光电效应

光电效应光的干涉、衍射现象表明光具有波动性，光电效应表明光具有粒子性。

关于光的波动性和粒子性并存的性质，称之为波粒二象性。

一切涉及到普朗克常数的物理现象皆为量子现象。

因此，普朗克常数是一个十分重要的物理常数。

实验目的1．通过实验了解光的量子性。

2．利用爱因斯坦方程，测定普朗克常数。

实验原理及方法金属表面在光照射下释放电子的现象称为光电效应。

光的波动性无法解释光电效应。

1905年爱因斯坦提出了光量子假说，成功地解释了光电效应。

他认为光束是由能量E =hv 的光量子聚集而成，h 是普朗克常数，ν是光频率。

在光与金属相互作用时，光子带着能量hv 穿过金属表面，金属中电子吸收光子能量后，一部分用于克服逸出金属表面所需的能量E 0（逸出功W ），剩余的能量(hv —W ϖ)成为光电子的初动能212m hv W υ=- （1） 式中m 是电子的质量，υ是光电子逸出金属表面时的初速度。

这就是著名的爱因斯坦光电效应方程。

由于金属中电子的能量具有一定的分布，不同能量的电子吸收光子的概率也不相同，以及电子在向金属表面运动过程中能量损失也不尽相一致等原因，故逸出光电子的动能具有一定的分布。

从金属中逸出时不因碰撞而损失能量时的光电子的动能，就是光电子的最大初动能。

式（1）表明只有ν≥0W v h=时，才能使光电子逸出金属表面。

0v 称为截止频率，它取决于金属材料的逸出功。

不同材料有不同的截止频率。

一般碱金属的逸出功较低，故常用于光效应实验。

实验线路如图1所示，单色光从光电管的窗口入射到阴极K 上，从K 发射光电子向阳极A 运动，在外电路形成光电流。

若在阳极上加一相对于阴极为正的电压，在光电管内形成加速电场，光电流随正向电压的增大而迅速增加，直至所产生的光电子全部到达阳极。

此时光电流达到饱和。

如果在阳极上加一相对于阴极为负的反向电压U ，则在光电管中形成一个阻止光电子运动到阳极的电场。

因而，使从阴极逸出的光电子中只有那些动能221mv 大于eU 的光电子才能运动到阳极而被收集。

逐渐增大反向电压U ，就会阻止更多的光电子到达阳极，使光电流逐渐减小。

当反向电压达到使具有最大初动能的光电子也被阻止，即212eU mv =，光电流为“0”，此时的电压称为截止电压s U ，如图2所示，为光电管的伏－安曲线。

由式（1）有s eU hv W =- （2）对于材料已定的光电管来说，逸出功W 是一个常量，所以截止电压s U 和光照频率v 成线性关系。

如图3所示，直线斜率e h /。

电子电量是已知的，从而求出普朗克常数h 。

图1 图2图3 图4 实验中，可用不同频率的光照射光电管，作出不同频率光照射下光电管的伏－安特性曲线，求出截止电压。

以光频率v 为横坐标，以相应的截止电压U s 为纵坐标，作U s ～ v 图，如果图线是直线，则验证了爱因斯坦方程，并由直线斜率求出h 。

但是，实际测得的U I ~图线要复杂的多，这是由于光电管在光照下还伴有暗电流、本底电流及反向电流的缘故。

光电管没有受到光照时，在外加电压下仍有微弱的电流流过，称之为暗电流，它是由于光电管管壳漏电，热电子发射等原因造成的。

本底电流是由于室内各漫反射光射入光电管所致，无光照时的伏安特性，从实测看来基本上接近于线性。

反向电流由阳极的光电子发射引起。

当光照到阳极A 上或由阴极K 漫反射到A 上时，致使阳极发射电子。

当加上反向电压时，由于它对阳极发射的电子起加速作用而形成反向电流。

由于以上三种电流的存在，实测光电管的I ～U 曲线如图4实线所示，它在横轴的截距为－U s ’。

当U =－U s ’时，则阴极电流（包括暗电流、本底电流与光电子流）正好等于从阳极逸出的电子流（反向电流），故光电管总输出电流为零。

当U >－U s ’时，随着外加电压的增加，阴极电流迅速上升，它在总电流中占绝对优势，故I～U曲线逐步接近光电管的理想I～U曲线（图中用点划线表示）。

当U <－U s时，阳极电流（图中用虚线表示）逐渐占优势并趋向饱和。

显然，阳极电流越小，而阴极电流上升的越快，则－U s’越接近于－U s。

此外，如果光电管的阳极电流较为缓慢地达到饱和，那么反向电流开始饱和时的拐点电位－U s’’也不等于－U s，阳极电流越是容易饱和，则－U s’’越接近于－U s。

实验时选择－U s’作为－U s的称为交点法，选择－U s’’作为－U s的称为拐点法。

本实验用拐点法选择－U s。

拐点法时－U s’’不是光电流为零的点，而是实测曲线（实线）中直线部分和曲线部分相接处的点，称为“抬头点”，此曲线开始“抬头”的拐点所对应的横坐标值才是U S。

仪器构造及使用GP－1A型普朗克常数测定仪包括四部分，其实物如图5所示。

图51—高压汞灯2—滤色片3—光电管及暗盒4—微电流测量放大器1. 光源采用GGQ－50WHg型高压汞灯。

在302.0～872.0 nm的谱线范围内有365.0nm、404.7nm、435.8nm、491.6nm、546.1nm、577.0nm等谱线可供实验使用。

2. NG型滤色片是一组外径为ϕ36mm的宽带通型有色玻璃组合滤色片。

它具有滤选365.0nm、404.7nm、435.8nm、491.6nm、546.1nm、577.0nm等谱线的能力。

3. GDH－1型光电管阳极A为镍圈，阴极K为Ag－O－K材料、光谱范围340～700nm，光窗为无铅多硼硅玻璃，最高灵敏波长是（410±10）nm，阴极光灵敏度约为1μA/lm，暗电流约为10－12A。

为了避免杂色光和外界电磁场对微弱光电流的干扰，光电管装在铅质暗盒中，暗盒窗口内安装有ϕ36mm的各种带通滤色片。

4. GP－1型微电流测量放大器电流测量范围在10－5～10－13A，分六档十进制变换，机内附有稳定度≤1‰、－3V～3V 精密连续可调的光电管工作电源。

电压量程分0～±1V～±2V～±3V六段读数，读数精度为±0.02V，放大器与光电管间用50Ω屏蔽电缆相连，可连续工作8h以上。

实验内容1. 测试准备1.1 开机准备按图5将光源、光电管暗盒及微电流测量放大器依次放好，暗盒离开光源30～50cm，暂不连线。

用遮光罩盖住光电管暗盒光窗，将微电流测量放大器面板上的各个开关旋钮分别置于下列位置：“倍率”置于“短路”；“电流极性”置于“－”；“工作选择”置于“直流”；“扫描平移”任意；“电压极性”置于“－”；电压量程置于“－3”；“电压调节”逆时针旋至最小。

1.2 开机预热打开微电流测量放大器电源开关，预热20～30min；在光电管暗盒光窗上装入ϕ5mm的光阑（若已装好请不要拿下）；打开光源开关，预热汞灯。

1.3 调整微电流测量放大器的“零点”和“满度”待微电流测量放大器充分预热后，先调零点后校满度。

校满度时，先把“倍率”旋钮旋至“满度”档，如指针不在满度（100μA）位置，可旋动“满度”旋钮，使指针处于满度。

然后旋动“倍率”旋钮至“零点”，若不指零则略作调零。

1.4 接线连接好光电管暗盒与微电流测量放大器之间的屏蔽电缆、地线和阳极电源线。

2. 测试2.1 观察暗电流遮光罩仍然盖住窗口，放大器“倍率”旋钮置于“10-7”或“10-6”档，顺时针旋转“电压调节”旋钮，合适地改变“电压量程”和“电压极性”开关，读出相应的电压和暗电流值（电流值=倍率×电表读数×1μA）。

可不作记录。

2.2 让光源出射孔对准暗盒窗口，并使暗盒距离光源约30～50cm，取下遮光罩换上滤色片。

微电流测量放大器“倍率”置于“10－7”或“10－6”档，“电压调节”由－3V或－2V 调起，缓慢地增加电压，“电压极性”、“电流极性”作相应变化。

观察电流变化情况，记下电流明显变化的电压值，以便精测。

2.3 在粗测的基础上进行精测记录，在对应电流剧变的电压值附近要多测几个值。

2.4 从短波长起，逐个更换滤色片，重复上述2.2～2.3的实验内容，仔细测出在不同频率入射光照射下的光电流。

每个滤色片至少读取15组数据。

2.5 在方格纸上作出不同波长的I—U图线，找出曲线的“拐点”，确定相应的截止电压U S（－U S’’），作U S～v图线，利用图线求出h和光电子的最大动能。

注意事项1. 更换滤色片时，应先将光源的出射光孔盖住。

实验完毕，用遮光罩盖住光电管暗盒的进光窗，以避免强光直接照射阴极，缩短光电管寿命。

2. 在更换滤色片时，还应注意避免污染。

且务必将滤色片平正地放人盒内，以免不必要的折光所引起的实验误差。

3. 光源与光电管暗盒之间的距离，宜取30～50cm，从光源出光孔射出的光，必须直接射向光电管阴极，为此可调节暗盒，但测量过程中不要移动光源或光电管，以保持二者相对位置不变。

为了避免光线直射阳极，若测试时光窗已装入ϕ5mm的光阑，请不要取下。

4. 本实验虽然不必在暗室中进行，但在安装仪器装置时，光电管人射窗口请勿面对其它强光源（如窗口），以免杂散光干扰。

而且仪器不宜在强磁场、强电场、强振动、高湿度和强幅射环境下工作。

5. 测量放大器必须充分预热，测量方能准确。

连线时务请先接好地线再接讯号线。

切勿使电压输出端与地短路，以免烧坏电源。

讨论题1. 在I－U图线上，为什么电流开始非线性变化的拐点对应的电压是截止电压?2. 思考一下，改用什么样的实验装置和实验手段，可以避免暗电流、本底电流的影响，并使反向电流能忽略不计?3. 为了减少测量h值的系统误差，分析在什么条件下用“拐点法”确定U s?什么条件下用“交点法”确定U s?。