坦在普朗克能量子假设的基础上，提出了光量子理论，成功地解释了光电效应的全部规律。 实验原理 光电效应的实验原理如图1所示。用强度为P 的单色光照射到光电管阴极K 时，阴极释放出的光电子在电场的加速作用下向阳极板A 迁移，在回路中形成光电流。 图1 实验原理图 图2 光电管同一频率不同光强的 伏安特性曲线 用实验得到的光电效应的基本规律如下： 1、 光强P 一定时，改变光电管两端的电压AK U ，测量出光电流I 的大小，即可得 出光电管的伏安特性曲线。随AK U 的增大，I 迅速增加，然后趋于饱和，饱和 光电流m I 的大小与入射光的强度P 成正比。 2、 当光电管两端加反向电压时，光电流将逐步减小。当光电流减小到零时，所对 应的反向电压值，被称为截止电压U 0（图2）。这表明此时具有最大动能的光 电子刚好被反向电场所阻挡，于是有 0202 1eU mV =（式中m 、V 0、e 分别为电子的质量、速度和电荷量）。（1） 不同频率的光，其截止电压的值不同（图3）。 3、 改变入射光频率ν时，截止电压U 0随之改变，0U 与ν成线性关系（图4）。实 验表明，当入射光频率低于0ν(0ν随不同金属而异，称为截止频率)时，不论光 的强度如何，照射时间多长，都没有光电流产生。
图3光电管不同频率的伏安特性曲线 图4截止电压U 0与频率ν的关系 4、光电效应是瞬时效应。即使入射光的强度非常微弱，只要频率大于0ν，在开始照射后立即有光电子产生，延迟时间最多不超过910-秒。 经典电磁理论认为，电子从波阵面上获得能量，能量的大小应与光的强度有关。因此对于任何频率，只要有足够的光强度和足够的照射时间，就会发生光电效应，而上述实验事实与此直接矛盾。显然经典电磁理论无法解释在光电效应中所显示出的光的量子性质。 按照爱因斯坦的光量子理论，光能是集中在被称之为光子的微粒上，但这种微粒仍然保持着频率（或波长）的概念，频率为ν的光子具有能量ν=h E ，h 为普朗克常数。当光束照射金属时，是以光粒子的形式打在它的表面上。金属中的电子要么不吸收能量，要么就吸收一个光子的全部能量νh ，而无需积累能量的时间。只有当这能量大于电子摆脱金属表面约束所需的逸出功A 时，电子才会以一定的初动能逸出金属表面。按照能量守恒原理，爱因斯坦提出了著名的光电效应方程： A mV hv +=2021 （2） 式中，A 为金属的逸出功，202 1mV 为光电子获得的初始动能。 由该式可见，入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子动能越大。光子的能量A h 0<ν时，电子不能脱离金属，因而没有光电流产生。产生光电效应的最低频率（截止频率）是h A 0=ν。 将（2）式代入（1）式中可得： A h eU 0-ν= （3） )(00v v e h U -= 此式表明截止电压0U 是频率ν的线性函数。只要用实验方法得出不同的频率的截止电压，由直线斜率和截距，就可分别算出普朗克常数h 和截止频率0ν。基于此，在爱因斯坦光量子理论提出约十年后，密立根用实验证实了爱因斯坦的光电效应方程，并精确地测定了普朗克常数。两位物理大师在光电效应等方面的杰出贡献，分别于1921
光电效应实验报告书
光电效应测普朗克常量 姓名：梁智健 学院：材料成型及控制工程166班 学号：5901216163 台号：22 时间：2017-10-16 实验教室：309 【实验目的】 1、验证爱因斯坦光电效应方程，并测定普朗克常量h。 2、了解光电效应规律，加深对光的量子性的理解。 3、学会用作图法处理数据。 4、研究光电管的伏安特性及光电特性。 【实验仪器】 1.光电效应测定仪 2.光电管暗箱 3.汞灯灯箱以及汞灯电源箱。 【实验原理】 1、当光照射在物体上时，光的能量只有部分以热的形式被 物体所吸收，而另一部分则转换 为物体中某些电子的能量，使这 些电子逸出物体表面，这种现象 称为光电效应。在光电效应这一 现象中，光显示出它的粒子性， 所以深入观察光电效应现象，对 认识光的本性具有极其重要的意 义。普朗克常数h是1900年普朗克 为了解决黑体辐射能量分布时提 出的“能量子”假设中的一个普
适常数，是基本作用量子，也是粗略地判断一个物理体系是否需要用量子力学来描述的依据。 1905年爱因斯坦为了解释光电效应现象，提出了“光量子”假设，即频率为v 的光子其能量为h v ?。当电子吸收了光子能量h v ?之后，一部分消耗与电子的逸出功W ，另一部分转换为电子的动能212 m v ?，即爱因斯坦光电效应方程 212m hv mv W =+(1) 2、光电效应的实验示意图如图1所示，图中GD 是光电管， K 是光电管阴极，A 为光电管阳 极，G 为微电流计，V 为电压表， E 为电源，R 为滑线变阻器，调 节R 可以得到实验所需要的加 速电位差AK U 。不同的电压AK U ，回路中有不同的电流I 与之对 应，则可以描绘出如图2所示的 AK U -I 伏安特性曲线。 （1）饱和电流的强度与光强成 正比 加速电压AK U 越大，电流I 越大，当AK U 增加到一定值后，电流达到最大值H I ，H I 称为饱和电流，而且H I 的大小只与光强成正比。 （2）遏制电压的大小与照射光的频率成正比 如图3所示，电源E 反向连接，即当加速电压AK U 变为负值时，电流I 会迅速较少，当加速电压AK U 负到一定值Ua 时，电流0I =，这个电压Ua 叫做遏制电压，4所示。 212 a mv e U =?(2)
光电效应和普朗克常量的测定-实验报告
光电效应和普朗克常量的测定 创建人：系统管理员总分：100 实验目的 了解光电效应的基本规律，学会用光电效应法测普朗克常量；测定并画出光电管的光电特性曲线。 实验仪器 水银灯、滤光片、遮光片、光电管、光电效应参数测试仪。 实验原理 光电效应： 当光照射在物体上时，光子的能量一部分以热的形式被物体吸收，另一部分则转换为物体中一些电子的能量，是部分电子逃逸出物体表面。这种现象称为光电效应。爱因斯坦曾凭借其对光电效应的研究获得诺贝尔奖。在光电效应现象中，光展示其粒子性。 光电效应装置： S为真空光电管。内有电极板，A、K极板分别为阳极和阴极。G为检流计（或灵敏电流表）。无光照时，光电管内部断路，G中没有电流通过。U为电压表，测量光电管端电压。 由于光电管相当于阻值很大的“电阻”，与其相比之下检流计的内阻基本忽略。故检流计采用“内接法”。 用一波长较短（光子能量较大）的单色光束照射阴极板，会逸出光电子。在电源产生的加速电场作用下向A级定向移动，形成光电流。显然，如按照图中连接方式，U越大时，光电流
I 势必越大。于是，我们可以作出光电管的伏安特性曲线，U=I 曲线关系大致如下图： 随着U 的增大，I 逐渐增加到饱和电流值IH 。 另一方面，随着U 的反向增大，当增大到一个遏制电位差Ua 时，I 恰好为零。此时电子的动能在到达A 板时恰好耗尽。 光电子在从阴极逸出时具有初动能2 2 1mv ，当U=Ua 时，此初动能恰好等于其克服电场力所做的功。即： ||2 12 a U e mv = 根据爱因斯坦的假设，每粒光子有能量hv =ε。式中h 为普朗克常量，v 为入射光波频率。 物体表面的电子吸收了这个能量后，一部分消耗在克服物体固有的逸出功A 上，另一部分则转化为电子的动能，让其能够离开物体表面，成为光电子。 于是我们得到爱因斯坦的光电效应方程：A m hv += 2 v 2 1 由此可知，光电子的初动能与入射光频率成线性关系，而与光强度无关。（光强度只对单位时间内逸出物体表面的光电子的个数产生影响） 光电效应的光电阈值： 红限：当入射光频率v 低于某一值0v 时，无论用多强的光照都不会发生光电效应。由光电效应方程易得这个频率h A v /0=，称为红限。 测量普朗克常量的方法： 用光波频率为的单色光照射阴极板，测量其遏制电位差Ua 。 于是有： A U e hv a +=|| 所以： e A v -= e h |U |a 这表明了截止电压|U |a 和光波频率v 成正比。 实验中获得单色光的方法： 使用水银灯发出稳定白光作为光源，再使用不同颜色的滤光片罩在光电管的入光口以得到相应颜色的单色光，还可以使用不同透光度的遮光片罩在水银灯的出光口以得到不同强度的
(整理)光电效应实验86125
第1章仪器介绍 LB-PH3A光电效应（普朗克常数）实验仪由汞灯及电源、光阑与滤色片、光电管、测试仪（含光电管电源和微电流放大器）构成，实验仪结构如图1所示，测试仪的调节面板如图2所示。 汞灯刻度尺光阑与滤色片光电管 图1 实验仪结构图 图2 测试仪前面板图 LB-PH3A光电效应（普朗克常数）实验仪有以下特点： 1．在微电流测量中采用高精度集成电路构成电流放大器。对测量回路而言，放大器近似于理想电流表，对测量回路无影响。精心设计、精心选择元器件、精心制作，使电流放大器达到高灵敏度、高稳定性，使测量准确度大大提高。 2．采用了新型结构的光电管。由于其特殊结构使光不能直接照射到阳极，由阴极反射到阳极的光也很少，加上采用新型的阴、阳极材料及制造工艺，使得阳极反向电流大大降低，暗电流水平也很低。 3．设计制作了一组高性能的滤色片。保证了在测量一组谱线时无其余谱线的干扰，避免了谱线相互干扰带来的测量误差。 4．由于仪器的稳定性好且无谱线间的相互干扰，测出的I - U特性曲线平滑、重复性好。
5．通过改变实验仪的电压档位的方式，利用光电效应测量普朗克常数、光电管伏—安特性以及验证饱和光电流与入射光强成正比等实验。 6．本仪器可用三种不同方法测量普朗克常数（拐点法、零电流法、补偿法），因此有较好的可比性。 7．采用上述测量方法，不但使得U0测量快速、重复性好，而且据此计算出的h误差不大于3 %。 其技术参数如下： 1．微电流放大器： 电流测量范围：10-7 ~ 10-13 A，分6档，三位半数字显示 零漂：开机20分钟后，30分钟内不大于满读数的± 0. 2 %（10-13 A档） 2．光电管工作电源： 电压调节范围：-2 ~ +2 V，-2 ~ +20 V，分两档，三位半数字显示 不稳定度≤0. 1 % 3．光电管： 光谱响应范围：340 ~ 700 nm 最小阴极灵敏度≥1 μA（-2 V≤U AK≤0 V） 阳极：镍圈 暗电流I ≤5 × 10-12 A（-2 V≤U AK≤0 V） 4．滤光片组： 5组，中心波长为：365. 0 nm，404. 7 nm，435. 8 nm，546. 1 nm，578. 0 nm 5．汞灯： 可用谱线：365. 0 nm，404. 7 nm，435. 8 nm，546. 1 nm，578. 0 nm 6．测量误差≤3 % 第2章实验目的与原理 光电效应是，一定频率的光照射在金属表面时，会有电子从金属表面逸出的现象。在光电效应中，光显示出它的粒子性，这种现象对于认识光的本质，具有极其重要的意义。 1887年赫兹发现了光电效应现象，以后又经过许多人的研究，总结出一系列实验规律。由于这些规律用经典的电磁理论无法圆满地进行解释，爱因斯坦于1905年应用并发展了普朗克的量子理论，首次提出了“光量子”的概念，并成功地解释了光电效应的全部规律。十年后，密立根用实验证实了爱因斯坦的光量子理论，精确地测定了普朗克常数。两位物理大师因在光电效应等方面的杰出贡献，分别于1921年和1923年获得诺贝尔物理学奖。光电效应实验和光量子理论在物理学的发展史中具有重大而深远的意义。利用光电效应制成了许多光电器件，在科学和技术上得到了极其广泛的应用。
(2)光电效应的基本规律
（2）光电效应的基本规律 2012-4-3 命题人：邓老师 学号________. 姓名________. 第Ⅰ卷（选择题） 一．选择题 （请将你认为正确的答案代号填在Ⅱ卷的答题栏中，本题共25小题） 1. 已知某单色光的波长为λ,在真空中的传播速度为c,普朗克常量为h,则该电磁波辐射的能量子的值为（ ） A.hcλ B. c h λ C. λ h D. λhc 2. 在做光电效应实验中,某金属被光照射发生了光电效应,实验测出了光电子的最大初动能E K 与入射光的频率ν的关系如图所示,由实验图像可求出（ ） A.该金属的逸出功 B.该金属的极限频率 C.单位时间内逸出的光电子数 D.普朗克恒量 3. 某金属在一束绿光的照射下发生了光电效应（ ） A.若增加绿光的照射强度,则单位时间内逸出的光电子数不变 B.若增加绿光的照射强度,则逸出的光电子最大初动能增加 C.若改用紫光照射,则逸出的光电子的最大初动能增加 D.若改用紫光照射,则单位时间内逸出的光电子数目一定增加 4. 下列说法正确的是（ ） A.光的干涉现象说明光具有粒子性,能发生光电效应现象说明光有波动性 B.电磁波谱中波长最长的γ射线,波长最短的是无线电波 C.光子具有波粒二象性,实物粒子只具有粒子性,不具有波动性 D.通常说光波是一种概率波,意思是光子在空间分布的概率是受波动规律支配的 5. 表1给出了各色光在真空中的波长和频率，表2给出了几种金属的极限频率υ0和极限波长λ0，请你判断下列说法正确的是（ ） 表1 A.用黄光和绿光照射金属钾表面时都能发生光电效应 B.用绿光照射钾发射出的某光电子P 与用紫光照射钾发射出的某光电子Q 相比，P 的动能一定小于Q 的动 能 C.黄光能使表中的4种金属发生光电效应 D.用蓝光照射铯和钾时，发射出光电子的最大初动能分别为E k 1和E k2，E k 1一定大于E k 2 6. 一束细平行光经过玻璃三棱镜后分解为互相分离的三束光(如图所示),分别照射到相同的金属板a 、b 、c 上,如图所示,已知金属板b 有光电子放出,则可知（ ） A.板a 一定不放出光电子 B.板a 一定放出光电子 C.板c 一定不放出光电子 D.板c 一定放出光电子 7. 某单色光从真空射入某介质时（ ） A.波长变长,速度变小,光量子能量变小 B.波长变长,速度变大,光量子能量不变 C.波长变短,速度变小,光量子能量不变 D.波长变短,速度变小,光量子能量变大 8. 分别用波长为λ和 34 λ的单色光照射同一金属板,发出的光电子的最大初动能之比为1:2,以h 表示普朗克 常量,c 表示真空中的光速,则此金属板的逸出功为（ ） a c b
大物实验报告 光电效应
试验名称:光电效应法测普朗克常量h 实验目的:是了解光电效应的基本规律。并用光电效应方法测量普朗克常量和测定光电管的 光电特性曲线。 实验原理 光电效应实验原理如图8.2.1-1所示。其中S 为真空光电管，K 为阴极，A 为阳极。当无光照射阴极时，由于阳极与阴极是断路，所以检流计G 中无电流流过，当用一波长比较短的单色光照射到阴极K 上时，形成光电流，光电流随加速电位差U 变化的伏安特性曲线如图8.2.1-2所示。 1． 光电流与入射光强度的关系 光电流随加速电位差U 的增加而增加，加速电位差增加到一定量值后，光电流达到饱和值和值I H ，饱和电流与光强成正比，而与入射光的频率无关。当U= U A -U K 变成负值时，光电流迅速减小。实验指出，有一个遏止电位差U a 存在，当电位差达到这个值时，光电流为零。 2． 光电子的初动能与入射频率之间的关系 当U=U a 时，光电子不再能达到A 极，光电流为零。所以电子的初动能等于它克服电场力作用的功。即 a eU mv =2 2 1 （1） 根据爱因斯坦关于光的本性的假设，每一光子的能量为hv =ε，其中h 为普朗克常量，ν为光波的频率。所以不同频率的光波对应光子的能量不同。光电子吸收了光子的能量h ν之后，一部分消耗于克服电子的逸出功A ，另一部分转换为电子动能。由能量守恒定律可知 A mv hv += 22 1 （2） 式（2）称为爱因斯坦光电效应方程。
3． 光电效应有光电存在 实验指出，当光的频率0v v <时，不论用多强的光照射到物质都不会产生光电效应，根据式（2）， h A v = 0，ν0称为红限。 爱因斯坦光电效应方程同时提供了测普朗克常量的一种方法：由式（1）和（2）可得： A U e hv +=0，当用不同频率（ν1，ν2，ν3，…，νn ）的单色光分别做光源时，就有 A U e hv +=11 A U e hv +=22 ………… A U e hv n n += 任意联立其中两个方程就可得到 j i j i v v U U e h --= )( （3） 由此若测定了两个不同频率的单色光所对应的遏止电位差即可算出普朗克常量h ，也可由ν-U 直线的斜率求出h 。 因此，用光电效应方法测量普朗克常量的关键在于获得单色光、测得光电管的伏安特性曲线和确定遏止电位差值。 实验内容 通过实验了解光电效应的基本规律，并用光电效应法测量普朗克常量。 1． 在577.0nm 、546.1nm 、435.8nm 、404.7nm 四种单色光下分别测出光电管的伏安特性曲线，并根据此曲线确定遏止电位差值，计算普朗克常量h 。 本实验所用仪器有：光电管、单色仪（或滤波片）、水银灯、检流计（或微电流计）、直流电源、直流电压计等. j i j i v v U U e h --= )(,求斜率,得到普朗克常量h. 入射光波长λ/nm 365nm
光电效应物理实验报告
光电效应 实验目的： (1)了解光电效应的规律，加深对光的量子性的理解 (2)测量普朗克常量h。 实验仪器： ZKY-GD-4 光电效应实验仪 1 微电流放大器 2 光电管工作电源 3 光电管 4 滤色片 5 汞灯 实验原理： 原理图如右图所示：入射光照射到光电管阴极K上，产生 的光电子在电场的作用下向阳极A迁移形成光电流。改变外加 电压V AK，测量出光电流I的大小，即可得出光电管得伏安特性曲线。 1）对于某一频率，光电效应I-V AK关系如图所示。从图中 可见，对于一定频率，有一电压V0，当V AK≤V0时，电流为0， 这个电压V0叫做截止电压。 2)当V AK≥V0后，电流I迅速增大，然后趋于饱和，饱和光电流IM的大小与入射光的强度成正比。 3）对于不同频率的光来说，其截止频率的数值不同，如右图：
4) 对于截止频率V0与频率的关系图如下所示。V0与成正比关系。当入射光的频率低于某极限值时，不论发光强度如何大、照射时间如何长，都没有光电流产生。 5）光电流效应是瞬时效应。即使光电流的发光强度非常微弱，只要频率大于，在开始照射后立即就要光电子产生，所经过的时间之多为10-9s的数量级。 实验内容及测量： 1 将4mm的光阑及365nm的滤光片祖昂在光电管暗箱光输入口上，打开汞灯遮光盖。从低到高调节电压（绝对值减小），观察电流值的变化，寻找电流为零时对应的V AK值，以其绝对值作为该波长对应的值，测量数据如下： 波长/nm365577 频率 / 截止电压/V 频率和截止电压的变化关系如图所示：
由图可知：直线的方程是:y= 所以: h/e=× , 当y=0，即时，，即该金属的 截止频率为。也就是说，如果入射光如果频率低于上值时，不管光强多大 也不能产生光电流；频率高于上值，就可以产生光电流。 根据线性回归理论： 可得：k=，与EXCEL给出的直线斜率相同。 我们知道普朗克常量, 所以，相对误差： 2 测量光电管的伏安特性曲线 1）用的滤色片和4mm的光阑 实验数据如下表所示： 4mm光阑 I-V AK的关系 V AK I V AK I V AK I V AK I V AK I V AK I
光电效应实验报告
光电效应 【实验目的】 （1）了解光电效应的规律，加深对光的量子性的认识。 （2）测量普朗克常量h。 【实验仪器】 ZKY-GD-4光电效应实验仪，其组成为：微电流放大器，光电管工作电源，光电管，滤色片，汞灯。如下图所示。 【实验原理】 光电效应的实验原理如图1所示。入射光照射到光电管阴极K上，产生的光电子在电场 的作用下向阳极A迁移构成光电流，改变外加电压，测量出光电流I的大小，即可得出光电管的伏安特性曲线。 光电效应的基本实验事实如下： （1）对应于某一频率,光电效应的I-关系如图2所示。从图中可见，对一定的频率， 有一电压U0,当≦时，电流为零，这个相对于阴极的负值的阳极电压U0，被称为截止电压。 (2)当≧后，I迅速增加，然后趋于饱和，饱和光电流IM的大小与入射光的强度P成
正比。 (3)对于不同频率的光，其截止电压的值不同，如图3所示。 (4)截止电压U0与频率的关系如图4所示，与成正比。当入射光频率低于某极限值 （随不同金属而异）时，不论光的强度如何，照射时间多长，都没有光电流产生。 (5)光电效应是瞬时效应。即使入射光的强度非常微弱，只要频率大于，在开始照射后立即有光电子产生，所经过的时间至多为秒的数量级。 按照爱因斯坦的光量子理论，光能并不像电磁波理论所想象的那样，分布在波阵面上，而是集中在被称之为光子的微粒上，但这种微粒仍然保持着频率（或波长）的概念，频率为的光子具有能量E = h，h为普朗克常数。当光子照射到金属表面上时，一次被金属中的电子全部吸收，而无需积累能量的时间。电子把这能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引力，余下的就变为电子离开金属表面后的动能，按照能量守恒原理，爱因斯坦提出了著名的光电效应方程： （1） 式中，A为金属的逸出功，为光电子获得的初始动能。 由该式可见，入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子动能越大，所以即使阳极电位比阴极电位低时也会有电子落入阳极形成光电流，直至阳极电位低于截止电压，光电流才为零，此时有关系： （2） 阳极电位高于截止电压后，随着阳极电位的升高，阳极对阴极发射的电子的收集作用越强，光电流随之上升；当阳极电压高到一定程度，已把阴极发射的光电子几乎全收集到阳极，再增加时I不再变化，光电流出现饱和，饱和光电流的大小与入射光的强度P成正比。
光电效应实验报告
佛山科学技术学院 实 验 报 告 课程名称 实验项目 专业班级 姓名 学 号 指导教师 成绩 日 期 年 月 日 一、实验目的 1．了解光电效应的规律，加深对光的量子性的理解； 2．测量光电管的伏安特性曲线； 3．学习验证爱因斯坦光电效应方程的实验方法，测量普朗克常数。 二、实验仪器 光电效应（普朗克常数）实验仪（详见本实验附录A ），数据记录仪。 三、实验原理 1．光电效应及其基本实验规律 当一定频率的光照射到某些金属表面时，会有电子从金属表面即刻逸出，这种现象称为光电效应。从金属表面逸出的电子叫光电子，由光子形成的电流叫光电流，使电子逸出某种金属表面所需的功称为该金属的逸出功。 研究光电效应的实验装置示意图如图1所示。GD 为光电管，它是一个抽成真空的玻璃管，管内有两个金属电极，K 为光电管阴极，A 为光电管阳极；G 为微电流计；V 为电压表；R 为滑线变阻器。单色光通过石英窗口照射到阴极上时，有光电子从阴极K 逸出，阴极释放出的光电子在电场的加速作用下向阳极A 迁移形成光电流，由微电流计G 可以检测光电流的大小。调节R 可使A 、K 之间获得连续变化的电压AK U ，改变AK U ，测量出光电流I 的大小，即可测出光电管的伏安特性曲线，如图2(a)、(b)所示。
图2 光电效应的基本实验规律 光电效应的基本实验规律如下： （1）对应于某一频率，光电效应的AK -I U 关系如图2(a)所示。从图中可见，对一定的频率，有一电压0U ，当AK 0U U ≤时，光电流为零，这个相对于阴极的负值的阳极电压0U ，称为截止电压。 （2）当AK 0U U ≥后，I 迅速增加，然后趋于饱和，饱和光电流M I 的大小与入射光的强度P 成正比，如图2(b)所示。 （3）对于不同频率的光，其截止电压的值不同，如图2(a)所示。 （4）截止电压0U 与频率v 的关系如图2(c)所示。0U 与ν成正比。当入射光频率低于某极限值0v （随不同金属而异）时，无论光的强度如何，照射时间多长，都没有光电流产生。 （5）光电效应是瞬时效应。即使入射光的强度非常微弱，只要频率大于0v ，在开始照射后立即有光电子产生，所经过的时间至多为910-秒的数量级。 2．爱因斯坦光电效应方程 上述光电效应的实验规律无法用电磁波的经典理论解释。为了解释光电效应现象，爱因斯坦根据普朗克的量子假设，提出了光子假说。他认为对于频率为ν的光波，每个光子的能量为E h ν=，h 为普朗克常数。当光子照射到金属表面上时，一次性为金属中的电子全部吸收，而无须积累能量的时间。电子把该能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引力，另一部分就变为电子离开金属表面后的动能，按照能量守恒原理，爱因斯坦提出了著名的光电效应方程 201 2 h m W νυ=+ （1） 式中，W 为被光线照射的金属材料的逸出功，2 012m υ为从金属逸出的光电子的最大初动能。 由式（1）可知，入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子动能越大，所以即使阳极电位比阴极电位低（即加反向电压）时，也会有电子落入阳极形成光电流，直至阳极电位低于截止电压，光电
高中物理光电效应知识点汇总
一、光电效应和氢原子光谱 知识点一：光电效应现象 1.光电效应的实验规律 (1)任何一种金属都有一个极限频率，入射光的频率必须大于这个极限频率才能发生光电效应，低于这个极限频率则不能发生光电效应． (2)光电子的最大初动能与入射光的强度无关，其随入射光频率的增大而增大． (3)大于极限频率的光照射金属时，光电流强度(反映单位时间发射出的光电子数的多少)与入射光强度成正比． (4)金属受到光照，光电子的发射一般不超过10－9 _s. 2．光子说 爱因斯坦提出：空间传播的光不是连续的，而是一份一份的，每一份称为一个光子，光 子具有的能量与光的频率成正比，即：ε＝hν，其中h ＝6.63×10－34 J·s. 3．光电效应方程 (1)表达式：hν＝E k ＋W 0或E k ＝hν－W 0. (2)物理意义：金属中的电子吸收一个光子获得的能量是hν，这些能量的一部分用来 克服金属的逸出功W 0，剩下的表现为逸出后电子的最大初动能E k ＝12 mv 2 . 知识点二： α粒子散射实验与核式结构模型 1.卢瑟福的α粒子散射实验装置(如图13－2－1所示) 2．实验现象 绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进，但少数α粒子发生了大角度偏转，极少数α粒子甚至被撞了回来．如图13－2－2所示． α粒子散射实验的分析图 3．原子的核式结构模型 在原子中心有一个很小的核，原子全部的正电荷和几乎全部质量都集中在核里，带负电的电子在核外空间绕核旋转． 知识点三：氢原子光谱和玻尔理论 1.光谱 (1)光谱：用光栅或棱镜可以把光按波长展开，获得光的波长(频率)和强度分布的记录，即光谱． (2)光谱分类 有些光谱是一条条的亮线，这样的光谱叫做线状谱． 有的光谱是连在一起的光带，这样的光谱叫做连续谱． (3)氢原子光谱的实验规律． 巴耳末线系是氢原子光谱在可见光区的谱线，其波长公式1λ＝R (122－1 n 2)(n ＝3,4,5，…)， R 是里德伯常量，R ＝1.10×107 m －1，n 为量子数．
光电效应 物理实验报告
光电效应 实验目得： (1)了解光电效应得规律，加深对光得量子性得理解 (2)测量普朗克常量h。 实验仪器： ZKY-GD-4 光电效应实验仪 1 微电流放大器 2 光电管工作电源 3 光电管 4 滤色片 5 汞灯 实验原理： 原理图如右图所示：入射光照射到光电管阴极K上，产生 得光电子在电场得作用下向阳极A迁移形成光电流。改变外加 电压V AK，测量出光电流I得大小，即可得出光电管得伏安特 性曲线。 1）对于某一频率，光电效应I-V AK关系如图所示。从图 中可见，对于一定频率，有一电压V0，当V AK≤V0时，电流为 0，这个电压V0叫做截止电压。 2)当V AK≥V0后，电流I迅速增大，然后趋于饱与，饱与 光电流IM得大小与入射光得强度成正比。 3）对于不同频率得光来说，其截止频率得数值不同，如右图： 4) 对于截止频率V0与频率得关系图如下所示。V0与成正比关系。当入射光得频率 低于某极限值时，不论发光强度如何大、照射 时间如何长，都没有光电流产生。 5）光电流效应就是瞬时效应。即使 光电流 得发光强度非常微弱，只要频率大于，在开始照射后立即就要光电子产生，所经过得时间之多为10-9s得数量级。 实验内容及测量： 1 将4mm得光阑及365nm得滤光片祖昂在光电管暗箱光输入口上，打开汞灯遮光盖。从低到高调节电压（绝对值减小），观察电流值得变化，寻找电流为零时对应得V AK值，以其绝对值作为该波长对应得值，测量数据如下： 波长/nm 365 404、7 435、8 546、1 577 频率8、214 7、408 6、897 5、49 5、196
/ 截止电压/V 1、679 1、335 1、107 0、557 0、434 频率与截止电压得变化关系如图所示： 由图可知：直线得方程就是:y=0、4098x-1、6988 所以: h/e=0、4098×, 当y=0，即时，，即该金属得截 止频率为。也就就是说，如果入射光如果频率低于上值时，不管光强多大 也不能产生光电流；频率高于上值，就可以产生光电流。 根据线性回归理论： 可得：k=0、40975，与EXCEL给出得直线斜率相同。 我们知道普朗克常量, 所以，相对误差： 2 测量光电管得伏安特性曲线 1）用435、8nm得滤色片与4mm得光阑 实验数据如下表所示： 435、8nm 4mm光阑 I-V AK得关系 V AK I V AK I V AK I V AK I V AK I V AK I 0、040 1、9 0、858 4、2 2、300 9、3 6、600 19、5 12、000 27、3 22、000 35、8 0、089 2、1 0、935 4、4 2、500 10 6、800 19、9 12、500 27、7 22、700 36、2 0、151 2、3 1、096 4、9 2、700 10、6 7、200 20、5 13、000 28、3 24、100 37 0、211 2、4 1、208 5、3 2、900 11、1 7、800 21、5 14、200 29、4 25、700 37、9 0、340 2、7 1、325 5、6 3、200 12 8、700 23 15、000 30、1 26、800 38、3 0、395 2、9 1、468 6、1 3、800 13、9 9、100 23、6 16、100 31、1 27、500 38、7 0、470 3、1 1、637 6、7 4、200 14、8 9、800 24、6 16、600 31、6 29、500 39、5
光电效应实验规律的理解
光电效应实验规律的理解 1．有一束紫外线照射某金属时不能产生光电效应，可能使金属产生光电效应的措施是() A．改用频率更小的紫外线照射 B．改用X射线照射 C．改用强度更大的原紫外线照射 D．延长原紫外线的照射时间 答案B 2．(多选)已知某金属发生光电效应的截止频率为νc，则() A．当用频率为2νc的单色光照射该金属时，一定能产生光电子 B．当用频率为2νc的单色光照射该金属时，所产生的光电子的最大初动能为hνc C．当照射光的频率ν大于νc时，若ν增大，则逸出功增大 D．当照射光的频率ν大于νc时，若ν增大一倍，则光电子的最大初动能也增大一倍 答案AB 解析该金属的截止频率为νc，则可知逸出功W0＝hνc，逸出功由金属自身性质决定，与照射光的频率无关，因此C错误；由光电效应的实验规律可知A正确；由光电效应方程E k＝hν－W0，将W0＝hνc代入可知B正确，D错误． 3．用光照射某种金属，有光电子从金属表面逸出，如果光的频率不变，而减弱光的强度，则() A．逸出的光电子数减少，光电子的最大初动能不变 B．逸出的光电子数减少，光电子的最大初动能减小 C．逸出的光电子数不变，光电子的最大初动能减小 D．光的强度减弱到某一数值，就没有光电子逸出了 答案A 解析光的频率不变，表示光子能量不变，仍会有光电子从该金属表面逸出，逸出的光电子的最大初动能也不变；而减弱光的强度，逸出的光电子数就会减少，选项A正确． 4.(多选)如图1所示，电路中所有元件完好，但光照射到光电管上，灵敏电流计中没有电流通过，其原因可能是() 图1 A．入射光太弱 B．入射光波长太长
C．光照时间短 D．电源正、负极接反 答案BD 解析入射光波长太长，入射光的频率低于截止频率时，不能发生光电效应，故选项B正确；电路中电源反接，对光电管加了反向电压，若该电压超过了遏止电压，也没有光电流产生，故选项D正确．
实验报告_光电效应实验
南昌大学物理实验报告 学生姓名： 学号： 专业班级:材料12４班 实验时间：10时０0分 第十一周 星期四 座位号：2８ 一、 实验名称: 光电效应 二、 实验目的: １、通过实验深刻理解爱因斯坦的光电效应理论，了解光电效应的基本规律; 2、掌握用光电管进行光电效应研究的方法; 3、学习对光电管伏安特性曲线的处理方法,并用以测定普朗克常数。 三、实验仪器： 光电效应测试仪、汞灯及电源、滤色片、光阑、光电管、测试仪 四、实验原理: １、 光电效应与爱因斯坦方程 用合适频率的光照射在某些金属表面上时，会有电子从金属表面逸出，这种现象叫做光电效应,从金属表面逸出的电子叫光电子。为了解释光电效应现象，爱因斯坦提出了“光量子"的概念，认为对于频率为γ的光波,每个光子的能量为E h ν=,其中 h ＝6.62６ s J ??-3410为普朗克常数。 按照爱因斯坦的理论,光电效应的实质是当光子和电子相碰撞时,光子把全部能量传递给电子,电子所获得的能量，一部分用来克服金属表面对它的约束，其余的能量则成为该光电子逸出金属表面后的动能。爱因斯坦提出了著名的光电方程: 21 2h m W νυ=+ (1) 式中, 为入射光的频率,m 为电子的质量， 为光电子逸出金属表面的初速度，W 为被 光线照射的金属材料的逸出功,1/2mv 2 为从金属逸出的光电子的最大初动能。 由（1）式可见，入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子动能必然也越大，所以即使阴极不加电压也会有光电子落入阳极而形成光电流，甚至阳极电位比阴极电位低时也会有光电子落到阳极,直至阳极电位低于某一数值时,所有光电子都不能到达阳极,光电流才为零.这个相对于阴极为负值的阳极电位0U 被称为光电效应的截止电压。 显然，有 ｅu ０－１/2m ｖ2 =０ (2） 代入上式即有 0h eU W ν=+ （3） 由上式可知，若光电子能量h ＋ Ｗ,则不能产生光电子。产生光电效应的最低频率是 ０ ＝W ／ｈ，通常称为光电效应的截止频率。不同材料有不同的逸出功，因而 也不同.由
光电效应实验报告
佛山科学技术学院 实验报告 课程名称实验项目 专业班级姓名学号 指导教师成绩日期年月日 一、实验目的 1．了解光电效应的规律，加深对光的量子性的理解； 2．测量光电管的伏安特性曲线； 3．学习验证爱因斯坦光电效应方程的实验方法，测量普朗克常数。 二、实验仪器 光电效应（普朗克常数）实验仪（详见本实验附录A），数据记录仪。 三、实验原理 1．光电效应及其基本实验规律 当一定频率的光照射到某些金属表面时，会有电子从金属表面 即刻逸出，这种现象称为光电效应。从金属表面逸出的电子叫 光电子，由光子形成的电流叫光电流，使电子逸出某种金属表 面所需的功称为该金属的逸出功。 研究光电效应的实验装置示意图如图1所示。GD为光电管，它 是一个抽成真空的玻璃管，管内有两个金属电极，K为光电管阴 极，A为光电管阳极；G为微电流计；V为电压表；R为滑线变 阻器。单色光通过石英窗口照射到阴极上时，有光电子从阴极K 逸出，阴极释放出的光电子在电场的加速作用下向阳极A迁移 形成光电流，由微电流计G可以检测光电流的大小。调节R可使A、K之间获得连续变化的电压AK U，改变 AK U，测量出光电流I的大小，即可测出光电管的伏安特性曲线，如图2(a)、(b)所示。 图2 光电效应的基本实验规律 光电效应的基本实验规律如下： （1）对应于某一频率，光电效应的 AK -I U关系如图2(a)所示。从图中可见，对一定的频率，有一 图1 光电效应实验示意图
实验原理（原理文字叙述和公式、原理图）四.实验步骤五、实验数据和数据处理六.实验结果七.分析讨论（实验结果的误差来源和减小误差的方法、实验现象的分析、问题的讨论等）八.思考题
光电效应的规律及几个相关概念分析
“光电效应”的规律及几个相关概念分析 重庆市潼南塘坝中学 张大洪 402678 从物理教材上的演示实验（图1示）可发现，当用波长较短的可见光或紫外光照射到某些金属表面上时,金属中的电子就会从光束中吸取能量并从金属表面逸出到空中去，我们将此现象称作“光电效应”现象。“光电效应”现象从事实上揭示了光的粒子本性，爱因斯坦在此基础上提出了“光子说”；但本节中将涉及到以下几组相关概念的理解与分析却成了学习的难点，为此本文将对几组相关概念作出细致的研析以期对广大学生的学习起到事半功倍的作用。 “光电效应”定义：在光(包括不可见光)的照射下，从物体发射出电子的现象叫做光电效应。金属板释放的电子称为光电子,光电子在电场作用下在回路中形成的电流称光电流。 “光电效应”的规律：①各种金属都存在极限频率()00γλ或极限波长，只有入射光的频率 ()00γγλλ≥≤或入射光波长 才能发生光电效应； ②瞬时性：光电效应的产生几乎是瞬时的（光电子的产生不超过9 10 s －）； ③光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入光的频率增大而增大； ④当入射光的频率大于极限频率时，光电流的强度与入光的强度成正比。 从上可以发现有以下几组相关概念： 1. “光子”与“光电子”：光子是指在空间传播的光束能量的最小单位，它是一份能量(即能量是不连续的)，光子不带电，是微观领域中一种只含有能量的粒子，且光子的运动质量为2 2h m c c φε ν= = 、动量为h h p m c c φνλ ===，光子的静止质量为0；而光电子是金属表面受到光照时发射出来的电子，因此其本质就是电子（带电19 1.610q C -=-?，静止质量 319.110m kg -=?）． 2．“光子的能量”与“入射光的强度”：光子的能量是一份一份的，频率为γ的光子的能量为hc h εγλ == ，故光子的能量只由其频率（或波长）大小决定；而入射光的强度P 将由 “光的能流密度I ——单位时间内通过单位面积的某一频率的光子数N ”决定，且I N h γ=?，那么入射光的强度P I s N h s γ=?=??（式中s 为被光束照射的金属表面的面积——即某一给定面积，且N s ?为单位时间内到达金属表面——“即单位时间内通过给定面积”的光子 数），故入射光的强度必由单位时间到达金属表面——“即单位时间内通过给定面积”的某一频率的光子数目决定；根据爱因斯坦光子理论当金属中一个自由电子从入射光中吸收一个光子后,就获得能量hc h εγλ == ,如果hc h εγλ == 大于电子从金属表面逸出时所需的逸 出功W ,这个电子就从金属中逸出。 3．“光电子的最大初动能”与“光电子的动能”：光照射到金属时，电子吸收一个光子的能量h ν后，就可能向各个方向运动，一部分消耗于克服核的引力及其它原子阻碍做功，剩 图1