光电管特性的研究讲义

1. 光电流与加速电压的关系
保持光源与光电管的距离一定，如果阳极 为高电势，则电子将加速飞向阳极，光电流 随两极间的加速电压改变而改变。如图5.12－2所示，开始光电流随加速电压增加而增加，当加速电压增加到一定值后，光电流不再增加，这是因为在一定光照度下单位时间内所产生的光电子数目一定，而且这些电子在电场的作用下已全部跑出阳极，从而达到饱和。此时的光电流称饱和光电流，用 表示。对不同的光强，饱和光电流 与入射光强 成正比。
本实验是利用真空光电管来研究这一实验的基本规律，验证爱因斯坦的光电子理论。实验原理图如图5.12－1所示， 为光电管的阴极， 为光电管的阳极，调节 ,可在 、 两极间获得连续变化的电压。光的强弱决定于光子的多少，当用一定强度的光照射到光电管阴极时，光子（ ）流射到 上打出光电子，阴极释放的电子在电场的作用下向阳极迁移，回路中将形成光电流。光电流的大小与光电管两极间电压及光电管阴极的光通量（光通量与光强成正比）都有关。
设光电管的阴极面积为 ，阴极与发光强度为的点光源间的距离为 ，由光度学理论可知，点光源到达的光通量为
上式表明，点光源在光电管阴极表面 的光通量与光源的发光强度成正比，与 到光源的距离 的平方成反比。
当光电管两极间的加速电压在能产生饱和光电流的某一定值时，保持点光源发光强度不变，光电流与阴极表面的光通量的关系可根据该式来进行研究。改变点光源与光电管之间的距离 ，测出饱和光电流 与 的关系曲线即可知 与 的关系。若 与 的关系为一直线，如图5.12－3所示，即验证了光电流与入射光光通量的线性关系。
①使小灯电流降低 ，重复步骤（3）、（4），测读并记录实验数据。注意不要改变光源与光电管的距离。
②使暗箱滑板距离为 （一般取 左右），重复步骤（3）、（4），测读并记录实验数据。注意不要改变灯电流值的大小。
（6）根据记录数据，绘制三条伏安特性曲线。
2.测定饱和光电流与阴极上光通量的关系
（1）根据光电管伏安特性的实验结果，在产生饱和光电流的电压区域中取一电压值（注意不要取拐点，取饱和区域中间点），加在光电管的两极上并保持不变。注意光源电流值不改变。
学 时 3个学时
一、前言
光电效应是指在光的作用下，从物体表面释放电子的现象，所逸出的电子称为光电子。这种现象是1887年赫兹研究电磁波时发现的。在光电效应中，光不仅在被吸收或发射时以能量 的微粒出现，而且以微粒形式在空间传播，充分显示了光的粒子性。
1905年爱因斯坦引入光量子理论，给出了光电效应方程，成功地解释了光电效应的全部实验规律。1916年密立根用光电效应实验验证了爱因斯坦的光电效应方程，并测定了普朗克常量。爱因斯坦和密立根都因为光电效应方面的杰出贡献，分别获得1921年和1923年诺贝尔物理学奖。而今光电效应已经广泛地应用于各科技领域，例如利用光电效应制成的光电管、光电倍增管等光电转换其间，把光学量转换成电学量来测量。光电元件已成为石油钻井、传真电报、自动控制等生产和科研中不可缺少的元件。
四、实验内容与步骤
1.测光电管的伏安特性曲线
（1）按图5.12－4接好线路，使光电管阳极为高电势，检查正负极插线无误后，打开光电效应仪的电源开关，并预热10分钟。
（2）选取合适的小灯电流值。测量前先测出小灯泡与光电管阴极间的初始间距 ，并记录。使光源与光电管阴极的距离为 ，并保持不变，顺时针调节电压调节旋钮，达到最大值，给光电管加的电压，再顺时针调节电流调节旋钮，保证光电流不逸出即可，记下小灯电流值。
（2）无光照时，加上外加电压，光电管中仍有微弱的电流流过，称为暗电流。形成暗电流的主要原因是阴极在常温下的热电子发射，以及阴极和阳极之间的绝缘不良造成漏电。
（3）阳极和阴极材料不同引起不同的接触电势差。
由于上述因素，实验中所测得的光电管临界截止电压要比真正的临界截止电压值小。光电特性曲线也存在着截距 （理论上在 时， ），对此我们应加以分析。
（3）设有直线方程 ，根据所测数据用最小二乘法求出该直线的斜率 、截距 以及相关系数 ，由拟合的方程在（2）中的坐标纸上绘制光电管的 曲线，并作曲线分析。
六、注意事项
1．实验仪器在打开后要预热10分钟。
2．光源电流不得超过 ，如光源电流过大，容易烧坏灯泡。
3．注意光源与光电管的距离，应为光源与光电管阴极的初始距离加上暗箱滑板的读数的值（即 ）。
（3）研究光电管正向伏安特性。记下暗箱滑板距离 （一般取 左右，注意小灯泡与阴极间距 应为 ，并保持不变，调节电压调节旋钮，观察光电管加上正向电压时的伏安特性，然后使电压由 逐步降到 。每降低 （或 ）测读一次相应的光电流值，测量次数不少于 次。由于光电管的伏安特性为非线性曲线，因此，在非线性区域，测试点应多一些。
二、实验仪器
暗匣（内装光电管及小灯泡及米尺）；光电效应实验仪（包括 稳压电源、 可调稳压电源、 位数子电压表和电流表，分别指示光电管电压、光源电流和光电流、调节光电管电压的电位器、调小灯电流的可变电阻）。
三、实验原理
金属或金属化合物在光的照射下有电子逸出的现象，称为光电效应，或称为光电发射。产生光电发射的物体表面通常接电源负极，所以又称为光电阴极，光电阴极往往不由纯金属制成，而常用锑钯或银氧钯的复杂化合物制成，因为这些金属化合物阴极的电子逸出功远较纯金属小，这样就能在较小光照下得到较大的光电流。把光电阴极和另一个金属电极－阳极仪器封装在抽成真空的玻璃壳里就成了光电管。光电管在现代科学技术中如自动控制、有声电影、电视、以及光讯号测量等方面都有重要的应用。
（4）测临界截止电压。光电管电压为零时光电流不为零，这是因为电子在获得光子能量后就有了动能，仍能到达阳极形成电流。将光电管接线的极性对调，即在光电管两极加上反向电压，使光电管阳极为负电势，慢慢增大反向电压，记下使光电流刚好为零的电压值，即为临界截止电压。注意：这时指示的电流极性与实际电流极性相反。
（5）研究光电管在不同光强照射下的伏安特性，采用两种方法。
4
5
6
7
8
9
10
测量次数
（3）小灯电流 距离
测量次数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
测量次数
2．光电特性
极间电压 小灯电流
测量次数
1
2
3
4
5
6
7
89Leabharlann 102．用测得的数据作曲线
（1）在同一坐标纸上以光电流 为纵轴，加速电压 为横轴，绘制光电管的三条伏安特性曲线，并作曲线分析。
（2）在坐标纸上以饱和光电流 为纵轴，点光源到阴极距离的平方的倒数 为横轴，绘制光电管的光电特性曲线。（见下面）
7．仪器使用完后，将电压旋钮和光源电流调至最小，以免启动仪器时，电流过大烧坏灯泡。
七、教学后记
1．实验测量光电管伏安特性时，比书上要多一条曲线，这是因为实验中我们通过两种方式（改变光源电流和光源到光电管的距离）来改变照在光电管的光强，因此在检查预习和讲课中要提醒学生多画一个表格记录数据。
2．学生上学期理论课中已经对光电效应知识进行了学习，因此这个实验的授课多采用提问和讨论的方式，和学生共同探讨本实验的意义，以及光电管的伏安特性曲线的特点和物理解释。
4. 在研究伏安特性中，需确定光源电流值，应先将电压调至最大，再调光电源电流到达合适位置，以保证光电流不溢出。
5. 在研究光电特性中，选取饱和光电流的电压值最好不要选取拐点，因为拐点不稳定，一般选取饱和区域中间值，以确保能够获得饱和光电流。
6．在研究光电特性中，暗箱滑板从里往外拉，以保证光电流不溢出。
由于光电流从阴极表面逸出时具有一定的初速度 ，所以，当两极间电压为零时，仍有光电流 存在，若阳极 为低电势，则电子被减速。当减速电压加到某一值时，飞出的电子被遏制，光电流随之减少为零，此时的减速电压 称为临界截止电压（亦称遏止电压）。则有
由爱因斯坦光电效应方程有
上式说明临界截止电压与光的强度无光。
2．光电流与阴极表面光通量的关系
1905年爱因斯坦提出“光子”概念，光是由一些能量 的粒子组成的粒子流。按照光子理论，光电效应是光子与电子碰撞，光子把全部能量（ ）传给电子，电子获得的能量，一部分用来克服金属表面对它的束缚，另一部分成为该电子（光电子）逸出金属表面后的动能。根据能量守恒有
该式就是著名的爱因斯坦光电效应方程。由于一个电子只能吸收一个光子的能量，该式表明光电子的初动能与入射光的频率呈线性关系，与入射光子数无关。
（2）将光源放在离光电管较近的位置，通过拖动暗箱滑板，使光电管阴极逐渐远离光电管，记下暗箱滑板读数 （每次改变 或 ）及对应的饱和光电流值 。至少测读 组数据。
五、数据表格及数据处理
1．伏安特性
（1）初始距离 小灯电流 米尺读数
测量次数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
测量次数
（2）小灯电流 距离
测量次数
1
2
3
3．该实验仪器使用简单，因此学生都能成功顺利完成实验，在检查数据时要求他们粗略画出图象，回去后再用坐标纸描点。
4．在实验中最易出现的错误有：①测量数据时，没有关闭暗箱；②测量伏安特性时，同时改变光源电流和光源到光电管阴极间距，或在第二次测量时减小光源电流，第三次测量时减小光源到光电管阴极间距。
课 题光电管特性的研究
1．了解光电效应实验的基本规律和光的量子性；
教 学 目 的 2．测定光电管的伏安特性，研究光电流强度与加在光电管两极间电压的关系；
3．测定光电管的光电特性，研究光电流强度与照在光电管阴极上光通量的关系。
重 难 点 1．光电管的伏安特性和光电特性；
2．最小二乘法处理数据。
教 学 方 法 讲授、讨论、实验演示相结合。
实际上，实验中使用的点光源都不是理想的点光源，而具有一定的发光面积，但只要光电管与光源足够远，可以近似地把它看作点光源。