当前位置：文档之家 › 光电效应法测普朗克常量

光电效应法测普朗克常量

  • 格式：docx
  • 大小：310.26 KB
  • 文档页数：6

光电效应法测普朗克常量光电效应是指一定频率的光照射在金属表面时，会有电子从金属表面逸出的现象。

在光电效应实验中，光显示出它的粒子性质，这一现象对于认识光的本质及早期量子理论的发展具有划时代的深远意义。

【实验目的与要求】1.掌握光电效应的规律，加深对光的量子性的理解；2.测量普朗克常量h ；3.了解计算机采集数据、处理数据的方法。

【实验原理】当光照射金属表面时，光能量被金属中的电子吸收，使一些电子逸出金属表面，这种现象称为光电效应。

逸出的电子称为光电子。

普朗克常数h 是1900年普朗克为了解决黑体辐射能量分布时提出的“能量子”假设中的一个普适常量。

其值为h =6.626755×10-34J ·s -1。

光电效应的实验原理如图4-1所示。

入射光照射到光电管阴极K 上，产生的光电子在电场力的作用下向阳极A 迁移形成光电流，改变外加电压U AK ，测出光电流I 的大小，即可得出光电管的伏安特性曲线，如图4-2所示。

光电效应的基本实验事实如下：（1）当入射光频率不变时，饱和电流与入射光强成正比，由图4-2可见，对一定的频率，有一电压U 0，当0U U AK （为负值）时，电流为零，因此U 0被称为截止电压。

对于不同频率的光，其截止电压的值不同。

（2）作截止电压U 0与频率ν的关系图如图4-3所示。

U 0与ν成正比关系。

当入射光频率低于某极限ν0（ν0随不同金属而异）时，不论光的强度如何，照射时间多长，都没有光电流产生。

而只要入射光的频率大于ν0，就有光电子逸出。

ν称为红限频率。

图4-1实验原理图4-2光电管的伏安特性曲线（3）根据爱因斯坦的光量子理论，频率为ν的光子具有能量νh E =，h 为普朗克常数。

当电子吸收了光子能量νh 后，一部分消耗于电子的逸出功A ，另一部分就转变为电子离开金属表面后的初始动能，按照能量守恒原理，爱因斯坦提出了著名的光电效应方程：A mv h +=2021ν（1） 在阳极A 和阴极K 之间加上反向电压U AK ，并逐渐增大反向电压，由于它对光电子从阴极K 向阳极A 运动起到阻碍作用，所以回路中的电流强度随之减小。

当光电子刚好不能到达阳极时，光电流为零，光电子初始动能全部克服电场力做功，此时有关系式：2021mv eU =（2） 将（2）式代入（1）式可得到：eAk U eAe h U A eU h -=-=+=ννν000（3）式中A 为金属的逸出功，对于某一种金属它是常数。

上式表明截止电压U 0是频率ν的线性函数，直线斜率e h k /=，只要用试验方法得出不同的频率对应的截止电压，求出直线斜率，就可算出普朗克常数h 。

实验中采用GD-4型智能光电效应实验仪测量不同的频率对应的截止电压。

由高压汞灯提供光源，经过滤光片获得单色光，由相距一定距离的光电管接受并送入实验仪主机中处理。

光电管中的阳极是用逸出功较大的材料制成的，但实验中，仍存在阳极光电效应所引起的反向电流和暗电流（即无光照射时的的电流），测得的电流实际上是包括上述两种电流和由阴极光电效应所产生的正向电流三部分，所以曲线并不与U 轴相切。

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的，与阴极正向光电流相比，其值很小，且基本上随电位差U 呈线性变化，因此可忽略其对遏制电位差的影响。

而存在阳极反向电流（制作过程中少量阴极材料溅射在阳极上产生的）的伏安特性曲线由图4-2十分接近，因此可近似取曲线与U 轴交点的电位差为遏止电位差U 0。

图4-3 截止电压U 0与频率υ的关系【实验仪器】GD-4型智能光电效应实验仪，计算机。

实验装置如图4-4所示。

【实验内容】一、测试前准备：将实验仪及汞灯电源接通（汞灯盖及光电管暗箱遮光盖应盖上），预热20分钟以上。

光电管与汞灯的距离约调整为40cm并保持不变，并保持光电管与汞灯正对。

用专用连接线将光电管暗箱电压输入端与测试仪电压输出端（后面板上）连接起来（红——红，蓝——蓝）。

双击计算机桌面上的“光电效应（普朗克常数）实验”，输入用户名和密码后登入。

图4-4（GD-4）型光电效应实验装置图测试仪面板图见图4-5。

将“电流量程”选择开关置于所选档位，进行测试前调零。

测试仪在开机或改变电流量程后，都会自动进入调零状态。

调零时应将光电管暗箱电流输出端K与测试仪微电流输入端（后面板上）断开，旋转“调零”旋钮使电流指示为000.0。

调节好后，用高频匹配电缆将电流输入连接起来，按“调零确认/系统清零”键，系统进入测试状态。

图4-5 测试仪面板图二、测量截止电压测量截止电压时，“伏安特性测试/截止电压测试”状态键应为截止电压测试状态。

“电流量程”开关选择10-13A档，进行测试前调零。

按“调零确认/系统清零”键，系统进入测试状态。

智能光电效应实验仪分为单极测试和微机测量，在单机测量中又有手动和自动两种模式。

单机测量：1.手动测量寻找扫描起始电压和终止电压：使“手动/自动”模式键处于手动模式。

将直径4mm的光阑及365.0nm的滤色片装在光电管暗箱光输入口上，打开汞灯遮光盖。

从低到高调节电压（绝对值减小），观察电流值的变化，寻找电流为零时对应的U AK。

（说明：由于手动时，数字显示器的数值不稳定，所以只需寻找到零电流对应电压附近±0.1V的电压，作为扫描起始电压（U AK-0.1V）和终止电压（U AK+0.1V），保证在此电压扫描范围内，能够出现零电流，记录扫描起始电压和终止电压。

）2.自动测量截止电压U0：按“手动/自动”模式键切换到自动模式：在此仪器前面板左边指示灯闪烁，表示系统处于自动测试扫描范围设置状态，用电压调节键可设置扫描起始电压和终止电压。

仪器前面板左边显示为扫描起始电压，右边显示为终止电压，分别用上述手动测量寻找扫描起始电压和终止电压值，设置好扫描起始电压和终止电压后，按动相应的存储区键，仪器先清除存储区原有数据，等待30秒后，按照4mV的步长自动扫描，并在右侧显示电压值，左侧显示相应的电流值。

扫描结束后，仪器自动进入数据查询状态。

读取电流为零时对应的U AK，以其绝对值为该波长对应的U0的值，记录数据。

3.依次换上404.7nm，435.8nm，546.1nm，577.0nm的滤色片，重复上述测量步骤。

微机测量1.将直径4mm的光阑及365.0nm的滤色片装在光电管暗箱光输入口上，打开汞灯遮光盖。

2.点击[数据通讯]下拉菜单中[开始新实验]，在出现的对话框中输入[班级]、[学号]、[姓名]及[实验]下拉菜单中的[普朗克常数]、[仪器]下拉菜单中的[1|A设备]或[2|B设备]（注：微机右侧仪器为1|A，微机左侧为2|B，若后面出现[参数设置失败]，则要重新选择），输好后，点击[开始]，出现[提示]对话框，点击[是（Y）]后，出现[实验参数设置]对话框，仔细设置好相关参数，点击[设置]后，若出现[是否启动新实验]的对话框，说明仪器选择正确，点击[是（Y ）] 后，则开始联机测试，此时仪器前面板通讯指示灯闪烁，等待30s 后微机开始边采集数据边用软件自动生成相应范围的伏安特性[曲线1] 。

3.数据采集完毕后，换上404.7nm 的滤色片，然后点击[数据通讯]下拉菜单中的[启动测试]（注：切勿点击[开始新实验]），出现[实验参数设置]对话框，重新仔细设置好相关参数后，点击[设置]，重复2的步骤，生成相应的伏安特性[曲线2]。

4.同3，依次换上其余滤色片，生成相应范围的伏安特性[曲线3]、[曲线4]、[曲线5]。

5.点击[数据通讯]下拉菜单中的[打印实验数据]，首先进行数据检验，输入相应波长的截止电压后，点击“计算”、“打印”，生成“线性回归法计算h 实验报告”，满意后点击报告上方的“保存”按钮保存实验报告（报告为QRP 格式），注意将报告保存到桌面上的相应机号的共享文件夹中，由老师统一打印。

【实验数据记录】U 0~ν的关系光阑直径Φ= 4 mm 序号 波长nm 起始电压/V 终止电压/V 截止电压U 0/V 频率ν/s -1手动 自动 1 365 -1.868 -1.668 -1.768 -1.768 8.219E+14 2 405 -1.548 -1.348 -1.448 -1.444 7.407E+14 3 436 -1.240 -1.220 -1.230 -1.232 6.881E+14 4 546 -0.780 -0.580 -0.680 -0.680 5.495E+14 5577-0.652-0.452-0.552-0.5525.199E+14【数据处理与分析】可用以下3种方法处理表1的实验数据，得出U 0~ν直线的斜率k 。

1.根据n m n m U U U k ννν--=∆∆=000，可用逐差法从表1中取四组数据中求出两个k ，将其平均值为所要求的k 的值。

★首先将U 0统一为正得序号 波长nm 截止电压U 0/V 频率ν/s -1手动 自动 1 365 1.768 1.768 8.219E+14 2 405 1.448 1.444 7.407E+14 3 436 1.230 1.232 6.881E+14 4 546 0.680 0.680 5.495E+14 55770.5520.5525.199E+14则取1~4组数据运用EXCEL 计算1、2中：V/Hz 10991.31521020101-⨯=--=∆∆=νννU U U k3、4中：V/Hz 10982.31543040302-⨯=--=∆∆=νννU U U kV/Hz 10987.321521-⨯=+=k k k 2.可用表1数据在坐标纸上作U 0~ν直线，由图求出直线斜率k 。

求出直线斜率k 后，可用ek h =求出普朗克常数，并与h 的公认值h 0比较，求出百分误差00h h h B -=，式中e =1.602×10-19C ，h 0=6.626×10-34J ·S 。

则k =4.027×10-15 Hz 则s J 10451.634⋅⨯==-ek h%637.200-≈-=h h h B3.用微机计算普朗克常数用鼠标激活桌面上的“计算机辅助试验系统”，系统会弹出一个登录窗口，输入用户名和密码后登入。

在出现的窗口中点击[数据通讯]下拉菜单中的[手动实验计算]，弹出数据计算窗口，依次输入截止电压值，然后点击“计算”按钮，即可计算出普朗克常数和相对误差；然后点击“打印”按钮，出现“线性回归法计算h 实验报告”，点击报告上方的“保存”按钮保存实验报告（报告为QRP 格式），注意将报告保存到桌面上的相应机号的共享文件夹中由老师统一打印。

【注意事项】（1）光电管入射窗口不要面对其他强光源（如窗户等），以减少杂散光干扰。

合集下载

基础物理实验-光电效应法测定普朗克常数

基础物理实验-光电效应法测定普朗克常数

基础物理实验-光电效应法测定普朗克常数
光电效应法测定普朗克常数是一项基础物理实验，是通过研究光电效应来测定普朗克常数（符号为h）的一种方式。

普朗克常数是物理定律中一个重要的常数，它影响到热力学、光学等物理现象。

其值与许多量子现象有关，因此普朗克常数的准确的测定具有很重要的意义。

光电效应法测定普朗克常数有两种方法：第一种是爱因斯坦-ヒル方法，第二种是思廉斯-威尔逊方法。

爱因斯坦-ヒル方法主要是测定半导体中发生光电效应时，所放射或吸收光子与电子电荷之间的关系。

思廉斯-威尔逊方法是研究普朗克常数在发生激光光电效应中及电子电荷与激光能量所关联的关系。

爱因斯坦-ヒル方法测定普朗克常数的具体实验操作是：测量铋基半导体片材，将研磨涂硅好的片材压入Si的夹头，然后将夹头底座接入电路中，成为一个封闭的系统；然后将强光源聚焦于夹头和片材之间，激发半导体材料，使它发射出电子，接着将其能谱绘制出来；最后根据电荷量分子和光子能量的关系求得普朗克常数的值。

思廉斯-威尔逊方法的实验过程是：首先构造一个电路，电路中要有激光源、金属晶体和放大器等元件；然后将一定能量的光束输出，激发金属晶体，使它产生电离；接着通过放大器将电离电荷数目设定为有限数量，最后通过积分器计算积分，得到普朗克常数的大小。

有了以上两个方法，人们便可以精确测定普朗克常数，并利用该方法进行其他实验中也会经常用到该常数的计算。

由此可见光电效应法测定普朗克常数的重要性。

通过本次实验学习，可以充分体现出基础物理实验中的实用性，使我们能够仔细学习其核心内容，深入理解并巩固学习结果。

光电效应测普朗克常量

光电效应测普朗克常量

实验五、光电效应测普朗克常量普朗克常量是量子力学当中的一个基本常量，它首先由普朗克在研究黑体辐射问题时提出,其值约为s J h ⋅⨯=-3410626069.6，它可以用光电效应法简单而又较准确地求出。

光电效应是这样一种实验现象，当光照射到金属上时，可能激发出金属中的电子。

激发方式主要表现为以下几个特点：1、光电流与光强成正比2、光电效应存在一个阈值频率（或称截止频率），当入射光的频率低于某一阈值频率时，不论光的强度如何，都没有光电子产生3、光电子的动能与光强无关，与入射光的频率成正比4、光电效应是瞬时效应，一经光线照射，立刻产生光电子（延迟时间不超过910-秒），停止光照，即无光电子产生。

传统的电磁理论无法对这些现象对做出解释。

1905年，爱因斯坦借鉴了普朗克在黑体辐射研究中提出的辐射能量不连续观点，并应用于光辐射，提出了“光量子”概念，建立了光电效应的爱因斯坦方程，从而成功地解释了光电效应的各项基本规律，使人们对光的本性认识有了一个飞跃。

1916年密立根用实验验证了爱因斯坦的上述理论，并精确测量了普朗克常数，证实了爱因斯坦方程。

因光电效应等方面的杰出贡献，爱因斯坦与密立根分别于1921年和1923年获得了诺贝尔奖。

实验目的1、 通过实验理解爱因斯坦的光电子理论，了解光电效应的基本规律；2、 掌握用光电管进行光电效应研究的方法；3、 学习对光电管伏安特性曲线的处理方法、并以测定普朗克常数。

实验仪器GD-3型光电效应实验仪（GD Ⅳ型光电效应实验仪）图1 光电效应实验仪实验原理1、 光电效应理论：爱因斯坦认为光在传播时其能量是量子化的，其能量的量子称为光子，每个光子的能量正比于其频率，比例系数为普朗克常量，在与金属中的电子相互作用时，只表现为单个光子：h εν= (1)212h mv W ν=+ (2) 上式称为光电效应的爱因斯坦方程，其中的W 为金属对逃逸电子的束缚作用所作的功，对特定种类的金属来说，是常数。

光电效应法测普朗克常量

光电效应法测普朗克常量

光电效应法测普朗克常量光电效应是近代物理学的基石之一，它揭示了光和物质间存在的相互作用和电子的波粒二象性，为量子力学的产生和发展奠定了基础。

普朗克常量是量子力学中的基本常量之一，它是从黑体辐射中得到的，而光电效应法即是一种测量普朗克常量的方法之一。

光电效应是指当金属表面被光照射后，金属表面的电子被激发并跃出金属表面的现象。

这种现象可以通过金属表面放置一个电子接收器来检测。

当接收器被放置在金属表面时，如果没有光照射，接收器不会有任何电流通过。

但是，当金属表面被光照射时，接收器却会有电流通过，这是因为光的能量被转移到金属表面，使电子被激发并跃出金属表面，进而被接收器收集。

根据量子理论，光的能量是由光子所携带的，而光子的能量与其频率成正比。

普朗克在1900年提出了黑体辐射理论，这个理论解释了固体、液体和气体释放热能的特性。

根据这个理论，辐射的能量是以量子形式发出的，能量的大小取决于频率。

随着研究的深入，普朗克常量被确定为6.62607004×10^-34 J·s。

使用光电效应法来测量普朗克常量需要使用一些实验装置，其中最重要的装置是光电管。

光电管是一种真空管，其中包含一个阴极和一个阳极，并且它们之间被隔离，从而制造了真空。

当光照射到阴极上时，金属表面的电子被激发并跃出阴极，形成了自由电子。

这些自由电子受到阳极静电场的吸引，就会流向阳极形成电流，从而可以测量光电效应带来的电子电荷。

在实验中，必须非常小心地控制光照射的强度和频率，以确保结果的精度。

首先，必须调整光源，以确保光线是完全单色的。

随后，必须调整光的强度和频率，以便使光子的能量在金属表面造成光电效应。

这可以通过改变电源的电压来实现。

最后，必须稳定和准确地测量光电效应所产生的电流和光源的频率和强度，以计算普朗克常量的值。

一个典型的光电效应实验如下。

首先，在真空管内设置一个金属阴极和一个阳极，并连接一个微安表。

针对一个固定的光发射器，调整电压，将微安计简并电压调整到负电压形态（即微安计中不会有电流流过）。

光电效应测量普朗克常量

光电效应测量普朗克常量

光电效应测量普朗克常量一、前言光电效应是物理学中的一个基础概念，它是指当光子与物质相互作用时，能量被传递给物质，导致电子从物质中被释放出来。

这个现象在我们日常生活中有很多应用，比如太阳能电池板、数字摄像机和光电二极管等。

而在科学研究中，测量普朗克常量也是非常重要的一个任务。

二、什么是普朗克常量普朗克常量（Planck constant）是一个基本的自然常数，通常用符号h表示。

它描述了微观世界的行为方式，在量子力学中起着重要作用。

普朗克常量的数值为6.62607015×10^-34 J·s。

三、什么是光电效应在经典物理学中，我们认为当电磁波照射到金属表面时，金属会吸收能量并将其转化为热能。

但实际上，在某些条件下，金属表面会释放出电子。

这个现象就是光电效应。

四、测量普朗克常量的方法测量普朗克常量有很多方法，其中一种比较常见的方法是通过光电效应来测量。

这个方法基于爱因斯坦的光电效应理论，即当光子与金属相互作用时，会将能量传递给金属表面上的电子，使其跃迁到导体内部。

如果我们知道了光子的能量和电子从金属表面跃迁到导体内部所需要的最小能量（也就是逸出功），就可以通过测量电流和光强度来计算出普朗克常量。

五、实验步骤1. 实验器材：半导体激光器、反射镜、滤波器、准直器、样品台、数字万用表等。

2. 调整激光器输出波长和功率，使其符合实验要求。

3. 将激光束准直后，通过反射镜将其照射到样品台上的金属表面。

4. 在样品台上放置不同材质的金属片，并调整滤波器，使得只有特定波长的光线可以照射到金属片上。

5. 测量不同波长下的电流和光强度，并计算出逸出功。

6. 根据逸出功和不同波长下的能量差，计算出普朗克常量。

六、实验注意事项1. 实验过程中要保证实验器材的稳定性和精度。

2. 选择适当的金属片和滤波器，确保实验数据的准确性。

3. 在实验过程中要注意安全，避免激光对眼睛造成伤害。

七、结论通过测量光电效应可以得到逸出功和能量差，进而计算出普朗克常量。