光电效应(包含实验报告和数据处理)

北京科技大学实验报告光电效应实验原理：原理图如右图所示：入射光照射到光电管阴极K上，产生的光电子在电场的作用下向阳极A迁移形成光电流。改变外加电压VAK，测量出光电流I的大小，即可得出光电管得伏安特性曲线。1）对于某一频率，光电效应I-VAK关系如图所示。从图中可见，对于一定频率，有一电压V0，当VAK≤V0时，电流为0，这个电压V0叫做截止电压。2)当VAK≥V0后，电流I迅速增大，然后趋于饱和，饱和光电流IM的大小与入射光的强度成正比。3）对于不同频率的光来说，其截止频率的数值不同，如右图：4)对于截止频率V0与频率的关系图如下所示。V0与成正比关系。当入射光的频率低于某极限值时，不论发光强度如何大、照射时间如何长，都没有光电流产生。5）光电流效应是瞬时效应。即使光电流的发光强度非常微弱，只要频率大于，在开始照射后立即就要光电子产生，所经过的时间之多为10-9s的数量级。实验内容及测量：1将4mm的光阑及365nm的滤光片祖昂在光电管暗箱光输入口上，打开汞灯遮光盖。从低到高调节电压（绝对值减小），观察电流值的变化，寻找电流为零时对应的VAK值，以其绝对值作为该波长对应的值，测量数据如下：波长/nm365404.7435.8546.1577频率/8.2147.4086.8975.495.196截止电压/V1.6791.3351.1070.5570.434频率和截止电压的变化关系如图所示：由图可知：直线的方程是:y=0.4098x-1.6988所以:h/e=0.4098××××,当y=0，即时，，即该金属的截止频率为。也就是说，如果入射光如果频率低于上值时，不管光强多大也不能产生光电流；频率高于上值，就可以产生光电流。根据线性回归理论：可得：k=0.40975，与EXCEL给出的直线斜率相同。我们知道普朗克常量,所以，相对误差：2测量光电管的伏安特性曲线1）用435.8nm的滤色片和4mm的光阑实验数据如下表所示：435.8nm4mm光阑I-VAK的关系VAKIVAKIVAKIVAKIVAKIVAKI0.0401.90.8584.22.3009.36.60019.512.00027.322.00035.80.0892.10.9354.42.500106.80019.912.50027.722.70036.20.1512.31.0964.92.70010.67.20020.513.00028.324.100370.2112.41.2085.32.90011.17.80021.514.20029.425.70037.90.3402.71.3255.63.200128.7002315.00030.126.80038.30.3952.91.4686.13.80013.99.10023.616.10031.127.50038.70.4703.11.6376.74.20014.89.80024.616.60031.629.50039.50.5613.31.7797.24.90016.410.20025.117.50032.330.90040.10.6563.61.9307.85.40017.410.70025.818.600330.7253.82.0008.36.10018.711.10026.319.60033.72）用546.1nm的滤光片和4mm的光阑数据如下表所示：546.1nm4mm光阑I-VAK的关系VAKIVAKIVAKIVAKI0.31.35.99.113.213.023.815.91.02.66.89.814.113.325.316.11.43.47.610.415.113.726.416.51.84.18.210.816.114.027.216.62.24.98.811.117.114.228.016.72.85.79.811.617.814.428.916.73.26.310.011.918.914.729.716.83.97.111.412.319.714.930.716.94.37.612.112.620.115.031.217.04.98.212.712.920.915.2作两种情况下，光电管得伏安特性曲线：Z实验4.3光电效应和普朗克常数的测量1887年德国物理学家H.R.赫兹发现电火花间隙受到紫外线照射时会产生更强的电火花。赫兹的论文《紫外光对放电的影响》发表在1887年《物理学年鉴》上。论文详细描述了他的发现。赫兹的论文发表后，立即引起了广泛的反响，许多物理学家纷纷对此现象进行了研究，用紫外光或波长更短的X光照射一些金属，都观察到金属表面有电子逸出的现象，称之为光电效应。对光电效应现象的研究，使人们进一步认识到光的波粒二象性的本质，促进了光量子理论的建立和近代物理学的发展，现在光电效应以及根据光电效应制成的各种光电器件已被广泛地应用于工农业生产、科研和国防等各领域。【实验目的】1通过实验加深对光的量子性的认识；2验证爱因斯坦方程，并测量普朗克常数以及阴极材料的“红限”频率。【实验原理】一、光电效应及其实验规律当一定频率的光照射到某些金属表面上时，可以使电子从金属表面逸出，这种现象称为光电效应，所产生的电子称为光电子。研究光电效应的实验装置如图4.3.1所示，入射光照射到阴极K时，由光电效应产生的光电子以某一初动能飞出，光电子受电场力的作用向阳极A迁移而构成光电流。一定频率的光照射阴极K所得到的光电流I和两极间的电压U的实验曲线如图4.3.2所示。随着光电管两端电压的增大,光电流趋于一个饱和值mI，当U≤SU时，光电流为零，SU称为反向遏止电压。总结所有的实验结果，光电效应的实验规律可归纳为：kAGAV入射光光电管图4.3.1光电效应实验装置示意图0USU图4.3.2U——I特性曲线（1）对于一种阴极材料，当照射光的频率确定时，饱和光电流mI的大小与入射光的强度成正比。（2）反向遏止电压SU的物理含义是：当在光电管两端所加的反向电压为SU时，则逸出金属电极K后具有最大动能的电子也不能到达阳极A，此时2max21mVeUS=（4.3.1）实验得出光电子的初动能与入射光的强度无关，而只与入射光的频率有关。（3）光电效应存在一个阈频率0ν，当入射光的频率0νν时，不论光的强度如何都没有光电子产生。（4）光电效应是瞬时效应，只要照射光的频率大于0ν，一经光线照射，立刻产生光电子，响应时间为s910−。对于这些实验事实，经典的波动理论无法给出圆满的解释。按照电磁波理论，电子从波阵面连续地获得能量。获得能量的大小应当与照射光的强度有关，与照射的时间长短有关，而与照射光的频率无关。因此对于任何频率的光，只要有足够的光强度或足够的照射时间，总会发生光电效应。这些结论是与实验结果直接矛盾的。二、爱因斯坦方程和密立根实验1905年爱因斯坦受普朗克量子假设的启发，提出了光量子假说，即：一束光是一粒一粒以光速C运动的粒子流，这些粒子称为光子，光子的能量为νhE=（h为普朗克常数，ν为光的频率）。当光子照射金属时，金属中的电子全部吸收光子的能量νh，电子把光子能量的一部分变成它逸出金属表面所需的功W，另一部分转化为光电子的动能，即：WmVh+=2max21ν（4.3.2）式中:h—普朗克常数，公认值为6.62916SJ⋅×−3410这就是著名的爱因斯坦光电效应方程。根据这一理论，光电子的能量只决定于照射光的频率，并与之成线性关系。由（4.3.2）式可见,只有当νhW≥时,才会有光电子发射,我们把hW记作0ν,即hW=0ν（4.3.3）这就是说0ν是能发生光电效应的入射光的最小频率，显然它的值随金属种类不同而不同,又称“红限”频率。爱因斯坦光量子理论圆满地解释了光电效应的各条实验规律。爱因斯坦的光子理论由于与经典电磁理论抵触，一开始受到怀疑和冷遇。一方面是因为人们受传统观念的束缚，另一方面是因为当时光电效应的实验精度不高，无法验证光电效应方程。密立根从1904年开始光电效应实验，1912-1915年间，密立根对一些金属进行测量，得出了光电子的最大动能2max21mV和入射光频率ν之间的严格线性关系（图4.3.3），直线在横轴上的交点0ν，说明照射光的频率小于0ν时不会有光电子发射。不同的金属其0ν值不同，但所有的金属直线的斜率却是不变的。密立根于1916年发表论文证实了爱因斯坦方程的正确性，并直接运用光电方法对普朗克常数h作了首次测量。历经十年，密立根用实验证实了爱因斯坦的光量子理论。两位物理大师因在光电效应等方面的杰出贡献，分别于1921和1923年获得诺贝尔物理学奖。光量子理论创立后，在固体比热，辐射理论，原子光谱等方面都获得成功，人们逐步认识到光具有波动和粒子二象属性。光子的能量νhE=与频率有关，当光传播时，显示出光的波动性，产生干涉，衍射，偏振等现象；当光和物体发生作用时，它的粒子性又突出了出来。后来科学家发现波粒二象性是一切微观物体的固有属性，并发展了量子力学来描述和解释微观物体的运动规律，使人们对客观世界的认识前进了一大步。三、普朗克常数的测量原理根据爱因斯坦光电效应方程（4.3.2）式、截止电压SU与光电子的最大初动能的关系（4.3.2）式以及“红限”频率0ν与逸出金属表面所需的功W之间的关系（4.3.3）式，可得到：)(0νν−=hUeS（4.3.4）此式表明截止电压SU是频率ν的线性函数，相应的曲线如图4.3.4所示，可知ν−SU直线的斜率为：ehk=（4.3.5）ν−SU直线的延长线对纵轴的截距为eWU=0（4.3.6）ν−SU直线与横轴的交点为阴极材料的“红限”频率0ν。综上所述，通过用不同频率的光照射阴极，测得相应的截止电压，得出ν−SU关系，即可求得h、0ν、W。四、影响准确测量截止电压的因素测量普朗克参数h的关键是正确的测出截止电压SU，但实际上由于光电管制作工艺等原因，给准确测定截止电压带来了一定的困难。实际测量的光电管伏安特性曲线与理论曲线ν0νSeU图4.3.30USUν0ν0图4.3.4照射光频率与截止电压的关系有明显的偏差，引起这种偏差的主要原因有：（1）在无光照时，也会产生电流，称之为暗电流。它是由阴极在常温下的热电子发射形成的热电流和封闭在暗盒里的光电管在外加电压下因管子阴极和阳极间绝缘电阻漏电而产生的漏电流两部分组成。（2）受环境杂散光影响形成的本底电流。（3）由于制作光电管时阳极上往往溅有阴极材料，所以当光照射到阳极上和杂散光漫射到阳极上时，阳极上往往有光电子发射。形成阳极反向电流。其中以漏电流和阳极反向电流影响最大。由于上述原因，实际测量的光电管伏安特性曲线如图4.3.5所示。实验曲线在负电压区下沉，截止电压并不对应光电流为零，而对应反向电流开始趋于常量的点（拐点）SU′。【实验仪器】ZKY-GD-3型光电效应实验仪结构如图4.3.6所示。仪器由汞灯及电源，滤色片，光阑，光电管、测试仪组成，测试仪的调节面板如图4.3.7所示。IUSU′SU0暗电流实测曲线理想曲线图4.3.5U—I实验曲线反向电流图4.3.6ZKY-GD-3光电效应实验仪结构示意图汞灯电源高压汞灯滤光片光阑光电管测试仪光电管暗盒（1）高压汞灯：在其发光的光谱范围内较强的谱线有365.0nm、404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm。（2）滤光片：仪器配有五种带通型滤光片,其透射波长为365.0nm、404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm。使用时，将滤光片安装在接收暗盒的进光窗口上，以获得所需要的单色光。（3）光阑：仪器配有孔径分别为2mm、4mm、8mm的光阑供实验选择。（4）光电管：阳极为镍圈，阴极为银-氧-钾（Ag-O-K），光谱响应范围320~700nm，暗电流：I≤2×10-12A（-2V≤UAK≤0V）。（5）测试仪：它包括光电管工作电源和微电流放大器两部分。光电管工作电源：2档，－2～0V，－2～＋30V，三位半数显，稳定度≤0.1%微电流放大器：6档，10-8—10-13A，分辨率10-13A，三位半数显，稳定度≤0.2%【实验内容】测试前