光电效应

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舜祝
5 years ago
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1 光电效应

2 光电效应是, 一定频率的光照射在金属表面时, 会有电子从金属表面逸出的现象在光电效应中, 光显示出它的粒子性, 这种现象对于认识光的本质, 具有极其重要的意义

3 实验目的 : 了解光电效应的规律, 加深对光的量子性的理解测量普朗克常数和测定光电管的光电特性曲线, 验证爱因斯坦方程

4 实验原理光电效应的实验原理如图 3 所示入射光照射到光电管阴极 K 上, 产生光电子在电场作用下向阳极 A 迁移构成光电流, 改变外加电压 U AK, 测量出光电流 I 的大小, 即可得出光电管的伏安特性曲线图 3

5 光电效应的基本实验事实如下 : 1. 对应于某一频率, 光电效应的 I - U AK 关系如图 4 所示从图中可见, 对一定的频率, 有一电压 U 0, 当 U AK U 0 时, 电流为零, 这个相对于阴极的负值的阳极电压 U 0, 被称为截止电压 2. 当 U AK U 0 后,I 迅速增加, 然后趋于饱和, 饱和光电流 I M 的大小与入射光的强度 P 成正比图 4

6 3. 对于不同频率的光, 其截止频率不同, 如图 5 所示 4. 作截止电压 U 0 与频率 υ 的关系图如图 6 所示,U 0 与 υ 成正比关系当入射光频率低于某极限值 υ 0 ( 随不同金属而异 ) 时, 不论光的强度如何, 照射时间多长, 都没有光电流产生 5. 光电效应时瞬时效应即使入射光的强度非常微弱, 只要频率大于 υ 0, 在开始照射后立即有光电子产生, 所经过的时间至多为 10-9 秒的数量级图 5 图 6

7 经典电磁理论认为, 电子从波阵面上连续地获得能量, 获得的能量的大小应与光的强度有关因此对于任何频率, 只要有足够的光强度和足够的照射时间, 总会发生光电效应, 而实验事实与此是直接矛盾的按照爱因斯坦的光量子理论, 光能并不像电磁波理论所想象那样, 分布在波阵面上, 而是集中在被称为光子的微粒上, 但这种微粒仍然保持着频率 ( 或波长 ) 的概念, 频率为 υ 的光子具有能量,h 为普朗克常数当光子照射到金属表面上时, 一次为金属中的电子全部吸收, 而无需积累能量的时间电子把这能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引力, 余下的就变为电子离开金属表面后的动能, 按照能量守恒原理, 爱因斯坦提出了著名的光电效应方程 : hv= 1/2mv²+A(1) 式中,A 为金属的逸出功, 1/2mv² 为光电子获得的初始动能

8 由该式可见, 入射到金属表面的光频率越高, 逸出的电子动能越大, 所以即使阳极电位比阴极电位低时也会有电子落入阳极形成光电流, 直至阳极电位低于截止电压, 光电流才为零, 此时有关系 : euₒ= 1/2mv²(2) 阳极电位高于截止电压后, 随着阳极电位的升高, 阳极对阴极发射的电子的收集作用增强, 光电流 I 随之上升, 当阳极电压高到一定程度, 把阴极发射的光电子几乎全收集到阳极, 再增加 U AK 时,I 不再变化, 光电流出现饱和, 饱和光电流 I M 的大小与入射光的强度 P 成正比光子的能量 hv<a 时, 电子不能脱离金属, 因而没有光电流产生产生光电效应的最低频率 ( 截止频率 ) 是 vₒ=a/h 将 (2) 式代入 (1) 式可得 : euₒ=hv-a (3) 只要用实验方法得出在不同频率光照下对应的截止电压, 求出直线斜率, 就可以算出普朗克常数 h 爱因斯坦的光量子理论成功地解释了光电效应规律

9 实验内容及步骤一测试前准备 1. 将测试仪及汞灯电源接通, 预热 15 分钟 2. 把汞灯及光电管暗箱遮光盖盖上, 将汞灯暗箱光输出口对准光电管暗箱光输入口, 调整光电管于汞灯距离约 40 cm 处并保持不变 3. 仪器在充分预热后, 进行测试前调零 : 电压选择在 -2~+2v 档, 将电流量程选择开关臵于档, 进行测量档调零, 旋转电流调零旋钮使电流指示为 0 4. 调整光路 : 取下光电管暗箱的遮光盖, 插上所用的光阑和滤光片, 再取下汞灯的遮光盖 ( 严禁让汞光不经过滤光片直接入射光电管 ), 使汞灯的出射光对准光电管入射窗口

10 二用零电流法测定 h 1. 将电压选择按键臵于 I(+2 V) 档 ; 将电流量程选择开关臵于档, 将测试仪电流输入电缆断开, 调零后重新接上 ; 调到直径 4 mm 的光阑及 nm 的滤色片从低到高调节电压, 测量该波长对应的 U 0, 并将数据记于表三中 2. 依次换上 nm, nm, nm, nm 的滤色片, 重复以上测量步骤

11 U 0 - υ 关系 Φ 光阑 = mm

12 三测光电管的伏安特性曲线将电压选择按键臵于 -2~+30v 挡, 讲电流量程开关臵于 10 ¹¹A 挡, 将测试仪电流输入电缆断开, 调零后重新接上, 将直径为 2mm 的光阑及 435.8nm 的滤光片装在光电管暗箱光输入口上 1. 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到表中 2. 换上 546.1nm 的滤光片, 重复上述步骤 I-UAK 关系 L= mm, Φ= mm,

13 四验证光电管和饱和光电流 Im 与入射光强 P 的正比关系当 UAK 为 30V 时, 将电流量程选择开关臵于 10 ¹⁰A 挡, 重新调零在同一谱线, 同一入射距离下, 记录光阑分别为 2mm/4mm/8mm 时对应的电流值 Im-P 关系 UAK= V, L= mm 435.8nm 光阑孔 Φ I/*10 ¹⁰A 546.1nm 光阑孔 Φ I/*10 ¹⁰A

14 实验数据表格 1.U0-v 关系

15 2.I-UAK 关系

16 3.Im-P 关系

17 数据处理及结果表达 v* U v* U 由 k= 0 0 和 h=ek 得 : v 2 v 2 h=6.6924*10^(-34) h h 百分误差 E= 1% h

18 1.U0-v 关系 U0/v

19 2.I-UAK 关系

20 误差分析仪器放臵位臵预热时间不同, 测出的实验数据及曲线就会产生一定误差 ; 本底电流漏电流阳极反向电流以及受热激发产生的光电流都会使实测光电流曲线与理论曲线产生偏差 ; 此外, 光电光和微电流放大器等仪器质量 ( 如稳定度 ) 也会影响实验结果

21 习题光电管一般都用逸出功小的金属做阴极, 用逸出功大的金属做阳极, 为什么? 当光直接照射到阳极时会有一部分光反射到阳极上, 若阳极金属逸出功较小, 阳极会有电子逸出形成阳极电流, 实际测得的光电流是阴极光电流和阳极光电流迭加的结果, 对实验造成影响实验时能否将滤光片放在光源的出光口上, 为什么? 不行, 这样做环境的杂散光会由暗盒的入光孔进入, 直接入射光电管, 入射光不再是单色光, 会包含很多种频率的光对实验造成很大影响

22 实验过程中遇到的问题 1. 在光电效应测定普朗克常数实验中, 用同一波长的滤光片, 在同一套仪器不同时间测出的光电流曲线会稍有差别 2. 实测光电流曲线与理论曲线在 UAK 的负值区域有明显偏差

23 原因 1 仪器预热时间不同, 微电流测量放大器和汞灯的性能状态不同, 对同一滤色片, 测得有所不同的光电流 I U 曲线 2 仪器放臵的方位不同光电暗盒位臵的高低, 面向光源的角度, 暗盒与光源的间距, 都影响光电流的大小, 这些因素稍一变化, 测出的结果就不一样 3 当光直接照射到阳极或光由阴极反射到阳极时, 阳极 A 上也会有光电子发射, 形成阳极电流 ( 理想状态阳极应无光电子发射 : 逸出功为阳汲大于阴极在制造光电管过程中, 阳极被阴极材料所沾染, 沾染后的阳极逸出功减低, 所以阳极受光照后也会发射光电子, 产生阳极反射电流 ), 实际测得的光电流是阴极光电流和阳极光电流迭加的结果 4 受环境杂散光影响形成的本底电流 5 由热激发产生的光电流

24 解决方法在实验过程中一定要保持光电管和汞灯距离和角度不变调零操作必须在光电管和汞灯的遮光盖全盖严的状态下进行更换滤色片时先将光源出光孔遮盖住, 实验完毕后用遮光罩盖住光电管暗盒进光窗, 以避免强光直接照射阴极而缩短光电管寿命实验时, 光电管入射窗口勿面对其它强光源 ( 如窗户等 ) 以减少杂散光干扰测量前仪器应该充分预热

25 在实验过程中需要不停更换滤光片, 在更换滤光片时难免会忘记盖上遮光盖, 导致汞灯直接打到阴极从而缩短光电管寿命不断更换滤光片也使实验操作比较复杂

27 总结 1. 截止电压的大小与入射光频率成正比 2. 每一种金属在产生光电效应是都存在一极限频率 ( 或称截止频率 ), 即照射光的频率不能低于某一临界值相应的波长被称做极限波长 ( 或称红限波长 ) 当入射光的频率低于极限频率时, 无论多强的光都无法使电子逸出 3. 光电效应中产生的光电子的速度与光的频率有关, 而与光强无关 4. 光电效应的瞬时性实验发现, 只要光的频率高于金属的极限频率, 光的亮度无论强弱, 光子的产生都几乎是瞬时的 5. 入射光的强度只影响光电流的强弱, 即只影响在单位时间内由单位面积是逸出的光电子数目在光颜色不变的情况下, 入射光越强, 饱和电流越大, 即一定颜色的光, 入射光越强, 一定时间内发射的电子数目越多 6. 光电管的饱和光电流与入射光强成正比

幻灯片 1

幻灯片 1 1.4.1 黑体辐射与 Planck 的量子假说量子假说普朗克量子假说 1901 年, 普朗克进一步作了一点奇怪的假设, 推导出了公式假设谐振子的能量不是连续的, 即能量只能取一个最小单元的整数倍 E = nε, n= 0,1, 2,3, ε = h 不同频率谐振的能量子 h 是一个普适的常数, 现在称为普朗克常数 ν Max Planck April 23, 1858 October 4,