南昌大学物理实验报告光电效应

南昌大学物理实验报告

姓名:李小龙学号：5710116068

学院：材料科学与工程学院班级：材料162

实验时间：第一周指导老师：张德建

一、实验名称:光电效应

二、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。

三、实验仪器：

光电效应测试仪、汞灯及电源、滤色片、光阑、光电管、测试仪

四、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γ的光波，每个光子的能量为E=hμ，其中

为普朗克常数。

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： hν=1

mv2+w

式中，ν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速度，W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0U被称为光电效应的截止电压。显然，有e u0-1/2m v2=0 （2）代入上式即有hν=eu0+ w （3）由上式可知，若光电子

能量h+ν

ν0=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ν0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u0=hν

e ?w

(ν?ν0)

上式表明, 截止电压u0是入射光频率ν的线性函数，如图2，当入射光的频率ν=ν0时，截止电压u0=0，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：

k=h/e （5）

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e=1.60×10?19C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ν、强度为P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U AK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U AK的增加，到达阳极的光电子将逐渐增多。当正向电压U AK增加到U m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

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）

(2) 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h

（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0U，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。

(2)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 a—ν

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U a。作出U a 与ν的曲线, 测曲线的斜率k， h=ek 便可求出普朗克常数。

测得斜率k=0.4016×10?14

h=ek=1.1602×10?19×0.4016×10?14=6.6334×10?34

表二I?U AK

光阑孔?：4mm 波长λ ：577nm

光阑孔?：4mm 波长λ ：436nm

表三I s—P关系30V λ:436nm D:8nm

表四I S—P关系9V λ:577nm L:4nm

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。