光电效应测普朗克常量实验报告.docVIP

实验原理 光电效应 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。光电效应是光的经典电磁理论所不能解释的。当金属中的电子吸收一个频率为的光子时，便获得这光子的全部能量，如果这能量大于电子摆脱金属表面的约束所需要的脱出功W，电子就会从金属中逸出。按照能量守恒原理有： （1） 上式称为爱因斯坦方程，其中和是光电子的质量和最大速度，是光电子逸出表面后所具有的最大动能。它说明光子能量小于W时，电子不能逸出金属表面，因而没有光电效应产生；产生光电效应的入射光最低频率0=W/，称为光电效应的极限频率（又称红限）。不同的金属材料有不同的脱出功，因而υ0也是不同的。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 ν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 ν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 h。其中是电子的电量。 图2 U0-v 直线 2. 光电效应的伏安特性曲线 图3是利用光电管进行光电效应实验的原理图。频率为ν、强度为P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。 图3 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。 图4 入射光频率不同的I－U曲线 图5 入射光强度不同的I－U曲线 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。当光电管阴极没有受到光线照射时也会产生电子流，称为暗电流。它是由电子的热运动和光电管管壳漏电等原因造成的。室内各种漫反射光射入光电管造成的光电流称为本底电流。暗电流和本底电流随着K、A之间电压大小变化而变化。 （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，如图6所示。 图6 伏安特性曲线 五、 数据记录与处理 1、零电流法测h 滤色片波长λ/nm 365.0 404.7 435.8 546.1 577.0 过滤色片后光的频率ν/×Hz 8.214 7.408 6.879 5.490 5.196 电压示数U/V 第一组 1.630 1.333 1.122 0.522 0.388 第二组 1.631 1.334 1.118 0.523 0.389 第三组 1.628 1.333 1.118 0.522 0.387 第一组：普朗克常数：6.65×J·s 误差0.30% 第二组：普朗克常数：6.64×J·s 误差0.26% 第三组：普朗克常数：6.64×J·s 误差0.21% 2、补偿法测h 滤色片波长λ/nm 365.0 404.7 435.8 546.1 577.0 过滤色片后光的频率ν/×Hz 8.214 7.408 6.879 5.490 5.196 电压