光電效應測量普朗克常數 - 實驗報告 光電效應測量普朗克常數 - 實驗報告 PAGE 光電效應測量普朗克常數 - 實驗報告 綜合設計實驗報告 年級 ***** 學號 ***** * ****名稱****時間************ 結果 實驗問題 通過光學效應測量普朗克常數 實驗目的 1．通過實驗深入理解愛因斯坦的光電效應理論，了解光電效應的基本規律； 2． 2、掌握利用光電管研究光電效應的方法； 3.學習如何處理光電管的伏安特性曲線并用它來確定普朗克常數。 三、儀器設備 ZKY-GD-3 光電效應測試儀、汞燈及電源、濾色片（五個）、光圈（兩個）、光電管、測試儀 實驗原理 1、光電效應和愛因斯坦方程 當適當頻率的光照射在物體上時有些金屬表面，電子會從金屬表面逸出。 這種現象稱為光電效應，從金屬表面逸出的電子稱為光電子。 為了解釋光電效應現象，愛因斯坦提出了“光量子”的概念，認為對于頻率為 的光波，每個光子的能量為 其中 ，為普朗克常數，其普遍接受的值為 = 。 根據愛因斯坦的理論，光電效應的本質是，當光子和電子碰撞時，光子將其所有能量轉移給電子。 電子獲得的能量的一部分用來克服金屬表面的約束，其余的能量則成為光電子從金屬表面逃逸后的動能。 愛因斯坦提出了著名的光電方程： (1) 其中 是入射光的頻率， 是電子的質量， 是光電子逸出金屬表面的初速度， 是光照射到的金屬材料的功函數，并且是從金屬逸出的光電子的最大初始動能。
從式（1）可以看出，光入射到金屬表面的頻率越高，逃逸電子的動能越大。 因此，即使陰極不施加電壓，光電子也會落入陽極并形成光電流。 甚至陽極的電勢也高于陰極的電勢。 當電勢較低時，光電子也會落向陽極。 直到陽極電位低于一定值，所有光電子都無法到達陽極，光電流為零。 陽極相對于陰極的負電位稱為光電效應的截止電壓。 顯然物理資源網，將式(2)代入式(1)，即式(3)。 從上式可以看出，如果光電子能量高，則無法產生光電子。 光電效應發生的最低頻率通常稱為光電效應的截止頻率。 不同的材料有不同的功函數，因此也不同。 由于光的強度取決于光子的數量，因此光電流與入射光的強度成正比。 并且由于一個電子只能吸收一個光子的能量，因此光電子獲得的能量與光強無關，只與光子的頻率成正比。 將方程(3)改寫為(4)。 上式表明，截止電壓是入射光頻率的線性函數，如圖2所示，當入射光頻率為截止電壓時，沒有光電子逸出。 圖中直線的斜率是一個正常數： (5) 可見，我們只要用實驗方法在不同頻率下做出曲線，求出這條曲線的斜率，就可以通過方程計算出普朗克方程(5)常數。 其中 是電子的電荷。 U0-v直線 2、光電效應伏安特性曲線 下圖是利用光電管進行光電效應實驗的示意圖。 有頻率和強度的光照射在光電管的陰極上，即光電子從陰極逸出。
例如，如果在陰極K和陽極A之間施加正向電壓，則K和A之間建立的電場將加速光電子從光電管的陰極逃逸。 隨著電壓的增加，到達陽極的光電子會逐漸增加。 當正向電壓增加時，光電流達到最大值，不再增加。 這稱為飽和狀態，相應的光電流稱為飽和光電流。 光電效應原理圖。 由于光電子從陰極表面逸出時有一定的初速度，當兩極之間的電位差為零時，仍然存在光電流I。如果在兩極之間施加反向電壓，光電流就會減小。 ; 當反向電壓達到截止電壓時，光電流為零。 愛因斯坦方程源自理想狀態，其中相同的金屬用作陰極和陽極，并且陽極非常小。 事實上，用作陰極的金屬的功函數小于用作陽極的金屬，因此實驗中存在以下問題：（1）存在暗電流和背景電流，可以利用這些電流測量截止電壓（補償法）。 (2)陽極電流。 在制作光伏陰極時光電效應原理，陰極材料也會被濺射到陽極上，因此光入射到陽極上或從陰極反射到陽極，并且光電子也在陽極上發射，形成陽極電流。 由于它們的存在，I~U曲線較理論曲線向下移動，如下圖所示。 伏安特性曲線實驗步驟 1.調整儀器 (1)連接儀器； 連接電源，打開電源開關，充分預熱（不少于20分鐘）。 (2) 測量電路連接好后，無測量信號給出，將“調零”旋鈕旋至零位。 每次改變量程時，都必須重置零。
(3)拆下卡式光窗遮光罩，換上過濾器，拆下水銀燈光窗遮光罩，安裝遮光管，調整卡式與水銀燈的距離。 2. 測量普朗克常數 (1) 將電壓選擇鑰匙開關置于-2~+2V 量程，并將“電流量程”選擇開關置于A 量程。 斷開測試儀電流輸入線，調至零后重新連接。 (2) 在光電暗箱的輸入口上安裝直徑為4mm的光圈和彩色濾光片。 (3)由高到低調節電壓，用“零電流法”測量與波長對應的電壓，記錄數據。 (4) 依次更換濾色片，重復步驟(1)、(2)、(3)。 (5)測量三組數據，然后取平均值。 3、測量光電管伏安特性曲線 (1) 在暗盒光窗內安裝濾光片和4mm光闌，緩慢調節電壓旋鈕，使電壓輸出值從0V緩慢增加到30V，每1V記錄一個電流值。 但請注意電流值為零時的截止電壓值。 (2) 更換暗盒光窗上的濾光片，仍使用 4mm 孔徑，然后重復步驟 (1)。 (3) 選擇合適的坐標，繪制兩個孔徑下的光伏安培特性曲線U~I。 實驗記錄及處理 零電流法測量普朗克常數（孔徑Ф=2mm） 波長 λ（nm） 3654 頻率 ν（×） 截止電壓（V） 第一次 第二次 第三次 1,165 第一次測量結果及處理：第二次測量結果及處理： 第三次測量結果及處理： 補償法測量普朗克常數波長λ（nm）3654頻率ν（×）截止電壓（V）測量光電管伏安特性曲線（波長 λ=436nm 孔徑 Ф=2mm) U (V) I (×1011A) U (V) I (×1011A) U (V) I (×1011A) -2920- 誤差計算基于上圖，三次測量零電流法測量結果的誤差為：E1=%E2=%E3=% 補償法測量結果的誤差為：E=% 實驗分析與討論 本實驗中，采用不同的方法測量了普朗克常數，但也存在一定的差異。 實驗誤差，據分析，產生誤差的原因有： 1.暗電流的影響。 暗電流是光電管沒有受到光照射時產生的電流。 由于熱電子發射、光電管外殼漏電等原因造成； 2、背景電流的影響。 背景電流是由室內各種漫反射光進入光電管引起的。 它們都使得光電流不可能降至零并隨著電壓的變化而變化。
3、光電管生產過程中的影響：（1）由于制作光電管時經常將陰極材料濺射在陽極上，當入射光照射到陽極或從陰極漫反射到陽極時，陽極也有光電子發射，當陽極施加負電位，陰極施加正電位時，陰極發射的光電子減速，而陽極發射的電子加速，因此IU關系曲線相同IKA 和 UKA 曲線。 如圖所示。 為了準確確定截止電壓US，必須消除暗電流和反向電流的影響。 使得截止電壓US由I=0時的位置決定； 其他制造錯誤。 4、實驗者自身的影響：（1）不同的人從不同頻率的伏安特性曲線上讀出的“抬頭電壓”（截止電壓）是不同的，處理后得到的曲線也不同。不同的。 得到的值會不同； (2)調零時可能會出現誤差，原來的調零系統在測量時可能不再準確。 5、參考值本身具有一定的準確性，也存在一定的誤差。 6、理論本身存在一定的錯誤。 例如，1963年，雷迪等人利用激光進行光電發射實驗時，發現了偏離愛因斯坦方程的奇怪光電發射。 1968年，當Teich和Wolga用GaAs激光器發射的hn=光子照射功函數為A=的鈉金屬時，他們發現光電流與光強的平方成正比。 根據愛因斯坦方程，光子的頻率低于鈉的閥頻，不會有光電子發射。 然而，一個新現象出現了。 不僅是光電子發射，而且光電流不與光強成正比，而是與光強成正比。 與平方成正比。
因此，人們想象光子之間存在“合作”，兩個光子同時被電子吸收從而跨越表面能壘，稱為雙光子光電發射。 后來進一步的實驗表明，三個、多個、甚至40個光子可以同時被電子吸收而發射出光電子，這就是多光子光電子發射。 由此推斷，n個光子的光電發射過程的光電流似乎與光強度的n次方成正比。 附錄一、光電效應的歷史 光電效應由德國物理學家赫茲于1887年發現，在量子理論的發展中發揮了基礎性作用。 1887年，赫茲在一次證明波動理論的實驗中首次發現了它。 當時，赫茲發現，如果兩個鋅球之一受到紫外線照射，火花就很容易在兩個鋅球之間跳躍。 1900年左右，馬克斯·布蘭科(Max )對光電效應做出了原創性的解釋，并提出了光具有能量豐富的能量的理論()。 他將這一理論歸因于一個方程，即E=hf。 E是光的“包裹”能量，h是一個常數，統稱為布蘭科常數(')，f是光源的頻率。 換句話說，光能的強度是由其頻率決定的。 但就連布蘭科本人也不確定光線是否被包裹。 1902年，勒納（）也對其進行了研究，并指出光電效應是金屬中的電子吸收入射光的能量并從表面逃逸的現象。
但用當時的理論無法解釋； 1905年，愛因斯坦26歲，提出光子假說，成功解釋了光電效應，從而獲得1921年諾貝爾物理學獎。 他進一步推廣了布蘭科的理論，并推導出公式，Ek=hf-W，其中W是從金屬表面釋放電子所需的能量。 Ek 是電子自由后所具有的勢能。 2. 其他測量普朗克常數的方法 2 光電效應法（補償法、零電流法、拐點法） X 射線光電效應法 X 射線原子解離法 黑體輻射計算法 電子衍射法 康普頓波長位移法 短射線連續譜波長極限法 正電子對湮沒輻射法 1962 年提出的 AC 約瑟夫森效應法，測量 2e/h von 1980 年發現的量子霍爾效應，測量 h/e2 Keble 等人采用量子霍爾效應法等人。 1990年英國國家物理實驗室的直接測量h的通電電磁法利用磁化率測量普朗克常數（基于測量弱磁性材料磁化率的基本原理。使用大學使用的（Gouy）磁天平物理實驗）3、光電管安裝在暗盒內的原因是為了防止光線照射到陰極，從而降低光電管的使用壽命； 另一方面，當受到某一頻率的光照射時，會排出其他頻率的光干擾，提高測量精度。 因此，不測量時，應使用遮光罩遮住窗口。 4． 入射光的強度影響光電流的大小。 當某種光的頻率確定后，如果能在陰極板上引起光電效應光電效應原理，當光強增加時，即單位時間內光子的數量增加，那么被激發的電子數量就會增加，因此光電流會增加。 當某種光的頻率不足以使陰極板產生光電效應時，光強度的增加或減少對光電流沒有影響，因為自始至終不會有光電流。