光电效应实验报告【光电效应测普朗克常数-实验报告】
时间:2020-08-04 13:33:40 来源:天一资源网 本文已影响 人
光电效应测普朗克常数
-实验报
综合、设计性实验报告
、实验题目
光电效应测普朗克常数
实验目的1、 通过实验深刻理解爱因斯坦的光电效应 理论,了解光电效应的基本规律;
2、 掌握用光电管进行光电效应研究的方法;
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
ZKY— GD— 3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、 实验原理
1、光电效应与爱因斯坦方程
用合适频率的光照射在某些金属表面上时,会有电子从金属表面逸出,这种 现象叫做光电效应,从金属表面逸出的电子叫光电子。为了解释光电效应现象, 爱因斯坦提出了“光量子”的概念,认为对于频率为 1的光波,每个光子的能
量为
式中,上为普朗克常数,它的公认值是 =6.626;「二。
按照爱因斯坦的理论,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,一部分用来克服金属表面对它的约束, 其余的能量则成为该光电子逸出金属表面后的动能。爱因斯坦提出了著名的光 电方程:
I ,
hv二一酬卩+陌
( 1)
式中, 为入射光的频率,m为电子的质量,v为光电子逸出金属表面的初
1mv2
速度,可为被光线照射的金属材料的逸出功, 2 为从金属逸出的光电子的最大初动能。
由(1)式可见,入射到金属表面的光频率越高,逸出的电子动能必然也越 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,所 有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。
被称为光电效应的截止电压。
显然,有
(2)
代入(1)式,即有
(3)
由上式可知,若光电子能量h W,则不能产生光电子。产生光电效应的最
W
0 〒
低频率是 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0也不同。由于光的强弱决定于光量子的数量,所以光电流与入射光的强 度成正比。又因为一个电子只能吸收一个光子的能量,所以光电子获得的能量 与光强无关,只与光子 的频率成正比,,将(3)式改写为
-(/-A)(4)
-(/-A)
(4)
上式表明,截止电压Uo是入射光频率 的线性函数,如图2,当入射光的频
0时,截止电压Uo 0,没有光电子逸出。图中的直线的斜率
个正的常数:
由此可见,只要用实验方法作出不同频率下的 Uo 曲线,并求出此曲线的斜率,就可以通过式(5)求出普朗克常数h。其中1 ■ : 'J?是电子的电 量。
U0-v直线
2、光电效应的伏安特性曲线
下图是利用光电管进行光电效应实验的原理图。 频率为「、强度为F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Uak,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,随着电压Uak的增加,到达阳极的光电子将逐渐增多。当正向电压:」增 加到Um时,光电流达到最大,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
即称为饱和光电流
光电效应原理图
由于光电子从阴极表面逸出时具有一定的初速度,所以当两极间电位差为零 时,仍有光电流I存在,若在两极间施加一反向电压,光电流随之减少;当反 向电压达到截止电压时,光电流为零。
爱因斯坦方程是在同种金属做阴极和阳极,且阳极很小的理想状态下导出 的。实际上做阴极的金属逸出功比作阳极的金属逸出功小,所以实验中存在着 如下问题:
暗电流和本底电流存在,可利用此,测出截止电压(补偿法) 。
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,阳极上也有光电子发射,就形成阳极 电流。由于它们的存在,使得I?U曲线较理论曲线下移,如下图所示。
五、实验步骤
1、调整仪器
连接仪器;接好电源,打开电源开关,充分预热(不少于 20分钟)
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,必须重新调零。
取下暗盒光窗口遮光罩,换上 365.0nm滤光片,取下汞灯出光窗口的 遮光罩,装好遮光筒,调节好暗盒与汞灯距离。
2、测量普朗克常数h
将电压选择按键开关置于 乞?+ 2V档,将“电流量程”选择开关置于 -■ A档。将测试仪电流输入电缆断开,调零后重新接上。
将直径为4mm勺光阑和365.0nm的滤色片装在光电管电暗箱输入口上。
从高到低调节电压,用“零电流法”测量该波长对应的U。,并数据记录'
依次换上404.7nm、435.8nm、546.1 nm、577.0nm的滤色片,重复步骤 (1)、( 2)、( 3)。
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
⑴ 暗盒光窗口装365.0nm滤光片和4mn光阑,缓慢调节电压旋钮,令电压 输出值缓慢由0V伏增加到30V,每隔1V记一个电流值。但注意在电流值为零处 记下截止电压值.
(2) 在暗盒光窗口上换上 404.7nm滤光片,仍用4mnm勺光阑,重复步骤(1)
(3) 选择合适的坐标,分别作出两种光阑下的光电管伏安特性曲线 U?I。
六、实验记录与处理
■效应(普朗克常数)实验结果计算- -成都世纪中?…-Hn
■效应(普朗克常数)实验结果计算- -成都世纪中?…
-Hn.x
1、零电流法测普朗克常量h(光阑①=2mm)
波长入(
nm)
365
405
436
546
577
频率 v ( x 1014Hz)
8.214
7.408
6.879
5.490
5.196
截止电 压 U0 ( V)
第一次
1.716
1.368
1.173
0.620
0.492
第二次
1.712
1.398
1.179
0.615
0.491
第三次
1.700
1.390
1,165
0.618
0.485
第一次测量结果及处理:
实脸曲线團-斜率k | <实验数据斜率0)=4.01E-015
实脸曲线團
-斜率k | <实验数据
斜率0)=
4.01E-015
—3 ~7
普朗克常数(h):
h=ek
e=l. 602x1 OE-19 C
相对误差(E);
-2.93%
2 00>當
6.43E-034
被卷A i ( nm )
3S5.0
404.7
43E.7
450.1
578.0
甌車 vi ( 10E+14Hc>
6.214
7. 406
6.67S
5.490
5. W6
裁止电压讥V、
1. 716 置
1.3CB Bj
1.173 B
0.62 g|
0.492 B|
g i+S(c)|
表关闭
E= (h-ho) /ho
ho=6.626x1 OE-34 T* S
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第二次测量结果及处理:
匚问区匠光电效应(普朗克常数)实验结果计算——成都世纪中?…
匚问区
斜率(k)
斜率(k).
实验曲线團
彼夜咒i ( run )
355.0
404.7
435.7
456.1
578.0
频率 v i ( LOE+14He1
S.214
7.406
6, ere
5.430
5. X96
截止电压Uoi ( V)
1. 712 0]
1. 398 jffl]
1.179 B|
0.615 回
0.491 01]
A关闭B
实验曲皱图频率 V c 10E+14HZ )-辭盹n实验数据
实验曲皱图
频率 V c 10E+14HZ )
-辭盹n实验数据i
2 1 也神弋囁
T* S
成都世纪屮科仪器有限公司
成都世纪屮科仪器有限公司
第三次测量结果及处理:
匹光电效应(普朗克常数)实验结果计算——成都世纪中?… □问区
破长A i ( nm )
355.0
-404.7
435.7
455?1
578.0-
频率 ¥ i ( 10E+14H: J
8.214
7.4QE
6.879
5.490
5.196
註止电EUoi < V)
it7 a
1. 39 B|]
1.165 刮
0. 61S jj]
0.435 圍
週〕辻宜IC: 氏关囲{却I
斜率(k):
4.02E-015
幷 =1—=—
V -v" 普朗克常数(h) I 6.44E-034 h=ek
e=l. 602^1OE-19 C
相对误差㈤:
-2.85%
E-(h-ho)/ho ho=6?626ilOE-34
2、补偿法测普朗克常量h
波长入(nm)
365
405
436
546
577
频率 v ( x 1014Hz)
8.214
7.408
6.879
5.490
5.196
截止电压u。(V
1.724
1.408
1.183
0.624
0.504
^光电效应(普朗克常数)丈验结果计算——成都世纪中…一 Linix
疲长A £ (
疲长A £ ( nm )
3S5.O
404.7
435.7
456.1
578.0
频率 ¥ i ( lJE+14Hz)
S.214
7.40G
6. STS
5.490
5.19G
戡止电压订7 ( 丫 )
| 1. 724
1.403 B
1.183 ia|
0.624 B|
d 504 旦
[匡计复匚取i
灭关
〔A 出w-y
〔A 出w-yw
成祁世纪屮科仪器仃限公司
斜率(k):
4-05E-015
f _ V 77^ -V J70 耳_ =5 ―話
V -V
普朗克常数Ch);
6.49E-034
hrek
e=l. 602k10E-19 C 相对课差CE):
-2.05%
E= (h-ho) /ho
ho=6, 626x102-34 T ? S
3、测量光电管的伏安特性曲线(波长入=436nm光阑①=2mm
u( V)
I (x 1011A)
U (V)
I (X 1011A)
U (V)
I (X 1011A)
-2
-0.2
9
44.3
「20
71.9
-1
0.4
10
48.0
21
73.7
0
4.2
11
51.4
22
75.1
1
11.1
12
54.9
23
76.6
2
17.8
13
57.9
24
77.8
3
24.0
14
60.3
25
79.6
4
26.9
15
62.5
26
81.4
5
30.1
16
64.5
27
82.5
6
33.5
17
66.5
28
82.8
7
37.0
18
68.3
29
83.4
8
40.8
19
69.9
30
85.2
光电管的伏安特性曲线
-5 -20 0 5 10 15 20 25 30 35
U (V)
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=-2.93% E=-1.99% E=-2.85%
补偿法测量的结果误差为:
E=-2.05%
八、实验分析讨论
本实验中应用不同的方法都测出了普朗克常数,但都有一定的实验误差, 据分析误差产生原因是:
1、 暗电流的影响,暗电流是光电管没有受到光照射时,也会产生电流,它 是由于热电子发射、和光电管管壳漏电等原因造成;
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,它们均使光电流不可能降为零 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 有光电子发射,当阳极加负电位、阴极加正电位时,对阴极发射的光电子起了 减速的作用,而对阳极的电子却起了加速的作用,所以I — U关系曲线就和IKA、 UKA曲线图所示。为了精确地确定截止电压 US,就必须去掉暗电流和反向电 流的影响。以使由I二0时位置来确定截止电压US的大小;制作上的其他误差。
4、 实验者自身的影响:(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,可能会出现误差,及在测量时恐怕也会使 原来调零的系统不再准确。
5、 参考值本身就具有一定的精确度,本身就有一定的误差。
6、 理论本身就有一定的误差,例如,1963年Ready等人用激光作光电发射 实验时,发现了与爱因斯坦方程偏离的奇异光电发射。 1968年Teich和Wolga 用GaAs激光器发射的h =1.48eV的光子照射逸出功为 A=2.3eV的钠金属时,发
现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,不会有光电子发射,然而新现象却发生了,不但有光电子发射,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 行了“合作”,两个光子同时被电子吸收得以跃过表面能垒,称为双光子光电 发射。后来,进一步的实验表明,可以三个、多个、甚至 40 个光子同时被电子 吸收而发射光电子,称为多光子光电发射。人们推断, n 光子的光电发射过程的 光电流似乎应与光强的 n 次方成正比。
九、 附录
光电效应历史
光电效应由德国物理学家赫兹于 1887 年发现,对发展量子理论起了根本性 作用。
1887年,首先是赫兹( M.Hertz )在证明波动理论实验中首次发现的。当时, 赫兹发现,两个锌质小球之一用紫外线照射,则在两个小球之间就非常容易跳 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决定的。但就是布兰科自己对于光线是包裹式 的说法也不太肯定。
1902年,勒纳( Lenard) 也对其进行了研究,指出光电效应是金属中的电子 吸收了入射光的能量而从表面逸出的现象。但无法根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表面上自由化的能量。而 Ek呢就是电子自由后具有的势能。
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 的交流约瑟夫森 效应法
10、 由冯?克利青于 1980年发现的量子霍尔效应 ,测定h/ e2 的量子霍尔效应法
11、 由英国国家物理实验室的基布尔等人于 1990 年采用的 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 基本原理 , 使用大学物理实验用的 ( Gouy) 磁天平)
3.光电管为什么要装在暗盒中的原因
光电管装在暗盒中一方面是防止光照射阴极,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射时,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,如果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。当某一光的频率不足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,因为至始至终都不会有光电流。
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