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 =6.626s 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
2
h m W νυ=+ （1）
式中，ν为入射光的频率，m 为电子的质量，υ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 0-1/2mv
2
=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+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。

又因为一个电子只能吸收一个
光子的能量，所以光电子获得的能量与光强无关，只与光子的频率ν成正比，，将（3）式
改写为
上式表明, 截止电压0U 是入射光频率ν的线性函数，如图2，当入射光的频率ν=ν0时，截止电压00=U ，没有光电子逸出。

图中的直线的斜率k=h/e 是一个正的常数：
ek h = （5）
由此可见，只要用实验方法作出不同频率下的U 0-ν曲线，并求出此曲线的斜率，就可以通过式（5）求出普朗克常数h 。

其中C e 191060.1-⨯=是电子的电量。

1. 光电效应的伏安特性曲线
图3是利用光电管进行光电效应实验的原理图。

频率为ν、强度为P 的光线照射到光电管阴极上，即有光电子从阴极逸出。

如在阴极K 和阳极A 之间加正向电压AK U ，它使K 、A 之间建立起的电场对从光电管阴极逸出的光电子起加速作用，随着电压AK U 的增加，到达阳极的光电子将逐渐增多。

当正向电压AK U 增加到m U 时，光电流达到最大，不再增加，此时即称为饱和状态，对应的光电流即称为饱和光电流。

由于光电子从阴极表面逸出时具有一定的初速度，所以当两极间电位差为零时，仍有光电流I 存在，若在两极间施加一反向电压，光电流随之减少；当反向电压达到截止电压时，光电流为零。

图4 入射光频率不同的I －U 曲线 图5 入射光强度不同的I －U 曲线
爱因斯坦方程是在同种金属做阴极和阳极，且阳极很小的理想状态下导出的。

实际上做阴极的金属逸出功比作阳极的金属逸出功小，所以实验中存在着如下问题：
暗电流和本底电流。

当光电管阴极没有受到光线照射时也会产生电子流，称为暗电流。

它是由电子的热运动和光电管管壳漏电等原因造成的。

室内各种漫反射光射入光电管造成的光电流称为本底电流。

暗电流和本底电流随着K 、A 之间电压大小变化而变化。

阳极电流。

制作光电管阴极时，阳极上也会被溅射有阴极材料，所以光入射到阳极上或由阴极反射到阳极上，阳极上也有光电子发射，就形成阳极电流。

由于它们的存在，使得实际I ～U 曲线较理论曲线下移，如图6。

00()h W h
U e e e
ννν=
-=-
图6 伏安特性曲线
由于暗电流是由阴极的热电子发射及光电管管壳漏电等原因产生，与阴极正向光电流相比，其值很小，且基本上随电位差U呈线性变化，因此可忽略其对遏止电位差的影响。

阳极反向电流虽然在实验中较显著，但它服从一定规律。

因此，确定遏止电位差值可采用以下两种方法：
⑴ 交点法
光电管阳极用逸出功较大的材料制作，制作过程中尽量防止阴极材料蒸发，实验前对光电管阳极通电，减少其上溅射的阴极材料，实验中避免入射光直接照射到阳极上，这样可使它的反向电流大大减少，其伏安特性曲线与图5十分接近，因此曲线与U轴交点的电位差值近似等于遏止电位差U
，此即本实验采用的交点法（或零电流法）。

⑵拐点法
光电管阳极反向电流虽然较大，但在结构设计上，若使反向光电流能较快地饱和，则伏安特性曲线在反向电流进入饱和段后有着明显的拐点，如图6中虚线所示的理论曲线下
移为实线所示的实测曲线，遏止电位差U
0也下移到U’
点。

因此测出U’
点即测出了理论值
U。

五、实验内容及步骤：
1、调整仪器
(1)连接仪器；接好电源，打开电源开关，充分预热（不少于20分钟）。

(2)在测量电路连接完毕后，没有给测量信号时，旋转“调零”旋钮调零。

每换一次量程，必须重新调零。

(3)取下暗盒光窗口遮光罩，换上365.0nm滤光片，取下汞灯出光窗口的遮光罩，装好遮光筒，调节好暗盒与汞灯距离。

2、测量普朗克常数h
（1）将电压选择按键开关置于–2～＋2V档，将“电流量程”选择开关置于A 档。

将测试仪电流输入电缆断开，调零后重新接上。

（2） 将直径为4mm 的光阑和365.0nm 的滤色片装在光电管电暗箱输入口上。

（3） 从高到低调节电压，用“零电流法”测量该波长对应的0U ，并数据记录。

（4） 依次换上405nm 、436nm 、546nm 、577nm 的滤色片，重复步骤（1）、（2）、（3）。

(5) 测量三组数据,然后对h 求平均值。

3、测量光电管的伏案特性曲线：
(1)暗盒光窗口装365nm 滤光片和4mm 光阑，缓慢调节电压旋钮，令电压输出值缓慢由0V 伏增加到30V ，每隔1V 记一个电流值。

但注意在电流值为零处记下截止电压值。

(2)在暗盒光窗口上换上577nm 滤光片，仍用4mm 的光阑，重复步骤（1）。

(3)选择合适的坐标，分别作出两种光阑下的光电管伏安特性曲线U ～I 。

4、探究饱和电流与光通量、光强的关系
⑴控制电压U=30.0V,波长为365nm,L=400nm 时，记录光阑孔分别为2、4、8时的电流。

-3
-2
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1
Y A x i s T i t l e
计算普朗克常量: 当利用不同频率ν的单色光分别作光源时, 可以测出不同频率下的
遏止电位U a 。

作出U a 与ν的曲线, 测曲线的斜率K 为K = h /e =∆U/∆v 便可求出普朗克常数h 。

K=∆U/∆v=0.4016⨯10-14
h=ek =1.1602⨯10-19⨯0.4016⨯10-14=6.433⨯10-34 J •S
-3
3
6
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24
27
30
33
50
100
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200
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Y A x i s T i t l e
X Axis Title
注意事项
1、微电流测量仪和汞灯的预热时间必须长于20分钟，连线时务必先接好地线，后接信号
线。

切勿让电压输出端A与地短路，以免损坏电源。

微电流测量仪每改变一次量程，必须重新调零。

2、微电流测量仪与暗盒之间的距离在整个实验过程中应当一致。

3、注意保护滤光片，勿用手触摸其表面，防止污染。

4、实验结束时应盖上光电管暗合遮光盖和汞灯遮光盖！。