文档介绍：光电效应实验报告
姓名:付剑飞;学号:**********;班级:12光科
摘要 1887年,赫兹在研究电磁辐射时意外发现,光照射金属表面时,在一定条件下,有电子从金属的表面溢出,这种现象被称作光电效应,多溢出的电子称为光电子。由此光电子的定向运动形成的电流称为光电流。1905年爱因斯坦用光量子理论圆满解释了光电效应得出爱因斯坦光电效应方程并由此获得诺贝尔奖,可见光电效应的重要性。本次实验便是这这样的理论基础上开展的测量有关光电管的U-I曲线和截止频率等的工作。
关键词光电子;截止频率;光电流;普朗克常数;截止电压;爱因斯坦方程
引言
光电效应和光量子理论在物理学的发展史上具有划时代的意义,量子论是近代物理的理论基础之一。而光电效应则可以给量子论以直观鲜明的物理图像。本实验利用“减速电势法”测量光电子的动能,从而验证爱因斯坦方程,并测得普朗克常数。通过实验有助于理解量子理论。
【实验目的】
1、通过实验了解光的量子性;
2、测量光电管的弱电流特性,找出不同光频率下的截止电压;
3、验证爱因斯坦方程,并由此求出普朗克常数。
【仪器用具】
ZKY-GD-3普朗克常数测试仪。
本仪器主要由光源,滤色片(5片)和光阑(3片,直径分别是2mm,4mm,8mm),光电管,微电流测量仪四部分组成。
【实验原理】
一、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= 。
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,为电子的质量,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,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,则不能产生光电子。产生光电效应的最低频率是,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,截止电压是入射光频率的线性函数,如图2,当入射光的频率时,截止电压,没有光电子逸出。图中的直线的斜率是一个正的常数:
                           (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。其中是电子的电量。
U0-v 直线
二、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,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,随着电压的增加,到达阳极的光电子将逐渐增多。当正向电压增加到时,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。
伏安特性曲线
【实验步骤】
一