光电效应实验.doc

光电效应实验 一定频率的光照射在金属表面时, 会有电子从金属表面逸出,这种现象称为光电效应。1887年赫兹发现了光电效应现象，以后又经过许多人的研究，总结出一系列实验规律。1905年，爱因斯坦在普朗克能量子假设的基础上，提出了光量子理论，成功地解释了光电效应的全部规律。 实验原理 光电效应的实验原理如图1所示。用强度为P的单色光照射到光电管阴极K时，阴极释放出的光电子在电场的加速作用下向阳极板A迁移，在回路中形成光电流。 SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 图1 实验原理图 图2　光电管同一频率不同光强的伏安特性曲线 用实验得到的光电效应的基本规律如下： 光强P一定时，改变光电管两端的电压 SKIPIF 1 0 ，测量出光电流I的大小，即可得出光电管的伏安特性曲线。随 SKIPIF 1 0 的增大，I迅速增加，然后趋于饱和，饱和光电流 SKIPIF 1 0 的大小与入射光的强度P成正比。 当光电管两端加反向电压时，光电流将逐步减小。当光电流减小到零时，所对应的反向电压值，被称为截止电压U0（图2）。这表明此时具有最大动能的光电子刚好被反向电场所阻挡，于是有 SKIPIF 1 0 （式中m、V0、e分别为电子的质量、速度和电荷量）。（1） 不同频率的光，其截止电压的值不同（图3）。 改变入射光频率 SKIPIF 1 0 时，截止电压U0随之改变， SKIPIF 1 0 与 SKIPIF 1 0 成线性关系（图4）。实验表明，当入射光频率低于 SKIPIF 1 0 ( SKIPIF 1 0 随不同金属而异，称为截止频率)时，不论光的强度如何，照射时间多长，都没有光电流产生。 SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 图3光电管不同频率的伏安特性曲线 图4截止电压U0与频率?的关系 4、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 SKIPIF 1 0 ，在开始照射后立即有光电子产生，延迟时间最多不超过 SKIPIF 1 0 秒。 经典电磁理论认为，电子从波阵面上获得能量，能量的大小应与光的强度有关。因此对于任何频率，只要有足够的光强度和足够的照射时间，就会发生光电效应，而上述实验事实与此直接矛盾。显然经典电磁理论无法解释在光电效应中所显示出的光的量子性质。 按照爱因斯坦的光量子理论，光能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 SKIPIF 1 0 的光子具有能量 SKIPIF 1 0 ， SKIPIF 1 0 为普朗克常数。当光束照射金属时，是以光粒子的形式打在它的表面上。金属中的电子要么不吸收能量，要么就吸收一个光子的全部能量 SKIPIF 1 0 ，而无需积累能量的时间。只有当这能量大于电子摆脱金属表面约束所需的逸出功A时，电子才会以一定的初动能逸出金属表面。按照能量守恒原理，爱因斯坦提出了著名的光电效应方程： SKIPIF 1 0 （2） 式中， SKIPIF 1 0 为金属的逸出功， SKIPIF 1 0 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。光子的能量 SKIPIF 1 0 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 SKIPIF 1 0 。 将（2）式代入（1）式中可得： SKIPIF 1 0 （3） SKIPIF 1 0 此式表明截止电压 SKIPIF 1 0 是频率 SKIPIF 1 0 的线性函数。只要用实验方法得出不同的频率的截止电压，由直线斜率和截距，就可分别算出普朗克常数h和截止频率 SKIPIF 1 0 。基于此，在爱因斯坦光量子理论提出约十年后，密立根用实验证实了爱因斯坦的光电效应方程，并精确地测定了普朗克常数。两位物理大师在光电效应等方面的杰出贡献，分别于1921年和1923年获得诺贝尔物理学奖。 光电效应实验，使人们对光的波粒二象性的本质有了更深的认识。对光电效应现象的研究，促进了光的量子理论的建立和近代物理学的发展。今天，利用光电效应制成的各种光电器件，如光电池、光电管、光电倍增管等，已被广泛的应用于工农业生