光电效应测普朗克常数实验报告..docx

光电效应测普朗克常数试验报告【试验目的】1、通过试验深刻理解爱因斯坦的光电效应理论，了解光电效应的根本规律；2、把握用光电管进展光电效应争论的方法；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。【仪器用具】高压汞灯及电源、滤色片五个、光阑两个、光电管、微电流放大器、光电管【试验原理】1、光电效应与爱因斯坦方程用适宜频率的光照耀在某些金属外表上时，会有电子从金属外表逸出，这种现象叫做光电效应，从金属外表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。依据爱因斯坦的理论，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，一局部用来抑制金属外表对它的约束， 其余的能量则成为该光电子逸出金属外表后的动能。爱因斯坦提出了著名的光电方程： 1式中， 为入射光的频率， m 为电子的质量， v 为光电子逸出金属外表的初速度，1为被光线照耀的金属材料的逸出功，2mv2为从金属逸出的光电子的最大初动能。由1式可见，入射到金属外表的光频率越高，逸出的电子动能必定也越大， 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，全部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光电效应的截止电压。明显，有U 0被称为2代入1式，即有3 由上式可知，假设光电子能量hg < W ，则不能产生光电子。产生光电效应的最g低频率是 0W=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g 0 也不同。由于光的强弱打算于光量子的数量，所以光电流与入射光的强度成正比。又由于一个电子只能吸取一个光子的能量，所以光电子获得的能量与光强无关，只与光子g 的频率成正比，将3式改写为0 4 上式说明，截止电压U是入射光频率g 的线性函数，如图 2，当入射光的频k = h率g = g 0时，截止电压U= 0 ，没有光电子逸出。图中的直线的斜率e 是一0个正的常数：05 由此可见，只要用试验方法作出不同频率下的U- g 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 。其中量。是电子的电U -v 直线02、光电效应的伏安特性曲线以以下图是利用光电管进展光电效应试验的原理图。频率为 、强度为的光线照耀到光电管阴极上，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U AK，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U AK的增加，到达阳极的光电子将渐渐增多。当正向电压 增加到U m时，光电流到达最大，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。光电效应原理图由于光电子从阴极外表逸出时具有确定的初速度，所以当两极间电位差为零时，仍有光电流I 存在，假设在两极间施加一反向电压，光电流随之削减；当反向电压到达截止电压时，光电流为零。爱因斯坦方程是在同种金属做阴极和阳极，且阳极很小的抱负状态下导出的。实际上做阴极的金属逸出功比作阳极的金属逸出功小，所以试验中存在着如下问题：（1） 暗电流和本底电流存在，可利用此，测出截止电压补偿法。（2） 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，阳极上也有光电子放射，就形成阳极电流。由于它们的存在，使得 IU 曲线较理论曲线下移，如以以下图所示。伏安特性曲线【试验步骤】1、调整仪器(1)连接仪器；接好电源，翻开电源开关，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，必需重调零。(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，调整好暗盒与汞灯距离。2、测量普朗克常数 h（1） 将电压选择按键开关置于22V 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） 从高到低调整电压，用“零电流法”测量该波长对应的U 0，并数据记录。（4） 依次换上 404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm 的滤色片，重复步骤1、2、3。（5） 测量三组数据你，然后对h 取平均值。试验数据及处理【试验分析争论】五、误差分析对于普朗克常量确实定，是通过测不同频率下的截止电压的大小来得到的。而其主要误差也就是在这一测量过程中产生的。查阅有关资料知为了能准确测定普朗克常数, 试验中所用的光电管必需具备以下条件:(1) 对可见光区域内全部谱线都较灵敏；(2) 阳极包围阴极, 这样当阴极有负电位时, 大局部光电子都能到达阳极；(3) 阳极没有光电效应, 不会产生反向电流；(4) 光电管的暗电流很小；(5) 减小或避开杂散光的影响。综合其它的影响可知，在试验中的主要误差有：1. 光电管中暗电流的影响；2. 滤色片产生的滤色光并不完全单一；3. 试验汞灯受交变电压影响而不能完全稳定；4. 仪器读数微小跳动的读数误差；5. 暗箱封闭不严而受杂质光的影响。6. 测量过程中产生的反向电流的影响；对于以上各种误差，分析可知，由于试验中产生的暗电流很小低于试验测量的精度故 1 暗电流的影响可无视不计；而对于 2、5 的影响可通过仪器选购途径实现；而对于 3 个人认为可以通过在装置前加稳压器来实现微小电压扰动对试验的影响；对 4 完全可通过操作者本人的良好的试验习惯来实现。最终，对于 6 中反向电压的影响，查阅有关资料知：光电管在制造的过程中，很难保证阳极不被阴极材料所污染(即阴极外表的低逸出功材料溅射到阳极上。而且查知这种污染会在光电管的反复使用过程中日趋加重，造成被污染后的阳极逸出功降低。当从阴极反射过来的散射光照到它时便会放射出光电子而形成阳极光电流反向电流。使得试验结果产生确定的偏差。而对此我们可通过切断阴极反射过来的散射光与阳极间的联系从而避开反向电流的影响。7. 试验者自身的影响：（1） 从不同频率的伏安特性曲线读到的“抬头电压”截止电压，不同人读得的不一样，经过处理后的到 U sv 曲线也不一样，测出的数值就不一样；（2） 调零时，可能会消灭误差，及在测量时生怕也会使原来调零的系统不再准确。8.9. 参考值本身就具有确定的准确度，本身就有确定的误差。10.11. 理论本身就有确定的误差，例如，1963 年 Ready 等人用激光作光电放射试验时，觉察了与爱因斯坦方程偏离的奇异光电放射。1968 年 Teich 和Wolga 用GaAs 激光器放射的h =1.48eV 的光子照耀逸出功为A=2.3eV 的钠金属时，觉察光电流与光强的平方成正比。按爱因斯坦方程，光子的频率处于钠的阀频率以下，不会有光电子放射，然而现象却发生了， 不但有光电子放射，而且光电流不是与光强成正比，而是与光强的平方成正比。于是，人们设想光子间进展了“合作”，两个光子同时被电子吸取得以跃过外表能垒，称为双光子光电放射。后来，进一步的试验说明，可以三个、多个、甚至40 个光子同时被电子吸取而放射光电子，称为多光子光电放射。人们推断，n 光子的光电放射过程的光电流似乎应与光强的 n 次方成正比。【试验改进方案】a. 针对本底电流产生的缘由，可设计一个遮光罩，罩住从汞灯到光电管这段测量线路，来削减四周杂散光对试验的影响。b.c. 试验中电流数据会有微小跳动，可能是由于逸出的光电子朝各个方向运动的都有，而光电倍增管没有准时捕获到全部的光电子，从而产生跳动， 可对光电倍增管进展改进。再者，光子原来就是一份一份的，打在阴极板上，不行能每时每刻的光量子都一样，并且经过空气，加上电流传输的过程中对电源电压的影响以及电子的飘逸，导致了电流数值的跳动。d.e. 在试验过程中，更换滤色片本身就比较麻烦，而且要记得盖住汞灯出光孔，这就是给试验带来很多不确定的影响因素。更换过程中散光对试验可能会有更大的影响，可设计一个盘形的装置，滤色片可安在上面，通过旋转就可更换滤色片，这样可削减人为的误差。f.g. 在测截止电压是，会觉察电流为零时电压的数值不是某个具体数值而是一个电压范围，这是我们去截止电压应当取平均值，这样处理的过程会更准确。【留意事项】1.2. 微电流测量仪和汞灯的预热时间必需长于 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。微电流测量仪每转变一次量程，必需重调零。3.4. 试验中，汞灯假设关闭，必需经过分钟后才可重启动。5. 微电流测量仪与暗盒之间的距离在整个试验过程中应当全都。6. 留意保护滤光片，勿用手触摸其外表，防止污染。7. 每次更换滤光片时，必需遮挡住汞灯光源，避开强光直接照耀阴极而缩短光电管寿命，试验完毕后用遮光罩盖住光电管暗盒进光窗。六、试验总结、感想本次试验，操作起来并不简洁，但是要想真正的弄懂其原理的本质还是有确定的难度的。通过试验中的各组现象，在某些方面有效地验证了爱因斯坦的光电效应方程的准确性。另外，在本次试验中，对于操作的严密性要求比较高，有助于培育了我们得严谨务实的态度，而这正是我们日后在争论中必备的一项素养。而这种在试验后对试验的来龙去脉进展争论性的分析，在使我们具备操作动手力气的同时也培育了我们的自主动脑力气，对于我们更好地试验有很好的帮助，使得在以后的试验中能够乐观地去思考问题，而不仅仅是把这个试验做完了就完毕了，还得更深入的去了解。