光电效应测普朗克常数

光电效应测普朗克常数 实验目的 1( 加深对光电效应和光的量子性的理解。 2( 验证爱因斯坦光电效应方程，测定普朗克常数h。 实验仪器 ZKY-GD-4智能光电效应(普朗克常数)实验仪。 仪器描述 ZKY-GD-4智能光电效应(普朗克常数)实验仪，仪器结构如图21-1所示。仪器由汞灯，电源，光阑，滤色片，光电管，智能实验仪构成，实验仪的调节面板如图21-2所示。 1(光源:采用高压汞灯。放置灯具座内。该光源能发出3650Å，4050Å，4360Å，5460Å，5770Å等谱线可供实验使用。 2(滤色片:是一组外径为Ф8mm的宽带型有色玻璃组合滤色片。它具有滤选3650Å，4050Å，4360Å，5460Å，5770Å等谱线的能力。 3(光电管:为避免杂散光和外界磁场对微弱光电流的干扰，光电管安置在铝质暗盒内，暗盒窗口可安放Ф2mm, Ф4mm和Ф8mm各种带通滤色片。 -8-144(实验仪的调节面板:外形见图21-2。电流测量范围在10~10A，分六档十进制变换。 实验仪 1 2 3 4 5 6 7 图21-1 仪器结构图 1(汞灯电源;2(汞灯;3(滤色片;4(光阑;5(光电管;6(基座;7(实验仪 1 ZKY-GD-4 光电效应(普朗克常数)实验仪 电流量程 电流指示(A)电压指示(V)伏安特 性测试自动扫描10-10-1110调零状态指示起始电压(V)-9-121010-8-131010 调零确认/查询系统清零 12345存 储电压调节 信号输出同步输出调零 电源 图21-2 实验仪器面板示意图 实验原理 在物理学进展中，光电效应现象的发现，对认识光的波粒二象性具有及为重要的意义，为量子理论的研究提供了一种直观，明确的论证。光电效应实验是一种简单有效的测定物理 -34学中一个重要基本常数——普朗克常数的实验方法(其公认值h =6.626176×10J?S)。因此，光电效应实验有益于学习和理解量子理论。 光电效应的实验原理如图21-3所示，当一束频率为的单色光照射在真空管中由金属 , 图21-4 图21-5 图21-6 图21-3 同一频率,不同不同频率时光截止电压U与实验原理图 光强时光电管电管的伏安特入射光频率, 的伏安特性曲性曲线 的关系图 线 材料制成的阴极K上时，金属中的自由电子立即逸出金属表面，如果在阳极和阴极之间加上正向电压时，电子定向由K运动到A，从而在回路中形成了电流I，逸出金属表面的电子0 2 称为光电子，真空管称光电管，这种现象称为光电效应。 光电效应的基本规律可归纳如下: (1)当入射光频率不变时，光电流I与入射光的强度成正比，与光电管两端电位差的0 关系(也称光电管伏安特性曲线)21-4所示。 12(2)光电子的初动能()与入射光的频率成正比，与入射光的强度无关。实,mV2 验中反映初动能大小的是截止电位差U。在图21-3电路中，当阴极K与阳极A之间反向电0 压(即K为正极，A为负极)则KA之间的电场将对阴极逸出的电子起减速作用，随着反， 向电压的增加，光电流逐渐减小，当反向电压达到某一值U时，光电流为零(如图21-5所0 1122示)，此时静电场力对光电子所作之功eU等于光电子的初动能()，即eU=， mVmV0022U称为截止电位差。以不同频率的光照射，U,关系曲线为一直线，如图21-6所示。 ,,00 (3)当入射光频率低于某一频率时,无论入射光强度如何,均没有光电子产生.这一频率称为截止频率。 (4)光电效应是瞬时效应。只要大于截止频率的光照射到阴极上时,无论多么微弱,几乎 -9在照射的同时就有光电子产生,延迟时间不超过10秒. 以上规律,难以用光的波动学说作出圆满的解释. 爱因斯坦基于普朗克的量子论以及上述实验,于1905年提出了光量子理论:视一束频率为的光是一束以光速c运动的光子流,每个光子具有能量h。 ,, 金属中自由电子,从入射光中吸收一个光子的能量h,当克服金属表面约束所需要的逸, 出功W时,电子以一定的初动能逸出金属表面.按照光量子理论和能量守恒定律,逸出电子的初动能为: 12E==h-W (21-1) ,mVK2 这就是著名的爱因斯坦光电效应方程。光电子初动能与入射光频率的关系如图21-6所示，从而圆满解释了光电效应的实验规律。 本实验主要验证爱因斯坦光电效应方程,并由此测出h。考虑到光电子初动能的测量困难,故采用“减速电位法”。实验原理如图21-3所示. 在光电管两端加上反向电压，A、K间电场对光电子起减速作用.因此随反向电压的增大，光电流逐渐减小。当反向电压增到某值(截止电位差)时，光电流降为零.此时静电场对光电子做的功eU等于光电子逸出的初动能: 0 3 12eU=mV=h-W (21-2) ,02 WhU=- (21-3) ,0ee 改变入射光的频率，测出相应的U，得到图21-6直线，其斜率为: ,0 ,Uh0K== (21-4) ,,e h此式表明截止电压U是频率的线性函数，直线斜率K=，只要用实验方法得出不同的,0 e 。 频率对应的截止电压，求出直线斜率，就可算出普朗克常数h 实验内容及步骤 1(测试前准备 (1)开机前，先将光源、光电管暗盒、光电效应实验仪安放在适当位置，暂不连线。调整光电管与汞灯距离为约40cm并保持不变。实验仪面板上各开关，旋钮置于下列位置: (2)将实验仪及汞灯电源接通(汞灯及光电管暗箱遮光盖盖上)，预热20分钟。 (3)用专用连接线将光电管暗箱电压输出端与实验仪电压输入端(后面板上)连接起来(红—红，蓝—蓝)。 (4)将“电流量程”选择开关置于所选档位，进行测试前调零。实验仪在开机或改变电流量程后，都会自动进入调零状态。调零时应将光电管暗箱电流输出端K与实验仪微电流输入端(后面板上)断开，旋转“调零”旋钮使电流指示为000.0。调节好后，用高频匹配电缆将电流输入连接起来，按“调零确认/系统清零”键，系统进入测试状态。 2(测量截止电压 测量截止电压时，“伏安特性测试/截止电压测试”状态键应为截止电压测试状态。“电流 ,13量程”开关应处于光电效应实验仪面板上得10A档。 (1)手动测量:使“手动/自动”模式键处于手动模式。将直径4mm的光阑及365.0nm的滤色片装在光电管暗箱光输入口上，打开汞灯遮光盖。 此时电压表显示U的值，单位为V;电流表显示与U对应的电流值I，单位为所选AKAK 择的“电流量程”。用电压调节键 ， ， ， 可调节U的值， ， 键用于选AK 择调节位， ， 键用于调节值的大小。 从低到高调节电压(绝对值减小)，观察电流值的变化，寻找电流为零时对应的U，AK 以其绝对值作为该波长对应的截止电压U的值，并将数据 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 表21-1中。为尽快找到U00的值，调节时应从高位到低位，先确定高位的值，再顺次往低位调节。 依次换上404.7nm，435.8nm，546.1nm，577.0nm的滤色片，重复以上测量步骤。 (2)自动测量:按“手动/自动”模式键切换到自动模式。此时电流表左边的指示灯闪烁，表示系统处于自动测量扫描范围设置状态，用电压调节键可设置扫描起始和终止电压。对各 4 条谱线，我们建议扫描范围大致设置为:365nm，-1.90 ~ -1.50V;405nm，-1.60 ~ -1.20V;436nm，-1.35 ~ -0.95V;546nm，-0.80 ~ -0.40V;577nm，-0.65 ~ -0.25V。 实验仪设有5个数据存储区，每个存储区可存储500组数据，并有指示灯表示其状态。灯亮表示该存储区已存有数据，灯不亮为空存储区，灯闪烁表示系统预选的或正在存储数据的存储区。 设置好扫描起始和终止电压后，按动相应的存储区按键，仪器将先清除存储区原有数据， s，然后按4mV的步长自动扫描，并显示、存储相应的电压、电流值。 等待约30 扫描完成后，仪器自动进入数据查询状态，此时查询指示灯亮，显示区显示扫描起始电压和相应的电流值。用电压调节键改变电压值，就可查阅到在测试过程中，扫描电压为当前显示值时相应的电流值。读取电流为零时对应的U，以其绝对值作为该波长对应的U的AK0值，并将数据记录表21-1中。 按“查询”键，查询指示灯灭，系统回复到扫描范围设置状态，可进行下一次测量。 在自动测量过程中或测量完成后，按“手动/自动”键，系统回复到手动测量模式，模式转换前工作的存储区内的数据将被清除。 若要动态显示采集曲线，需将实验仪的“信号输出”端口接至示波器的“Y”输入端，“同步输出”端口接至示波器的“外触发”输入端。示波器“触发源”开关拨至“外”，“Y衰减”旋钮拨至约“1V/格”，“扫描时间”旋钮拨至约“20,s/格”。此时示波器将自动用轮流扫描的方式显示5个存储区中存储的曲线，横轴代表电压U，纵轴代表电流I。则可观察到U为负值时各AKAK谱线在选定的扫描范围内的伏安特性曲线。 问题讨论及测量方法: 理论上，测出各频率的光照射下阴极电流为零时对应的U，其绝对值即该频率的截止AK 电压，然而实际上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的影响，实测电流并非阴极电流，实测电流为零时对应的U也并非截止电压。 AK 光电管制作过程中阳极往往被污染，沾上少许阴极材料，入射光照射阳极或入射光从阴极反射到阳极之后都会造成阳极光电子发射，U为负值时，阳极发射的电子向阴极迁移构AK 成了阳极反向电流。 暗电流和本底电流是热激发产生的光电流与杂散光照射光电管产生的光电流，可以在光电管制作，或测量过程中采取适当措施以减小它们的影响。 极间接触电位差与入射光频率无关，只影响U的准确性，不影响U-ν直线斜率，对测00 定h无大影响。由于本实验仪器的电流放大器灵敏度高，稳定性好;光电管阳极反向电流，暗电流水平也较低。在测量各谱线的截止电压U时，可采用零电流法，即直接将各谱线照0 射下测得的电流为零时对应的电压U的绝对值作为截止电压U。此法的前提是阳极反向AK0 电流、暗电流和本底电流都很小，用零电流法测得的截止电压与真实值相差较小。且各谱线 5 的截止电压都相差ΔU对U-ν曲线的斜率无大的影响，因此对h的测量不会产生大的影响。 0 3(测光电管的伏安特性曲线 将“伏安特性测试/截止电压测试”状态键拨至伏安特性测试状态。“电流量程”开关应拨 ,10至10A档，并重新调零。将直径4mm的光阑及所选谱线的滤色片装在光电管暗箱光输入口上。 50V，自动测测伏安特性曲线可选用“手动/自动”两种模式之一，测量的最大范围为-1?量时步长为1V，仪器功能及使用方法如前所述。仪器与示波器连接 (1)可同时观察5条谱线在同一光阑、同一距离下伏安饱和特性曲线。 (2)可同时观察某条谱线在不同距离(即不同光强)、同一光阑下的伏安饱和特性曲线。 (3)可同时观察某条谱线在不同光阑(即不同光通量)、同一距离下的伏安饱和特性曲线。 由此可验证光电管饱和光电流与入射光成正比。 (验证光电流与入射光强关系 4 在U为50V时，将仪器设置为手动模式，测量并记录对同一谱线、同一入射距离，AK 光阑分别为2mm、4mm、8mm时对应的电流值于表21-3中，验证光电管的饱和光电流与入射光强成正比。 也可在U为50V时，将仪器设置为手动模式，测量并记录对同一谱线、同一光阑时，AK 光电管与入射光在不同距离，如300mm、400mm等对应的电流值于表21-4中，同样验证光电管的饱和电流与入射光强成正比。 数据记录与处理 1(普朗克常数的测定 由表21-1的实验数据，得出U-直线的斜率k，即可用h=ek求出普朗克常数，并与h,0 h,h0的公认值h比较求出相对误差，并用误差形式表示实验结果，式E,，100%Oh0 ,34,19C，=J?S。 he,1.602，106.626，100 表21-1 截止电压U和频率关系 光阑孔Φ= mm ,0 波长λ(nm) 365.0 404.7 435.8 546.1 577.0 i 148.214 7.408 6.879 5.490 5.196 频率(×10Hz) ,i 手动 截止电压U(V) 0i自动 K = ，h = ，E = 6 2(伏安特性曲线数据处理 记录所测U及I的数据到表21-2中，在座标纸上作对应于以上波长及光强的伏安特AK 性曲线。 表21-2 I—U关系 AK U(V) AK -10I(×10A) U(V) AK -10I(×10A) 表21-3 I—P关系 M U = 50 V ， , = nm， L= mm AK 光阑孔Φ 2mm 4mm 8mm -10 I(×10A) 表21-4 I—P关系 M U = 50 V ， , = nm ， Φ= mm AK 300mm 350mm 400mm 入射距离L -10I(×10A) 注意事项 1(必须认真阅读仪器使用说明书，弄清仪器上各开关、部件等的作用与性能，认真预习实验后，方可动手实验。 2(滤色片是经过精选和精加工的组合滤色片，更换时应避免污染。使用前用镜头纸擦净以保证良好的透光性，滤色片加工平整，以免不必要的折射带来的实验误差 3(更换滤色片时必须先将光源出射光孔遮住。实验后用遮光罩盖住光电管暗盒进光窗，避免强光直接照射阴极。 4(光电管入射窗口不要面对其他强光源，以免缩短光电管寿命。 5(连线时务必先连接好地线，后接信号线，切勿让电压输出端对地短路。 思考题 1( 光电效应有哪些规律,爱因斯坦光电效应方程的物理意思是什么, 2( 什么是截止频率、截止电位差,实验中如何确定截止电位差, 7