实验报告_光电效应实验

南昌大学物理实验报告
学生姓名： 学号： 专业班级:材料12４班 实验时间：10时０0分 第十一周 星期四 座位号：2８ 一、 实验名称: 光电效应 二、 实验目的:
１、通过实验深刻理解爱因斯坦的光电效应理论，了解光电效应的基本规律; 2、掌握用光电管进行光电效应研究的方法;
3、学习对光电管伏安特性曲线的处理方法,并用以测定普朗克常数。

三、实验仪器：
光电效应测试仪、汞灯及电源、滤色片、光阑、光电管、测试仪 四、实验原理:
１、 光电效应与爱因斯坦方程
用合适频率的光照射在某些金属表面上时，会有电子从金属表面逸出，这种现象叫做光电效应,从金属表面逸出的电子叫光电子。

为了解释光电效应现象，爱因斯坦提出了“光量子"的概念，认为对于频率为γ的光波,每个光子的能量为E h ν=,其中 h ＝6.62６
s J ⋅⨯-3410为普朗克常数。

按照爱因斯坦的理论,光电效应的实质是当光子和电子相碰撞时,光子把全部能量传递给电子,电子所获得的能量，一部分用来克服金属表面对它的约束，其余的能量则成为该光电子逸出金属表面后的动能。

爱因斯坦提出了著名的光电方程:
21
2h m W νυ=+ (1)
式中,
为入射光的频率,m 为电子的质量，
为光电子逸出金属表面的初速度，W 为被
光线照射的金属材料的逸出功,1/2mv 2
为从金属逸出的光电子的最大初动能。

由（1）式可见，入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子动能必然也越大，所以即使阴极不加电压也会有光电子落入阳极而形成光电流，甚至阳极电位比阴极电位低时也会有光电子落到阳极,直至阳极电位低于某一数值时,所有光电子都不能到达阳极,光电流才为零.这个相对于阴极为负值的阳极电位0U 被称为光电效应的截止电压。

显然，有
ｅu ０－１/2m ｖ2
=０ (2） 代入上式即有
0h eU W ν=+ （3） 由上式可知，若光电子能量h ＋
Ｗ,则不能产生光电子。

产生光电效应的最低频率是
０
＝W ／ｈ，通常称为光电效应的截止频率。

不同材料有不同的逸出功，因而
也不同.由
于光的强弱决定于光量子的数量，所以光电流与入射光的强度成正比。

又因为一个电子只能吸收一个光子的能量，所以光电子获得的能量与光强无关,只与光子的频率
成正比，,
将（３）式改写为
上式表明, 截止电压0U 是入射光频率
的线性函数，如图2,当入射光的频率
＝
时，截止电压00=U ,没有光电子逸出。

图中的直线的斜率k=h/e 是一个正的常数：
ek h = （5）
由此可见，只要用实验方法作出不同频率下的U 0-曲线，并求出此曲线的斜率，就可
以通过式（5）求出普朗克常数h 。

其中C e 191060.1-⨯=是电子的电量。

1. 光电效应的伏安特性曲线
图3是利用光电管进行光电效应实验的原理图。

频率为
、强度为P 的光线照射到光
电管阴极上，即有光电子从阴极逸出。

如在阴极K 和阳极A 之间加正向电压AK U ，它使K 、A 之间建立起的电场对从光电管阴极逸出的光电子起加速作用，随着电压AK U 的增加，到达阳极的光电子将逐渐增多。

当正向电压AK U 增加到m U 时,光电流达到最大,不再增加，此时即称为饱和状态，对应的光电流即称为饱和光电流.
由于光电子从阴极表面逸出时具有一定的初速度,所以当两极间电位差为零时,仍有光电流I 存在，若在两极间施加一反向电压，光电流随之减少；当反向电压达到截止电压时，光电流为零。

图4 入射光频率不同的Ｉ—U 曲线 图5 入射光强度不同的I —U 曲线
爱因斯坦方程是在同种金属做阴极和阳极，且阳极很小的理想状态下导出的。

实际上做阴极的金属逸出功比作阳极的金属逸出功小,所以实验中存在着如下问题:
暗电流和本底电流。

当光电管阴极没有受到光线照射时也会产生电子流，称为暗电流。

它是由电子的热运动和光电管管壳漏电等原因造成的。

室内各种漫反射光射入光电管造成的光电流称为本底电流。

暗电流和本底电流随着Ｋ、A 之间电压大小变化而变化。

阳极电流。

制作光电管阴极时,阳极上也会被溅射有阴极材料,所以光入射到阳极上或由阴极反射到阳极上，阳极上也有光电子发射,就形成阳极电流.由于它们的存在，使得
00()h W h
U e e e
ννν=
-=-
实际I～Ｕ曲线较理论曲线下移，如图6。

图6 伏安特性曲线
由于暗电流是由阴极的热电子发射及光电管管壳漏电等原因产生,与阴极正向光电流相比，其值很小，且基本上随电位差U呈线性变化，因此可忽略其对遏止电位差的影响。

阳极反向电流虽然在实验中较显著,但它服从一定规律。

因此，确定遏止电位差值可采用以下两种方法：
⑴ 交点法
光电管阳极用逸出功较大的材料制作，制作过程中尽量防止阴极材料蒸发,实验前对光电管阳极通电,减少其上溅射的阴极材料，实验中避免入射光直接照射到阳极上，这样可使它的反向电流大大减少,其伏安特性曲线与图5十分接近，因此曲线与U轴交点的电位差值近似等于遏止电位差U
，此即本实验采用的交点法(或零电流法)。

⑵拐点法
光电管阳极反向电流虽然较大，但在结构设计上，若使反向光电流能较快地饱和,则伏安特性曲线在反向电流进入饱和段后有着明显的拐点，如图6中虚线所示的理论曲线下
移为实线所示的实测曲线,遏止电位差U
０也下移到U'
０
点.因此测出Ｕ’
点即测出了理论值U
０。

五、实验内容及步骤:
1、调整仪器
(1）连接仪器；接好电源,打开电源开关，充分预热（不少于2０分钟）。

（2)在测量电路连接完毕后,没有给测量信号时,旋转“调零"旋钮调零。

每换一次量程,必须重新调零。

(3)取下暗盒光窗口遮光罩,换上3６5。

０nm滤光片,取下汞灯出光窗口的遮光罩，装好遮光筒，调节好暗盒与汞灯距离。

2、测量普朗克常数h
（１) 将电压选择按键开关置于–２~＋２V 档,将“电流量程”选择开关置于 Ａ
档。

将测试仪电流输入电缆断开,调零后重新接上。

(2) 将直径为4mm 的光阑和3６5．０nm 的滤色片装在光电管电暗箱输入口上. （3) 从高到低调节电压,用“零电流法”测量该波长对应的0U ，并数据记录。

（4） 依次换上405nm 、４36n ｍ、５46ｎm 、５７7nm 的滤色片,重复步骤（1)、(2)、（3）。

（5） 测量三组数据，然后对h 求平均值。

３、测量光电管的伏案特性曲线：
（1）暗盒光窗口装3６5nm 滤光片和４mm 光阑，缓慢调节电压旋钮，令电压输出值缓慢由0V 伏增加到30V ，每隔1V 记一个电流值.但注意在电流值为零处记下截止电压值。

（2）在暗盒光窗口上换上5７7n ｍ滤光片，仍用4mm 的光阑,重复步骤(1）。

(３）选择合适的坐标,分别作出两种光阑下的光电管伏安特性曲线U ～I 。

4、探究饱和电流与光通量、光强的关系
⑴控制电压U ＝3０.0V,波长为３6５nm ，L=4０0nm 时,记录光阑孔分别为２、４、8⑵控制电压U=３０。

0V ，波长为3６５nm ，光阑孔为2ｎm 时,记录距离L 分别为30０ｎm 、350nm 、400mm 时的电流。

六、数据记录与处理：
表一 Ｕ—V 关系
波长λ（nm ） 365 4
频率V （10１4HZ ） 8．2１4
７.408
6。

８７9 5．４9０ ５.196
截止电压U （V) —１。

81５
—１.4９8
－１．３03
—0．73２
－0.６
0３
2
4
6
8
10
-3
-2
-1
1
###
Y A x i s T i t l e
X Axis Title
B
计算普朗克常量: 当利用不同频率ν的单色光分别作光源时, 可以测出不同频率下的
遏止电位U ａ.作出U ａ与ν的曲线，测曲线的斜率K 为K ＝h /ｅ =∆U／∆v
-3
3
6
9
12
15
18
21
24
27
30
33
50
100
150
200
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Y A x i s T i t l e
X Axis Title
1、微电流测量仪和汞灯的预热时间必须长于２0分钟,连线时务必先接好地线,后接信号线。

切勿让电压输出端A 与地短路，以免损坏电源。

微电流测量仪每改变一次量程，必须重新调零。

2、微电流测量仪与暗盒之间的距离在整个实验过程中应当一致。

3、注意保护滤光片，勿用手触摸其表面，防止污染. ４、实验结束时应盖上光电管暗合遮光盖和汞灯遮光盖！。