光学实验六光电效应.PDFVIP

光學實驗六 光電效應 1. 目的： (1)驗證光的粒子性。 h (2)測量 。 e 2.原理： 光是粒子還是波曾有長期的爭論，早期微粒說由於牛頓的支持而廣被接受，直到 Young 的干涉實驗(1802 年)及Fresnel 的波動理論(1818 年)之後，波動說才成為主流。 半個世紀之後，Maxwell 的電磁理論(1865 年)及Hertz 的電磁波實驗(1887 年)使我們 對光有更進一步的瞭解。1900 年Planck 用離散能量分佈推導出黑體輻射的頻頻，但 當時這種「能量小包」的概念及意義未被普遍接受。1905 年Einstein 首次以光的粒子 性成功的解釋了光電效應，光是波還是粒子再度困擾物理學家，答案的尋求推動了量 子力學的建立。 光的照射使物質發射電子的現象叫做光電效應。1902 年Lenard 使用游離能較低的 鹼金屬做實驗，如圖6-1 ，將鹼金屬板P 密閉在真空中，用單色光照射，射出的電子 用環狀金屬電極C 收集，形成光電流。當收集器C 相對於板P 為正電位時，光電子 被C 吸收，增大電位差V ，電流很快飽和。當V 為負時，光電子受阻擋，電流降低， 到某一截止電位Vo 時，光電流降為零，如圖6-2 。 光 圖6-1 圖6-2 圖6-2 是理想情況下光電管的I －V 圖，電流完全由陰極光電子所生，實際上有其 他因素影響電流。 第 1頁，共 5頁 (i) 陽極（反向）電流：在光電管製造時或使用光照之後，陽極會受到陰極蒸發 出的鹼金屬污染，一般去除這種污染的方法是在陽極兩端加2 －3V AC 或DC 電 壓 1－2 秒，加熱使鹼金屬蒸發。 (ii) 暗電流：無光照時，陰極電子的熱運動可能使部分電子逸出。 (iii) 背景電流：背景光所生的雜訊電流。 增加光電流強度，可降低暗電流與背景電流在整體訊號中的比例，可減少實驗誤差。 用古典電磁波理論可以解釋部分現象，如： (I) 飽和光電流與入射光強度成正比。 但不能解釋： (II) 由光的照射到光電流形成幾乎沒有時間延遲。 1 2 (III) 電子最大動能 mu max eVo (1) 2 只與光的頻率及板P 的材料有關，而與光的強度無關。 Einstein 認為光是粒子(1962 年Lewis 命名為光子) ，每一光子能量為  h (2) ν為光的頻率，常數h 即Planck 常數。光子能量被電子吸收後，部分用在克服金屬對 電子的束縛，其餘轉變為動能，若電子脫離金屬所需的最小能量為W(功函數) ，則其 動能極大值為 1 2 mu max h W (3) 2 令 W ho (4) 當頻率  時，光子能量不足以使電子脫離，無法產生光電流，故稱 為截止頻率，  o o 由(1) 、(3) 、(4)式 eV h( ) (5) o o Einstein 的理論不僅解釋了前述(I) －(III) ，還預測(Ⅳ)及(Ⅴ) (IV)截止頻率的存在 。