光电效应实验

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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、 改变入射光频率时,截止电压U 0随之改变,与成线性关系(图4)。实验表明,

当入射光频率低于(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与频率的关

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,在开始照射后立即有光电子产生,延迟时间最多不超过9

10-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,频率为的光子具有能量ν=h E ,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,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,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 -= 此式表明截止电压是频率的线性函数。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。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年和1923年获得诺贝尔物理学奖。

光电效应实验,使人们对光的波粒二象性的本质有了更深的认识。对光电效应现象

的研究,促进了光的量子理论的建立和近代物理学的发展。今天,利用光电效应制成的各种光电器件,如光电池、光电管、光电倍增管等,已被广泛的应用于工农业生产、国防和科研等各个领域。

实验仪器

ZKY-GD-4智能光电效应(普朗克常数)实验仪,仪器由光电检测装置(含光电管暗箱,高压汞灯灯箱,高压汞灯电源和实验基准平台)及实验主机-光电效应实验仪(含微电流放大器、扫描电压源发生器两部分)构成。仪器结构如图5所示。

1.汞灯电源,

2.汞灯,

3.滤光片,

4.光阑,

5.光电管,

6.光电效应测试仪,

7.基座

图5 仪器结构图

主要技术参数:

1、微电流放大器:

电流测量范围:A 13810~10--,分6档,三位半数显,最小显示位10-14A 。

零漂:开机20分钟后、30分钟内不大于满度的)A 10%(2.013档-±。

2、光电管工作电源:

电压调节范围:V 2~0-档,示值精度%,最小调节电压2mV ;

V 50~1+-档,示值精度%,最小调节电压0.5V 。

3、光电管:光谱响应范围 340-700nm ,最小阴极灵敏度Lm A 1μ≥,阳极:镍圈。 暗电流:A 102I 12-⨯≤(V 0U V 2AK ≤≤-)

4、滤光片:5片,透射波长365.0nm 、404.7nm 、435.8nm 、546.1nm 、578.0nm 光阑:3片,直径2mm ,4mm ,8mm

5、汞灯:可用谱线365.0nm 、404.7nm 、435.8nm 、546.1nm 、578.0nm

测量误差:%

实验内容

一、必做部分:

1. 了解光电效应的基本规律。

2. 测定光电管伏安特性曲线和入射光频率与光电管截止频率间的关系,计算普朗克

常数。

注意事项:

1、 做好测试前准备:

1)用专用连接线将光电管暗箱电压输入端与测试仪电压输出端(后面板上)连接起来(注意导线与接口的颜色)。

2)将汞灯及光电管暗箱遮光盖盖上,将汞灯暗箱光输出口对准光电管暗箱光输入

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