光电效应实验

光 电 效 应

光电效应 当光束照射到某些金属表面上时, 会有电子从金属表面即刻逸出,这种现象称为“光电效应”。1905年爱因斯坦圆满地解释了光电效应的实验现象，使人们进一步认识到光的波粒二象性的本质,促进了光的量子理论的建立和近代物理学的发展,爱因斯坦因此获得了1921年的诺贝尔奖。现在利用光电效应制成的各种光电器件(如光电管、光电倍增管、夜视仪等)已经被广泛应用于工农业生产、科研和国防等领域。 [实验目的]

1.加深对光的量子性的认识;

2.验证爱因斯坦方程,测定普朗克常数; 3.测定光电管的伏安特性曲线。 [ 实验原理]

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。根据爱因斯坦的光电效应方程有 hν=1/2 mvm2+ W (1)

其中ν为光的频率,h为普朗克常数,m和vm是光电子的质量和最大速度,W为电子摆脱金属表面的约束所需要的逸出功。

按照爱因斯坦的光量子理论:频率为ν的光子具有能量hν,当金属中的电子吸收一个频率为ν的光子时,便获得这个光子的全部能量。如果光子的能量hν大于电子摆脱金属表面的约束所需要的逸出功W,电子就会从金属中逸出,1/2mvm 是光电子逸出表面后所具有的最大动能;光子能量 hν小于W时,电子不能逸出金属表面,因而没有光电效应产生。能产生光电效应的入射光最低频率ν0,称为光电效应的截止(或极限)频率。由方程(1)可得

v0=W/h (2)

不同的金属材料有不同的逸出功, 因而ν0也是不同的。

利用光电管可以进行研究光电效应规律、测量普朗克常数的实验,实验原理可参考图1。图中K为光电管的阴极,A为阳极,微安表用于测量微小的光电流, 电压表用于测量光电管两极间的电压,E为电源,R提供的分压可以改变光电管两极间的电势差。单色光照射到光电管的阴极K上产生光电效应时,逸出的光电子在电场的作用下由阴极向阳极运动,并且在回路中形成光电流。当阳极A电势为正,阴极K电势为负时,光电子被加速。当K电势为正,A电势为负时,光电子被减速;而当A、K之间的电势差足够大时，具有最大动能的光电子也被反向电场所阻挡,光电流将

1

为零。此时,有

e U0 =1/2 mvm2 (3)

式中e为电子电量,U0 称为截止电压。

光电管的伏安特性曲线(光电流与所加电压的I-U关系)如图2所示。当用一定强度的光照射在光电管阴极K上时,光电流I随两极间的加速电压改变而改变,开始光电流I随两极间的加速电压增加而增加,当加速电压增加到一定值后,光电流不再增加。这是因为在一定光强下,单位时间内所产生的光电子数目一定,而且这些电子在电场的作用下已全都跑向阳极A,从而达到饱和。称此时的电流为饱和电流Im。由于光电子从阴极表面逸出时具有一定的初速度,所以当两极间电压为零时,仍有光电流I存在。若在两极间施加一反向电压,光电流随之减小;当反向电压达到截止电压U0时,光电流为零。由式(1)、式(2)及式(3)可得

e U0= hν-W = hν- hν0

即 U0 =(hν-W)/e= h/e(ν-ν0) (4)

式(4)表明,截止电压U0是入射光频率ν的线性函数,其直线的斜率等于h/e。可见,只要用实验方法测量不同频率光的截止电压,做出U0-ν图形,从图中求得直线的斜率h/e,即可求出普朗克常数h。另外,从直线和坐标轴的交点还可求出截止频率ν

0

。

图1 光电效应实验原理图 图.2 光电管的伏安特性曲线 测定普朗克常数h的关键是正确地测定截止电压U0 。但实际的光电管由于制作工艺等原因,给准确测定截止电压带来一些困难。对测量产生影响的主要因素如下。 (1)暗电流和本底电流

光电管在没有受到光照时,也会产生电流,称为暗电流。它是由阴极在常温下的热电子发射形成的热电流和封闭在暗盒里的光电管在外加电压下因管子阴极和阳极间绝缘电阻漏电而产生的漏电流两部分组成。本底电流是周围杂散光射入光电管所致。 (2)反向电流

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由于制作光电管时阳极上往往溅有阴极材料,所以当光照到阳极上或杂散光漫射到阳极上时,阳极上也往往有光电子发射;此外,阴极发射的光电子也可能被阳极的表面所反射。当阳极A为负电势,阴极K为正电势时,对阴极K上发射的光电子而言起减速作用,而对阳极A发射或反射的光电子而言却起了加速作用,使阳极A发出的光电子也到达阴极K,形成反向电流。

由于上述原因, 实测的光电管伏安特性(I-U)曲线与理想曲线是有区别的。且不同的光电管的伏安特性曲线的特点也不同。一般光电管的伏安特性曲线的特点,可以参考图3,其中实线表示实测曲线,虚线表示理想曲线即阴极光电流曲线,点划线代表影响较大的反向电流及暗电流曲线。实测曲线上每一点的电流值是以上3个电流值的代数和。显然,实测曲线上光电流I为零的点所对应的电压值并不是截止电压。从图3可看出,阳极光电流(即反向电流和暗电流)的存在,使阴极光电流曲线下移,实测曲线的抬头点处的电压值与截止电压近似相等,可代替截止电压。因此,在光电效应实验中可以通过找出实测伏安特性曲线的抬头点来确定截止电压U0。

图3 光电流曲线分析

本实验仪器采用了新型结构的光电管。由于其特殊结构使光不能直接照射到阳极，由阴极反射照到阳极的光也很少，加上采用新型的阴、阳极材料及制造工艺，使得阳极反向电流大大降低，暗电流水平也很低。由于本仪器的特点，在测量各谱线的截止电压U0时，可不用难于操作的“抬头点法”，而用“零电流法”。

零电流法是直接将各谱线照射下测得的电流为零时对应的电压UAK的绝对值作为截止电压U0。此法的前提是阳极反向电流、暗电流和本底电流都很小，用零电流法测得的截止电压与真实值相差很小。且各谱线的截止电压都相差ΔU对U0-?曲线的斜率无大的影响，因此对h的测量不会产生大的影响。 [ 实验仪器]

ZKY-GD-3光电效应实验仪。仪器由汞灯及电源，滤色片，光阑，光电管、测试仪（含光电管电源和微电流放大器）构成，仪器结构如图4所示，测试仪的调节面板如图5所示。

3

实验仪

1 2 3 4 5 6 7 1汞灯电源 2汞灯 3滤色片 4光阑 5光电管 6基座 7实验仪

图4 仪器结构示意图

ZKY-GD-3 普朗克常数测试101010-9 -8 -10 10-11 A 10-12 -13 V 电 压 -2--+30 -2--+2 10电流量程 电流调零 -2 电压调节 +2 -2 +30 电 源 开关 图5 仪器前面板示意图

汞灯：可用谱线365.0nm、404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm

滤色片：5片, 透射波长365.0 nm、404.7 nm、435.8 nm、546.1 nm、577.0nm 光阑：3片，直径 2mm、4mm、8mm

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光电管：光谱响应范围 320-700nm，暗电流：I ≤2×10A（-2 V≤UAK≤0 V） 光电管电源：2档，－2—＋2V，－2—＋30V，三位半数显，稳定度≤0.1%

-8-13-14

微电流放大器：6档，10—10A，分辨率10A，三位半数显，稳定度≤0.2%

[实验内容] （1）测试前准备

把汞灯及光电管暗盒遮光盖盖上，将汞灯暗盒光输出口对准光电管暗盒光输入口，调整光电管与汞灯距离L为约40cm并保持不变。用专用连接线将光电管暗盒电压输入端与测试仪电压输出端（后面板上）连接起来（红—红，蓝—蓝）。用屏蔽电缆将光电管暗盒电流输出端K与测试仪微电流输入端（后面板上）连接起来。

将测试仪及汞灯电源接通，预热20分钟。将“电流量程”选择开关置于所选档位，仪器在充分预热后，进行测试前调零，旋转“调零”旋钮使电流指示为000.0。

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（2）测普朗克常数h

将电压选择按键置于-2 V—+2 V档；将“电流量程”选择开关置于10-13A档，将测试仪电流输入电缆断开，调零后重新接上；将直径4mm的光阑及365.0nm的滤色片装在光电管暗盒光输入口上。

从低到高调节电压，用“零电流法”测量该波长对应的截止电压U0，并将数据记于表1中。按表1更换不同波长的滤光片，测量不同波长的光对应的截止电压U0。

表1、U0—ν关系 光阑孔Φ= mm 电流量程： L= mm 波长λi(nm) 频率νi(×1014Hz) 截止电压U0i(V) 利用表1中的数据在坐标纸上作U0—ν直线，由图求出直线斜率k，根据斜率K用用h=ek求出普朗克常数h，并与h的公认值hO比较，求出相对误差 E＝e?1.602?10?19C，ho?6.626?10?34J?S。

365.0 8.214 404.7 7.408 435.8 6.879 546.1 5.490 577.0 5.196 h?ho×100%，式中 ho（3）测光电管的伏安特性曲线

① 光电管与汞灯距离L为约40cm并保持不变，将电压选择按键置于-2 V—+30 V档，“电流量程”选择开关置于10A档，把测试仪电流输入电缆断开，调零后重新接上,将直径4mm,的光阑及435.8nm的滤色片装在光电管暗盒光输入口上。

从低到高调节电压，记录电流从零到非零点所对应的电压值作为第一组数据，以后电压每变化一定值记录一组数据，并将数据记于表2中。

② 换上直径2mm的光阑，“电流量程”选择开关置于10-11A档，把测试仪电流输入电缆断开，调零后重新接上,重复上述测量，并将数据记于表2中。

用表2数据在坐标纸上作对应于以上两种光阑（两种光强）的伏安特性曲线，对两条曲线进行比较分析。

表1、 I—UAK关系 L= mm

435.8nm 435.8nm

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UAK（V） UAK（V） 光阑4mm I（×10-10A） 光阑2mm I（×10-11A） [注意事项]

1. 微电流测量放大器必须充分预热测量方能准确。

2. 在仪器的使用过程中，汞灯不宜直接照射光电管，也不宜长时间连续照射加有光阑和滤光片的光电管，如此将减少光电管的使用寿命。为避免强光直射阴极缩短光电管寿命,更换滤色片时以及实验完毕后，用遮光罩盖住光电管暗盒进光窗。 3. 保持滤色片表面光洁,小心使用防止损坏。 4. 实验中应减少杂散光的干扰。

5. 作图时坐标轴的标度要合适, 以保证测量数据的精度不降低。

[参考书目]

1 蒋达娅 等 主编，大学物理实验（第2版），北京邮电大学出版社，2007年7月 2 刘映栋 等编著，大学物理实验教程，东南大学出版社，2002年12月 2 光电效应实验仪实验指导说明书，成都世纪中科仪器有限公司

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[注意事项]

1. 微电流测量放大器必须充分预热测量方能准确。

2. 在仪器的使用过程中，汞灯不宜直接照射光电管，也不宜长时间连续照射加有光阑和滤光片的光电管，如此将减少光电管的使用寿命。为避免强光直射阴极缩短光电管寿命,更换滤色片时以及实验完毕后，用遮光罩盖住光电管暗盒进光窗。 3. 保持滤色片表面光洁,小心使用防止损坏。 4. 实验中应减少杂散光的干扰。

5. 作图时坐标轴的标度要合适, 以保证测量数据的精度不降低。

[参考书目]

1 蒋达娅 等 主编，大学物理实验（第2版），北京邮电大学出版社，2007年7月 2 刘映栋 等编著，大学物理实验教程，东南大学出版社，2002年12月 2 光电效应实验仪实验指导说明书，成都世纪中科仪器有限公司

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