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光电效应测普朗克常数-实验报告 doc
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光电效应测定普朗克常量实验实验报告
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光电效应测定普朗克常量实验实验报告
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3秒自动关闭窗口实验十二用光电效应测定普朗克常量；当一定频率的光照射到某些金属材料表面时，可使金属；1．通过实验加深对光的量子性的认识；；2．用最高频滤波片，测量光电管的伏安特性曲线；；3．通过光电管的弱电流特性，测出不同频率下的遏止；4．探究光电管的饱和光电流与入射光强的关系；探讨；高压汞灯，干涉滤光片，光阑，光电效应实验仪．；ZKY-GD-3光电效应实验仪，如图；12-
用光电效应测定普朗克常量
当一定频率的光照射到某些金属材料表面时，可使金属中的电子从金属表面逸出的现象，叫光电效应．光电效应是经典电磁理论所不能解释的．光电效应实验及其光量子理论的解释是量子理论的生长点，在揭示光的波粒二象性方面具有划时代的深远意义，而普朗克常量正是量子理论与经典理论的联系常数．
1．通过实验加深对光的量子性的认识；
2．用最高频滤波片，测量光电管的伏安特性曲线；
3．通过光电管的弱电流特性，测出不同频率下的遏止电压（三种方法任选其一），求出普朗克常量；
4．探究光电管的饱和光电流与入射光强的关系；探讨比较确定遏止电压的三种方法（自主设计实验方案）．
高压汞灯，干涉滤光片，光阑，光电效应实验仪．
ZKY-GD-3光电效应实验仪，如图
12-1（a）所示．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12-1（b）所示，测试仪的调节面板如图12-2所示．
图12-1（a） 光电效应实验仪实物图
图12-1（b） 仪器结构示意图
光阑：3片，直径 2mm、4mm、8mm
汞灯：可用谱线365.0nm、404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm、579.0nm
滤色片：5片, 透射波长365.0 nm、404.7 nm、435.8 nm、546.1 nm、577.0nm
光电管：阳极为镍圈，阴极为银-氧-钾（Ag-O-K），光谱响应范围 320 ~ 700nm，
-12暗电流：I ≤2×10A（-2 V≤UAK≤0 V）
光电管电源：2档，－2～0V，－2～＋30V，三位半数显，稳定度≤0.1%
微电流放大器：6档，10-8―10-13A，分辨率10-13A，三位半数显，稳定度≤0.2%
一定频率的光照射到金属表面上，可以使电子从金属表面逸出．1905年爱因斯坦依照普朗克的量子假设，提出了光子的概念．他认为光是一群微粒流；频率为v的光子具有能量??h?，h为普朗克常量．根据这一理论，当金属中的电子吸收一个频率为v的光子时，便获得这光子的全部能量hv，如果这能量大于电子摆脱金属表面的约束所需要的脱出功W，电子就会从金属中逸出．按照能量守恒原理有：
12上式称为爱因斯坦方程，其中m和?m是光电子的质量和最大速度，m?m是光2
电子逸出表面后所具有的最大动能．它说明光子能量h?小于W时，电子不能逸出金属表面，因而没有光电效应产生；产生光电效应的入射光最低频率
．不同的金属材料有不同的脱?0?W/h，称为光电效应的极限频率（又称红限）
出功，因而?0也是不同的．
在实验中将采用“减速电势法”进行测量并求出普朗克常量h．实验原理如图12-3所示．
图12-3 普朗克常量测定原理图
同一频率,不同光强时光电管的伏安特性曲线 不同频率时光电管的伏安特性曲线 I1 I2 ?1 ?2 图12-4 光电流与外加电压的关系
当单色光入射到光电管的阴极K上时，如有光电子逸出，则当阳极A接正极，K接负极时，光电子就被加速；而当K加正电势，A加负电势时，光电子就被减速．当A、K之间所加电压（U）足够大时，光电流达到饱和值Im，当U??U0，并满足方程：
(9-2) eU0?m?m2
时，光电流将为零，此时的U0称为遏止电压．光电流与所加电压的关系如图12-4所示．将（9-2）式代入（9-1）式可得：
它表示U0与v间存在线性关系，其斜率等于h/e，因而可以从对U0与v的数据分析中求出普朗克常量h．
'实验时测不出U0，测得的是U0与导线和阴极间的正向接触电势Uc之差U0，
'即U0?U0?Uc，将此式代入（9-3）式，可得：
hW?'????Uc?
'由于Uc是不随v而变的常量，所以U0与v间也是线性关系，如图12-5所示．
'图12-5 U0-v曲线图
'测量不同频率光的U0值，可求得此线性关系的斜率b，由于 h?U0
即从测得的数据求出斜率b，乘以电子电荷e（=1.602×10-19C）就可求出普朗克常量．
由光电效应测定普朗克常量h，需要排除一些干扰，才能获得一定精度的可以重复的结果．主要影响的因素有：
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，它是由热电流、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，它们都随外加电压的变化而变化，故排除暗电流和本底的影响是十分必要的．
2．反向电流：由于制作光电管时阳极A上往往溅有阴极材料，所以当光射到A上或由于杂散光漫射到A上时，阳极A也往往有光电子发射；此外，阴极发射的光电子也可能被A的表面所反射．当A加负电势，K 加正电势时，对阴极K上发射的光电子而言起了减速作用，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．
这样实测的光电流应为阴极电流、暗电流和本底电流以及反向电流之和，如图12-6实线所示．
图12-6光电管的I-V关系曲线
1．测试前准备
仔细阅读光电效应实验指导及操作说明书．
将实验仪及汞灯电源接通（汞灯及光电管暗箱遮光盖盖上），预热20分钟． 调整光电管与汞灯距离为约40cm并保持不变．
用专用连接线将光电管暗箱电压输入端与实验仪电压输出端（后面板上）连接起来（红―红，蓝―蓝）．
2．测光电管伏安特性曲线
将“电流量程”选择开关置于所选档位（-2V-30V）（测伏安特性时处于10-10A档），进行测试前调零．光电效应实验仪在开机或改变电流量程后，都会自动进入调零状态．调零时应将高低杠暗箱电流输出端K与实验仪微电流输入端断开，旋转“调零”旋钮使电流指示为000.0．调节好后，用专用电缆将电流输入连接起来，系统进入测试状态．将“伏安特性测试/遏止电压测试”状态键切换到伏安特性测试档位．
将直径4mm的光阑及??365.0nm滤色片装在光电管暗箱光输入口上． 测伏安特性曲线时，电压调节的范围为-2～30V，步长自定．
记录所测UAK及I的数据，在坐标纸上作出上述给定波长的伏安特性曲线．
3．测量遏止电压，求得朗克常量h
测量遏止电压时，“电流量程”开关应处于10-12A档．将直径4mm的光阑及365.0nm的滤色片装在光电管暗箱光输入口上，打开汞灯遮光盖．此时电压表显示UAK的值，单位为伏；电流表显示与UAK对应的电流值I，单位为所选择的“电流量程”．
零电流法：在测量各谱线的遏止电压U0时，可采用零电流法，即直接将各谱线照射下测得的电流为零时对应的电压UAK的绝对值作为遏止电压U0．此法的前提是阳极反向电流、暗电流和本底电流都很小，用零电流法测得的遏止电压与真实值相差较小．且各谱线的遏止电压都相差 ΔU对U0～v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．从低（-2 V）到高调节电压（绝对
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普朗克常量的测定
本文介绍了大学物理实验中常用的光电效应测普朗克常量实验的基本原理及实验操作过程，验证了爱因斯坦光电效应方程并精确测量了普朗克常量，通过对实验得出的数据仔细分析比较，探讨了误差现象及其产生的原因，根据实验过程中得到的体会和思索，提出了一些改进实验仪器和条件的设想。
【关键字】
爱因斯坦光电方程；光电流；普朗克常量
在文艺复兴和工业革命后，物理学得到了迅猛的发展，在实际应用中也发挥了巨大的作用。此刻人们感觉物理学的大厦已经建成，剩下只是一些补充。直到19世纪末，物理学领域出现了四大危机：光电效应、固体比热、黑体辐射、原子光谱，其实验现象用经典物理学的理论难以解释，尤其对光电效应现象的解释与理论大相径庭。
光电效应最初是赫兹在1886年12月进行电磁波实验研究中偶然发现的，虽然是偶然发现，但他立即意识到它的重要性，因此在以后的几个月中他暂时放下了手头的研究，对这一现象进行了专门的研究。虽然赫兹没能给出光电效应以合理的解释，但赫兹的论文发表后，光电效应成了19世纪末物理学中一个非常活跃的研究课题。勒纳是赫兹的学生和助手，很早就对光电效应产生了兴趣。1920年他发表论文介绍了他的研究成果，勒纳得出，发射的电子数正比于入射光所带的能量，电子的速度和动能与发射的电子数目完全无关，而只与波长有关，波长减少动能增加，每种金属对应一特定频率，当入射光小于这一频率时，不发生光电效应。虽然勒纳对光电效应的规律认识很清楚，但其解释却是错误的。
1905年，爱伊斯坦在普朗克能量子的启发下，提出了光量子的概念，并成功解释了光电效应。接着，密立根对光电效应进行了10年左右的研究，与1916年发表论文正是了爱因斯坦的正确性，并精确测出了普朗克常量。从而为量子物理学的诞生奠定了坚实的理论和实验基础，爱因斯坦和密立根都因为光电效应方面的杰出贡献，分别于1921年和1923年获得了诺贝尔物理学奖。
对光电效应的研究，使人们进一步认识到光的波粒二象性本质，促进了光电 子理论的简历和近代物理学的发展。利用光电效应制成电器件如光电管、光电池、光电倍增管等，已成为生产和科研中不可或缺的传感和换能器。光电探测器和光电测量仪的应用也越来越广泛。另外，利用光电效应还可以制一些光控继电器，用于自动控制、自动设计数、自动报警、自动跟踪等。
【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。
【仪器用具】
ZKY―GD―3光电效应测试仪、汞灯及电源、滤色片（五个）、光阑（两个）、光电管、测试仪
【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
的光波，每个光子的能量
为普朗克常数，它的公认值是 =6.626 。
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：
式中，?为入射光的频率，m为电子的质量，v为光电子逸出金属表面的初
12mv2为被光线照射的金属材料的逸出功，为从金属逸出的光电子的最速度，
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U0被称为光电效应的截止电压。
代入（1）式，即有
由上式可知，若光电子能量h??W，则不能产生光电子。产生光电效应的最低频率是?0?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?0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?的频率成正比，，将（3）式改写为
上式表明，截止电压U0是入射光频率?的线性函数，如图2，当入射光的频率???0时，截止电压U0?0，没有光电子逸出。图中的直线的斜率
个正的常数：
由此可见，只要用实验方法作出不同频率下的U0??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
是电子的电k?he是一
2、光电效应的伏安特性曲线
下图是利用光电管进行光电效应实验的原理图。频率为 、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UAK，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UAK的增加，到达阳极的光电子将逐渐增多。当正向电压
到Um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。
光电效应原理图
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。
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：
（1）暗电流和本底电流存在，可利用此，测出截止电压（补偿法）。
（2）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I～U曲线较理论曲线下移，如下图所示。
伏安特性曲线
【实验步骤】
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C2～＋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U0，并数据记录。
（4） 依次换上404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm的滤色片，重复步骤
（1）、（2）、（3）。
（5）测量三组数据你，然后对h取平均值。
3、测量光电管的伏安特性曲线
(1)暗盒光窗口装365.0nm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404.7nm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 。
【实验记录与处理】
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