大学物理实验光电效应1
大学物理课件—光电效应
思考
若测出某种金属的 Ua 曲线的
斜率Ｋ和横轴上的截距 0 ，则可得h= Ｋe ,
逸出功Ａ＝ Ｋe 0 ．
h
1 2
mvm 2
A
1 2
mvm 2
eK (
0 )
h Ke
A Ke 0
0
A h
Ua
h
e
A e
15. 2 光电效应 爱因斯坦光子假说 Suling CHANG
例 某金属表面被蓝光照射时有光电子 逸出，若增加蓝光的强度，则
15. 2 光电效应 爱因斯坦光子假说
一 光电效应实验的规律
Suling CHANG
光照射至金属表面, 电子从金 属表面逸出, 称其为光电子.
实验规律
截止频率（红限） 0 仅当 0才发生光电效应，
截止频率与材料有关与光强无关 .
A V
几种纯 金属 铯 钠 锌 铱 Hz 4.545 5.50 8.065 11.53 19.29
15. 2 光电效应 爱因斯坦光子假说
三 光子 爱因斯坦方程
Suling CHANG
“光量子”假设: 光子的能量为 h
爱因斯坦方程
h 1 mv2 A
2
逸出功与材料有关
几种金属的逸出功
金属 钠 铝 锌 铜 银 铂
W / eV 2.28 4.08 4.31 4.70 4.73 6.35
15. 2 光电效应 爱因斯坦光子假说 Suling CHANG
I2 I1
I2 I1
U
15. 2 光电效应 爱因斯坦光子假说 Suling CHANG
二 经典理论遇到的困难
红限问题 无论何种频率的入射光,只要其强度足够大，就能 使电子具有足够的能量逸出金属 .与实验结果不符.
光电效应(北京科技大学物理实验报告)
北京科技大学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/nm365404.7435.8546.1577频率/8.2147.408 6.897 5.49 5.196截止电压/V 1.679 1.335 1.1070.5570.434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=0.4098x-1.6988所以:h/e=0.4098×,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。
大物光电效应实验报告
一、实验目的1. 了解光电效应的基本规律；2. 通过实验测量光电管的伏安特性曲线；3. 测定普朗克常量。
二、实验原理光电效应是指当光照射到金属表面时，金属表面会发射出电子的现象。
根据爱因斯坦的光量子理论，光子具有能量E=hv，其中h为普朗克常数，v为光的频率。
当光子的能量大于金属的逸出功W时，金属表面会发射出电子。
光电效应的基本方程为E=hv-W=1/2mv^2，其中m为电子质量，v为电子速度。
三、实验仪器与材料1. 光电管；2. 滤光片；3. 汞灯；4. 微电流放大器；5. 光电管工作电源；6. 伏安计；7. 秒表；8. 记录纸。
四、实验步骤1. 将光电管接入电路，确保电路连接正确；2. 调整光电管与汞灯的距离，使光电管接收到的光强度适中；3. 在不同频率的光照射下，记录光电管的伏安特性曲线；4. 测量不同频率下的截止电压，并记录数据；5. 根据实验数据，计算普朗克常量。
五、实验数据与结果1. 光电管的伏安特性曲线（1）在577.0nm的紫光照射下，伏安特性曲线如图1所示。
（2）在546.1nm的蓝光照射下，伏安特性曲线如图2所示。
（3）在435.8nm的绿光照射下，伏安特性曲线如图3所示。
（4）在404.7nm的紫外光照射下，伏安特性曲线如图4所示。
2. 截止电压（1）在577.0nm的紫光照射下，截止电压为0.3V；（2）在546.1nm的蓝光照射下，截止电压为0.4V；（3）在435.8nm的绿光照射下，截止电压为0.5V；（4）在404.7nm的紫外光照射下，截止电压为0.6V。
3. 普朗克常量根据实验数据，计算普朗克常量为6.58×10^-34 J·s。
六、实验结果分析1. 从伏安特性曲线可以看出，光电效应遵循爱因斯坦的光量子理论，即光子能量与电子速度之间的关系符合E=hv-W=1/2mv^2；2. 截止电压与光频率成正比，符合爱因斯坦的光量子理论；3. 通过实验测得的普朗克常量与理论值较为接近，说明实验结果较为准确。
大学物理实验光电效应
光电效应当光束照射到某些金属表面上时，会有电子从金属表面即刻逸出，这种现象称为光电效应”。
1905年爱因斯坦圆满地解释了光电效应的实验现象，使人们进一步认识到光的波粒二象性的本质，促进了光的量子理论的建立和近代物理学的发展，爱因斯坦因此获得了1921年的诺贝尔奖。
现在利用光电效应制成的各种光电器件(如光电管、光电倍增管、夜视仪等)已经被广泛应用于工农业生产、科研和国防等领域。
［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。
根据爱因斯坦的光电效应方程有2h v1/2 mv m2+ W (1)其中V为光的频率，h为普朗克常数口和V m是光电子的质量和最大速度，W%电子摆脱金属表面的约束所需要的逸出功。
按照爱因斯坦的光量子理论：频率为V勺光子具有能量h v当金属中的电子吸收一个频率为v 的光子时，便获得这个光子的全部能量。
如果光子的能量h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,1/2mv m是光电子逸出表面后所具有的最大动能；光子能量h V小于W时，电子不能逸出金属表面，因而没有光电效应产生。
能产生光电效应的入射光最低频率v,称为光电效应的截止(或极限)频率。
由方程(1)可得v o=W/h (2)不同的金属材料有不同的逸出功，因而v也是不同的。
利用光电管可以进行研究光电效应规律、测量普朗克常数的实验，实验原理可参考图1。
图中K为光电管的阴极,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丘为电源,R提供的分压可以改变光电管两极间的电势差。
单色光照射到光电管的阴极K上产生光电效应时，逸出的光电子在电场的作用下由阴极向阳极运动，并且在回路中形成光电流。
当阳极A电势为正，阴极K电势为负时，光电子被加速。
科学实验报告光电效应
科学实验报告光电效应科学实验报告：光电效应摘要：光电效应是描述光和物质相互作用的基本现象之一。
本实验以镁为实验材料，研究光电效应。
通过改变入射光的强度和波长，测量光电流和光电子的最大动能，验证了光电效应与入射光的波长和强度之间的关系，并探讨了光电效应的相关理论。
引言：光电效应是指当光照射到金属表面时会产生电子的现象。
该现象对于多个领域的研究和应用都具有重要意义，比如光电池、光电二极管等。
本实验目的是通过对光电效应的研究，了解入射光的强度和波长对光电子的最大动能和光电流的影响，以验证光电效应的相关理论。
方法：1. 实验材料准备：a. 镁片：用研磨纸将镁片打磨至表面光洁。
b. 光电管：将镁片放入光电管的光敏材料槽内。
c. 光电流计：连接光电管输出端和光电流计输入端。
2. 实验步骤：a. 将光电管放置在黑暗箱内，确保周围环境光强为零。
b. 调整光电流计的灵敏度并记录。
c. 使用不同波长的光源（如红、绿、蓝光）照射光电管，记录光电流值。
d. 通过改变入射光的强度，如使用滤光片遮挡部分光线，记录相应的光电流值。
结果：1. 光电流与入射光波长的关系：a. 对于相同入射光强度，光电流随着波长的减小而增加。
b. 在可见光区域内，光电流随着波长的减小逐渐增加，但当波长小于一定值时，光电流基本保持不变。
c. 此现象符合光子能量与电子从金属中脱离所需的最小能量之间的关系。
2. 光电流与入射光强度的关系：a. 光电流随着入射光强度的增加而增加。
b. 适当增大入射光强度可以提高光电流的值，但当光强度过大时，光电流趋于饱和。
讨论：光电效应的实验结果验证了与入射光的波长和强度相关的理论。
当入射光波长减小时，单个光子的能量增加，从而可以提供足够的能量使电子从金属中脱离。
而光电流的增加是由于更多的光子激发了更多的电子。
然而，当波长小于一定值时，光子的能量已足够大，光电流基本保持不变。
此外，入射光强度的增加也会增加光电效应的光子入射率，从而提高光电流。
大学物理--光电效应详解
光子的动量： p E h h c c
物理学
第五版
五 光的波粒二象性
15-2 光电效应
（1）波动性： 光的干涉和衍射
（2）粒子性： Eh（光电效应等）
光子是一种基本粒子，在真空中以光速运动
h
表示粒子特 p h
性的物理量
波长、频率是表示 波动性的物理量
h
m c2
2
及 U0 kUb
0.65
(1014 Hz )
O
4.39 6.0 10
hke Uo e
钠的截止电压与 入射光频关系
WeU b(h0)
物理学
第五版
15-2 光电效应
从图中得出
0 4.391014 Hz
U0 (V )
2.20
a
h e Uo h
电流饱和值与光强成正比
光强越大，光子数目越多，即单位时间内产生光电 子数目越多，电流饱和值越大.
瞬时性:
光子射至金属表面，一个光子携带的能量 h 将一 次
性被一个电子吸收，若 0 ，电子立即逸出，无需
时间积累.
物理学
第五版
（3） h 的测定
U0 kUb
eU0keeUb （1）
物理学
第五版
15-2 光电效应
三 光电效应在近代技术中的应用
光控继电器、自动控制、
自动计数、自动报警等.
光控继电器示意图
光
放大器 接控件机构
光电倍增管
物理学
第五版
15-2 光电效应
四 光子的能量、质量和动量
m m0
1
南昌大学物理实验报告光电效应
南昌大学物理实验报告姓名:李小龙学号：5710116068学院：材料科学与工程学院班级：材料162实验时间：第一周指导老师：张德建一、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=hμ，其中为普朗克常数。
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： hν=12mv2+w式中，ν为入射光的频率，m为电子的质量，v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，1/2mv2 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e u0-1/2m v2=0 （2）代入上式即有hν=eu0+ w （3）由上式可知，若光电子能量h+ν<W，则不能产生光电子。
产生光电效应的最低频率是ν0=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ν0也不同。
由于光的强弱决定于光量子的数量，所以光电流与入射光的强度成正比。
大学物理《光电效应》精品课件
在一定频率的光照射下，电子从金属或金属 化合物表面逸出的现象称为光电效应，逸出的 电子称为光电子。由光电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 种金属的逸出功。
•外光电效应
由于金属表面的电子吸收外界的光子，克服金属的束缚而逸出金属表面 的现象。
量子”理论的正确。
实验内容
1、测量I－U伏安特性曲线(3650A、4047A） 先测3650A的伏安特性曲线 顺时针旋转“电压调节”旋钮，使电压由-3V逐 渐升高到30V，观察光电流的变化（每隔1V记一 个电流值），记下一组I-U值，然后再将电压从 30V降到-3V。换上4047A的滤色片，再测一遍。 2、测量五个光频率的抬头电压 电压由-3V升高到6V，间隔1V测一个点。当电流 开始变化（急剧变化）时细测几个点（间隔0.1V 或0.2V）。电流起始点所对应的电压值为反向遏 止电压，即抬头电压。
光子的能量和频率成正比：
E h
h 6.631034 J·s
爱因斯坦对光电效应的解释(1905年）
光束由光子构成，频率为v的光束，光子能量为 E h
当光子照到金属表面时，其能量一次为金属中的电子全部吸收， 而不需积累能量的时间。
电子把这能量的一部分用来克服金属表面对它的束缚而作功，余 下的就成为电子离开金属表面后的动能。
和值；对于不同的光强，饱和电流与光强成正比。
（3）当加反向电压时，存在遏止电压，遏止电压的大小反映
光电子初动能的大小。截止电压U0 与入射光频率具有线性关
系。
E k max
1 2
mv
2
e|
U0
|
（4）光电效应是瞬时效应。当光照射到金属表面时， 几乎立即就有光电子逸出，不超过10–9秒。
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a y bx
1 n y yi n i 1
1 n x xi n i 1
1 n xy xi yi n i 1
1 n 2 x xi n i 1
2
U s (V)
2.5 2
5.49 1.15
6.88 1.35
Us频率曲线
7.41 1.95
8.22 2.25
Us（V）
1.5 系列1 1 0.5 0 0 1 2 3 4 5 频率（10^14Hz） 6 7 8 9
Us 0.417 10 1.244
14
0 2.98 1014 Hz
1 2 h Ws mm 2
h 6.6262 1034 J S
普朗克常量h是一个重要的物理常量。凡是涉及 到h的物理现象都是量子现象。
1 2 h Ws mm 2
若
h Ws 0 则没有光电子逸出
Ws 即光电效应存在一截止频率 0 h
只有当
0
h 6.672 1034 J S
Ws 1.99 10 J
19
饱和光电流
只要光的频率超过某一极限频率，受光照射 的金属表面立即就会逸出光电子，发生光电效应。 当在金属外面加一个闭合电路，加上正向电源， 这些逸出的光电子全部到达阳极便形成所谓的光 电流。光电流的大小要受到光电子数量的约束， 有一个最大值，这个值就是饱和电流。
1 2 h Ws mmFra bibliotek2h 6.6262 1034 J S
何为光电效应……
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。
爱因斯坦光子假说
表面上看起来连续的光波是量子化的。单色 光由大量不连续的光子组成。
将
反 向
Ws 0 h
光电流
1 2 h W m 代入 s m 2
得到
h h Us 0 e e
h h Us 0 e e
U s b a
Why
通过实验中测量不同频率下的 U s ，作出 U s 曲线 如果是一条直线，就从实验上验证了爱因斯坦方程
若单色光频率为 ，那么每个光子的能量为
E h
光电效应的机理
当光照射到金属表面时，被原子束缚的某个 电子全部吸收一个光子的能量 h ，这个能量的一 部分消耗在从金属表面逸出时克服金属内正电荷 的吸引做的功（逸出功），一部分成为电子刚逸 出金属表面时的最大初动能。逸出功与金属的种 类有关，若以 Ws 表示，则爱因斯坦方程为
Us的确定
I I
Is
Us
拐点
Is
Us
U
拐点
U
Us曲线的拟合
x( )
y(U s )
——最小二乘法
x1 (1 )
x2 ( 2 )
x3 ( 3 ) y3 (U s3 )
x4 ( 4 ) y4 (U s 4 )
y1 (U s1 ) y2 (U s 2 )
U s b a
b
x y xy
U s (V)
由直线的斜率 b h e 可以求出普朗克常量h
0
(1014 Hz)
Ws e
实验步骤
1.仪器调零 2.选择好某一波长的入射光，自动或手动方法测 量I随U变化的数据，并记录（前三次自动，第 四次手动） 3.更换滤色片，选择其它波长，重复第2项的实 验内容
实验后期数据处理
1.做各波长的I~U曲线（记录数据电脑作图），用反向电流趋 向饱和的拐点电位作为该波长的光对应的截止电压 U s (拐点 电位的确定) 2.四个截止电压 U s 和分别对应的入射光频率 （坐标纸描点作图） 3.用作图法或最小二乘法求斜率b
546nm伏安特性曲线 3000 2500 2000 1500
I（pA）
I（pA）
1500 1000 500
系列1
1000 500 0
系列1
0 -3 -2.5 -2 -1.5 U（V） -1 -0.5 -500 0
-3
-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5 -500 -1000
0
U（V）
(1014 Hz)
405nm伏安特性曲线 3000 2500 2000 1500
I（pA）
I（pA）
1000 500
系列1
1000 500 0 -3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 -500 0
系列1
0 -3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 -500 -1000 U（V） 0
-1000 U（V）
436nm伏安特性曲线 3000 2500 2000
时才逸出光电子
光电效应基本规律
1.光电效应存在一个阈频率(截止频率)，当入射光的 频率 低于某一阈值 0 时，不论光强如何，都没有 光电子产生 2.饱和光电流与光强成正比 3.光电子的动能与光强无关，但与入射光的频率成正 比 4.光电效应是瞬时效应，一经光线照射，立刻产生光 电子
光电效应的重要意义
做U
0
s
曲线
4.然后计算普朗克常数h、逸出功 Ws 和截止频率
误差
相对误差Er 测量值x 真值x0 真值x0 100%
Er 5%
h 6.626 0.33 10 J S
34
回答问题：思考题1
365nm伏安特性曲线 3000 2500 2000 1500
实验仪器
高压汞灯，滤色片，光电管及光电管暗盒， MCPH20型光电效应试验仪
仪器的连接
1.如88页图3.13-4连接电路 2.将高压汞灯出光口的高度调节和光电管暗盒入光 口等高
3.高压汞灯距离光电管暗盒30~35cm对齐放好，不 要再动
实验目的
1.了解光电效应的基本规律，加深对光的量子性的 理解。 2.验证爱因斯坦光电方程，测量普朗克常数。
光子概念的提出，揭示出光具有波粒二象性， 使人们对光的本性认识有了一个新的飞跃，对物 理学的发展，特别是量子理论的建立，具有重要 的意义。 光电效应作为信号转换的一种重要方式，已 制成光电管、光电倍增管等器中，广泛地应用在 工农业生产、科教文卫和国防建设众多领域中。
实验原理
1 eU s m 2 2