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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流光电效应实验.精品文档.光电效应一、实验目的1. 通过光电管I-U特性曲线的测定，熟悉光电效应的规律。2. 了解光的量子性，测定金属红线的频率。3. 验证爱因斯坦光电效应方程，计算普朗克常量。二、 实验原理1、 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1三、 实验发现（1） 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）。（2） 引起光电效应的时间极短（
2、不超过秒），一经照射立即有光电子产生。（3） 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）。（4） 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42、 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
3、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。三、 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： 1. 光电管及暗盒：光电管开有石英侧窗式光窗口，光谱范围为190.0700.0nm，最大工作电压为100v。当工作电压为30v时光照灵敏度为87A/Lm，暗电流为1.9A。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=16mm，可放置=36mm的滤色片和中性减光片，并能升降调节。2. GD-
4、1型光源：灯管为GGQ50WHg高压汞灯，光谱范围为320.3872.0nm，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=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=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.GD1型微电流测试仪：微电流测试仪与光电管用50
5、cm75的屏蔽电缆相连，电流量程：1A、10A、100A；电压量程3V、15V、30V；光电管工作电压：-3+30V。四、 实验内容及步骤1. 做好测试前的准备工作将光源、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。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。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。2. 观测并记录光电管暗电流暗电流是
6、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。3. 测量光电管的伏安特性（1） 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。（2） 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。（3） 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12V测量一次，在电流变化较快处可每隔0.10.2V测一次，记录电压和电流的数值。（4） 依
7、次在暗盒入光孔装上NG405、436、546和577滤色片，重复步骤（1）至（3）。（5） 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。4. 数据处理（1） 在坐标纸上分别做出5种准单色光波的UI伏安特性曲线、光谱特性曲线和577.0nm光波的光电特性曲线。（2） 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。因为光电管的阴极是由逸出电压较低的碱金属材料制成，这种材料即使在高真空条件下也有被氧化的趋向，因而表面各处的
8、逸出电压有所不同，致使反向电压逐渐增大时，光电流不是突然截止。其次，光电管阳极虽然采用逸出电压较高的材料制成，只在远紫外光的照射下才能逸出电子，但是在使用中，阴极材料会在阳极上有所沉积，因而在入射光照射下也会发射电子，形成反向电流如图6所示，再加上暗电流的影响，使得实测伏安特性曲线（图中实线）与理论曲线（图中虚线）有可能偏离。此时可选曲线上反向电流开始饱和的D点所对应的电压为截止电压。五. 注意事项1. GD1型光电效应测试仪应放在阴凉、干燥、通风处，避免在强磁场、强震动、高温以及有辐射物质的环境中工作。2. 光电管暗盒入光孔应勿对强光源（如电灯、窗口等）放置，测量前后都要用档光盖遮住光电管暗盒入光孔，测量中更换滤色片时，务必先盖上光源出光孔挡光盖，尽量避免强光直接照射阴极而缩短光电管的使用寿命。3. 光源与光电管之间的距离为25cm，从光源出光孔发出的光线必须直射光电管阴极。4. 当微电流测试仪的电压由大量程切换为小量程时，要先逆时针旋转电压调节旋钮至最小，在测量中注意根据电流的变化及时转换电流量程，以免过载损坏仪器、5. 本仪器配备的滤色片和中性减光片是经精细加工制成，在使用中要保持表面的清洁，不能用手触摸表面，尽量避免污染，以保证测量数据的准确性。