實(shí)驗(yàn)講義-光電效應(yīng)和普朗克常數(shù)的測(cè)量

1、1實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)光電效應(yīng)光電效應(yīng)和普朗克常數(shù)的測(cè)量和普朗克常數(shù)的測(cè)量1887年德國(guó)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(shí)會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的電火花。赫茲的論文《紫外光對(duì)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(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行了研究，用紫外光或波長(zhǎng)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(duì)光電效應(yīng)現(xiàn)象的研究，使人們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到

2、光的波粒二象性的本質(zhì)，促進(jìn)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(guó)防等各領(lǐng)域?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康摹竣偻ㄟ^實(shí)驗(yàn)加深對(duì)光的量子性的認(rèn)識(shí)；②驗(yàn)證愛因斯坦方程，并測(cè)量普朗克常數(shù)以及陰極材料的“紅限”頻率?！緦?shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理】一、光電效應(yīng)及其實(shí)驗(yàn)規(guī)律一、光電效應(yīng)及其實(shí)驗(yàn)規(guī)律當(dāng)一定頻率的光照射到某些金屬表面上時(shí)，可以使電子從金屬表面逸出，這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)，所產(chǎn)生的電

3、子稱為光電子。研究光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖4.3.1所示，入射光照射到陰極K時(shí)，由光電效應(yīng)產(chǎn)生的光電子以某一初動(dòng)能飛出，光電子受電場(chǎng)力的作用向陽(yáng)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(shí)驗(yàn)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(gè)飽和值，當(dāng)≤時(shí)，光電流為零，稱為mIUSUSU反向遏止電壓?？偨Y(jié)所有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律可歸納為：（1（對(duì)于一種陰極材料，當(dāng)照射光的頻率確定時(shí)，

4、飽和光電流的大小與入射光的強(qiáng)mI度成正比。kAGAV入射光光電管圖4.3.1光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)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(shí)不會(huì)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(shí)了愛因斯坦方程的正確性，并直接運(yùn)用光電方法對(duì)普朗克常數(shù)作了首次測(cè)量。h歷經(jīng)十年，密立根用實(shí)驗(yàn)證實(shí)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(xiàn)，分別于19

5、21和1923年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。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(shí)到光具有波動(dòng)和粒子二象屬性。光子的能量與頻率有關(guān)，當(dāng)光傳播時(shí)，顯示?hE?出光的波動(dòng)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(shí)，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(yùn)動(dòng)規(guī)律，使人們對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)前進(jìn)了一大步。三、普朗克常數(shù)的測(cè)量原理三、普

6、朗克常數(shù)的測(cè)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(dòng)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(zhǎng)線對(duì)縱軸的截距為??SU（4.3.6）eWU?0直線與橫軸的交點(diǎn)為陰極材料的“紅限

7、”頻率。??SU0?綜上所述，通過用不同頻率的光照射陰極，測(cè)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(cè)量截止電壓的因素四、影響準(zhǔn)確測(cè)量截止電壓的因素測(cè)量普朗克常數(shù)的關(guān)鍵是正確的測(cè)出截止電壓，但實(shí)際上由于光電管制作工藝等hSU原因，給準(zhǔn)確測(cè)定截止電壓帶來了一定的困難。實(shí)際測(cè)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(shí)，也會(huì)產(chǎn)生電流，稱之為暗電流。它是由陰極在常溫下的