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:

21

2

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

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.

00()h W h

U e e e

ννν=

-=-

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。