实验报告_光电效应实验Word下载.doc
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爱因斯坦提出了著名的光电方程:
(1)
式中,n为入射光的频率,为电子的质量,u为光电子逸出金属表面的初速度,为被光线照射的金属材料的逸出功,1/2mv2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被称为光电效应的截止电压。
显然,有eu0-1/2mv2=0
(2)代入上式即有
(3)
由上式可知,若光电子能量h+n<
W,则不能产生光电子。
产生光电效应的最低频率是n0=W/h,通常称为光电效应的截止频率。
不同材料有不同的逸出功,因而n0也不同。
由于光的强弱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n成正比,,将(3)式改写为
上式表明,截止电压是入射光频率n的线性函数,如图2,当入射光的频率n=n0时,截止电压,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:
(5)
由此可见,只要用实验方法作出不同频率下的U0-n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。
其中是电子的电量。
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n、强度为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,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,随着电压的增加,到达阳极的光电子将逐渐增多。
当正向电压增加到时,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U0,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U0也下移到U’0点。
因此测出U’0点即测出了理论值U0。
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
(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,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:
表一U—V关系
波长λ(nm)
365
405
436
546
577
频率V(1014HZ)
8.214
7.408
6.879
5.490
5.196
截止电压U(V)
-1.815
-1.498
-1.303
-0.732
-0.603
计算普朗克常量:
当利用不同频率ν的单色光分别作光源时,可以测出不同频率下的遏止电位Ua。
作出Ua与ν的曲线,测曲线的斜率K为K=h/e=U/v便可求出普朗克常数h。
K=U/v=0.401610-14
h=ek=1.160210-190.401610-14=6.43310-34JS
表二I--UAK关系
光阑孔Ф:
4mm波长λ:
577nm
UAK(V)
-2.0
-0.3
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
9.0
I(10-10A)
2
6
8
10
12
13
14
15
16
18
10.0
11.0
12.0
14.0
16.0
18.0
20.0
22.0
24.0
26.0
28.0
30.0
19
20
22
24
25
27
30
31
32
33
34
4nm波长λ:
365nm
-1.5
-0.5
1
3
4
5
7
9
17
38
50
62
73
82
88
95
UAK(V)
11
21
26
102
110
117
124
132
137
153
170
186
195
203
215
表三IM—P关系
UAK=30.0V波长λ:
365nmL=400nm
光阑孔Ф(nm)
67
217
805
表四IM—L关系
UAK=30.0V波长λ:
365nm光阑孔Ф:
2nm
距离L(mm)
300
350
400
47
七、实验小结(思考与讨论):
注意事项
1、微电流测量仪和汞灯的预热时间必须长于20分钟,连线时务必先接好地线,后接信号线。
切勿让电压输出端A与地短路,以免损坏电源。
微电流测量仪每改变一次量程,必须重新调零。
2、微电流测量仪与暗盒之间的距离在整个实验过程中应当一致。
3、注意保护滤光片,勿用手触摸其表面,防止污染。
4、实验结束时应盖上光电管暗合遮光盖和汞灯遮光盖!
.学习参考.
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