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1、实验七光电效应及普朗克常数的测定第1页，本讲稿共27页溯溯源源18871887年年，赫兹赫兹在进行证明电磁波存在的实验时发现，当接收在进行证明电磁波存在的实验时发现，当接收电磁波的电极之一受到紫外光照射时，两极之间就容易出电磁波的电极之一受到紫外光照射时，两极之间就容易出现电火花。他改用了各种材料放在两极之间，证明这种作现电火花。他改用了各种材料放在两极之间，证明这种作用不是电磁的作用。他在用不是电磁的作用。他在18871887年发表的论紫外光的放电年发表的论紫外光的放电效应一文中首先描述了这些现象。效应一文中首先描述了这些现象。18881888年年，德国物理学家，德国物理学家霍尔瓦克斯霍尔瓦
2、克斯、意大利的意大利的里奇里奇和俄国的和俄国的斯托列托斯托列托夫几乎同时作出了新的研究。夫几乎同时作出了新的研究。18891889年，年，爱耳斯特爱耳斯特和和盖特乐盖特乐也作了进一步研究，指出对钾、钠、铝、锌等金属，也作了进一步研究，指出对钾、钠、铝、锌等金属，不仅存在着赫兹指出的紫光放电现象，而且对普通太阳光也不仅存在着赫兹指出的紫光放电现象，而且对普通太阳光也有同样的现象。但另一些金属（如锡、铜、铁）则没有。有同样的现象。但另一些金属（如锡、铜、铁）则没有。第2页，本讲稿共27页用锌板作光阴极，阳极与用锌板作光阴极，阳极与之平行，相距约之平行，相距约1厘米，厘米，将整个装置放在磁场中，将整
3、个装置放在磁场中，用紫外光照射锌板，进行用紫外光照射锌板，进行测光电流荷质比的实验测光电流荷质比的实验。他根据电压、磁场和极间距离计算得出光电流和阴极射线他根据电压、磁场和极间距离计算得出光电流和阴极射线实质相同的结论，实质相同的结论，从而认识到赫兹的紫外放电现象就是由于光、特别是紫外从而认识到赫兹的紫外放电现象就是由于光、特别是紫外光照射到金属表面，使金属内部光照射到金属表面，使金属内部自由电子获得更大动能而从自由电子获得更大动能而从金属表面逃逸到空间金属表面逃逸到空间的一种现象。的一种现象。1899年年，j.j汤姆逊汤姆逊，应用下左图所示的实验装置，应用下左图所示的实验装置第3页，本讲稿共
4、27页1902年年，勒纳德勒纳德发表了对光电效应的第一批定量研究结果，他发表了对光电效应的第一批定量研究结果，他通过实验，测出了紫外光照射下铝板发出的电子的荷质比。确通过实验，测出了紫外光照射下铝板发出的电子的荷质比。确定赫兹看到的火花是定赫兹看到的火花是金属表面发射电子的结果。金属表面发射电子的结果。他发现了无法用经典理论解释的他发现了无法用经典理论解释的三个现象三个现象：第一，第一，出射光电子的初动能只与入射频率有关，而与光强出射光电子的初动能只与入射频率有关，而与光强 无关；无关；第二，第二，每一个金属表面都存在着载止频率；每一个金属表面都存在着载止频率；第三，第三，只要入射光频率大于载
5、止频率，无论它多么微弱，都只要入射光频率大于载止频率，无论它多么微弱，都 会立刻引起光电子发射。会立刻引起光电子发射。勒纳德勒纳德还用不同材料做阴极，用不同光源照射阴极，发现了电子逸出还用不同材料做阴极，用不同光源照射阴极，发现了电子逸出金属表面的最大速度与光强无关，光强对遏止电压没有影响金属表面的最大速度与光强无关，光强对遏止电压没有影响。第4页，本讲稿共27页为了从理论上推导出这一公式，他采用了玻尔兹曼的统计方为了从理论上推导出这一公式，他采用了玻尔兹曼的统计方法，假定黑体内的能量是由不连续的能量子构成，能量子的法，假定黑体内的能量是由不连续的能量子构成，能量子的能量为能量为h h。能量子
6、的假说具有划时代的意义。能量子的假说具有划时代的意义。爱爱因因斯斯坦坦提提出出了了光光子子假假说说并并由由此此假假说说得得出出了了著著名名的的光光电电效应方程，解释了光电效应的实验结果。效应方程，解释了光电效应的实验结果。美国物理学家密立根美国物理学家密立根从从19041904年开始光电效应实验，年开始光电效应实验，19161916年，年，他以出色的实验得到了较好的单色光。并从实验曲线求出他以出色的实验得到了较好的单色光。并从实验曲线求出了普朗克常数值了普朗克常数值19001900年，年，普朗克普朗克在研究黑体辐射问题时，先提出了一个符在研究黑体辐射问题时，先提出了一个符合实验结果的经验公式。
7、合实验结果的经验公式。第5页，本讲稿共27页第6页，本讲稿共27页这是第一次直接从光电效应测定普朗克常数这是第一次直接从光电效应测定普朗克常数h h，与普朗克与普朗克19001900年从黑体辐射求得之值相符很好，年从黑体辐射求得之值相符很好，获得了爱因斯坦方程在很小的实验误差范围内获得了爱因斯坦方程在很小的实验误差范围内精确有效的第一次直接实验证据。精确有效的第一次直接实验证据。这就从实验现象到量子理论上承认了光电效应的这就从实验现象到量子理论上承认了光电效应的规律，有力地证明了爱因斯坦对光电效应提出的规律，有力地证明了爱因斯坦对光电效应提出的假设，从而形成了今日大家熟知的光电效应理论。假设，
8、从而形成了今日大家熟知的光电效应理论。第7页，本讲稿共27页一、实验目的一、实验目的3.3.利用光电效应法测定普朗克常数，加利用光电效应法测定普朗克常数，加 深理解光的量子性。深理解光的量子性。1.1.了解光电效应及其规律。了解光电效应及其规律。2.2.了解验证爱因斯坦光电效应方程的基了解验证爱因斯坦光电效应方程的基 本方法。本方法。第8页，本讲稿共27页光电子运动形成光电子运动形成光电流光电流(photocurrent)。二、实验原理二、实验原理逸出的电子叫逸出的电子叫光电子光电子(photoelectron),光电效应：光电效应：光照射到金属表面时，有电子从金属表面逸出的现象称光照射到金属
9、表面时，有电子从金属表面逸出的现象称为为光电效应光电效应 (photoelectric effect)第9页，本讲稿共27页按照爱因斯坦的光量子理论，光能并不像电磁波理论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的那样，分布在波阵面上，而是集中在被称之所想象的那样，分布在波阵面上，而是集中在被称之为光子的微粒上，但这种微粒仍然保持着频率（或波为光子的微粒上，但这种微粒仍然保持着频率（或波长）的概念，长）的概念，频率为频率为 的光子具有能量的光子具有能量E=hE=h，h h为普为普朗克常数。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当光子照射到金属表面上时，一次为金属中的
10、电子全部吸收，而无需积累能量的时间。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，电子把这能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引力，这部分能量称为这部分能量称为逸出功逸出功A A；余下的就变为电子离开金属表面后的初动能余下的就变为电子离开金属表面后的初动能 第10页，本讲稿共27页按按照照能能量量守守恒恒原原理理，爱爱因因斯斯坦坦提提出出了了著著名名的的光光电电效效应应方程：方程：式中，式中，A A为金属的逸出功，为金属的逸出功，为光电子获得的初始动能。为光电子获得的初始动能。第11页，本讲稿共27页光电效应的实验装置光电效应的实验装置右图右图中中S S是一个
11、抽成真空的玻璃管，是一个抽成真空的玻璃管，K K为发为发出电子的阴极，出电子的阴极，A A为阳极为阳极石英玻璃窗对紫外线吸收很小石英玻璃窗对紫外线吸收很小(光电光电效应的入射光一般为可见到紫外效应的入射光一般为可见到紫外)当用单色光照射当用单色光照射K时，金属释放时，金属释放出光电子出光电子KAKA之间加上一定的电势差之间加上一定的电势差(由电由电压表压表V V读出读出)，光电子由，光电子由K K飞向飞向A A。回路中形成电流回路中形成电流(由电流计由电流计G G读出读出)称为光电流称为光电流.第12页，本讲稿共27页入射光照射到光电管阴极入射光照射到光电管阴极K K上，产生的光电子在电场的作
12、上，产生的光电子在电场的作用下向阳极用下向阳极A A迁移构成光电流，改变外加电压迁移构成光电流，改变外加电压U UAKAK，测量测量出光电流出光电流I I的大小，即可得出光电管的伏安特性曲线。的大小，即可得出光电管的伏安特性曲线。光电效应的实验原理如图光电效应的实验原理如图1所示。所示。A K A V UAK 图图1 1 实验原理图实验原理图 第13页，本讲稿共27页 光电效应的基本实验规律如下：光电效应的基本实验规律如下：（1 1）光电效应是瞬时效应。即使入射光的强度非光电效应是瞬时效应。即使入射光的强度非 常微弱，只要频率大于常微弱，只要频率大于 0 0，在开始照射后立，在开始照射后立 即
13、有光电子产生，经过的时间至多为即有光电子产生，经过的时间至多为10109 9秒秒 的数量级。的数量级。（2）以频率为以频率为的光束照射光电管的光束照射光电管、光强改光强改 变变P1P2 P3时的伏一安曲线如时的伏一安曲线如图图2所所 示，光电流随正向电压的增加而增大。示，光电流随正向电压的增加而增大。第14页，本讲稿共27页当正向电压当正向电压U增大到一定值时，增大到一定值时，光电流达到饱和光电流达到饱和IH。IH随光随光强强P增大而增大增大而增大，当，当U0时，时，光电流不为零，说明从光电流不为零，说明从K发射发射的光电子初动能不为零。的光电子初动能不为零。当当UUa时，对同频率、不同光强时
14、，对同频率、不同光强P照射的光电子都照射的光电子都截止，即截止，即I=0，Ua称为遏止电压。称为遏止电压。图图2 2 同一频率，不同光强时同一频率，不同光强时光电管的光电管的 伏安特性曲线伏安特性曲线第15页，本讲稿共27页（4 4）作截止电压作截止电压U U0 0与频率与频率 的关系图如的关系图如图图4 4所示所示 U U0 0与与 成正比关系。成正比关系。（3 3）对于不同频率的光，其截止电压的值对于不同频率的光，其截止电压的值 不同，如不同，如图图3 3所示。所示。I UA K n1 n2 U01 U02 图图3不同频率时光电不同频率时光电管的管的 伏安特性曲线伏安特性曲线 n0 n U
15、0 斜率h/e 图图4截止电压截止电压U U0 0与入射光与入射光频率频率 的关系图的关系图当入射光频率低于某当入射光频率低于某极限值极限值 0（0随不同金属而异）时，不随不同金属而异）时，不论光的强度如何，照射时间多长，都没有光电论光的强度如何，照射时间多长，都没有光电流产生。流产生。第16页，本讲稿共27页当电子一次性地吸收了一个光子后，便获得当电子一次性地吸收了一个光子后，便获得了了h 的能量而立刻从金属表面逸出，没有明的能量而立刻从金属表面逸出，没有明显的时间滞后，这也正是光的显的时间滞后，这也正是光的“粒子性粒子性”表表现。现。-光电效应的瞬时效应光电效应的瞬时效应解解 释：释：按照
16、爱因斯坦光子理论：按照爱因斯坦光子理论：光照射到金属光照射到金属 k k 极，实际上是单个光子能量极，实际上是单个光子能量为为h h 的光子束入射到的光子束入射到 k k 极，光子与极，光子与 k k 极极内的电子发生碰撞。内的电子发生碰撞。第17页，本讲稿共27页入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子动能越大，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，直至阳极电位低于形成光电流，直至阳极电位低于遏止电压遏止电压，光电流才为，光电流才为零零 根据爱因斯坦的光电效应方程：根据爱因斯坦
17、的光电效应方程：第18页，本讲稿共27页此时有：此时有：阳极电位高于阳极电位高于遏遏止电压后，随着阳极电位的升高，阳极止电压后，随着阳极电位的升高，阳极对阴极发射的电子的收集作用越强，光电流随之上升；对阴极发射的电子的收集作用越强，光电流随之上升；式中式中Ua为遏止电压为遏止电压。当当阳阳极极电电压压高高到到一一定定程程度度，已已把把阴阴极极发发射射的的光光电电子子几几乎乎全全收收集集到到阳阳极极，再再增增加加U UAKAK时时I I不不再再变变化化，光光电电流流出出现现饱和，饱和，饱和光电流饱和光电流I IM M 的大小与入射光的强度的大小与入射光的强度P P成正比。成正比。第19页，本讲稿
18、共27页光子光子的能量的能量h h 0 0AA时，电子不能脱离金属，因而没有光时，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（电流产生。产生光电效应的最低频率（截止频率截止频率）是）是 0 0=A/hA/h。可得：可得：eUeU0 0=h=h A A 此式表明止电压此式表明止电压U U0 0是频率是频率 的的线性函数（如图），直线斜率线性函数（如图），直线斜率 只只要要用用实实验验方方法法得得出出不不同同的的频频率率对对应应的的遏遏止止电电压压，求出直线斜率，就可算出普朗克常数求出直线斜率，就可算出普朗克常数h h。第20页，本讲稿共27页三、实验仪器三、实验仪器普朗克常数测
19、定仪普朗克常数测定仪仪器由汞灯及电源、滤光片、光阑、光电管、测试仪（含仪器由汞灯及电源、滤光片、光阑、光电管、测试仪（含光电管电源和微电流放大器）构成，仪器结构如图光电管电源和微电流放大器）构成，仪器结构如图5 5所示所示 滤色片：滤色片：5 5片片,透射波长透射波长365.0365.0nmnm，404.7nm404.7nm，435.8nm435.8nm，546.1nm546.1nm，577.0nm 577.0nm 光光 阑：阑：3 3片，直径片，直径2 2mmmm，4mm4mm，8mm8mm第21页，本讲稿共27页四、实验内容四、实验内容接通汞灯电源和微电流测量放大器电源，预热接通汞灯电源和
20、微电流测量放大器电源，预热2020分钟。分钟。1 1、接上光电管与微电流测量放大器各对应电极接上光电管与微电流测量放大器各对应电极 的连接线，用遮光罩盖住光电管暗盒窗口，光电管的连接线，用遮光罩盖住光电管暗盒窗口，光电管与光源的距离取与光源的距离取4040cmcm。2、将放大倍率置于将放大倍率置于1012档，在无光照的情况档，在无光照的情况 下，调整微电流放大器的零点。下，调整微电流放大器的零点。3、测量光电管伏安特性曲线测量光电管伏安特性曲线通光孔径取通光孔径取2mm。取下遮光罩，选取所需单色滤。取下遮光罩，选取所需单色滤光片，使单色光照射光电管，缓缓调节电压。记录光片，使单色光照射光电管，
21、缓缓调节电压。记录相应的光电流相应的光电流I。第22页，本讲稿共27页电压的调节范围内为电压的调节范围内为-2.0V-2.0V30.0V。分三段读数：分三段读数：电压在电压在-2.0V-2.0V0.0V0.0V范围内时，每隔范围内时，每隔0.1V0.1V读一个电流值读一个电流值电压在电压在0.0V0.0V20.0V20.0V范围内时，间隔均匀范围内时，间隔均匀的选取的选取5 5个个电压值，读出对应的电流值。电压值，读出对应的电流值。电压在电压在20.0V20.0V30.0V30.0V范围内时，间隔均匀范围内时，间隔均匀的选取的选取5 5个个电压值，读出对应的电流值。电压值，读出对应的电流值。第
22、23页，本讲稿共27页4 4、改变滤光片改变滤光片，按按内容内容3 3测出不同波长测出不同波长(取取 435.8nm和和546.1nm)下的下的V-IV-I对应值。对应值。7 7、由实验数据作出由实验数据作出U Ua a-图，并由这条直线的斜图，并由这条直线的斜 率率k k求出普朗克常数求出普朗克常数h=ekh=ek的实验值。的实验值。5 5、电压调至电压调至30.0V，改变通改变通光孔径大小，测光孔径大小，测 出不同孔径时出不同孔径时饱和光电流饱和光电流的大小，观察饱和的大小，观察饱和 光电流随孔径变化而改变的规律。光电流随孔径变化而改变的规律。6 6、由实验数据由实验数据作出两条作出两条V
23、-IV-I特性曲线，由拐点特性曲线，由拐点 法分别得出相应单色光的遏止电压法分别得出相应单色光的遏止电压UaUa。第24页，本讲稿共27页9 9、计算材料的逸出功计算材料的逸出功截止频率截止频率8 8、比较普朗克常数的理论值比较普朗克常数的理论值h h0 0和实验值和实验值h h，求出求出 相对误差相对误差E Eh h=h-hh-h0 0/h h0 0第25页，本讲稿共27页实验内容及步骤实验内容及步骤仪器调整仪器调整测出两个波长的测出两个波长的V-I对应值对应值测出两个波长在不测出两个波长在不同通光孔径下的饱同通光孔径下的饱和光电流值和光电流值画出两个波长的画出两个波长的V-I曲线曲线读出两个波长的截至电压读出两个波长的截至电压Ua1，Ua2画出两个画出两个Ua图图计算材料的逸出功计算材料的逸出功W和截止频率和截止频率0计算普朗克常数的实验值计算普朗克常数的实验值h及相及相对误差对误差Eh第26页，本讲稿共27页第27页，本讲稿共27页