光电效应测定普朗克常量实验预习报告

1广东第二师范学院实验预习报告院（系）名称物理系班别11物理本四B姓名专业名称物理学（师范）学号115506020实验课程名称近代物理实验（2）实验项目名称用光电效应测定普朗克常量内容包含：实验目的、实验原理简述、实验中注意事项、实验预习中的问题探讨实验目的：1.通过实验加深对光的量子性的认识；2.用最高频滤波片，测量光电管的伏安特性曲线；3.通过光电管的弱电流特性，测出不同频率下的遏止电压（三种方法任选其一），求出普朗克常量；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，认为对于频率为的光波，每个光子的能量为式中，为普朗克常数，它的公认值是=6.626。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：（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速度，为被光线照射的金属材料的逸出功，221mv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0U被称为光电效应的截止电压。显然，有2（2）代入（1）式，即有（3）由上式可知，若光电子能量Wh，则不能产生光电子。产生光电效应的最低频率是hW0，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（4）上式表明，截止电压0U是入射光频率的线性函数，如图2，当入射光的频率0时，截止电压00U，没有光电子逸出。图中的直线的斜率ehk是一个正的常数：（5）由此可见，只要用实验方法作出不同频率下的0U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。其中是电子的电量。U0-v直线32、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AKU，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AKU的增加，到达阳极的光电子将逐渐增多。当正向电压增加到mU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。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：（1）暗电流和本底电流存在，可利用此，测出截止电压（补偿法）。（2）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。4伏安特性曲线注意事项：1.微电流测量仪和汞灯的预热时间必须长于20分钟，连线时务必先接好地线，后接信号线。切勿让电压输出端A与地短路，以免损坏电源。微电流测量仪每改变一次量程，必须重新调零。2.实验中，汞灯如果关闭，必须经过５分钟后才可重新启动。3.微电流测量仪与暗盒之间的距离在整个实验过程中应当一致。4.注意保护滤光片，勿用手触摸其表面，防止污染。5.每次更换滤光片时，必须遮挡住汞灯光源，避免强光直接照射阴极而缩短光电管寿命，实验完毕后用遮光罩盖住光电管暗盒进光窗。思考题：1、光电管为什么要装在暗盒中？2、实验中如何验证爱因斯坦方程？3、如何用拐点法测遏制电压？