光电效应测普朗克常量

实验题目：光电效应法测普郎克常数

实验目的：了解光电效应的基本规律，并用光电效应方法测量普朗克常量和测定光电管的光电特性曲线

实验仪器：光电管、滤波片、水银灯、相关电学仪器

实验原理：当光照在物体上时，光的能量仅部分地以热的形式被物体吸收，而另一部分则转换为物体中某

些电子的能量，使电子逸出物体表面，这种现象称为光电效应，逸出的电子称为光电子。在光电效应中，光显示出它的粒子性质，所以这种现象对认识光的本性，具有极其重要的意义。

光电效应实验原理如图所示。其中S 为真空光电管，K 为阴极，A 为阳极。当无光照射阴极时，

由于阳极与阴极是断路，所以检流计G 中无电流流过，当用一波长比较短的单色光照射到阴极K 上时，形成光电流，光电流随加速电位差U 变化的伏安特性曲线如图所示

1、光电流与入射光强度的关系

光电流随加速电位差U 的增加而增加，加速电位差增加到一定量值后，光电流达到饱和值

和值I H ，饱和电流与光强成正比，而与入射光的频率无关。当U= U A -U K 变成负值时，光电流迅速减小。实验指出，有一个遏止电位差U a 存在，当电位差达到这个值时，光电流为零。

2、光电子的初动能与入射频率之间的关系

光电子从阴极逸出时，具有初动能，在减速电压下，光电子逆着电场力方向由K 极向A 极

运动。当U=U a 时，光电子不再能达到A 极，光电流为零。所以电子的初动能等于它克服电 场力作用的功。即

a eU mv 2

2

1

根据爱因斯坦关于光的本性的假设，光是一粒一粒运动着的粒子流，这些光粒子称为光子。

每一光子的能量为hv =ε，其中h 为普朗克常量，ν为光波的频率。所以不同频率的光波对应光子的能量不同。光电子吸收了光子的能量h ν之后，一部分消耗于克服电子的逸出功A ，另一部分转换为电子动能。由能量守恒定律可知

A mv hv +=

2

2

1 （2）

式（2）称为爱因斯坦光电效应方程。

由此可见，光电子的初动能与入射光频率ν呈线性关系，而与入射光的强度无关

3、光电效应有光电存在

若用频率不同的光分别照射到K 上，将不同的频率代入光电效应方程，任取其中两个就可以解

出 j

i j i v v U U e h --=

)(

其中光的频率

应大于红限

h

A 0

，否则无电子逸出。根据这个公式，结合图象法或者平均值

法就可以在一定精度范围内测得h 值。

实验中单色光用水银等光源经过单色滤光片选择谱线产生；使用交点法或者拐点法可以确定较

准确的遏止电位差值。

实验内容：1、在光电管入光口装上365nm 的滤色片，电压为-3V ，调整光源和光电管之间的距离，直到电

流为μA ，固定此距离，不需再变动；

2、分别测365nm,405nm,436nm,546nm,577nm 的V-I 特性曲线，从-3V 到25V ，拐点出测量间 隔尽量小；

3、装上577nm 滤色片，在光源窗口分别装上透光率为25%、50%、75%的遮光片，加20V 电压， 测量饱和光电流Im 和照射光强度的关系，作出Im-光强曲线；

4、作Ua-V 关系曲线，计算红限频率和普朗克常量h ，与标准值进行比较。

注意事项：a 、严禁源直接昭般光窗口，每次换滤色片时，心定要把出光口盖上。

b 、严禁用手摸光学镜头表面。

c、小心轻放镜片，不要把镜头摔坏。

原始数据：光波长为365nm时，电流和电压间的关系如下表

光波长为405nm时，电流和电压间的关系如下表

光波长为436nm时，电流和电压间的关系如下表

光波长为546nm时，电流和电压间的关系如下表

光波长为577nm时，电流和电压间的关系如下表

20V电压时，577nm下滤光片饱和光电流和照射光强的的关系为

数据处理与误差分析：

根据上面五个波长下电压与电流的关系画出伏安特性曲线

图一365nm 光下光电管的伏安特性曲线

图二405nm 光下光电管的伏安特性曲线

图三436nm 光下光电管的伏安特性曲线

图四546nm 光下光电管的伏安特性曲线

图五577nm 光下光电管的伏安特性曲线

根据以上五个图，利用拐点法可确定在不同光频率下的遏止电压差值，列表如下：

λ/nmν/1014 Hz|Ua|/V

365

405

436

546

577

由此作出频率-遏止电压图，用直线拟合：

从origin 中可以看出，直线斜率为k=,直线在X 轴上截距为x 0=×1014Hz 由公式

k e

h

=，算得s J h ⋅⨯=-)1034.6(34 由公式A h =0ν，算得J A )1091.2(19

-⨯=

普朗克常量误差为%31.4=η

对于光电流和光强度的关系，可以作出下图

由图表可得，在误差许可范围内，光饱和电流和光强度成正比。

ν / 1014 Hz

本实验产生误差的原因有：

1、电学仪器示数不稳定造成读数误差；

2、读数过程中对拐点的判断和作图均有误差；

3、存在阳极光电效应引起的反向电流。

最终结论：普朗克常量为 s J h ⋅⨯=-)1034.6(34

逸出功为 J A )10

91.2(19

-⨯=

红限为 Hz )1059.4(14

0⨯=ν