實驗講義-光電效應(yīng)-2013.9

1、1實驗實驗4.34.3光電效應(yīng)光電效應(yīng)和普朗克常數(shù)的測量和普朗克常數(shù)的測量1887年德國物理學(xué)家H.R.赫茲發(fā)現(xiàn)電火花間隙受到紫外線照射時會產(chǎn)生更強的電火花。赫茲的論文《紫外光對放電的影響》發(fā)表在1887年《物理學(xué)年鑒》上。論文詳細(xì)描述了他的發(fā)現(xiàn)。赫茲的論文發(fā)表后，立即引起了廣泛的反響，許多物理學(xué)家紛紛對此現(xiàn)象進行了研究，用紫外光或波長更短的X光照射一些金屬，都觀察到金屬表面有電子逸出的現(xiàn)象，稱之為光電效應(yīng)。對光電效應(yīng)現(xiàn)象的研究，使人們

2、進一步認(rèn)識到光的波粒二象性的本質(zhì)，促進了光量子理論的建立和近代物理學(xué)的發(fā)展，現(xiàn)在光電效應(yīng)以及根據(jù)光電效應(yīng)制成的各種光電器件已被廣泛地應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科研和國防等各領(lǐng)域?！緦嶒?zāi)康膶嶒災(zāi)康摹竣偻ㄟ^實驗加深對光的量子性的認(rèn)識；②驗證愛因斯坦方程，并測量普朗克常數(shù)以及陰極材料的“紅限”頻率?！緦嶒炘韺嶒炘怼恳?、光電效應(yīng)及其實驗規(guī)律一、光電效應(yīng)及其實驗規(guī)律當(dāng)一定頻率的光照射到某些金屬表面上時，可以使電子從金屬表面逸出，這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)

3、，所產(chǎn)生的電子稱為光電子。研究光電效應(yīng)的實驗裝置如圖4.3.1所示，入射光照射到陰極K時，由光電效應(yīng)產(chǎn)生的光電子以某一初動能飛出，光電子受電場力的作用向陽極A遷移而構(gòu)成光電流。一定頻率的光照射陰極K所得到的光電流和兩極間的電壓的實驗曲線如圖4.3.2所示。隨著IU光電管兩端電壓的增大光電流趨于一個飽和值，當(dāng)≤時，光電流為零，稱為mIUSUSU反向遏止電壓?？偨Y(jié)所有的實驗結(jié)果，光電效應(yīng)的實驗規(guī)律可歸納為：（1（對于一種陰極材料，當(dāng)照射光的

4、頻率確定時，飽和光電流的大小與入射光的強mI度成正比。kAGAV入射光光電管圖4.3.1光電效應(yīng)實驗裝置示意圖0USU圖4.3.2U——I特性曲線3說明照射光的頻率小于時不會有光電子發(fā)射。不同的金屬其值不同，但所有的金屬直0?0?線的斜率卻是不變的。密立根于1916年發(fā)表論文證實了愛因斯坦方程的正確性，并直接運用光電方法對普朗克常數(shù)作了首次測量。h歷經(jīng)十年，密立根用實驗證實了愛因斯坦的光量子理論。兩位物理大師因在光電效應(yīng)等方面的杰出貢獻

5、，分別于1921和1923年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。光量子理論創(chuàng)立后，在固體比熱，輻射理論，原子光譜等方面都獲得成功，人們逐步認(rèn)識到光具有波動和粒子二象屬性。光子的能量與頻率有關(guān)，當(dāng)光傳播時，顯示?hE?出光的波動性，產(chǎn)生干涉，衍射，偏振等現(xiàn)象；當(dāng)光和物體發(fā)生作用時，它的粒子性又突出了出來。后來科學(xué)家發(fā)現(xiàn)波粒二象性是一切微觀物體的固有屬性，并發(fā)展了量子力學(xué)來描述和解釋微觀物體的運動規(guī)律，使人們對客觀世界的認(rèn)識前進了一大步。三、普朗克常數(shù)的測

6、量原理三、普朗克常數(shù)的測量原理根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程（4.3.2）式、截止電壓與光電子的最大初動能的關(guān)系SU（4.3.2）式以及“紅限”頻率與逸出金屬表面所需的功之間的關(guān)系（4.3.3）式，可0?W得到：（4.3.4）)(0????hUeS此式表明截止電壓是頻率?的線性函數(shù)，相應(yīng)的曲線SU如圖4.3.4所示，可知直線的斜率為：??SU（4.3.5）ehk?直線的延長線對縱軸的截距為??SU（4.3.6）eWU?0直線與橫軸的交點為陰極

7、材料的“紅限”頻率。??SU0?綜上所述，通過用不同頻率的光照射陰極，測得相應(yīng)的截止電壓，得出關(guān)系，??SU即可求得、、。h0?W四、影響準(zhǔn)確測量截止電壓的因素四、影響準(zhǔn)確測量截止電壓的因素測量普朗克常數(shù)的關(guān)鍵是正確的測出截止電壓，但實際上由于光電管制作工藝等hSU原因，給準(zhǔn)確測定截止電壓帶來了一定的困難。實際測量的光電管伏安特性曲線與理論曲線有明顯的偏差，引起這種偏差的主要原因有：（1）在無光照時，也會產(chǎn)生電流，稱之為暗電流。它是由陰