实验二十三光电效应和普朗克常数测定
实验二十三 光电效应和普朗克常数测定实验目的
1(通过实验了解光的量子性。
2(测量光电管的弱电流特性，找出不同光频率下的截止电压。
3(验证爱因斯坦方程，并由此求出普朗克常数。
实验器材
光电管，高压汞灯，滤色片，微电流测量放大器。
实验原理
在光的照射下，从金属表面释放电子的现象称为光电效应。光电效应的基本规律可归纳为:光电流与光强成正比;入射光频率低于某一临界值时，不论光的强度如何，v0都没有光电子产生，称为截止频率;光电子的动能与光强无关，与入射光频率成正比。 v0
爱因斯坦突破了光的能量连续分布的观念，他认为光是以能量的光量子的E,hv形式一份一份向外辐射。光电效应中，具有能量的一个光子作用于金属中的一个自hv
由电子，光子能量或者被完全电子吸收，或者完全不hv
单色光吸收。电子吸收光子能量后，一部分用于逸出功，hve,G
AK剩余部分成为逸出电子的最大动能为 ,A2mv2,hv,e, (23—1) maxV
此式称为爱因斯坦方程。式中为普朗克常数，公hR-34认值为6.626176×10。即存在一截止频率，此时J,s
吸收的光子能量恰好用于电子逸出功，没有多余的动能。E
2图23—1由上式可知，当时，则，存在hv,e,,0mv2,0
一截止频率，此时吸收的光子能量hv恰好用于电子逸出功，没有多余能量。因而ve,0
当hv,e,时没有光电流，只有入射光的频率时才有光电流。由于不同金属的逸v,v0
出功数值不同，所以有不同的截止频率。当时，光电子具有较大动能，在阳极不v,v0
加电压，甚至阳极电位低于阴极电位时，也会有光电子到达阳极，产生为光电流。
本实验采用减速电场法，如图23—1所示。单色光透过光电管的玻璃口照射到阴极K上，从K发射出的光电子向阳极A运动，在阳极加上相对阴极为负的电压U，以阻止0光电子向阳极运动。随着反射电压U的增加，到达阳极的电子数减少，光电流减少，当0
反向电压满足
2 (23—2) eU,mv20max
将没有光电子到达阳极，光电流为零。称为截止电压。由(23—1)和(23—2)U0
两式得
eU,hv,e,0
即
hv,U, (23—3) 0e
将代入(23—3)式有 ,,hve0
(23—4) ，，U,hve,hve,hv,ve000
(23—4)式表明，对同一种光电阴极材料制成的
I光电管，其截止电压和入射光频率成线性关系。Uv0
直线斜率k=h/e。当时，U=0，没有光电子逸出。 v,v001
对于不同频率的光，可以得到与之对应的I-U特2U0性(光电伏安特性)曲线和截止电压U的值，可在方0OU3格坐标纸上作出U,图线，根据已知的电子电量ev04值和图线斜率k即可确定普朗克常数h的值。 C对于本实验还需要说明 1.理想阴极发射电流 2.实测曲线
(,)暗盒中的光电管即使没有光照射，在外加3.暗电流 4.阳极发射电流电压下也会有微弱电流，称暗电流。其主要原因是极图23,2间绝缘电阻漏电和阴极在常温下的热电子发射等。暗
电流与外加电压基本上成线性关系。
(,)阳极上沉积有阴极材料，遇到由阴极散射的光或其它杂散光的照射，也会发射光电子，反向的电压对阳极发射的光电子起加速作用，形成反向饱和电流。
由于以上原因，致使实测曲线光电流为零时所对应的电压并不是截止电压，真正的截止电压在该曲线的直线部分与曲线部分相接的点C处，如图23,,所示。 实验步骤
(一)清点实验仪器
(二)测试前的准备
(,)认真阅读光电效应实验仪的
使用说明
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书。
(,)安放好仪器，用遮光罩罩住暗盒的光窗。插上电源预热20,30分钟然后调整测量放大器的零点和满度。
(三)测量光电管的暗电流
1、(,)连接好光电暗盒与测量放大器之间的屏蔽电缆、地线和阳极电源线。测量
-6放大器的“倍率”旋钮置×10档。
(,)顺时针缓慢旋转“电压调节”旋钮，并适当地改变“电压量程”和“电压极性”开关。仔细记录在不同电压下的相应电流值(电流值=倍率×电表读数×微安)。此时所读得的即为光电管的暗电流。
2、测量光电管的-特性 IU
(,)让光尖锐出射孔对准暗盒窗口，并使暗盒离开光30,50厘米。测量放大器
-6“倍率”旋钮置×10挡。撤去遮光罩，换上滤色片。“电压调节”从-3伏或-2伏调起，缓慢增加，先观察不同滤色片下的电流变化情况，记下电流明显变化的电压值以使精确测量。
(,)在上述粗测的基础上进行精确测量记录。从短波长起小心地逐次换入滤色片，仔细读出不同频率入射光照射下的光电流，并记录数据，注意在电流开始变化的地方多读几个值。
(,)改变光源与暗盒的距离和光阑孔φ，重复上述步骤,,,次。 L
数据处理
(1)在方格纸(如25×20厘米)上，仔细作出不同波长(频率)的-曲线。从IU曲线中认真找出电流开始变化的“抬头点”，确定的截止电压。 IUAK0
(2)把不同频率下的截止电压U描绘在方格纸上。如果光电效应遵从爱因斯坦方程，0
则U=曲线应该是一条直线。求出直线的斜率k =ΔU/Δv，求出普朗克常数h =ek，f(v)0 0
计算出所测值与公认值之间的误差。
注意事项
,(必须在了解仪器的使用规则后方可进行实验。
,(滤色片是经精选和精加工的，更换时注意避免污染，使用前应用擦镜纸认真揩擦以保证良好的透光。
,(更换滤色片时应先将光源出射孔遮盖，实验完毕后应用遮光罩盖住暗盒光窗，以免强光照射阴极缩短光电管寿命。
,(光源射出的光必须直射光电管的阴极，此时暗盒可作左右及高低调节。为避免光线直射阳极，测试时光窗处宜加φ4,6毫米的光阑。
,(测量放大器须充分预热，测量才能准确。接线时先接好地线，后接信号线，注意不能将输出端与地短路，以免烧毁电源
思考讨论
1(什么叫光电效应,爱因斯坦提出的光电效应理论有哪些内容,
2(说明光电效应与光频率、光强 、逸出功、截止电压、截止频率的关系，简述暗电流产生的原因及测量
方法
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。
3(用什么方法求出普朗克常数h,截止电压U与入射光频率有什么关系,当U=000时有什么结论,
4(在实验中，若改变光电管上的照度，对I-U曲线有何影响,
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