光电效应及普朗克常数测定

光电效应及普朗克常数测定 前  言 量子论是近代物理的基础之一，而光电效应可以给量子论以直观、鲜明的物理图像，随着科学技术的发展，光电效应已广泛用于工农业生产、国防和许多科技领域。普朗克常数（公认值h=6.62619×10-34J.s.）是自然科学中一个很重要的常数，它可以用光电效应法简单而又准确地求出，所以，进行光电效应实验并通过实验求取普朗克常数有助于学生理解量子理论和更好地认识h这个常数。 1887年H·赫兹在验证电磁波存在时意外发现，一束光照射到金属 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面，会有电子从金属表面逸出，这个物理现象被称为光电效应。 1888年以后，W·哈耳瓦克期、A·T斯托列托夫、P·勒纳德等人对光电效应作了长时间地研究，并总结了光电效应的基本实验事实： （1）光电流与光强成正比； （2）光电效应存在一个截止频率，当入射光的频率低于某一阈值υ0时，不论光的强度如何，都没有光电子产生； （3）光电子的动能与光强无光，但与入射光的频率成正比； （4）光电效应是瞬时效应，一经光线照射，立刻产生光电子，停止光照，即无光电子产生。 一、实验目的 1．通过对实验现象的观测与分析，了解光电效应的规律和光的量子性。 2．观测光电管的弱电流特性，找出不同光频率下的截止电压。 3．了解光的量子理论与波动理论，并验证爱因斯坦方程进而求出普朗克常数。 二、实验仪器 1．THQPC-1型普朗克常数测定仪微电流测试仪；  2．THQPC-1型普朗克常数测定仪测试台。 三、实验原理 爱因斯坦认为从一点发出的光，不是按麦克斯韦电磁学说指出的那样以连续分布的形式把能量传播到空间，而是以hυ为能量单位（光量子）的形式一份一份地向外辐射，至于光电效应，是具有能量hυ的一个光子作用于金属中的一个自由电子，并把它的全部能量都交给这个电子而造成的。如果电子脱离金属表面所需的能量为W的话，则由光电效应中被光电打出来的电子的动能为： E=hυ-W        或mv2/2=hυ-W                    （1） 式中：h -- 普克朗常数：公认值为6.62916×10-34J.s. υ-- 入射光的频率 m -- 电子的质量 v -- 光电子逸出金属表面时的初速度 W -- 受光线照射的金属 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 的逸出功（或功 函数 excel方差函数excelsd函数已知函数     2 f x m x mx m      2 1 4 2拉格朗日函数pdf函数公式下载 ） 在（1）式中，mv2/2是没有受到空间电荷阻止，从金属中逸出的电子的最大初动能。由（1）式可见，入射到金属表面的光频率越高，逸出来的电子最大初动能必然也越大（如图1、d）。正因为光电子具有最大初动能，所以既使阳极不加电压也会有光电子落入而形成光电流，甚至阳极电位低于阴极电位低时，也会有光电子落到阳极，直到阳极电位低于某一数值时，所有光电子都不能到达阳极，光电流才为零。（如图1、a）。这个相对于阴极为负值的阳极电位US被称为光电效应的截止电位（或称作截止电压）。 显然此时有          eUs-1/2mv2=0              （2） 代入（1）式即有      eUs=hυ-W                (3) 由于金属材料的逸出功W是金属的固有属性，对于给定的金属材料W是一个定值，它与入射光的频率无关。令WS=hυ0，υ0—截止频率；即具有截止频率υ0的光子恰恰具有逸出功WS而没有多余的动能。 将（3）式改写为        US=hυ/e –WS/e =h（υ-υ0）      （4） （4）式表明，截止电位US是入射光频率υ的线性函数。当入射光的频率υ=υ0时，截止电压US=0时，没有光电子逸出。（图1-c）上式的斜率K=h/e是一个正常数。 于是可写成：    h=ek                                          （5） 可见，只要用实验方法作出不同频率下的US-υ曲线，并求出此曲线的斜率K，就可以通过（5），求出普朗克常数h的数值，其中e=1.60×10-19C是电子电荷量。 图1                                          图2 图1用光电管进行光电效应实验、测量普朗克常数的实验原量图。 频率为υ、强度为P的光线照射到光电管阴极上，即有光电子从阴极逸出，如图所示在阴极K和阳极A之间加有反向电位UKA，它使电极K、A之间建立起的电场对光电阴极逸出的电子起减速作用，随着电位UKA的增加，到达阳极的光电子（光电流）将逐渐减小。 当UKA=US时光电流降为零。见图2光电管的起始I-V特性。不同频率光的照射，可以得到与之相对应的I-V特性曲线和对应的US电压值。在直角坐标中作出US-υ关系曲线，如果它是一根直线，就证明了爱因斯坦光电效应方程的正确。而由该直线的斜率K则可求出普朗克常数（h=ek）。另外，由该直线与坐标横轴的交点，又可求出该光电阴极的截止频率（阈频率）υ0。 必须指出：在实际测量时，因为光电流很小，需考虑由其它因素引起的干扰电流。干扰电流有下面三种： （1）暗电流：光电管在没有受到光照时，也会产生电流，称为暗电流。暗电流与外加电压成线性变化。它由热电流(在一定温度下，阴极发射的热电子形成的电流)和漏电流（由于阳极和阴极之间的绝缘材料不是理想的绝缘材料而形成的电流）组成。 （2）本底电流：因周围杂散光进入光电管而形成的电流。 （3）反向电流：在制作光电管时，阳极A上往往溅有阴极材料，所以当光射到A上时，阳极A上也会逸出光电子；另外，有一些由阴极K飞向阳极A的光电子会被A表面反射回来。当在A、K之间加反向电压U时，对K逸出的光电子来说起了减速作用，而对A逸出和反射的光电子来说却起加速作用，于是形成反向电流。 由于上述干扰的存在，当分别用不同频率的入射光照射光电管时，实际测得光电效应的伏安特性曲线如图2。实测光电流曲线上的每一个点的电流为正向光电流、反向光电流、本底电流和暗电流的代数和，致使光电流的截止电压点也从Us下移到 点。它不是光电流为零的点，而是实测曲线中直线部分抬头和曲线部分相接处的点，称为“抬头点”。“抬头点”所对应的电压相当于截止电压US。                              四、实验内容与步骤 1、测试前的准备： （1）安放好仪器，用随机附带的屏蔽线将测定仪的“电流输入”端和“电压输出”端分别连接至光电管暗盒上的“K”和“A”端。 （2）用转盘遮住光孔，按通电源，让微电流测定仪预热20-30分钟，汞灯预热10分钟以上。 （3）充分预热后，先调整零点，后校正满度。 2、任意选择一种滤光片，改变采光孔或者改变光电暗盒的位置，观察光电流的变化； 3、任意选择一个采光孔并选择合适的光电暗盒位置，依次改变滤光片观察光电流的变化； 4、选择合适的光孔和位置，依次选取各种滤光片，从-5V开始缓慢的改变阳极电压，观测光电流的变化； 5、选择合适的光孔和位置，依次选取各种滤光片，从-2V开始每隔0.05V记录一次光电流的数值，并记入表（1）（在电流开始变化的地方多读几个值）。绘制出相应的曲线并找出“抬头点”即截止电压，根据相应的频率计算出h； 五、实验数据处理 表（1）              距离L=    cm      光孔φ=    mm 365mm UKA(V) -2.0 -1.95 -1.90 -1.85 -1.80 -1.75 -1.70 -1.65 -1.60 LKA                   405mm UKA(V) -1.60 -1.55 -1.50 -1.45 -1.40 -1.35 -1.30 -1.25 -1.20 LKA                   436mm UKA(V) -1.40 -1.35 -1.30 -1.25 -1.20 -1.15 -1.10 -1.05 -1.00 LKA                   546mm UKA(V) -0.80 -0.75 -0.70 -0.65 -0.60 -0.55 -0.50 -0.45 -0.40 LKA                   577mm UKA(V) -0.60 -0.55 -0.50 -0.45 -0.40 -0.35 -0.30 -.025 -0.20 LKA                                         1．作U-I关系曲线 由表（1）数据，用Excel中的“图表向导”作出不同频率下的U-I关系曲线，并从中找出曲线的“抬头点”所对应的截止电压US，并记入表格（2）中。 表（2）              距离L=      cm    光孔φ=      mm 波长（nm） 365 405 436 546 577 h×10-34J.s σ(%) 频率（×1014HZ） 8.22 7.41 6.88 5.49 5.20     US(V)                           2．作US-υ关系曲线 由表（2）的数据，用Excel中的“图表向导”作出US-υ曲线，观察其线性，并求出直线的斜率。（表2中的数据不可能完全在一条直线上，做直线时要尽量使各个点均匀的分布在直线两测） 3．由求出的直线斜率，根据（5）式计算出普朗克常数h，并于公认的值做比较，计算其相对误差。 六、思考 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 1．写出爱因斯坦方程，并说明它的物理意义。 2．实测的光电管的伏安特性曲线与理想曲线有何不同？“抬头点”的确切含义是什么？ 3．当加在光电管两极间的电压为零时，光电流却不为零，这是为什么？ 4．实验结果的精度和误差主要取决于哪几个方面？