光电效应讲义.docx
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光电效应讲义
2)
时,光电流将为零,此时的U0称为截止电压。
式中e为电子电量。
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3.2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.这是因为在一定照度下,单位时间
图3.2光电管的伏安特性曲线图3.3截止电压U0是入射光频率ν的线性关系图线
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。
我们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,所以当两极间电势差为零时,仍有光电流I存在。
若在两极间施加一反向电压,光电流随之减小;当反向电压达到截止电压U0时,光电流为零。
将式(3.2)代人式(3.1)可得
eU0=hν-W
即
U0=
(3.3)
上式表明,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,作出U0—ν图线,如图3.3所示。
从图中求得直线的斜率
,即可求出普朗克常数h。
另外,从直线和横坐标的交点还可求出极限频率ν0。
因此,由光电效应测定普朗克常数h的关键是正确地测定截止电压U0。
需要指出的是,实际的光电管由于制作工艺等原因,给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
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加负电势,阴极K加正电势时,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。
由于上述种种原因,实测的光电管伏安特性(I—U)曲线与理想曲线是有区别的。
图3.4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三个电流值的代数和。
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3.4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,实测曲线的拐点(或称抬头点)处的电压值与截止电压近似相等,
图3.4对光电流曲线的分析
可代替截止电压。
因此,光电效应实验是通过找出实验伏安特性曲线的拐点来确定截止电压U0的。
【仪器介绍】
1.GDH—Ⅰ型光电管:
阳极为镍圈,阴极为银—氧-钾(Ag-O-K),光谱范围34O.0—700.0nm光窗口为无铅多硼硅玻璃,最高灵敏波长是410.0±10.0nm,阴极光灵敏度为1μA/Lm,暗电流为10-12A。
为了避免杂散光和外界电磁场对微弱光电流的干扰,光电管安装在可升降的铝质暗盒中,暗盒窗口可以安放光阑孔和滤色片。
2.光源:
高压汞灯,谱线范围在302.3—872.0nm。
3.NG型滤色片:
一组有色玻璃滤色片。
滤通的谱线波长分别为365nm,404nm,436nm,546nm,577nm。
4.GP-Ⅱ型微电流测量放大器:
电流测量范围为10-6~10-13A,分六档十进变换;工作电源为-3~+3V连续可调,电压量程分0V~±1V~±2V~±3V六段读数,读数精度0.02V。
测量放大器可以连续地工作8小时以上。
图3.5光电效应实验装置示意图
【实验内容】
1.测试前的准备
(1)将光源、光电管暗盒、微电流测量放大器安放在适当位置,连接好光电管暗盒与测量放大器之间的屏蔽电缆、地线和阳极电源线。
参见图3.5和图3.6。
将微电流测量放大器面板上各开关、旋钮置于下列位置:
“倍率”开关置“ZERO”;“电流极性”置“-”;“工作选择”置“DC”;“扫描平移”任意;“电压极性”置“-”;“电压量程”置“-3”;“电压调节”反时针调到头。
(2)打开微电流测量放大器电源开关让其预热20-30分钟。
在光电管暗盒的光窗上装
光阑;并盖上遮光罩,打开光源开关,让汞灯预热。
2.测量光电管的I—U特性
(1)使暗盒离开光源30~50cm,基本等高,暗盒窗口正对光源出射孔。
(2)取去暗盒窗口上的遮光罩,换上波长λ=365nm的滤色片。
将倍率旋钮置于“10-7”档,此时光电流大小应在此量程范围内(注意,光电管暗盒正对汞灯时,电流最小)。
(3)选择合适的电流和电压量程,测出-3~3V时不同电压下的光电流。
测量时,-3~0V时每0.1V测一个点,0V以上可加大间隔。
3.测量光电管拐点和本底电流。
(1)依次调换不同波长的滤色片,重复上面的测量,只测-3~0V时的光电流,每0.1V测一个点。
(2)挡住汞灯出光口,测量0V时光电管的本底电流(每个滤色片都测)。
4.测量光电管的暗电流。
用遮光罩罩住光电管暗盒,测量0V时光电管的暗电流。
5.求普朗克常数h
把不同频率下的截止电压描绘在方格纸上,如果实验结果准确,则U0=f(ν)关系曲线是一直线,求出直线的斜率,从而可算出普朗克常数h,并将结果与公认值比较,求出百分误差。
【注意事项】
1.在数据表格后加拐点及本底电流数据表(365nm的本底电流记在I—V表中)。
电压(V)
-3.0
-2.9
-2.8
-2.7
-2.6
-2.5
-2.4
-2.3
-2.2
-2.1
-2.0
405nm
436nm
546nm
577nm
电压(V)
-1.9
-1.8
-1.7
-1.6
-1.5
-1.4
-1.3
-1.2
-1.1
-1.0
-0.9
405nm
436nm
546nm
577nm
电压(V)
-0.8
-0.7
-0.6
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
本底
405nm
436nm
546nm
577nm
2.微电流测量放大器必须充分预热。
3.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。
4.保持滤色片表面光洁,小心使用防止损坏。
更换滤色片时务必平整套架,以免除不必要的折光带来实验误差。
5.实验中应减少杂散光的干扰。
6.作图的毫米方格纸大小要合适,以保证测量数据的精度不受损害。
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