光电效应测普朗克常量实验报告

南昌大学物理实验报告课程名称：普通物理实验（2）实验名称：光电效应测普朗克常量学院：专业班级：学生姓名：学号：实验地点：座位号：实验时间：一、实验目的：1、研究光电管的伏安特性及光电特性。2、比较不同频率光强的伏安特性曲线与遏制电压。3、了解光电效应的规律，加深对光的量子性的理解。4、验证爱因斯坦光电效应方程，并测定普朗克常量h。二、实验仪器：YGD-1普朗克常量测定仪（内有75W卤钨灯、小型光栅单色仪、光电管和微电流测量放大器、A/D转换器、物镜一套）图（1）1—电流量程调节旋钮及其量程指示；2—光电管输出微电流指示表；3—光电管工作电压指示表；4—微电流指示表调零旋钮；5—光电管工作电压调节（粗调）；6—光电管工作电压调节（细调）；7—光电管工作电压转换按钮;8—光电管暗箱；9—滤色片，光阑（可调节）总成；10—档光罩；11—汞灯电源箱；12—汞灯灯箱。三、实验原理：光电效应的实验示意图如图1所示，图中GD是光电管，K是光电管阴极，A为光电管阳极，G为微电流计，V为电压表，E为电源，R为滑线变阻器，调节R可以得到实验所需要的加速电位差AKU。光电管的A、K之间可获得从U到0再到U连续变化的电压。实验时用的单色光是从低压汞灯光谱中用干涉滤色片过滤得到，其波长分别为：nmnmnmnmnm577,546,436,405,365。无光照阴极时，由于阳极和阴极是断路的，所以G中无电流通过。用光照射阴极时，由于阴极释放出电子而形成阴极光电流（简称阴极电流）。加速电位差AKU越大，阴极电流越大，当AKU增加到一定数值后，阴极电流不再增大而达到某一饱和值HI，HI的大小和照射光的强度成正比（如图2所示）。加速电位差AKU变为负值时，阴极电流会迅速减少，当加速电位差AKU负到一定数值时，阴极电流变为“0”，与此对应的电位差称为遏止电位差。这一电位差用Ua来表示。Ua的大小与光的强度无关，而是随着照射光的频率的增大而增大（如图3所示）。1、饱和电流的大小与光的强度成正比。2、光电子从阴极逸出时具有初动能，其最大值等于它反抗电场力所做的功，即：aUemv221因为aU，所示初动能大小与光的强度无关，只是随着频率的增大而增大。aU的关系可用爱因斯坦方程表示如下：eWehUa（2）实验时用不同频率的单色光,......,,,4321照射阴极，测出相对应的遏止电位差,......,,,4321aaaaUUUU，然后画出~aU图，由此图的斜率即可以求出h。如果光子的能量Wh时，无论用多强的光照射，都不可能逸出光电子。与此相对应的光的频率则称为阴极的红限，且用)/(00hW来表示。实验时可以从~aU图的截距求得阴极的红限和逸出功。本实验的关键是正确确定遏止电位差，画出~aU图。至于在实际测量中如何正确地确定遏止电位差，还必需根据所使用的光电管来决定。下面就专门对如何确定遏止电位差的问题作简要的分析与讨论。遏止电位差的确定：如果使用的光电管对可见光都比较灵敏，而暗电流也很小。由于阳极包围着阴极，即使加速电位差为负值时，阴极发射的光电子仍能大部分射到阳极。而阳极材料的逸出功又很高，可见光照射时是不会发射光电子的，其电流特性曲线如图4所示。图中电流为零时的电位就是遏止电位差aU。然而，由于光电管在制造过程中，工艺上很难保证阳极不被阴极材料所污染（这里污染的含义是：阴极表面的低逸出功材料溅射到阳极上），而且这种污染还会在光电管的使用过程中日趋加重。被污染后的阳极逸出功降低，当从阴极反射过来的散射光照到它时，便会发射出光电子而形成阳极光电流。实验中测得的电流特性曲线，是阳极光电流和阴极光电流迭加的结果，如图5的实线所示。由图5可见，由于阳极的污染，实验时出现了反向电流。特性曲线与横轴交点的电流虽然等于“0”，但阴极光电流并不等于“0”，交点的电位差aU也不等于遏止电位差aU。两者之差由阴极电流上升的快慢和阳极电流的大小所决定。如果阴极电流上升越快，阳极电流越小，aU与aU之差也越小。从实际测量的电流曲线上看，正向电流上升越快，反向电流越小，则aU与aU之差也越小。由图5我们可以看到，由于电极结构等种种原因，实际上阳极电流往往饱和缓慢，在加速电位差负到aU时，阳极电流仍未达到饱和，所以反向电流刚开始饱和的拐点电位差aU也不等于遏止电位差aU。两者之差视阳极电流的饱和快慢而异。阳极电流饱和得越快，两者之差越小。若在负电压增至aU之前阳极电流已经饱和，则拐点电位差就是遏止电位差aU。总而言之，对于不同的光电管应该根据其电流特性曲线的不同采用不同的方法来确定其遏止电位差。假如光电流特性的正向电流上升得很快，反向电流很小，则可以用光电流特性曲线与暗电流特性曲线交点的电位差aU近似地当作遏止电位差aU（交点法）。若反向特性曲线的反向电流虽然较大，但其饱和速度很快，则可用反向电流开始饱和时的拐点电位差aU当作遏止电位差aU（拐点法）。四、实验内容：1、测试前准备：仪器连接：将FB807测试仪及汞灯电源接通（光电管暗箱调节到遮光位置），预热20分钟。调整光电管与汞灯距离约为cm40并保持不变，用专用连接线将光电管暗箱电压输入端与FB807测试仪后面板上电压输出连接起来（红对红，黑对黑）。将“电流量程”选择开关置于合适档位:测量截止电位时调到A1310,做伏安特性则调到A1010(或A1110)。测定仪在开机或改变电流量程后，都需要进行调零。调零时应将装滤色片置于“0”，旋转调零旋钮使电流指示为0.000。2、用FB807实验仪测定截止电压、伏安特性：由于本实验仪器的电流放大器灵敏度高，稳定性好，光电管阳极反向电流、暗电流水平也较低，在测量各谱线的截止电压𝑈𝑎时，可采用零电流法（即交点法），即直接将各谱线照射下测得的电流为零时对应的电压AKU的绝对值作为截止电压𝑈𝑎。此法的前提是阳极反向电流、暗电流和本底电流都很小，用零电流法测得的截止电压与真实值相差较小；且各谱线的截止电压都相差∆𝑈对𝑈𝑎−ν曲线的斜率无大的影响，即对h的测量不会产生大的影响。（1）测量截止电压：工作电压转换按钮于释放状态，电压调节范围是：VV2~2，“电流量程”开关应置于A1310档。在不接输入信号的状态下对微电流测量装置调零。操作方法是:将暗盒前面的转盘用手轻轻拉出约mm3左右，即脱离定位销,把mm4的光阑标志对准上面的白点，使定位销复位。再把装滤色片的转盘放在挡光位，即指示“0”对准上面的白点，在此状态下测量光电管的暗电流。然后把nm365的滤色片转到窗口（通光口）,此时把电压表显示的AKU值调节为V999.1；打开汞灯遮光盖，电流表显示对应的电流值I应为负值。用电压粗调和细调旋钮，逐步升高工作电压（即使负电压绝对值减小），当电压到达某一数值，光电管输出电流为零时，记录对应的工作电压AKU，该电压即为nm365单色光的遏止电位。然后按顺序依次换上nmnmnmnm577,546,436,405的滤色片，重复以上测量步骤。一一记录AKU值。（2）测光电管的伏安特性曲线：此时，将工作电压转换按钮按下，电压调节范围转变为：VV30~2，“电流量程”开关应转换至A1010档，并重新调零。其余操作步骤与“测量截止电压”类同，不过此时要把每一个工作电压和对应的电流值加以记录，以便画出饱和伏安特性曲线，并对该特性进行研究分析。①观察在同一光阑、同一距离条件下5条伏安特性曲线。记录所测AKU及I的数据到表2中，在坐标纸上作对应波长及光强的伏安特性曲线。②观察同一距离、不同光阑（不同光通量）、某条谱线在的饱和伏安特性曲线。测量并记录对同一谱线、同一入射距离，而光阑分别为mmmmmm8,4,2时对应的电流值于表3中，验证光电管的饱和光电流与入射光强成正比。③观察同一光阑下、不同距离（不同光强）、某条谱线在的饱和伏安特性曲线。在AKU为V30时，测量并记录对同一谱线、同一光阑时，光电管与入射光在不同距离，如mmmmmm400,350,300等对应的电流值于表4中，同样可以验证光电管的饱和电流与入射光强成正比。五、实验数据及数据分析处理：由表1的实验数据，画出𝑈𝑎−ν图，求出直线的斜率𝑘，即可用ℎ=𝑒∙𝑘,求出普朗克常数ℎ，把它与公认值ℎ0比较，求出实验结果的相对误差E=(ℎ−ℎ0)ℎ0⁄，式中常数𝑒=1.602×10−19𝐶，ℎ0=6.626×10−34𝑗∙𝑠。表1：𝑈𝑎−ν波长𝜆𝑖/𝑛𝑚365405436546577频率ν𝑖/×1014𝐻𝑧8.2147.4086.8795.4905.196截止电压𝑈𝑎𝑖/𝑉1.9321.4081.2980.7940.682拟合后的𝑈𝑎−ν图𝑘=0.3905×10−14𝑉/𝐻𝑧ℎ=𝑒∙𝑘=6.2558×10−34𝐽∙𝑠相对误差𝐸=|ℎ−ℎ0|ℎ0=5.59%表2：伏安特性曲线（Φ2、577nm）𝑈𝐴𝐾/𝑉-202468101214𝐼/×10−11𝐴0320353947525864𝑈𝐴𝐾/𝑉1618202224262830𝐼/×10−11𝐴6772788084889091拟合后的𝐼−𝑈𝐴𝐾图六、思考题：1、测定普朗克常量的关键是什么？怎样根据光电管的特性曲线选择适宜的测定遏止电动势𝑈𝑎的方法。答：2、从遏止电动势𝑈𝑎与入射光的频率ν的关系曲线中，你能确定阳极材料的逸出功吗？答：3、本实验存在哪些误差来源？实验中如何解决这些问题？答：在用光电效应测定普朗克常量的实验中的误差来源主要来自单色光不够严格以及阴极光电流的遏止电势差的确定，而影响阴极光电流遏止电势差确定的主要因素有光电管的阳极光电流和光电流的暗电流。在实验中主要通过分析阳极光电流和暗电流的特点(阳极光电流在反向区域几乎呈饱和状态,而暗电流很小,且电流随电压线性变化，它们均对阴极光电流在Uc显著拐弯的性质无影响)，在实验中通过对实际光电流测定,找到曲线拐点的方法来精确地求得Uc的。单色光的获得尽可能用精度较高的单色仪获得,而不用滤色(片)的方法获得；此外应尽量减小反射到阳极的散射光，适当提高光电管的真空度以及二电极之间的距离，以减小暗电流的大小七、原始数据：