實驗4.5 光電效應及普朗克常數(shù)的測定

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1、光電效應及普朗克常數(shù)的測定【實驗簡介】光電效應在證實光的量子性方面有著重要地位。1905年愛因斯坦在光量子假說的基礎上圓滿地解釋了光電效應。十年后密立根以精確的光電效應實驗證實了愛因斯坦的光電效應方程，并測定了普朗克常數(shù)。今天光電效應已廣泛地應用于各科技領(lǐng)域。利用光電效應制成的各種光電器件已成為生產(chǎn)和科研中不可缺少的器件。【實驗目的】1.通過光電效應基本特性曲線的測量，加深對光的量子性的理解。2.驗證愛因斯坦光電效應方程，并測定普朗克常數(shù)?！绢A習思考題】1.什么是光電效應?它具有什么實驗規(guī)律?2.什么是截止電壓?如何

2、用實驗來測定?3.如何利用光電效應測定普朗克常數(shù)？【實驗儀器】汞燈、光電管暗盒（包括光電管、濾色片及小孔光欄）、THQPC-1微電流測試儀【實驗原理】1．光電效應及其實驗規(guī)律當光照射到金屬表面時，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象稱為光電效應。研究光電效應的實驗原理圖如圖4.5.1。當單色光入射到光電管陰極K時，陰極上會有(光)電子逸出。部分光電子會到達陽極A，形成光電流。通過改變外電場的大小和方向，以及選擇不同頻率的單色光入射，得到光電效應的實驗規(guī)律：圖4.5.1圖4.5.21.1飽和光電流與入射光強成正比。如圖4.5.2；1

3、.2光電效應存在一個截止頻率，當入射光的頻率時，不論光的強度如何都沒有光電子產(chǎn)生；1.3光電子的初動能與入射光的頻率成正比，與入射光強無關(guān)，；1.4光電效應是瞬時發(fā)生的，，與入射光強無關(guān)。對于這些實驗事實，經(jīng)典的波動理論無法給出圓滿的解釋。2．愛因斯坦光量子理論愛因斯坦受普朗克量子假設的啟發(fā)，提出了光量子理論并成功地解釋了光電效應：頻率為的光由能量為的粒子組成，這些粒子稱為光子。光入射到金屬表面時，一個光子的能量通過碰撞立即被一個電子吸收，只要電子獲得的能量足以克服金屬對它的束縛能（即逸出功），即可瞬間產(chǎn)生光電效應。

4、根據(jù)能量轉(zhuǎn)化與守恒定律，逸出電子的初動能與入射光頻率和金屬逸出功的關(guān)系為（4.5.1）即愛因斯坦光電效應方程。其中為普朗克常數(shù)，公認值為，為入射光頻率，為電子質(zhì)量，為電子逸出金屬表面時的最大初速度，為金屬材料的逸出功。3．普朗克常數(shù)的測定使光電流為零而在光電管兩端所加的反向電壓被稱為截止電壓，如圖4.5.2。由愛因斯坦光電效應方程（4.5.1）和截止電壓與電子最大初動能的關(guān)系可得到截止電壓與入射光頻率的關(guān)系（4.5.2）顯然，選擇不同頻率的光入射，測量相應的截止電壓，得到兩者的線性關(guān)系，由斜率和截距可得到普朗克常數(shù)和

5、金屬材料的逸出功。4．截止電壓的確定由于熱電子發(fā)射、光電管極間漏電、本底電流及陽極產(chǎn)生的反向光電流等因素的影響，使實際測得的光電流曲線下移，故截止電壓并非是電流為零時的電壓，而是實測曲線兩線性段之間的彎曲聯(lián)接處，即截止電壓對應的是曲線上反向電流部分斜率變化很大時的電壓，如圖4.5.3。圖4.5.3【實驗內(nèi)容與步驟】1．開機準備1.1連接好光電管暗盒與微電流測定儀之間的接線。開啟汞燈、微電流測定儀使它們預熱。1.2調(diào)整微電流測定儀。先調(diào)整零點：調(diào)節(jié)量程旋鈕指向調(diào)零位置，調(diào)節(jié)調(diào)零旋鈕，使微電流指示為零。后校正滿度：調(diào)節(jié)量

6、程旋鈕指向滿度位置，調(diào)節(jié)滿度旋鈕，使微電流指示為。2．測量光電管在不同波長光照射下的特性2.1調(diào)節(jié)光電管暗盒與光源距離約，轉(zhuǎn)動濾色片圓盤使光通過短波濾色片，其波長由盤上讀出。2.2放大器倍率置于，先粗側(cè)一下在該光光照下光電管的特性，確定出合理的實驗點、電壓的測量范圍。（選取實驗點時應注意：在光電流發(fā)生突變的地方應多測幾個數(shù)據(jù)點）；測出該波長光照下光電管的特性曲線。2.3換用不同的濾色片，選擇其它波長的光照射，重復步驟2.2，測出其它波長光照射下光電管的特性曲線。2.4在坐標紙上繪制不同波長的光照射下光電管的特性曲線。

7、3．作出關(guān)系曲線，求出普朗克常數(shù)并與公認值比較，計算其誤差。4．測量不同光強下特性4.1分別選取直徑為5mm、10mm、20mm的不同光闌孔，測波長為光照下的特性（重點測不同光強下的飽和電流）。4.2作出不同光強下的特性曲線。【注意事項】1．微電流測定儀和汞燈預熱時間必須長于。實驗中不能關(guān)閉汞燈。如果關(guān)閉，必須經(jīng)后才可重新啟動，且須重新預熱。2．光電管應避免光線長時間照射，使用完畢，必須遮蓋住暗盒窗口?！舅伎碱}】1．為什么反向電壓加到一定數(shù)值后，光電流會出現(xiàn)負值？2．入射光的強度對光電流的大小有無影響？3．試用光量子

8、理論解釋光電效應的實驗規(guī)律。