光电效应(1)

引
言
如今，光电效应是有广泛应用前景的一种物理效应， 2011年，美国麻省理工学院研发了一种新型透明光电管， 可将普通的窗户玻璃“变身”太阳能电池板，而且不影 响光线通透。研究人员理查德 兰特（Richard Lunt） 表示：“光电管有朝一日会把摩天大楼变成巨型的太阳 能收集器。我们相信这一产品具有巨大的潜力。”光电 管不仅应用于太阳能电池，还应用于各种自动化控制, 光纤通讯中。光电管在自动化控制中起到开关的作用， 动作非常迅速灵敏，街道的路灯自动控制开关就是其应 用之一。它在通讯领域中起到实现光电转换的作用。
S
普朗克常数的测量：
实验仪器
ZKY-GD-3光电管
ZKY-GD-3-50WHg仪器用高压汞灯
ZKY-GD-3型微电流测试仪
实验仪器
滤色片:
这是一组宽带通型有色玻璃组合滤色片,具 有滤选3650A , 4047A, 4358A, 5461A 和5770A 等谱线的能力。
实验内容 一、仪器的调整 1．仪器的预热 （1）将光电管暗箱和汞灯的遮光盖盖上，接通汞灯及测试 仪电源，预热20分钟。
R.密粒根
1912-1915年间，密立根以卓越的研究方法和精 湛的实验技术，检验了爱因斯坦1905年提出的光电 效应公式。于1916年发表论文证实了爱因斯坦方程 的正确性，并直接运用光电方法对普朗克常数h作 了首次测量。
实验原理 普朗克常数的测量：
截止频率 v 0：根据爱因斯坦方程，只有当 hv W才会有光电子发射，即 v 0 值随金属种类不同而不同 ）。 v0 W h （ 截止频率为 反向遏止电压 U S：使光电流为零而在光电管两端所加的反向电压（如图 2所示），显然，反向遏止电压的物理含义为 1 mV 2 eU S 2
实验原理 爱因斯坦光量子理论：
爱因斯坦受普朗克量子假设的启发，提出了光量子假设，当 光子照射金属时，金属中的电子全部吸收光子的能量hv，电子 把光子能量的一部分变成它逸出金属表面所需的功W，另一部分 转化为光电子的动能，即：
hv 1 mV 2 W 2
——爱因斯坦方程
爱因斯坦光量子理论圆满地解释了光电效应的各条实验规律。
I
G U
Im
光强较大
光强较小
（频率相同）
US
图1光电效应实验原理图
0
U
图2 I－U 特性曲线
实验原理 普朗克常数的测量： 根据
hv 1 mV 2 W 2
US h v v0 e
v0 W h
1 mV 2 eU S 2
上式说明 U S与入射光频率 v 成直线关系，实验中可用不同频率的 入射光照射，分别找到相应的遏止电压 U S ，就可作出 U S v 的实验 直线，此直线的斜率就是 k h e 则普朗克常数
物理实验中心
光电效应和普朗克常数的测量
1900年德国物理学家普朗克（ Plank） 在研究黑体辐射时提出了辐射能量不连续的 假设。 普朗克常数：
M.普朗克
h 6.62606957 10
34
J s
爱因斯坦（Albert Einstein, 1879-1955）因在理论物理方面的成就， 尤其是发现了光电效应的规律，获得了 1921年度的诺贝尔物理学奖。 爱因斯坦光电效应方程：
（2） 逆时针缓慢调节“电压调节”旋钮，使测量 起始电压为-1.990V，测量从 -2V～+2 V不同电压下 相应的电流值（电流值＝倍率×电流表读数）。此时 所测的电流为光电管的暗电流。 2．测量光电管的伏安特性曲线 （1）将光电管暗箱和汞灯的遮光盖盖上，将“电压选择” 按键置于-2V～+2V挡，“电流量程”选择开关置于10-13挡位。
A.爱因斯坦
1 hv mV 2 W 2
引
言
光电效应是指一定频率的光照射在金属表面时会有电子从 金属表面逸出的现象。 光电效应实验对于认识光的本质及早期量子理论的发展，具 有里程碑式的意义。 1887年赫兹在用两套电极做电磁波的发射与接收的实验中， 发现当紫外线照射到接收电极的负极时，接收电极间更易于产生 放电。1899—1902年赫兹的助手勒纳系统地研究了光电效应，发 现光电效应的主要实验结果是无法用经典理论来解释的。1900年 德国物理学家普朗克（ Plank）在研究黑体辐射时提出了辐射能 量不连续的假设。1905年爱因斯坦在总结了勒纳实验结果的基础 上，结合普朗克的量子假说，提出了基于光量子假设的著名的光 电效应方程，成功地解释了光电效应的实验结果。爱因斯坦因为 在理论物理，特别是光电效应理论方面的成就获得1921年的诺贝 尔物理学奖。
h k e
。这就是密立根验
v0 由该直线与横轴的交点，可求出“红限”频率 证爱因斯坦光电效应方程的主要实验思想。
实验原理 这是由于在实验进行时，光电管 中还伴有两个现象，即阳极的光电子 注： 发射和暗电流。阳极的光电子发射是 实际测量的光电 阳极材料在光照下发射的光电子，对 管伏安特性曲线如图3 这些光电子而言，外加反向电场是加 I 所示。 速电场，因此它们很容易到达阴极， Im 形成反向电流。暗电流则是在无光照 射时，外加反向电压下光电管流过的 实验曲线 微弱电流。由于这两个因素的影响， 暗电流 U 实验中实测的I—U特性曲线往往如图 S U 3所示。曲线的下部转变为直线，转 0 变点a(抬头点)对应的外加电压值才 a U 是遏止电压。 图3 I－U实验曲线
选择开关置于10-13挡位，仪器在充分预热后，进行测试
前调零，旋转“电流调零”旋钮使“电流表”指示为 000.0。 （2）用高频匹配电缆将光电管暗箱电流输出端K与测试仪 微电流输入端（后面板上）连接起来。
实验内容 二、测量普朗克常数 h 1．测量光电管的暗电流
（1）将“电压选择”按键置于 -2～+2V挡。
（2）将汞灯光输出口对准光电管光输入口，调整光电管与
汞灯距离约为40cm并保持不变。 （3）将测试仪电压输出端（后面板上）与光电管暗箱电压 输入端连接起来（红—红，蓝—蓝）。 注意： 如果点亮的汞灯熄灭，那么需经10-20分钟 冷却后才能再开。
实验内容 一、仪器的调整 2． 测试仪的调零 （1）将光电管暗箱和汞灯的遮光盖盖上，“电流量程”
实验目的
1．了解光电效应的规律，加深对光的量子性的理解。
2．测量光电管的弱电流特性，找出不同频率光的截止电压。 3．理解爱因斯坦光电效应方程，计算普朗克常数。 4．学习使用计算机制图软件，完成实验数据曲线的绘制。
实验原理 光电效应： 当一定频率的光照射到某些金属表面上时，可以使电子从 金属表面逸出，这种现象称为光电效应，所产生的电子称为光 电子。 光电效应的实验规律： （1）饱和光电流与入射光强成正比；(频率相同） （2）光电效应存在一个截止频率 v 0 ，当入射光的频率 v v0时， 不论光的强度如何都没有光电子产生； （3）光电子的初动能与光强无关，而与入射光的频率成正比； （4）只要 v v0 ，无论光强如何，都会立即引起光电子发 t 10 9 s。 射， 对于这些实验事实，经典的波动理论无法给出圆满的解释。
数据处理 一、绘制曲线 在计算机上使用绘图软件（如：Origin 7.0、 Excel 、 Advanced Grapher 等）将测得数据输入计算机，使曲线显 示在计算机上，调整坐标使显示比例适当。观察曲线形状和 抬头点随波长变化的趋势，由此确定5种不同频率的照射光所
对应截止电压值。
参考表格：
型 号 365 405 436 546 577
实验内容 二、测量普朗克常数 h
（2）取下光电管暗盒上的遮光盖，换上滤光片。将“电压
调节”从-1.990 V调起，缓慢增加，先观察一遍不同滤色片下 的电流变化情况，记下电流偏离零点发生明显变化的电压范围， 以便多测几个实验点。 （3）在粗略测量的基础上进行精确测量并记录。从短波长 起小心地逐次更换滤色片（切忌改变光源和光电管暗箱之间的 相对位置），仔细读出不同频率入射光照射下的光电流随电压 的变化数据，并列表记录数据。
选用波长（A）
频率×1014（Hz）
3650
8.22
4047
7.41
4358
6.88
5461
5.94
5770
5.20
截至电压US（V）
数据处理 二、最小二乘法
根据最小二乘法求出直线方程 U S a k
1.求解（1）普朗克常数 h.计算不确定度、表达实验结果。