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 =6.626s 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：

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h m W νυ=+ （1） 式中，ν为入射光的频率，m 为电子的质量，υ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 0-1/2mv 2=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+ν

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ν成正比，，将（3）式改写为

上式表明, 截止电压0U 是入射光频率ν的线性函数，如图2，当入射光的频率ν=ν0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-ν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ν、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’

点。因此测出U’

点即测出了理论值

U

。

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

U，并数据记录。

（4）依次换上405nm、436nm、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577nm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、8时的电流。

⑵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：