光电效应实验报告

1，实验目的: 1(了解光电效应的基本规律，并用光电效应方法测量普朗克常量和测定光电管的光电特性曲线。 2(通过对五种不同频率的反向截止电压的测定，由 直线图形，求出―红限‖频率。 实验原理图1 光电管的起始I—V特性2 2，实验要求: (学习测定普朗克常量的一种实验方法; 1 2(学习用滤色片获得单色光的方法; 3(学习用实验研究验证理论的方法，加深光电效 应对光量子理论的理解 3，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 的光波，每个光子的能量为 式中， 为普朗克常数，它的公认值是 =6.626 。 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: (1) 式中， 为入射光的频率， 为电子的质量， 为光电子逸出金属表面的初速度， 为从金属逸出的光电子的最大初动 为被光线照射的金属材料的逸出功， 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 应的截止电压。 显然，有 被称为光电效 (2) 代入(1)式，即有 由上式可知，若光电子能量 (3) ，则不能产生光电子。产生光电效应的最低频率 是 ，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 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 )式改写为 的频率成正比，，将(3 (4) 上式表明，截止电压 时，截止电压 是入射光频率 的线性数，如图2，当入射光的频率 ，没有光电子逸出。图中的直线的斜率 是一个正的常数: (5) 由此可见，只要用实验方法作出不同频率下的 )求出普朗克常数 就可以通过式(5 。其中 曲线，并求出此曲线的斜率， 是电子的电量。 图2 U—V直线 2. 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 、强度为 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 ， 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 的增加，到达阳极的光电子将逐渐增多。当正向电压 增加到 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。 观点效应原理图 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。 入射频率不同的I—U曲线 入射强度不同的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: (1) 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 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 U曲线较理论曲线下移，如图6所示。 们的存在，使得I, 伏安特性曲线 三、实验过程(实验步骤、注意事项和数据) 一，实验步骤 1(测试前准备 (1)首先了解 GY,?A 型光电效应测试仪中的和注意事项。 (2)放置好仪器，用光窗盖分别盖住光电暗盒的光窗口和光源光窗口。接通光源的电源开关，并预热 20—30 分钟。 (3)将微电流测试仪与光电管暗盒之间的导线连接好，调节光源光窗口与光电管暗盒光窗口等高，间距为 30cm 为宜。 2(测试 (1)旋转滤色片转盘，选择透射波长为 365 的滤色片。用―电压调节‖旋钮将电压为,2V 缓慢升高到，20V，记录相应的电流值。测量点至少应该有 20 个，尤其在,2V 至 0V 间电流开始变化区间细测一下，多记几个点，并仔细找到电流为 0 时所对应的电压值，将记录数据记入表二。 、436、546 和 577 型滤色片，重复步骤(1)，测出其伏 (2)依次选择 405 安特性。 (3)改变光阑，重复上述步骤。 3(测量普朗克常量 (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 录于表2中。 ，并将数据记 (4) 依次换上405nm、436nm、546nm、577nm的滤色片，重复步骤(1)、(2)、 (3)。 二，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。实验中，汞灯不可关闭。如果关闭， 必须经过,分钟后才可重新启动，且须重新预热。 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，防止污染。 4. 更换滤光片时，注意遮挡住汞灯光源。 5. 微电流测量仪每改变一次量程，必须重新调零。 三，数据分析 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，准确找出 不同频率对应的截止电压; 2(作出不同频率下截止电压 US 和频率v 的关系曲线，求出普朗克常量h， 截止频率和逸出电势 。 14 1(波长为365nm(频率为时:其中所找点为的横坐标为— 1.425 I / uA2-0.995 -0.935 3. -0.886 4.I/ uA 5. 1.8 I/uA1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 -0.2 -50510152025 U/ V 三、结论 I，实验结果 实验测得的普朗克常量为 由于存在误差等原因，普朗克常量的值基本上与实验原理要求的是符合的，即有效的验证了爱因斯坦方程，测定了普朗克常量，光电管的伏安特性曲线也基本符合要求，由此也对量子有了进一步的了解，达到了该实验的实验要求。还有，改变入射光频率v时，截止电压U0随之改变，U0与v成线性关系。光电效应是瞬时效应，一经光线照射，立刻产生光电子。 II，分析讨论 1(保护好滤色片、光电管、光源、保证光源与光电管暗盒之间相距宜取 30,50cm，以减少试验中的误差，使实验结果趋于精确;严禁光源直接照射光电窗口,每次换滤光片时,必定要把出光口盖上。 2(由于暗电流等的存在截止电压不在光电流 I,0 处而较难准确确定，故在电流开始 变化的―始头点‖附近细心地多测几个点以保证较准确地确定截止电压; 3(光电管入射窗口不要面对其它强光源，以减少杂散光于扰，避免再强磁场等情况进行实验，同样也是为了减小误差。 四、指导教师评语及成绩: 成绩: 指导教师签名: 批阅日期: