大学物理实验二8。光电效应与普朗克常量的测量

　　光电效应与普朗克常量的测量
　　光电效应在证实光的量子性方面有着重要的地位。当光照射金属表面时，在某些情况下，有些电子可以从金属中释放出来，形成光电流。当照射在金属上的光的强度增大而保持其频率不变时，人们以为较大的光强度因而相应地有较大的电磁场强度，使电子获得比它们前面已获得的能量更大的能量。然而人们发现射出来的电子，其动能仍然保持不变。只要入射光的频率不改变，增大光的强度仅仅起到增大光电流的作用。光电效应是电磁波的古典概念不能解释的实验之一。1905年爱因斯坦在普朗克量子假说的基础上圆满地解释了光电效应，约十年后密立根以精确的光电效应实验证实了爱因斯坦的光电效应方程，并测定了普朗克常数。而今光电效应已经广泛地应用于各料技领域。利用光电效应制成的光电器件如光电管、光电池、光电倍增管等已成为生产和科研中不可缺少的器件。
　　【实验目的】
　　1。了解光电效应及其规律，理解爱因斯坦光电方程的物理意义；
　　2。用减速电位法测量光电子的初动能，求普朗克常数。
　　【实验原理】
　　1。光电效应
　　金属在光的照射下释放出电子的现象叫光电效应。根据爱因斯坦的光量子概念，每一个光子具有能量
　　，当光照射到金属上时，其能量被电子吸收，一部分消耗于电子的逸出功
　　，另一部分转换为电子逸出金属表面后的动能。由能量守恒定律得
　　（1）
　　此式称为爱因斯坦光电方程。式中h为普朗克常数，为入射光的频率，m为电子质量，v为电子的最大速度，上式右边第一项为电子最大初动能。用光电方程圆满的解释了光电效应的基本实验事实：
　　电子的初动能与入射光频率呈线性关系，与入射光强度无关。任何金属都存在一截止频率
　　，
　　，
　　又称红限，当入射光的频率小于
　　时，不论光的强度如何，都不产生光电效应。此外，光电流大小（即光电子数目）只决定于光的强度。
　　2。验证爱因斯坦光电方程，求普朗克常数
　　本实验采用减速电位法决定电子的最大初动能，并由此求出普朗克常数h。实验原理如图1所示。图中K为光电管阴极，A为阳极。当频率为的单色光入射到光电管阴极上时，电子从阴极逸出，向阳极运动，形成光电流。当
　　为正值时，
　　越大，光电流
　　越大，当电压
　　达到一定值时，光电流饱和。如图2中虚线所示。若
　　为负（即在光电管上加减速电位），光电流逐渐减小，直到
　　达到某一负值
　　时，光电流为零。
　　称为遏止电位或截止电压。这是因为从阴极逸出的具有最大初动能的电子不能穿过反向电场到达阳极，即
　　（2）
　　将（2）式代入（1）式得
　　当用不同频率的单色光照射时，有
　　联立其中任意两个方程，得
　　（3）
　　由此可见，爱因斯坦光电方程提供了一种测量普朗克常数的方法，如果从实验所得的
　　关系是一条直线（如图3），其中斜率
　　，e为电子电荷，由此可求出普朗克常数h。这也就证实了光电方程的正确性。
　　3。光电管的实际
　　特性曲线
　　由于下述原因光电管的实测
　　特性曲线如图2
　　中实线所示，光电流没有一个锐截止点。
　　（1）在光电管制造过程中，有些光阴极物质溅射到
　　阳极上，受光照射（包括漫反射）时，阳极也会发射光电子，使光电管极间出现反向电流（阳极电流）。
　　（2）无光照射时，在外加电压下，光电管中仍有
　　微弱电流流过，称为暗电流。这是由于光电管电极在常温下的热电子发射以及管座和管壳外表面的漏电造成的。
　　（3）阳极和阴极材料不同，引起的接触电位差。
　　4。遏止电位的确定。
　　由于上述原因遏止电位
　　的确定带有极大的任意性。实验时应根据光电管的不同结构与性能，采用不同方法确定
　　。
　　（1）阴极是平面电极、阳极做成大环形可加热结构的光电管（如国产1997型或GDh1型）其阴极电流上升很快，反向电流较小，特性曲线与横轴的交点
　　可近似当作遏止电压，这种方法称为交点法。
　　（2）阴极为球壳型、阳极为半径比阴极小得多的同心小球的光电管（如GD4型），反向电流容易饱和，可以把反向电流进入饱和时的拐点（图2中
　　）电压近似作为遏止电位，这种方法叫做拐点法。
　　不过，不论采用什么方法，均在不同程度上引进系统误差，使测量h的误差较大。
　　【实验仪器】
　　实验仪器原理框图如图4。它包括四部分：
　　1。光源。用高压汞灯，灯泡选用GGQ50WHg型，光谱范围在302。2872nm；
　　2。光电管GDh1型。阳极为镍圈，阴极为银氧钾（AgOK），光谱范围为340700nm；
　　3。滤色片转盘。滤色片为NG型，可选用波长为：365nm、405nm、436nm、546nm、577nm；4。光阑；
　　5。微电流测量放大器。电流变化范围1061013A，分6档，十进变换，微电流指示用3位半数字电流表，读数精度分
　　（用于调零和校准）和
　　（用于测量）两档。
　　【实验内容】
　　1。将光源、光电管暗盒，微电流放大器等安放在适当位置，光源与光电管的距离取3050，注意两者光路共轴。暂不接线。接通微电流测量放大器电源，预热1020分钟，进行微电流放大器测量的调零和校准。方法是：校准、调零、测量开关置于调零校准档，置电流调节开关与短路档，调节调零旋钮使电流表指零，然后电流调节拨向校准，调校准旋钮使电流表指100，调零和校准可反复调整，使之都能满足要求。
　　2。用电缆将光电管阴极K与微电流放大器后面板上的电流输入相连，用双芯导线将光电管阳极与地连接到后面板的电压输出插座上。点亮汞灯。
　　3。测量光电管的暗电流。用遮光罩盖住光电管暗盒窗口，将调零、校准、测量开关置于测量，测量放大器的电压选择置于直流，电流调节置107或106，旋动电压调节旋钮，读出3V3V间若干电压下的电流值，即为光电管暗电流。
　　4。测不同波长的单色光照射时光电管的
　　特性曲线。取下遮光板，换上滤色片，从3V开始逐步改变光电管阳极电压，记录相应的光电流。
　　逐次换上5个滤色片，测出不同波长下的
　　曲线，在电流变化明显的地方多测几点，以便准确定出
　　。
　　【注意事项】
　　1。微电流测量放大器及汞灯需充分预热才能做实验。
　　2。滤色片要放在光电管上，不能放在汞灯上，每次更换滤色片时都要用遮光罩先把汞灯罩住。
　　【思考题】
　　1。为什么在光电管的暗盒窗口上安装小口光阑？
　　2。实验时能否将滤色片插到光源的光阑上？为什么？
　　3。怎样测量金属的逸出功及某一频率的入射光所对应的截止电压，实验测量中截止电压是不是对应于电流I0的点？
　　4。实验误差产生的主要原因是什么？如何减少实验误差？