光电效应实验-报告.docVIP

光电效应 【实验目的】 了解光电效应的规律，加深对光的量子性的认识。 测量普朗克常量。 【实验仪器】 ZKY-GD-4光电效应实验仪，其组成为：微电流放大器，光电管工作电源，光电管，滤色片，汞灯。如下图所示。 【实验原理】 光电效应的实验原理如图1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迁移构成光电流，改变外加电压 QUOTE ，测量出光电流I的大小，即可得出光电管的伏安特性曲线。 光电效应的基本实验事实如下： （1）对应于某一频率,光电效应的I- QUOTE 关系如图2所示。从图中可见，对一定的频率，有一电压U0,当 QUOTE ≦ QUOTE 时，电流为零，这个相对于阴极的负值的阳极电压U0，被称为截止电压。 (2)当 QUOTE ≧ QUOTE 后，I迅速增加，然后趋于饱和，饱和光电流IM的大小与入射光的强度P成正比。 (3)对于不同频率的光，其截止电压的值不同，如图3所示。 (4)截止电压U0与频率 QUOTE 的关系如图4所示， QUOTE 与 QUOTE 成正比。当入射光频率低于某极限值 QUOTE （ QUOTE 随不同金属而异）时，不论光的强度如何，照射时间多长，都没有光电流产生。 (5)光电效应是瞬时效应。即使入射光的强度非常微弱，只要频率大于 QUOTE ，在开始照射后立即有光电子产生，所经过的时间至多为 QUOTE 秒的数量级。 按照爱因斯坦的光量子理论，光能并不像电磁波理论所想象的那样，分布在波阵面上，而是集中在被称之为光子的微粒上，但这种微粒仍然保持着频率（或波长）的概念，频率为 QUOTE 的光子具有能量E = h QUOTE ，h为普朗克常数。当光子照射到金属表面上时，一次被金属中的电子全部吸收，而无需积累能量的时间。电子把这能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引力，余下的就变为电子离开金属表面后的动能，按照能量守恒原理，爱因斯坦提出了著名的光电效应方程： QUOTE （1） 式中，A为金属的逸出功， QUOTE 为光电子获得的初始动能。 由该式可见，入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子动能越大，所以即使阳极电位比阴极电位低时也会有电子落入阳极形成光电流，直至阳极电位低于截止电压，光电流才为零，此时有关系： QUOTE （2） 阳极电位高于截止电压后，随着阳极电位的升高，阳极对阴极发射的电子的收集作用越强，光电流随之上升；当阳极电压高到一定程度，已把阴极发射的光电子几乎全收集到阳极，再增加 QUOTE 时I不再变化，光电流出现饱和，饱和光电流 QUOTE 的大小与入射光的强度P成正比。 光子的能量 QUOTE A时，电子不能脱离金属，因而没有光电流产生。产生光电效应的最低频率（截止频率）是 QUOTE =A/h。 将(2)式代入(1)式可得： QUOTE （3） 此式表明截止电压 QUOTE 是频率 QUOTE 的线性函数，直线斜率k = h/e，只要用实验方法得出不同的频率对应的截止电压，求出直线斜率，就可算出普朗克常数h。 爱因斯坦的光量子理论成功地解释了光电效应规律。 【实验步骤】 测试前准备 将实验仪及汞灯电源接通（汞灯及光电管暗盒遮光盖盖上），预热20min。 调整光电管与汞灯距离为约40cm并保持不变。 用专用连接线将光电管暗箱电压输入端与实验仪电压输出端（后面板上）连接起来 （红—红，蓝—蓝）。 4） 将“电流量程”选择开关置于所选档位，进行测试前调零。调零时应将光电管暗盒电流输出端K与实验仪微电流输入端（后面板上）断开，且必须断开连线的实验仪一端。旋转“调零” 旋钮使电流指示为000.0。 5）调节好后，用高频匹配电缆将电流输入连接起来，按“调零确认/系统清零”键，系统进入测试状态。 如果要动态显示采集曲线，需将实验仪的“信号输出”端口接至示波器的“Y”输入端，“同步输出”端口接至示波器的“外触发”输入端。示波器“触发源”开关拨至“外”，“Y衰减”旋钮拨至约“1V/格”，“扫描时间”旋钮拨至约“20μs/格”。此时示波器将用轮流扫描的方式显示5个存储区中存储的曲线，横轴代表电压 QUOTE ，纵轴代表电流I。 2、测普朗克常数h： 测量截止电压时，“伏安特性测试/截止电压测试”状态键应为截止电压测试状态，“电流量程”开关应处于 QUOTE A档。 1） 手动测量 = 1 \* GB3 ①使“手动/自动”模式键处于手动模式。 = 2 \* GB3 ②将直径4mm的光阑及365.0nm的滤色片装在光电管暗盒光输入口上，打开汞灯