光电效应实验.doc

光电效应
一、实验目的
通过光电管I-U特性曲线的测定，熟悉光电效应的规律。
了解光的量子性，测定金属红线的频率。
验证爱因斯坦光电效应方程，计算普朗克常量。
实验原理
光电效应的实验规律
1887年赫兹发现，当一束光照射在金属表面上时，会有电子从金属表面逸出，这一现象称为光电效应，释放出的电子称为光电子。研究光电效应的实验装置如图1所示，光电管中K为涂有感光金属层的阴极，A为阳极。

图1
实验发现
当入射光频率保持不变时，饱和光电流与入射光强P成正比（见图2）。
引起光电效应的时间极短（不超过秒），一经照射立即有光电子产生。
光电子的初动能随入射光频率的增大而增大，与光强无关（见图3）。

存在一个阈频率，称为金属的红限，当入射光频率低于时，无论入射光有多强，都没有电子逸出（见图4）。

图4
爱因斯坦的光子论及对光电效应的解释
爱因斯坦认为光是一粒一粒以光速运动的粒子流，这些粒子称为光子或光量子，其能量为，光的强弱决定于光子的多少，因而光电流正比于入射光的强度，当金属中的电子吸收光子的能量克服金属表面的逸出功A逸出表面时，光电子的最大初动能为，三者关系为：

此式称为爱因斯坦光电效应方程，式中，为反向截止电压，令，上式可变为：

这表明截止电压随入射光频率作线形变化，如图4所示，该直线在轴上的截距为金属的红限，入射光的频率只有高于才有光电子产生。直线在轴上的截距为，，为阴极逸出电压，直线的频率为，据此可求出普朗克常量的数值。
试验仪器用具
本实验采用GD--1型光电效应测试仪，其结构原理如图5所示主要部件及技术条件简要介绍如下：

光电管及暗盒：光电管开有石英侧窗式光窗口，光谱范围为190.0~700.0nm，最大工作电压为100v。当工作电压为30v时光照灵敏度为87μA/Lm，暗电流为1.9×A。为避免杂散光和外界电磁场对若光电信号的干扰，光电管放在合金铸铝的暗盒中，暗盒窗口的光阑孔径为φ=16mm，可放置φ=36mm的滤色片和中性减光片，并能升降调节。
GD--1型光源：灯管为GGQ—50WHg高压汞灯，光谱范围为320.3~872.0nm，可用谱线及相对强度见表1：
表1
波长（nm）365.0404.7435.8546.1577.0相对强度5003005002000200
3.滤色片和中性减光片：本仪器配有外径φ=36mm宽带通型有色玻璃组合滤色片五块（其型号、选用波长和通透率见表2）。外径φ=36mm中性减光片3块，减光率分别为75％、50％、25％。
表2
滤色片型号NG365NG405NG436NG546NG577选用波长（nm）365.0404.7435.8546.1577.0透过率（％）48402030254.GD―1型微电流测试仪：微电流测试仪与光电管用50cm75Ω的屏蔽电缆相连，电流量程：1μA、10μA、100μA；电压量程3V、15V、30V；光电管工作电压：-3~+30V。
实验内容及步骤
做好测试前的准备工作
⑴将光源、光电管暗盒和微电流测试仪按图5放置，光电管暗盒入光孔与光源出光孔对准，两者相距16cm左右，然后分别用挡光盖盖好。暗盒面板与微电流测试仪面板上的“K”端之间用屏蔽电缆相连“A”和“”端之间分别用普通导线相连。
⑵将微电流测试仪面板上各开关旋钮置于如下位置：电流量程为1，电压量程为30V，电压极性为+，电压调节旋钮逆时针调到最小。
⑶将电源开关打开，使汞灯预热20分钟，然后打开微电流测试仪电源开关。
观测并记录光电管暗电流
暗电流是指光电管无入射光照射时，在外电压作用下，光电管阴极和阳极之间出现的极其微弱的电流。取下光源出光孔挡光盖（暗盒入光孔挡光盖不能摘），改变电压量程及电压调节旋钮，缓慢调节光电管的工作电压由-3V~+30V，观测并记录暗电流读数的变化。
测量光电管的伏安特性
将微电流测试仪电压调节旋钮逆时针拧到最小，电压极性为负量程为3V，电流量程为1。
盖上光源出光孔挡光盖，摘下暗盒入光孔档光盖，换上NG365滤色片。
改变电压量程及电压调节旋钮，将电压由-3V缓慢升高至+30V。在电流变化缓慢处可每隔1~2V测量一次，在电流变化较快处可每隔0.1~0.2V测一次，记录电压和电流的数值。
依次在暗盒入光孔装上NG405、436、546和577滤色片，重复步骤（1）至（3）。
暗盒入光孔装NG577滤色片，光源出光孔先后装上减光率分别为75％、50％、25％的中性减光片，电压选20V以上（高于饱和电压），记录饱和电流值。
数据处理
在坐标纸上分别做出5种准单色光波的U—I伏安特性曲线、光谱特性曲线和577.0nm光波的光电特性曲线。
由直线的截距求出金属的红限频率和阴极逸出电压，由直线的斜率计算普朗克常量的值。
必须指出，准确测量截止电压是最重要也是最困难的工作。