光电效应讲义

实验三 光电效应
【实验目的】
1. 加深对光的量子性的认识。

2. 验证爱因斯坦方程，测定普朗克常数。

3. 测定光电管的伏安特性曲线。

【实验原理】
当一定频率的光照射到某些金属表面上时，可以使电子从金属表面逸出，这种现象称为光电效应．所产生的电子，称为光电子。

光电效应是光的经典电磁理论所不能解释的。

1905年爱因斯坦依照普朗克的量子假设，提出了光子的概念。

他认为光是一种微粒 — 光子；频率为ν 的光子具有能量h ν，h 为普朗克常数，目前国际公认值为h =(6．6260755±0．0000040)×10-34
J ·s 。

当金属中的电子吸收一个频率为ν 的光子时，便获得这光子的全部能量h ν，如果这能量大于电子摆脱金属表面的约束所需要的逸出功W ，电子就会从金属中逸出．按照能量守恒原理有：
W v m h m +=
2
2
1ν (3.1) 上式称为爱因斯坦方程，其中m 和v m 是光电子的质量和最大速度，2
2
1m v m 是光电子逸出表面后所具有的最大动能．它说明光子能量h ν小于W 时，电子不能逸出金属表面，因而没有光电效应产生；产生光电效应的入射光最低频率ν0=W ／h ，称为光电效应的极限频率(又称红限)。

不同的金属材料有不同的逸出功，因而ν0也是不同的。

用光电管进行光电效应实验，测量普朗克常数的实验原理如图3.1所示。

图中K 为
图3.1光电效应实验原理图
光电管的阴极，A 为阳极，微安表用于测量微小的光电流，电压表用于测量光电管两极间的电压，E 为电源，R 提供的分压可以改变光电管两极间的电势差。

当单色光入射到光电管的阴极K 上时，如有光电子逸出，则当阳极A 加正电势，K 加负电势时，光电子就被加速；而当K 加正电势，A 加负电势时，光电子就被减速。

当A 、K 之间所加电压U 足够大时，光电流达到饱和值I m ,当U ≤-U 0，并满足方程
eU 0 =2
2
1
m v m (3.2)
时，光电流将为零，此时的U 0称为截止电压。

式中e 为电子电量。

光电管的伏安特性曲线（光电流与所加电压的I — U 关系）如图3.2所示。

当用一定强度的光照射在光电管阴极K 上时，光电流I 随两极间的加速电压改变而改变，开始光电流I 随两极间的加速电压增加而增加，当加速电压增加到一定值后，光电流不再增加．这是因为在一定照度下，单位时间
图3.2光电管的伏安特性曲线 图3.3截止电压U 0 是入射光频率ν 的线性关系图线
内所产生的光电子数目一定，而且这些电子在电场的作用下已全都跑向阳极A ，从而达到饱和。

我们称此时的电流为饱和电流I m 。

由于光电子从阴极表面逸出时具有一定的初速度，所以当两极间电势差为零时，仍有光电流I 存在。

若在两极间施加一反向电压，光电流随之减小；当反向电压达到截止电压U 0时，光电流为零。

将式(3.2)代人式(3.1)可得
eU 0 = h ν - W
即
U 0 =()0ννν-=-
e
h
e W e h (3.3) 上式表明，截止电压U 0 是入射光频率ν 的线性函数，其直线的斜率等于h ／e 。

可见，只要用实验方法，测量不同频率光的截止电压，作出U 0 — ν 图线，如图3.3所示。

从图中求得直线的斜率
e
h
，即可求出普朗克常数h 。

另外，从直线和横坐标的交点还可求出极限频率ν0。

因此，由光电效应测定普朗克常数h 的关键是正确地测定截止电压U 0 。

需要指出的是，实际的光电管由于制作工艺等原因，给测定截止电压带来一些困难。

对测量产生影响的主要因素如下：
（1） 暗电流和本底电流
光电管在没有受到光照时，也会产生电流，称为暗电流。

它是由阴极在常温下的热电子发射形成的热电流和封闭在暗盒里的光电管在外加电压下因管子阴极和阳极间绝缘电阻漏电而产生的漏电流两部分组成。

本底电流是周围杂散光射入光电管所致。

（2）反向电流
由于制作光电管时阳极上往往溅有阴极材料，所以当光照到阳极上或杂散光漫射到阳极上时，阳极上也往往有光电子发射；此外，阴极发射的光电子也可能被阳极的表面所反射。

当阳极A加负电势，阴极K加正电势时，对阴极K上发射的光电子而言起减速作用，而对阳极A发射或反射的光电子而言却起了加速作用，使阳极A发出的光电子也到达阴极K，形成反向电流。

由于上述种种原因，实测的光电管伏安特性（I—U）曲线与理想曲线是有区别的。

图3.4中实线表示实测曲线，虚线表示理想
曲线即阴极光电流曲线，点划线代表影响较
大的反向电流及暗电流曲线。

实测曲线上每
一点的电流值是以上三个电流值的代数和。

显然，实测曲线上光电流I为零的点所对应
的电压值并不是截止电压。

从图3.4可看出，
阳极光电流(即反向电流和暗电流)的存在，
使阴极光电流曲线下移，实测曲线的拐点(或
称抬头点)处的电压值与截止电压近似相等，图3.4对光电流曲线的分析
可代替截止电压。

因此，光电效应实验是通过找出实验伏安特性曲线的拐点来确定截止电压U0的。

【仪器介绍】
1.GDH—Ⅰ型光电管：阳极为镍圈，阴极为银—氧-钾(Ag-O-K)，光谱范围34O．0—700．0nm
光窗口为无铅多硼硅玻璃，最高灵敏波长是410．0±10．0nm，阴极光灵敏度为1 μA/Lm，暗电流为10-12A。

为了避免杂散光和外界电磁场对微弱光电流的干扰，光电管安装在可升降的铝质暗盒中，暗盒窗口可以安放光阑孔和滤色片。

2.光源：高压汞灯，谱线范围在302.3—872.0 nm。

3.NG型滤色片：一组有色玻璃滤色片。

滤通的谱线波长分别为365 nm，404 nm，436 nm，
546 nm，577 nm。

4.GP-Ⅱ型微电流测量放大器：电流测量范围为10-6～ 10-13 A，分六档十进变换；工作电
源为-3 ～+3V连续可调，电压量程分0V～±1V～±2V～±3V六段读数，读数精度0．02V。

测量放大器可以连续地工作8小时以上。

图3.5光电效应实验装置示意图
【实验内容】
1.测试前的准备
(1)将光源、光电管暗盒、微电流测量放大器安放在适当位置，连接好光电管暗盒与测量放大器之间的屏蔽电缆、地线和阳极电源线。

参见图3.5和图3.6。

将微电流测量放大器面板上各开关、旋钮置于下列位置：
“倍率”开关置“ZERO”；“电流极性”置“-”；“工作选择”置“DC”；“扫描平移”任意；“电压极性”置“-”；“电压量程”置“-3”；“电压调节”反时针调到头。

(2)打开微电流测量放大器电源开关让其预热20-30分钟。

在光电管暗盒的光窗上装
光阑；并盖上遮光罩，打开光源开关，让汞灯预热。

2.测量光电管的I —U特性
(1)使暗盒离开光源30 ～ 50cm，基本等高，暗盒窗口正对光源出射孔。

(2)取去暗盒窗口上的遮光罩，换上波长λ =365 nm的滤色片。

将倍率旋钮置于“10-7”
档，此时光电流大小应在此量程范围内（注意，光电管暗盒正对汞灯时，电流最小）。

(3)选择合适的电流和电压量程，测出-3 ～ 3V时不同电压下的光电流。

测量时，-3 ～ 0V时每0.1V测一个点，0V以上可加大间隔。

3.测量光电管拐点和本底电流。

(1)依次调换不同波长的滤色片，重复上面的测量，只测-3 ～ 0V时的光电流，每0.1V
测一个点。

(2)挡住汞灯出光口，测量0V时光电管的本底电流（每个滤色片都测）。

4.测量光电管的暗电流。

用遮光罩罩住光电管暗盒，测量0V时光电管的暗电流。

5.求普朗克常数h
把不同频率下的截止电压描绘在方格纸上，如果实验结果准确，则U0 =f (ν)关系曲线是一直线，求出直线的斜率，从而可算出普朗克常数h，并将结果与公认值比较，求出百分误差。

【注意事项】
1.在数据表格后加拐点及本底电流数据表（365nm的本底电流记在I—V表中）。

2.微电流测量放大器必须充分预热。

3.为避免强光直射阴极缩短光电管寿命，更换滤色片时以及实验完毕后用遮光罩盖住光电
管暗盒进光窗。

4.保持滤色片表面光洁，小心使用防止损坏。

更换滤色片时务必平整套架，以免除不必要
的折光带来实验误差。

5.实验中应减少杂散光的干扰。

6.作图的毫米方格纸大小要合适，以保证测量数据的精度不受损害。