光电效应测普朗克常数实验报告要点.docx

光电效应测普朗克常数试验报告要点集团文件公布号：9816-UATWW-MWUB-WUNN-INNUL-DQQTY-综合、设计性试验报告年级* 学号 * 姓名*时间 * 成绩 一、 试验题目光电效应测普朗克常数二、 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。 三、仪器用具ZKYGD3 光电效应测试仪、汞灯及电源、滤色片五个、光阑两个、光电管、测试仪四、 试验原理1、光电效应与爱因斯坦方程斯坦提出了“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，爱因式中，为普朗克常数，它的公认值是=。1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。爱因斯坦提出了着名的光电方程：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，为被光线照耀的金属材料的逸出功， 2为从金属逸出的光电子的最大初1 mv2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U 0被称为光电效应的截止电压。明显，有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。产生光电效应的最低g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4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，当入射光的频率0k = hg = g0时，截止电压U= 0 ，没有光电子逸出。图中的直线的斜率e 是一个正的常数：5率，就可以通过式5求出普朗克常数h 。其中是电子的电量。由此可见，只要用试验方法作出不同频率下的U 0 - g 曲线，并求出此曲线的斜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 之间加正向电压着电压UAK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，AKU，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。伏安特性曲线五、 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 hA 档。将测试仪电流输入电缆断开，调零后重接上。（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（2） 将直径为 4mm 的光阑和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，并数据记录。0（4） 依次换上、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。3、测量光电管的伏安特性曲线(1) 暗盒光窗口装滤光片和 4mm 光阑，缓慢调整电压旋钮，令电压输出值缓慢由0V 伏增加到 30V，每隔 1V 记一个电流值。但留意在电流值为零处登记截止电压值.(2) 在暗盒光窗口上换上滤光片，仍用 4mm 的光阑，重复步骤1。(3) 选择适宜的坐标，分别作出两种光阑下的光电管伏安特性曲线 UI 。六、 试验记录与处理1、零电流法测普朗克常量 h (光阑=2mm)波长nm365405436546577频率(×1014Hz)截止电压第一次U0V其次次第三次1,165第一次测量结果及处理： 其次次测量结果及处理： 第三次测量结果及处理：2、补偿法测普朗克常量 h波长nm365405436546577频率(×1014Hz)截止电压U 0V3、测量光电管的伏安特性曲线波长=436nm 光阑=2mmUVI×UVI×UVI×1011A1011A1011A-2920-11021011221122321324314254152651627617287182981930七、 误差计算由上面图表，零电流法三次测量的结果误差依次为：E =%E =%E =%123补偿法测量的结果误差为：E=%八、 试验分析争论本试验中应用不同的方法都测出了普朗克常数，但都有确定的试验误差，据分 析误差产生缘由是：1、暗电流的影响，暗电流是光电管没有受到光照耀时，也会产生电流，它是由 于热电子放射、和光电管管壳漏电等缘由造成；2、本底电流的影响，本底电流是由于室内的各种漫反射光线射入光电管所致， 它们均使光电流不行能降为零 且随电压的变化而变化。3、光电管制作时产生的影响：1、由于制作光电管时，阳极上也往往溅射有阴极材料，所以当入射光射到阳极上或由阴极漫反射到阳极上时，阳极也有光电 子放射，当阳极加负电位、阴极加正电位时，对阴极放射的光电子起了减速的作 用，而对阳极的电子却起了加速的作用，所以 IU 关系曲线就和 IKA、UKA 曲线图所示。为了准确地确定截止电压 US，就必需去掉暗电流和反向电流的影响。以使由 I0 时位置来确定截止电压 US 的大小；制作上的其他误差。4、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 s v 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。5、参考值本身就具有确定的准确度，本身就有确定的误差。6、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=的光子照耀逸出功为 A=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。九、 附录1. 光电效应历史光电效应由德国物理学家赫兹于 1887 年觉察，对进展量子理论起了根本性作用。1887 年，首先是赫兹在证明波动理论试验中首次觉察的。当时，赫兹觉察，两个锌质小球之一用紫外线照耀，则在两个小球之间就格外简洁跳过电花。大约 1900 年， 马克思布兰科Max Planck对光电效应作出最初解释，并引出了光具有的能量包裹式能量quantised这一理论。 他给这一理论归咎成一个等式，也就是 E=hf ， E 就是光所具有的“包裹式”能量， h 是一个常数，统称布兰科常数Planck”s constant， 而 f 就是光源的频率。 也就是说，光能的强弱是有其频率而打算的。但就是布兰科自己对于光线是包裹式的说法也不太确定。1902 年，勒纳Lenard)也对其进展了争论，指出光电效应是金属中的电子吸取了入射光的能量而从外表逸出的现象。但无法依据当时的理论加以解释 ；1905 年，爱因斯坦 26 岁时提出光子假设，成功解释了光电效应，因此获得1921 年诺贝尔物理奖。他进一步推广了布兰科的理论，并导出公式， Ek=hf-W，W 便是所需将电子从金属外表上自由化的能量。而 Ek 呢就是电子自由后具有的势能。2. 测量普朗克常量 h 的其他方法1、2 光电效应法补偿法、零电流法、拐点法2、X 射线光电效应法3、X 射线原子游离法4、黑体辐射计算法5、电子衍射法6、康普顿波长移位法7、X 射线连续谱短波限法8、电子- 正电子对湮没辐射法9、1962 年由约瑟夫森提出的测定 2 e/ h 的沟通约瑟夫森效应法10、由冯·克利青于 1980 年觉察的量子霍尔效应 , 测定 h/ e2 的量子霍尔效应法11、由英国国家物理试验室的基布尔等人于 1990 年承受的直接测定 h的通电动圈法12、用磁化率测量普朗克常量基于测量弱磁物质磁化率的根本原理 ,使用大学物理试验用的 ( Gouy) 磁天平 3光电管为什么要装在暗盒中的缘由光电管装在暗盒中一方面是防止光照耀阴极，使得光电管的使用寿命降低；另一方面是，再用某一频率的光照耀时，排出了其他频率光的干扰，提高测量精度。 也由此，在非测量时，用遮光罩罩住窗口。4入射光的强度对光电流的大小有影响当某一光的频率确定后，假设可以使得阴极板发生光电效应，当光强度增加 时，也即单位时间的光量子个数增加，于是就有单位时间被激发出的电子个数会增 加，于是光电流就会增大。当某一光的频率缺乏以使得阴极板发生光电效应时，光 强的增减对光电流无影响，由于至始至终都不会有光电流。