实验报告光电效应实验

南昌大学物理实验报告学生姓名学号专业班级材料124班实验时间10时00分第十一周星期四座位号28

一、实验名称光电效应

二、实验目的、通过实验深刻理解爱因斯坦的光电效应理论，了解光电效应的基本规律；

1、掌握用光电管进行光电效应研究的方法；

2、学习对光电管伏安特性曲线的处理方法，并用以测定普朗克常数3

三、实验仪器光电效应测试仪、汞灯及电源、滤色片、光阑、光电管、测试仪、光电效应与爱因斯坦方程1用合适频率的光照射在某些金属表面上时，会有电子从金属表面逸出，这种现象叫做光电效应，从金属表面逸出的电子叫光电子为了解释光电效应现象，爱因斯坦提出了“光量子”的概念，认为对于频率为/的光波，每个光子的能量为£=极，其中为普朗克常数/Fxioaj.s按照爱因斯坦的理论，光电效应的实质是当光子和电子相碰撞时，光子把全部能量传递给电子，电子所获得的能量，一部分用来克服金属表面对它的约束，其余的能量则成为该光电子逸出金属表面后的动能爱因斯坦提出了着名的光电方程hv=—mu2+W12式中，为入射光的频率，加为电子的质量，为光电子逸出金属表面的初速度，为被光线照射W的金属材料的逸出功，为从金属逸出的光电子的最大初动能l/2mv2由式可见，入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子动能必然也越大，所以即使阴极1不加电压也会有光电子落入阳极而形成光电流，甚至阳极电位比阴极电位低时也会有光电子落到阳极，直至阳极电位低于某一数值时，所有光电子都不能到达阳极，光电流才为零这个相对于阴极为负值的阳极电位U被称为光电效应的截止电压显然，有eu-l/2mv2=O2代o入上式即有hv=eU+W30由上式可知，若光电子能量则不能产生光电子产生光电效应的最低频率是通常称h+W,°=W/h,为光电效应的截止频率不同材料有不同的逸出功，因而也不同由于光的强弱决定于光量子的数量，所以光电流与入射光的强度成正比又因为一个电子只能吸收一个光子的能量，所以光电子获得的能量与光强无关，只与光子的频率成正比，，将

（3）式改写为上式表明，截止电压是入射光频率的线性函数，如图当入射光的频率=时，截止电压没2,有光电子逸出图中的直线的斜率〃多外是一个正的常数（）h=ek5由此可见，只要用实验方法作出不同频率下的-曲线，并求出此曲线的斜率，就可以通U过式

（5）求出普朗克常数/z其中0=

1.60x10是电子的电量

1.光电效应的伏安特性曲线图是利用光电管进行光电效应实验的原理图频率为、强度为的光线照射到光电管阴3P极上，即有光电子从阴极逸出如在阴极K和阳极A之间加正向电压U.K，它使K、A之间建立起的电场对从光电管阴极逸出的光电子起加速作用，随着电压的增加，到达阳极的光电子将逐渐增多当正向电压增加到S”时，光电流达到最大，不再增加,此时即称为饱和状态，对应的光电流即称为饱和光电流由于光电子从阴极表面逸出时具有一定的初速度，所以当两极间电位差为零时，仍有光电流存在，若在两极间施加一反向电压，光电流随之减少；当反向电压达到截止电压时，光电流I为零图4入射光频率不同的I—U曲线图5入射光强度不同的I—U曲线爱因斯坦方程是在同种金属做阴极和阳极，且阳极很小的理想状态下导出的实际上做阴极的金属逸出功比作阳极的金属逸出功小，所以实验中存在着如下问题暗电流和本底电流当光电管阴极没有受到光线照射时也会产生电子流，称为暗电流它是由电子的热运动和光电管管壳漏电等原因造成的室内各种漫反射光射入光电管造成的光电流称为本底电流暗电流和本底电流随着、之间电压大小变化而变化K A阳极电流制作光电管阴极时，阳极上也会被溅射有阴极材料，所以光入射到阳极上或由阴极反射到阳极上，阳极上也有光电子发射，就形成阳极电流由于它们的存在,使得实际/〃〜曲线较理论曲线下移，如图6图6伏安特性曲线由于暗电流是由阴极的热电子发射及光电管管壳漏电等原因产生，与阴极正向光电流相比，其值很小，且基本上随电位差呈线性变化，因此可忽略其对遏止电位差的影响阳极反向电U流虽然在实验中较显着，但它服从一定规律因此，确定遏止电位差值可采用以下两种方法⑴交点法光电管阳极用逸出功较大的材料制作，制作过程中尽量防止阴极材料蒸发，实验前对光电管阳极通电，减少其上溅射的阴极材料，实验中避免入射光直接照射到阳极上，这样可使它的反向电流大大减少，其伏安特性曲线与图十分接近，因此曲线与轴交点的电位差值近似等于遏5U止电位差，此即本实验采用的交点法或零电流法U⑵拐点法光电管阳极反向电流虽然较大，但在结构设计上，若使反向光电流能较快地饱和，则伏安特性曲线在反向电流进入饱和段后有着明显的拐点，如图中虚线所示的理论曲线下移为6实线所示的实测曲线，遏止电位差也下移到点因此测出点即测出了理论值U U UU

五、实验内容及步骤

1、调整仪器连接仪器；接好电源，打开电源开关，充分预热不少于分钟120在测量电路连接完毕后，没有给测量信号时，旋转“调零”旋钮调零每换一次量程，2必须重新调零取下暗盒光窗口遮光罩，换上滤光片，取下汞灯出光窗口的遮光罩，装好遮光筒,调3节好暗盒与汞灯距离

2、测量普朗克常数用1将电压选择按键开关置于-2〜+2V档，将“电流量程”选择开关置于10-UA档将测试仪电流输入电缆断开，调零后重新接上将直径为的光阑和的滤色片装在光电管电暗箱输入口上24mm从高到低调节电压，用“零电流法”测量该波长对应的，并数据记录3U依次换上、、、的滤色片，重复步骤、、4405nm436nm546nm577nm123o测量三组数据,然后对求平均值5h

3、测量光电管的伏案特性曲线暗盒光窗口装滤光片和光阑，缓慢调节电压旋钮，令电压输出值缓慢由1365nm4nmi伏增加到每隔记一个电流值但注意在电流值为零处记下截止电压值0V30V,IV在暗盒光窗口上换上滤光片，仍用的光阑，重复步骤2577nm4mni1选择合适的坐标，分别作出两种光阑下的光电管伏安特性曲线3U-I o

4、探究饱和电流与光通量、光强的关系⑴控制电压，波长为时，记录光阑孔分别为、、时的电流U=365nm,L=400nm248⑵控制电压波长为光阑孔为时,记录距离分别为U=,365nm,2nm L300nm350nm400mm时的电流

六、数据记录与处理表一关系u—V波长入nm365405436546577频率V10HZ截止电压UV计算普朗克常量当利用不同频率的单色光分别作光源时，可以测出不同频率下V的遏止电位作出与的曲线，测曲线的斜率为便可求出普朗克常U aoU aV KK=h/e=AU/Av数hK=AU/Av=xh=ek=x xxxJ,S表二U关系I—AK光阑孔

①波长入4mm577nmUKV0I10-10A0026810121314151618UAK VI10HOA192022242527283031323334光阑孔中波长入4nm365nmU VAK0123456789I10-10A069172738506273828895UAK V101112131415182124262830I10-10A102110117124132137153170186195203215表三I—关系M PU=波长入365nmL=400nmAK光阑孔

①nm248110,0A67217805表四I关系M—L波长入光阑孔

①U=365nm2nmAK距离Lmm300350400I10-10A473022

七、实验小结思考与讨论注意事项、微电流测量仪和汞灯的预热时间必须长于分钟，连线时务必先接好地线，后接信号120线切勿让电压输出端与地短路，以免损坏电源微电流测量仪每改变一次量程,必须A重新调零、微电流测量仪与暗盒之间的距离在整个实验过程中应当一致

2、注意保护滤光片，勿用手触摸其表面，防止污染

3、实验结束时应盖上光电管暗合遮光盖和汞灯遮光盖！4。