实验讲义-光电效应和普朗克常数的测量
光电效应与普朗克常量的测定实验报告
实验目的：本实验旨在通过光电效应实验测定普朗克常量，并验证光电效应与普朗克常量之间的关系。
实验原理：光电效应是指当光照射到金属表面时，金属会发射出电子的现象。
根据爱因斯坦的解释，光电效应可以用粒子模型解释，即光子（光的量子）与金属表面上的电子相互作用，使得电子获得足够的能量，从而克服金属表面的束缚力逸出。
普朗克常量（h）是描述光子的能量与频率之间关系的物理常数，它与光电效应中的电子动能和光的频率之间有关系，可以通过光电效应实验进行测定。
实验装置：光源：提供可调节的单色光源。
光电管：包括光敏阴极和阳极，用于测量光电子的电流。
电压源：用于给光电管提供适当的反向电压。
电流计：用于测量光电子的电流。
实验步骤：将光电管与电压源和电流计连接起来，确保电路正常。
调节光源的单色光频率，使其能够照射到光电管的光敏阴极上。
逐渐增加反向电压，直到观察到电流计指针发生明显变化。
记录此时的反向电压和光电管的电流值。
重复步骤3和步骤4，分别改变光源的频率和光强，记录对应的反向电压和电流值。
统计所得的数据，绘制反向电压和光电流的关系曲线。
根据实验数据和绘制的曲线，利用普朗克关系E = hf（E为光电子的动能，h为普朗克常量，f为光的频率），进行普朗克常量的测定。
实验结果与讨论：根据实验所得的反向电压和光电流的关系曲线，可以利用普朗克关系计算得到普朗克常量的数值。
在实验中应注意排除误差因素，如光强的变化、测量误差等，以提高实验结果的准确性。
结论：通过光电效应实验测定普朗克常量，并与理论值进行比较，验证了光电效应与普朗克常量之间的关系。
实验结果与理论值的接近程度可以评估实验的准确性，并对光电效应和普朗克常量的物理意义进行讨论。
需要注意的是，实验报告中还应包括实验装置的详细描述、数据记录、数据处理方法和结果分析等内容，以及可能的误差来源和改进措施。
这些信息可以根据具体的实验条件和要求进行适当调整和补充。
实验13光电效应和普朗克常数的测定
能。
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 为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：
实验13光电效应和普朗克常数的测定光照射到金属或其化合物表面上时光的能量仅部分以热的形式被金属吸收而另一部分则转换为金属表面中某些电子的能量促使这些电子从金属表面逸出来这种现象叫做光电效应所逸出的电子称为光电子
~
实验 13 光电效应和普朗克常数的测定
光照射到金属或其化合物表面上时，光的能量仅部分以热的形式被金属吸收，而另 一部分则转换为金属表面中某些电子的能量，促使这些电子从金属表面逸出来，这种现 象叫做光电效应，所逸出的电子称为光电子。光电效应首先是由赫兹发现的，他在从事 电磁波实验时，注意到接收电路中感应出来的电火花。当间隙的两个端面受到光照射时， 火花要变得更强些。后来证实赫兹所观察到的电火花加强的现象，是在光的照射下金属 表面发射电子的结果。
2.光电效应的物理解释 光电效应可以从物理上解释如下：金属中的电子被晶格束缚在金属内，要使它脱离 金属表面而成为自由电子，必须给它一定的能量，称为这种金属表面的电子逸出功。当 金属中一个电子从入射光中吸收一个光子后，就获得能量ε=hν。如果hν大于电子从金 属表面逸出时所需要的逸出功A，这个电子就可以从金属表面逸出，成为光电子。不同
光电效应的第二个结论：光电子从 金属表面逸出时具有一定的动能，最大 初动能与入射光的频率成正比，而与入 射光的强度无关。
光电效应及普朗克常数的测定
I I m2 I m1
P2 P1
P2 P1
U0 o
U AK
同一频率,不同入射光强时I～UAK曲线
(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。
第6页，本讲稿共16页
2. 爱因斯坦对光电效应的解释
爱因斯坦认为从一点发出的光不是按麦 克
斯韦电磁学说指出的那样以连续分布的形 式把
v 式中 h为普克朗常数, 为入射光的频率， 为电m子的质量， 为
光电子逸出金属表面时的初速度， 为受光线照射的金属材料的
逸出功(或功函数)。
Ws
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实验器材
普朗克常数测定仪微电流测试仪、测试台
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实验内容
1. 测试前准备:
(1) 盖上光电管暗箱和汞灯的遮光盖，将光电管与汞灯距离调
整并保持在400mm，接通测试仪及汞灯电源，预热约15min。 （注意：汞灯一旦开启，不要随意关闭） (2) 测试仪调零：盖上光电管暗箱和汞灯的遮光盖，“电压”选 择在－2V～+2V档，“电流量程”选择在10-13A档，旋转“电 流调零” 旋钮使“电流表”指示为零。 （注意：每次调换“电流量程”，都应重新调零)
577.0 5.196
第12页，本讲稿共16页
3. 测光电管的伏安特性曲线(I～UAK曲线)
将“电压”选择按键置于－1V～+35V档，将“电流量程”选择开关 置于10－10A并重新调零，将直径为4mm的光阑及波长365.0nm的滤光片
插在光电管入射窗孔前。
(1) 从截止电压开始由低到高调节电压，直至30V（不高于30V）。 从截止电压到0V 区间，电压取值间隔为0.25V; 从0V到8V 区间，电压取值间隔为1.5V; 从8V到35 V 区间，电压取值间隔为3V; 每取一电压值，记录一电流值到表2中。
光电效应和普朗克常数的测量
光电效应与普朗克常数的测量【实验目的】1) 通过光电效应实验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h ； 3) 测定光电管的伏安特性曲线． 【实验原理】光电效应是由赫兹在1887年首先发现的，这一发现对认识光的本质具有极其重要的意义．1905年，爱因斯坦从普朗克的能量子假设中得到启发，提出光量子的概念，成功地说明了光电效应的实验规律．1916年，密立根以精确的光电效应实验证实了爱因斯坦的光电方程，测出的普朗克常数与普朗克按绝对黑体辐射定律中的计算值完全一致．爱因斯坦和密立根分别于1921年和1923年获得诺贝尔物理学奖．光电效应的应用极为广泛．用光电效应的原理制成的光电管、光电倍增管及光电池等各种光电器件，是光电自动控制、有声电影、电视录像、传真和电报等设备中不可缺少的器件．在光的照射下，从金属表面释放电子的现象称光电效应． 1．光电效应及其规律 光电效应的基本规律有：①饱和光电流：饱和光电流强度与入射光强度成正比；②存在截止频率：对某一种金属来说，只有当入射光的频率大于某一频率0v 时，电子才能从金属表面逸出，电路中才有光电流，这个频率0v 叫做截止频率——红限；③线性性：用不同频率的光照射金属K 的表面时，只要入射光的频率大于截止频率，截止电压与入射光频率具有线性关系．④瞬时性：无论入射光的强度如何，只要其频率大于截止频率，则当光照射到金属表面时，几乎立即就有光电流逸出（延迟时间约为10-9s ）．2．爱因斯坦光子假说与光电效应方程1905年，爱因斯坦对光的本性提出了新的理论，认为光束可以看成是由微粒构成的粒子流，这些粒子流叫做光量子，简称光子．在真空中，光子以光速c 运动．一个频率为ν的光子具有能量νh ，h 为普朗克常数．按照光子理论，光电效应可解释如下：当金属中的一个自由电子从频率为ν的入射光中吸收一个光子后，就获得能量νh ．如果νh 大于电子从金属表面逸出时所需的逸出功W ，这个电子就可从金属中逸出．根据能量守恒定律，应有212m h mv W ν=+ （1）图1 实验原理图 图2 I －U 特性曲线☆讲义阅后请放在实验台上，不要带走！☆式中212m mv 是光电子的最大初动能，上式称为爱因斯坦光电效应方程．爱因斯坦方程表明光电子的初动能与入射光的频率成线性关系．入射光的强度增加时，光子数也增多，因而单位时间内光电子数目也将随之增加，这就很自然地说明了光电子数与光的强度之间的正比关系．由方程(1)，假定2102m mv =，得：0/W h ν=． 这表明频率为0ν(截止频率)的光子具有发射光电子的最小能量．如果光子频率低于0ν，不管光子数目多大，单个光子没有足够的能量去发射光电子，所以截止频率相当于电子所吸收的能量全部消耗于电子的逸出功时入射光的频率．3．普朗克常量的测量如图1表示实验装置的光电原理．单色光投射到光电管的阴极金属板K ，释放光电子（发生光电效应），A 是集电极（阳极）．由光电子形成的光电流可以被微安表测量．在保持光照射不变的情况下，如果在AK 之间施加反向电压（集电极为负电位），光电子就会受到电场的阻挡作用，当反向电压足够大时，达到S U 光电流降到零，S U 就称做截止电压．不难理解，截止电压与光电子最大初动能间有如下关系212m S mv eU = （2） 即有0()S h W hU v v v e e e=-=- （3） 则测出不同频率ν的入射光所对应的截止电压S U ，由此可作~S U ν图线，由直线斜率e h /可求得普朗克常数h ．由该直线与横轴的交点，可求出“红限”频率0ν．这就是密立根验证爱因斯坦光电效应方程的主要实验思想．实际测量的光电管伏安特性曲线存在某些干扰，主要有：（1）存在暗电流和本底电流：在完全没有光的照射下，由光电管阴极本身的电子热运动所产生的电流称为暗电流．由于外界各种漫反射光照射到光电管阴极所形成的电流称为本底电流．（2）存在阳极电流：光电管在制造和使用时，阳极不可避免地被阴极材料所沾染．在光的照射下，被沾染的阳极也会发射光电子并形成阳极电流，在光电管加反向电压时，该电流流向与阴极电流流向相反．由于上述原因，致使实测曲线光电流为零时所对应的电压并不是截止电压．确定截止电压，主要有两种办法：①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,因此曲线与U 轴交点的电位差值近似等于遏止电位差S U ，此即为交点法．②拐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，因此测出拐点即测出了理论值S U ．图4 存在反向电流的I-U 特性曲线【实验装置】光源（高压汞灯，可用谱线为365.0nm 、404.7nm 、435.8nm 、546.1nm 、577.0nm 共五条强谱线）、滤光片、光电管暗盒、微电流测量仪、光电管工作电源【实验内容及步骤】1. 测试前准备:⑴接通测试仪及汞灯电源，预热约20min ．盖上光电管暗箱和汞灯的遮光盖，将光电管与汞灯距离调整并保持在400mm 不变．注意：汞灯一旦开启，不要随意关闭！⑵测试仪调零：盖上光电管暗箱和汞灯的遮光盖，“电压”选择在“－2V ～+30V”档，“电流量程”选择在“1010A -”档，旋转“电流调零”旋钮使“电流表”指示为“000.0”．注意：每次调换“电流量程”，都应重新调零！ 2. 测光电管的伏安特性曲线(AK IU 曲线)将“电压”选择按键置于“－2V ~ +30V”档，将“电流量程”选择开关置于“1010A -”或“1110A -”挡并重新调零，将直径为2mm 的光阑及波长435.8nm 的滤光片插在光电管入射窗孔前．⑴从截止电压开始由低到高调节电压，直至30V （不高于30V ）． 从截止电压到0V 区间，电压取值间隔为0.25V ； 从0V 到8V 区间，电压取值间隔为1.5V ； 从8V 到30V 区间，电压取值间隔为3V ． 每取一电压值，记录数据．表一 400AK I U L mm -=关系435.8nm 光阑2mm AK ()U V11(10)I A -⨯435.8nm 光阑4mm AK ()U V11(10)I A -⨯546.1nm 光阑2mm AK ()U V11(10)I A -⨯546.1nm 光阑4mmAK ()U V11(10)I A -⨯注意：由于光电流会随光源、环境光以及时间的变化而变化，测量光电流时，选定AK U 后，应取光电流读数的平均值．为了使每个电流值都有三位有效数字，测量过程中须变换“电流量程”． ⑵换上直径为4mm 的光阑，重复步骤⑴．图5 实验装置⑶换上波长546.1nm 的滤光片，重复步骤⑴、⑵． 3. 验证光电管的饱和光电流m I 与入射光强P 成正比关系在AK U 为30V 时，选择“电流量程”使得电流值有三位有效数字，并重新调零．在同一入射频率，同一入射距离下，记录光阑直径分别为2mm 、4mm 、8mm 时对应的电流值于表中．表二 AK 30 400m I P U V L mm -==关系4. 普朗克常数的测量零电流法 将“电压”选择按键置于“－2V ~ +2V”档，“电流量程”选择在“1210A -”档并重新调零．将直径为4mm 的光阑及波长为365.0nm 的滤光片插在光电管入射窗孔前，调节电压AK U ，使得光电流I 为零，此时测试仪中显示的电压值即可认为是该入射光频率对应的截止电压．重复测量四次，填入表中．依次更换其余四个滤光片（注意：一定要先盖上汞灯的遮光盖再更换滤光片），测出各自对应的截止电压．补偿法 调节电压AK U 使电流为零后，保持AK U 不变，遮挡汞灯光源，此时测得的电流1I 为电压接近截止电压时的暗电流和本底电流．重新让汞灯照射光电管，调节电压AK U 使电流升至1I ，将此时对应的电压AK U 的绝对值作为截止电压S U ．此法可以补偿暗电流和本底电流对测量结果的影响．表三 4 400S U v mm L mm -Φ==关系光阑孔【数据处理】1．根据表一的数据在坐标纸上作AK I U 关系曲线．2．根据表三的数据在坐标纸上作SU v 直线，得出直线的斜率后求普朗克常数h ，与公认值340 6.62610h J s -=⨯⋅比较求相对误差．同时求红限频率0v ．3．验证光电管的饱和光电流m I 与入射光强P 成正比关系． 【注意事项】1．汞灯关闭后，不要立即开启电源．必须待灯丝完全冷却后再开启，以延长汞灯寿命． 2．实验过程中注意随时盖上汞灯的遮光盖，一定要先盖上汞灯的遮光盖再更换滤光片． 3．实验结束时应盖上光电管暗箱和汞灯的遮光盖！ 4．滤光片要保持清洁，禁止用手摸关系面．5．光电管不使用时，要断掉阳极与阴极之间的电压，防止意外光线照射，保护光电管． 【思考题】1．光电效应法测普朗克常数的依据是什么？2．加在光电管两端的电压为零时，光电流为什么不为零？3．什么叫光电效应？爱因斯坦提出的光电效应理论有哪些内容？4．说明光电效应与光频率、光强 、逸出功、截止电压、截止频率的关系，简述暗电流产生的原因及测量方法．5．在实验中，为什么在光电管暗盒子窗口上装小孔光阑？若改变光电管上的照度，对AK IU 曲线有何影响？。
光电效应测普朗克常数实验报告
光电效应测普朗克常数实验报告一、实验目的1、了解光电效应的基本规律。
2、掌握用光电效应法测量普朗克常数的方法。
3、学习测量截止电压的方法，并通过数据处理得出普朗克常数。
二、实验原理1、光电效应当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。
逸出的电子称为光电子。
2、爱因斯坦光电方程根据爱因斯坦的理论，光电子的最大初动能＄E_{k}＄与入射光的频率＄ν$ 和金属的逸出功＄W$ 之间的关系可以表示为：＼E_{k} ＝hν W\其中，＄h$ 为普朗克常数。
3、截止电压当光电子的动能为零时，所加的反向电压称为截止电压＄U_{c}＄。
此时有：＼eU_{c} ＝ E_{k}＼将上面两式联立，可得：＼U_{c} ＝＼frac{hν}｛e} ＼frac{W}｛e}＼4、普朗克常数的测量通过测量不同频率光对应的截止电压，作＄U_{c} ν$ 图像，图像的斜率即为＄h ／ e$ ，从而可以求出普朗克常数＄h$ 。
三、实验仪器光电效应实验仪、汞灯、滤光片、遮光片、微电流测量仪等。
四、实验步骤1、仪器连接与预热将光电效应实验仪的各个部分正确连接，打开电源，让仪器预热 20 分钟左右。
2、调整仪器（1）调整光源与光电管之间的距离，使光斑能够均匀照射在光电管的阴极上。
（2）调整遮光片，使得光能够准确地通过遮光孔照射到光电管上。
3、测量不同频率光的截止电压（1）依次换上不同波长的滤光片，得到不同频率的单色光。
（2）缓慢调节电压，观察微电流测量仪上的示数，当电流为零时，记录此时的电压值，即为该频率光对应的截止电压。
4、重复测量对每个频率的光，进行多次测量，取平均值以减小误差。
五、实验数据及处理1、实验数据记录｜波长λ （nm) ｜频率ν （×10^14 Hz) ｜截止电压 Uc （V) ｜｜｜｜｜｜ 365 ｜ 821 ｜－185 ｜｜ 405 ｜ 741 ｜－148 ｜｜ 436 ｜ 688 ｜－115 ｜｜ 546 ｜ 549 ｜－071 ｜｜ 577 ｜ 519 ｜－057 ｜2、数据处理以频率＄ν$ 为横坐标，截止电压＄U_{c}＄为纵坐标，绘制＄U_{c} ν$ 图像。
光电效应和普朗克常量的测定实验原理
光电效应和普朗克常量的测定实验原理
光电效应是指当光照射在某些金属表面时，电子从该金属表面被排放出来的一种现象。
而普朗克常量是描述光的性质的一个重要物理常量，它表示光子能量和频率之间的关系。
在实验中，测定普朗克常量的一种方法就是通过测定光电效应中的电子最大能量来计算。
第一步，实验需要准备一些材料，包括一个光电效应器件、一块金属片、一台数字万用表等。
第二步，首先需要将金属片固定在光电效应器件的入射口上。
然后通过调整入射光源的波长和强度来产生光电效应，并用数字万用表来测量金属片上的电子流。
第三步，当入射光强度足够大时，电子流呈现出一个稳定的最大值。
此时，应该记录下该最大值的电流大小，并计算金属片上每个电子的最大能量。
第四步，为了计算普朗克常量，需要绘制出电子最大能量与入射光波长之间的关系图。
应该选择尽可能多的光源，以便获得更准确的数据。
根据图像的斜率，可以计算出普朗克常量的值。
最后，需要对实验所获得的数据进行统计和分析。
可以通过对实验数据的多次测量来提高精度。
同时，也可以与实验室中其他人员或研究者分享实验结果，以期获得更多的建议和意见。
总之，通过以上步骤，我们可以测定光电效应中的电子最大能量，并计算普朗克常量的值。
这种实验不仅可以用于物理学的学术研究，还可以应用于现代光电子学和半导体领域中的实际应用研究。
光电效应实验普朗克常量的测量
实验原理：
当高于某种金属“红限”频率ν0 的光，照在该金属表面后， 即刻就有光电子逸出金属表面。其基本规律如下：
(1)光电流与光强成正比；
(2)光电效应存在一个阀频率，
当入射光的频率低于某一阀
A
K
G
值ν时，不论光的强度如何，
G
都没有光电子产生；
2. 主要包括：光电管及暗箱，汞灯光源，滤色片五 组，小孔光栅，微电流测量放大器。
3. 注意事项：
(1)滤色片避免污染，光源与暗盒距离30-40cm。
(2)微电流放大器必须充分预热(30分钟) ，先校零 点，再校准满度电流(-100uA) 。
(3)更换滤色片时，先遮住汞灯光源。
实验内容：
1. 观测光电管的暗电流； 2. 测量光电管的I--V特性，重点测五种不
同频率的截止电压； 3. 改变光源与暗盒的距离L或光阑孔，测
波长为577nm的I--V特性，重点测不同 光强下的饱和电流。
数据处理：
1. 在坐标纸上绘制不同频率入射光照射下光电
管的伏安特性曲线，用交点法找出不同频率
对应的截止电压Us。
用交点法找截止电压
IKA（10-11A）
25
20
15
10
5
-2.0-5
1. 作出不同频率下截止电压Us和频率ν的关系曲线，
求出普朗克常数h、截止频率ν0、逸出电势Φs 。并
算出所测量值h与公认值之间的相对误差E。
Us（V）
2
截止电压与频率的关系曲线
1.5
1
B(8.00,1.48)
0.5
0
0 1 2 3 4 5 A(5.600,0.371) 8
光电效应法测量普郎克常数实验报告
光电效应法测量普郎克常数实验报告实验报告：光电效应法测量普朗克常数一、实验目的1.学习光电效应现象及其基本原理。
2.了解并掌握光电电流与入射光强、入射光频率、阳极电压等因素之间的关系。
3.通过测量光电流与入射光频率的变化关系，确定普朗克常数的数值。
二、实验仪器与材料1.光电效应测量装置：包括光电池、透镜、滤光片、锁相放大器等。
2.微电流放大器3.光源4.不同频率的滤光片5.示波器6.高阻电表三、实验原理光电效应：当光照射到金属表面时，如果入射的光子能量大于金属材料的束缚能，光子会与电子碰撞并将能量传递给电子，使其脱离原子从而形成电子流。
这种现象被称为光电效应。
普朗克常数：光电效应的理论基础是普朗克的量子理论。
普朗克常数h表示光的能量量子，定义为一个光子的能量E与它的频率f的乘积，即h=E/f。
通过实验测量光电流与入射光频率的关系，可以利用普朗克常数确定光子的能量。
实验步骤：1.接通实验装置，将透镜调节至焦距为f的位置。
2.将滤光片依次插入光源光路中，为了测得不同波长的光电流，需要用具有不同波长的滤光片，将光线调至单光束。
3. 调节锁相放大器使其谐振频率f_0接近光电效应的阴阳极系统阻抗特性的谐振频率f_res。
4. 调节滤光片使入射光频率f与f_res相等。
5.将阳极电压U逐渐增加，记录相应的光电流I。
6.重复上述步骤5次，取平均值。
四、实验数据与处理测量数据如下表：U(V)，I(A)------，------1.0，1.32.0，2.53.0，3.84.0，5.15.0，6.5根据测量数据可以得到以下图像：[讲解数据与图像]根据实验原理，根据入射光频率f与与光电流I的关系，可以得到h的数值。
五、误差分析1.光电池的指示误差：由于光电池原件的生产和使用过程中都会存在误差，所以测量结果会受到其指示误差的影响。
2.透镜和滤光片的误差：透镜和滤光片的使用寿命有限，会因为使用时间的长短产生一定的光失真，从而带来误差。
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实验--光电效应和普朗克常数的测量1887年德国物理学家H.R.赫兹发现电火花间隙受到紫外线照射时会产生更强的电火花。
赫兹的论文《紫外光对放电的影响》发表在1887 年《物理学年鉴》上。
论文详细描述了他的发现。
赫兹的论文发表后，立即引起了广泛的反响，许多物理学家纷纷对此现象进行了研究，用紫外光或波长更短的X 光照射一些金属，都观察到金属表面有电子逸出的现象，称之为光电效应。
对光电效应现象的研究，使人们进一步认识到光的波粒二象性的本质，促进了光量子理论的建立和近代物理学的发展，现在光电效应以及根据光电效应制成的各种光电器件已被广泛地应用于工农业生产、科研和国防等各领域。
【实验目的】① 通过实验加深对光的量子性的认识；② 验证爱因斯坦方程，并测量普朗克常数以及阴极材料的“红限”频率。
【实验原理】一、光电效应及其实验规律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。
研究光电效应的实验装置如图4.3.1所示，入射光照射到阴极K 时，由光电效应产生的光电子以某一初动能飞出，光电子受电场力的作用向阳极A 迁移而构成光电流。
一定频率的光照射阴极K 所得到的光电流I 和两极间的电压U 的实验曲线如图4.3.2所示。
随着光电管两端电压的增大,光电流趋于一个饱和值m I ，当U ≤S U 时，光电流为零，S U 称为反向遏止电压。
总结所有的实验结果，光电效应的实验规律可归纳为：（1） 对于一种阴极材料，当照射光的频率确定时，饱和光电流m I 的大小与入射光的强度成正比。
kAGV入射光光电管 图4.3.1光电效应实验装置示意图 0US U图4.3.2 U ——I 特性曲线（2） 反向遏止电压S U 的物理含义是：当在光电管两端所加的反向电压为S U 时，则逸出金属电极K 后具有最大动能的电子也不能到达阳极A ，此时2max21mV eU S = （4.3.1） 实验得出光电子的初动能与入射光的强度无关，而只与入射光的频率有关。
（3） 光电效应存在一个阈频率0ν，当入射光的频率0νν<时，不论光的强度如何都没有光电子产生。
（4） 光电效应是瞬时效应，只要照射光的频率大于0ν，一经光线照射，立刻产生光电子，响应时间为s 910-。
对于这些实验事实，经典的波动理论无法给出圆满的解释。
按照电磁波理论，电子从波阵面连续地获得能量。
获得能量的大小应当与照射光的强度有关，与照射的时间长短有关，而与照射光的频率无关。
因此对于任何频率的光，只要有足够的光强度或足够的照射时间，总会发生光电效应。
这些结论是与实验结果直接矛盾的。
二、爱因斯坦方程和密立根实验1905年爱因斯坦受普朗克量子假设的启发，提出了光量子假说，即：一束光是一粒一粒以光速C 运动的粒子流，这些粒子称为光子，光子的能量为νh E =（h 为普朗克常数，ν为光的频率）。
当光子照射金属时，金属中的电子全部吸收光子的能量νh ，电子把光子能量的一部分变成它逸出金属表面所需的功W ，另一部分转化为光电子的动能，即：W mV h +=2max 21ν （4.3.2） 式中: h —普朗克常数，公认值为6.62916S J ⋅⨯-3410这就是著名的爱因斯坦光电效应方程。
根据这一理论，光电子的能量只决定于照射光的频率，并与之成线性关系。
由（4.3.2）式可见,只有当νh W ≥时,才会有光电子发射,我们把h W 记作0ν,即 hW=0ν （4.3.3） 这就是说0ν是能发生光电效应的入射光的最小频率，显然它的值随金属种类不同而不同,又称“红限”频率。
爱因斯坦光量子理论圆满地解释了光电效应的各条实验规律。
爱因斯坦的光子理论由于与经典电磁理论抵触，一开始受到怀疑和冷遇。
一方面是因为人们受传统观念的束缚，另一方面是因为当时光电效应的实验精度不高，无法验证光电效应方程。
密立根从1904年开始光电效应实验，1912-1915年间，密立根对一些金属进行测量，得出了光电子的最大动能2max21mV和入射光频0图4.3.3率ν之间的严格线性关系（图4.3.3），直线在横轴上的交点0ν，说明照射光的频率小于0ν时不会有光电子发射。
不同的金属其0ν值不同，但所有的金属直线的斜率却是不变的。
密立根于1916年发表论文证实了爱因斯坦方程的正确性，并直接运用光电方法对普朗克常数h 作了首次测量。
历经十年，密立根用实验证实了爱因斯坦的光量子理论。
两位物理大师因在光电效应等方面的杰出贡献，分别于1921和1923年获得诺贝尔物理学奖。
光量子理论创立后，在固体比热，辐射理论，原子光谱等方面都获得成功，人们逐步认识到光具有波动和粒子二象属性。
光子的能量νh E =与频率有关，当光传播时，显示出光的波动性，产生干涉，衍射，偏振等现象；当光和物体发生作用时，它的粒子性又突出了出来。
后来科学家发现波粒二象性是一切微观物体的固有属性，并发展了量子力学来描述和解释微观物体的运动规律，使人们对客观世界的认识前进了一大步。
三、普朗克常数的测量原理根据爱因斯坦光电效应方程（4.3.2）式、截止电压S U 与光电子的最大初动能的关系（4.3.2）式以及“红限”频率0ν与逸出金属表面所需的功W 之间的关系（4.3.3）式，可得到：（4.3.4）此式表明截止电压S U 是频率ν的线性函数，相应的曲线如图4.3.4所示，可知ν-S U 直线的斜率为：ehk =（4.3.5） ν-S U 直线的延长线对纵轴的截距为eWU =0 （4.3.6） ν-S U 直线与横轴的交点为阴极材料的“红限”频率0ν。
综上所述，通过用不同频率的光照射阴极，测得相应的截止电压，得出ν-S U 关系，即可求得h 、0ν、W 。
四、影响准确测量截止电压的因素测量普朗克常数h 的关键是正确的测出截止电压S U ，但实际上由于光电管制作工艺等原因，给准确测定截止电压带来了一定的困难。
实际测量的光电管伏安特性曲线与理论曲线有明显的偏差，引起这种偏差的主要原因有：图4.3.4照射光频率与截止电压的关系（1）在无光照时，也会产生电流，称之为暗电流。
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。
（2）受环境杂散光影响形成的本底电流。
（3）由于制作光电管时阳极上往往溅有阴极材料，所以当光照射到阳极上和杂散光漫射到阳极上时，阳极上往往有光电子发射。
形成阳极反向电流。
其中以漏电流和阳极反向电流影响最大。
由于上述原因，实际测量的光电管伏安特性曲线如图4.3.5所示。
实验曲线在负电压区U'。
下沉，截止电压并不对应光电流为零，而对应反向电流开始趋于常量的点（拐点）S Array【实验仪器】ZKY-GD-3型光电效应实验仪结构如图4.3.6所示。
仪器由汞灯及电源，滤色片，光阑，光电管、测试仪组成，测试仪的调节面板如图4.3.7所示。
图4.3.6 ZKY-GD-3光电效应实验仪结构示意图（1） 高压汞灯：在其发光的光谱范围内较强的谱线有365.0nm 、404.7nm 、435.8nm 、546.1nm 、577.0nm 。
（2） 滤光片：仪器配有五种带通型滤光片, 其透射波长为365.0 nm 、404.7 nm 、435.8 nm 、546.1 nm 、577.0nm 。
使用时，将滤光片安装在接收暗盒的进光窗口上，以获得所需要的单色光。
（3） 光阑：仪器配有孔径分别为2mm 、4mm 、8mm 的光阑供实验选择。
（4） 光电管：阳极为镍圈，阴极为银-氧-钾（Ag-O-K ），光谱响应范围 320 ~ 700nm ，暗电流：I ≤2×10-12A （-2 V ≤U AK ≤0 V ）。
（5） 测试仪：它包括光电管工作电源和微电流放大器两部分。
光电管工作电源：2档，－2～0V ，－2～＋30V ，三位半数显，稳定度≤0.1%微电流放大器：6档，10-8—10-13A ，分辨率10-13A ，三位半数显，稳定度≤0.2%【实验内容】测试前准备（1）把汞灯及光电管暗盒遮光盖盖上，将汞灯暗盒光输出口对准光电管暗盒光输入口，调整光电管与汞灯距离为约40cm 并保持不变。
将测试仪及汞灯电源接通，预热20分钟。
（汞灯一旦开启，不要随意关闭！）（2）测试仪调零：将“电流量程”选择开关置于10-12A 档位，仪器在充分预热后，进行测试前调零。
调零时，将“调零/测量”切换开关切换到“调零”档位，旋转“电流调零”旋钮使电流指示为“000”。
调节好后，将“调零/测量”切换开关切换到“测试”档位，就可以进行实验了。
注意：在进行每一组实验前， 必须按照上面的调零方法进行调零，否则会影响实验精度。
1.测量普朗克常数h 、“红限”频率0ν（1）用零电流法测定h 和0ν由于光电管的阳极反向电流、暗电流、本底电流及极间接触电位差等因素的影响，实测图4.3.7 仪器前面板示意图电流为零时对应的光电管的电压并非截止电压S U ，而对应于U —I 实验曲线反向电流开始趋于常量的点（拐点）S U '，因此，通过实验测量光电管的伏安特性，根据U —I 实验曲线分析其“拐点”S U '，由此得出截止电压S U 。
此方法称为“拐点法”。
本实验采用ZKY-GD-3型光电效应实验仪，该实验仪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，由阴极反射照到阳极的光也很少，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、光电管暗电流大大降低，由此测定的光电管的伏安特性曲线S U 与SU '基本重合。
因而可以把实测电流为零时对应的光电管电压值作为截止电压S U ，此种方法称为零电流法。
将电压选择按键置于-2V ～0V 档，电流量程选择在10-13A 挡，重新调节测试仪零点。
将直径为4mm 的光阑及365.0nm 的滤色片装在光电管暗盒光输入口上。
调节电压U AK ，使光电流指示为零，此时测试仪所显示的电压值即为与入射光频率对应的截止电压S U 。
更换其余四个滤光片（注意：更换滤光片时先将汞灯用遮光盖盖上！），测出各频率的光所对应的截止电压。
重复上述测量步骤，测量4组数据。
数据记录参考表格一（2）用补偿法测定h 和0ν（选做内容）补偿法可补偿暗电流和本底电流对测量结果的影响，其方法如下：使某频率光入射光电管，调节电压U AK 使电流为零，保持U AK 不变，将遮光盖盖住汞灯光源，此时测得的电流值I 1为该频率光入射时光电管的暗电流和本底电流。
重新让汞灯照射光电管，调节电压U AK 使电流值至I 1，此时对应的电压U AK 的绝对值即可作为该频率光入射时的截止电压S U 。