光电效应测量普朗克常数 - 实验报告 光电效应测量普朗克常数 - 实验报告 PAGE 光电效应测量普朗克常数 - 实验报告 综合设计实验报告 年级 ***** 学号 ***** * ****名称****时间************ 结果 实验问题 通过光学效应测量普朗克常数 实验目的 1．通过实验深入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． 2、掌握利用光电管研究光电效应的方法； 3.学习如何处理光电管的伏安特性曲线并用它来确定普朗克常数。 三、仪器设备 ZKY-GD-3 光电效应测试仪、汞灯及电源、滤色片（五个）、光圈（两个）、光电管、测试仪 实验原理 1、光电效应和爱因斯坦方程 当适当频率的光照射在物体上时有些金属表面，电子会从金属表面逸出。 这种现象称为光电效应，从金属表面逸出的电子称为光电子。 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 其中 ，为普朗克常数，其普遍接受的值为 = 。 根据爱因斯坦的理论，光电效应的本质是，当光子和电子碰撞时，光子将其所有能量转移给电子。 电子获得的能量的一部分用来克服金属表面的约束，其余的能量则成为光电子从金属表面逃逸后的动能。 爱因斯坦提出了著名的光电方程： (1) 其中 是入射光的频率， 是电子的质量， 是光电子逸出金属表面的初速度， 是光照射到的金属材料的功函数，并且是从金属逸出的光电子的最大初始动能。
从式（1）可以看出，光入射到金属表面的频率越高，逃逸电子的动能越大。 因此，即使阴极不施加电压，光电子也会落入阳极并形成光电流。 甚至阳极的电势也高于阴极的电势。 当电势较低时，光电子也会落向阳极。 直到阳极电位低于一定值，所有光电子都无法到达阳极，光电流为零。 阳极相对于阴极的负电位称为光电效应的截止电压。 显然物理资源网，将式(2)代入式(1)，即式(3)。 从上式可以看出，如果光电子能量高，则无法产生光电子。 光电效应发生的最低频率通常称为光电效应的截止频率。 不同的材料有不同的功函数，因此也不同。 由于光的强度取决于光子的数量，因此光电流与入射光的强度成正比。 并且由于一个电子只能吸收一个光子的能量，因此光电子获得的能量与光强无关，只与光子的频率成正比。 将方程(3)改写为(4)。 上式表明，截止电压是入射光频率的线性函数，如图2所示，当入射光频率为截止电压时，没有光电子逸出。 图中直线的斜率是一个正常数： (5) 可见，我们只要用实验方法在不同频率下做出曲线，求出这条曲线的斜率，就可以通过方程计算出普朗克方程(5)常数。 其中 是电子的电荷。 U0-v直线 2、光电效应伏安特性曲线 下图是利用光电管进行光电效应实验的示意图。 有频率和强度的光照射在光电管的阴极上，即光电子从阴极逸出。
例如，如果在阴极K和阳极A之间施加正向电压，则K和A之间建立的电场将加速光电子从光电管的阴极逃逸。 随着电压的增加，到达阳极的光电子会逐渐增加。 当正向电压增加时，光电流达到最大值，不再增加。 这称为饱和状态，相应的光电流称为饱和光电流。 光电效应原理图。 由于光电子从阴极表面逸出时有一定的初速度，当两极之间的电位差为零时，仍然存在光电流I。如果在两极之间施加反向电压，光电流就会减小。 ; 当反向电压达到截止电压时，光电流为零。 爱因斯坦方程源自理想状态，其中相同的金属用作阴极和阳极，并且阳极非常小。 事实上，用作阴极的金属的功函数小于用作阳极的金属，因此实验中存在以下问题：（1）存在暗电流和背景电流，可以利用这些电流测量截止电压（补偿法）。 (2)阳极电流。 在制作光伏阴极时光电效应原理，阴极材料也会被溅射到阳极上，因此光入射到阳极上或从阴极反射到阳极，并且光电子也在阳极上发射，形成阳极电流。 由于它们的存在，I~U曲线较理论曲线向下移动，如下图所示。 伏安特性曲线实验步骤 1.调整仪器 (1)连接仪器； 连接电源，打开电源开关，充分预热（不少于20分钟）。 (2) 测量电路连接好后，无测量信号给出，将“调零”旋钮旋至零位。 每次改变量程时，都必须重置零。
(3)拆下卡式光窗遮光罩，换上过滤器，拆下水银灯光窗遮光罩，安装遮光管，调整卡式与水银灯的距离。 2. 测量普朗克常数 (1) 将电压选择钥匙开关置于-2~+2V 量程，并将“电流量程”选择开关置于A 量程。 断开测试仪电流输入线，调至零后重新连接。 (2) 在光电暗箱的输入口上安装直径为4mm的光圈和彩色滤光片。 (3)由高到低调节电压，用“零电流法”测量与波长对应的电压，记录数据。 (4) 依次更换滤色片，重复步骤(1)、(2)、(3)。 (5)测量三组数据，然后取平均值。 3、测量光电管伏安特性曲线 (1) 在暗盒光窗内安装滤光片和4mm光阑，缓慢调节电压旋钮，使电压输出值从0V缓慢增加到30V，每1V记录一个电流值。 但请注意电流值为零时的截止电压值。 (2) 更换暗盒光窗上的滤光片，仍使用 4mm 孔径，然后重复步骤 (1)。 (3) 选择合适的坐标，绘制两个孔径下的光伏安培特性曲线U~I。 实验记录及处理 零电流法测量普朗克常数（孔径Ф=2mm） 波长 λ（nm） 3654 频率 ν（×） 截止电压（V） 第一次 第二次 第三次 1,165 第一次测量结果及处理：第二次测量结果及处理： 第三次测量结果及处理： 补偿法测量普朗克常数波长λ（nm）3654频率ν（×）截止电压（V）测量光电管伏安特性曲线（波长 λ=436nm 孔径 Ф=2mm) U (V) I (×1011A) U (V) I (×1011A) U (V) I (×1011A) -2920- 误差计算基于上图，三次测量零电流法测量结果的误差为：E1=%E2=%E3=% 补偿法测量结果的误差为：E=% 实验分析与讨论 本实验中，采用不同的方法测量了普朗克常数，但也存在一定的差异。 实验误差，据分析，产生误差的原因有： 1.暗电流的影响。 暗电流是光电管没有受到光照射时产生的电流。 由于热电子发射、光电管外壳漏电等原因造成； 2、背景电流的影响。 背景电流是由室内各种漫反射光进入光电管引起的。 它们都使得光电流不可能降至零并随着电压的变化而变化。
3、光电管生产过程中的影响：（1）由于制作光电管时经常将阴极材料溅射在阳极上，当入射光照射到阳极或从阴极漫反射到阳极时，阳极也有光电子发射，当阳极施加负电位，阴极施加正电位时，阴极发射的光电子减速，而阳极发射的电子加速，因此IU关系曲线相同IKA 和 UKA 曲线。 如图所示。 为了准确确定截止电压US，必须消除暗电流和反向电流的影响。 使得截止电压US由I=0时的位置决定； 其他制造错误。 4、实验者自身的影响：（1）不同的人从不同频率的伏安特性曲线上读出的“抬头电压”（截止电压）是不同的，处理后得到的曲线也不同。不同的。 得到的值会不同； (2)调零时可能会出现误差，原来的调零系统在测量时可能不再准确。 5、参考值本身具有一定的准确性，也存在一定的误差。 6、理论本身存在一定的错误。 例如，1963年，雷迪等人利用激光进行光电发射实验时，发现了偏离爱因斯坦方程的奇怪光电发射。 1968年，当Teich和Wolga用GaAs激光器发射的hn=光子照射功函数为A=的钠金属时，他们发现光电流与光强的平方成正比。 根据爱因斯坦方程，光子的频率低于钠的阀频，不会有光电子发射。 然而，一个新现象出现了。 不仅是光电子发射，而且光电流不与光强成正比，而是与光强成正比。 与平方成正比。
因此，人们想象光子之间存在“合作”，两个光子同时被电子吸收从而跨越表面能垒，称为双光子光电发射。 后来进一步的实验表明，三个、多个、甚至40个光子可以同时被电子吸收而发射出光电子，这就是多光子光电子发射。 由此推断，n个光子的光电发射过程的光电流似乎与光强度的n次方成正比。 附录一、光电效应的历史 光电效应由德国物理学家赫兹于1887年发现，在量子理论的发展中发挥了基础性作用。 1887年，赫兹在一次证明波动理论的实验中首次发现了它。 当时，赫兹发现，如果两个锌球之一受到紫外线照射，火花就很容易在两个锌球之间跳跃。 1900年左右，马克斯·布兰科(Max )对光电效应做出了原创性的解释，并提出了光具有能量丰富的能量的理论()。 他将这一理论归因于一个方程，即E=hf。 E是光的“包裹”能量，h是一个常数，统称为布兰科常数(')，f是光源的频率。 换句话说，光能的强度是由其频率决定的。 但就连布兰科本人也不确定光线是否被包裹。 1902年，勒纳（）也对其进行了研究，并指出光电效应是金属中的电子吸收入射光的能量并从表面逃逸的现象。
但用当时的理论无法解释； 1905年，爱因斯坦26岁，提出光子假说，成功解释了光电效应，从而获得1921年诺贝尔物理学奖。 他进一步推广了布兰科的理论，并推导出公式，Ek=hf-W，其中W是从金属表面释放电子所需的能量。 Ek 是电子自由后所具有的势能。 2. 其他测量普朗克常数的方法 2 光电效应法（补偿法、零电流法、拐点法） X 射线光电效应法 X 射线原子解离法 黑体辐射计算法 电子衍射法 康普顿波长位移法 短射线连续谱波长极限法 正电子对湮没辐射法 1962 年提出的 AC 约瑟夫森效应法，测量 2e/h von 1980 年发现的量子霍尔效应，测量 h/e2 Keble 等人采用量子霍尔效应法等人。 1990年英国国家物理实验室的直接测量h的通电电磁法利用磁化率测量普朗克常数（基于测量弱磁性材料磁化率的基本原理。使用大学使用的（Gouy）磁天平物理实验）3、光电管安装在暗盒内的原因是为了防止光线照射到阴极，从而降低光电管的使用寿命； 另一方面，当受到某一频率的光照射时，会排出其他频率的光干扰，提高测量精度。 因此，不测量时，应使用遮光罩遮住窗口。 4． 入射光的强度影响光电流的大小。 当某种光的频率确定后，如果能在阴极板上引起光电效应光电效应原理，当光强增加时，即单位时间内光子的数量增加，那么被激发的电子数量就会增加，因此光电流会增加。 当某种光的频率不足以使阴极板产生光电效应时，光强度的增加或减少对光电流没有影响，因为自始至终不会有光电流。