实验十八光电效应

实验十八 光电效应1887年H.赫兹发现光电效应奇特现象，此后许多物理学家对光电效应作了深入的研究，总结出光电效应的实验规律。

1905年，年仅26岁的爱因斯坦（Albert Einstein）在《关于光的产生和转化的一个试探性观点》一文中高屋建瓴，提出了“光量子”（光子）假说，圆满地解释了光电效应，并给出了光电效应方程。

10年后被实验物理学家密立根（Robert Millikan）用精确的实验证实了，并测定了普朗克常数。

他们都因光电效应等方面的杰出贡献分别于1921年和1923年获得诺贝尔物理奖。

光电效应实验及其光量子理论的解释在量子理论的确立和发展上，在揭示光的波粒二象性等方面都具有里程碑的深远意义，有力地推动了近代物理学的创立和发展。

利用光电效应制成的光电器件（如：光电管、光电池、光电倍增管等）在工农业生产、科教文卫和国防建设众多领域得到广泛的应用，并且至今还在不断开辟新的应用领域，具有广阔的应用空间。

【预习思考题】1.光电效应的四个基本实验事实是什么？2. 爱因斯坦光电效应方程是什么？其物理意义是什么？3. 滤光片位置于汞灯出光口，还是光电管暗箱入光口？为什么在光电管暗箱入光口上装小孔光阑？【实验目的】1．了解光电效应的基本规律，加深对光的量子性的理解。

2．测量普朗克常数h。

3. 测定光电管的伏安特性曲线。

I与入射光的强度P成正比。

4. 验证光电管的饱和光电流H【实验原理】当光照射在金属表面上时，电子会从金属表面逸出，这种现象称为光电效应。

逸出的电子称为光电子。

由此看出，在光电效应现象中，光显示出了其粒子一面的特性，对认识光的本性具有极其重要的意义。

光电效应的实验原理图如图1所示，图中GD为光电管（管内为真空），K为阴极，A为阳极。

当用一频率比较大的单色光通过石英窗口照射到阴极K时，从阴极164165K 逸出的光电子在电场的作用下向阳极A 迁移构成光电流，改变外加电压AK U ，测量出光电流I 的大小，即可得出光电管的伏安特性曲线如图2所示。

从图中可见，对一定的频率，当AK A K U U U =-为正值时，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AK U 的增加，到达阳极的光电子将逐渐增多。

光电流I 越大；当电压AK U 达到一定量值后，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H I 。

而当AK A K U U U =-变为负值时，光电流迅速减小，并且AK U 达到某一0U -时，光电流为零，0U 称为截止电压。

光电效应的基本实验事实如下：（1）饱和光电流H I 与入射光强P 成正比，如图3所示。

（2）光电效应存在一个截止频率0v （也称红限，其值随不同金属而异），当入射光的频率0v v <时，不论入射光强如何，都不会产生光电效应。

（3）对于不同频率v 的单色光，其截止电压0U 的值不同，且0U 与v 成正比关系，与光强无关，如图4和图5所示。

（4）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v 0，在入射光照射后几乎同时有光电子的逸出，其延迟时间在10-9 s 以下。

图1 光电效应实验原理图图2 光电管的伏安特性曲线AK 0166经典物理学无论如何也解释不了上述现象，为此，爱因斯坦提出光量子（简称光子）假说概念从而作出了清晰的说明。

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，而是集中在被称之为光子的粒子上，但这种粒子仍然保持着频率（或波长）的概念，单个光子的能量ε与频率v 成正比，即hv ε=，h 为普朗克常数。

当光子照射到金属表面上时，一个光子的能量是传递给金属中的单个电子的，并全部被吸收，而无需积累能量的时间。

电子吸收一个光子后，把能量的一部分用来挣脱金属对它的束缚，余下的就变为电子离开金属表面后的动能，按照能量守恒原理，爱因斯坦提出了著名的光电效应方程：2012hv m W υ=+ (1) 式中, 2021υm 为光电子获得的初始动能，W 为光电子逸出金属表面所需的最小能量，称为逸出功。

由式(1)可见，入射到金属表面的光的频率越高，逸出电子的初始动能就越大。

所以即使阳极电位比阴极电位低时也会有电子落入阳极形成光电流，直至AK 0U U ≤-时，光电流才为零，此时有关系：20021υm eU = (2) 图3 同一频率，不同光强时光电管的伏安特性曲线 图4 不同频率时光电管的伏安特性曲线 图5 截止电压U 0与入射光频率ν的关系图 e167而当AK 0U U >-时，随着阳极A 电位的升高，阳极对阴极发射的电子的收集作用越强，即到达阳极的电子数增加，光电流随之上升；但当阳极电位高到一定程度，已把阴极发射的光电子几乎全部被收集到阳极，再增加AK U 时I 不再变化，光电流出现饱和。

另外，由于光的强弱决定于光量子的数量，所以饱和光电流H I 的大小与入射光的强度P 成正比。

当光子的能量hv W <时，则电子吸收光子后不可能脱离金属表面成为光电子，因而没有光电流产生。

把满足hv W =的光频0v （即0v W h =）叫做该金属产生光电效应的最低频率（也称红限或截止频率）。

将（2）式代入（1）式可得0eU hv W =- (3)此式表明截止电压0U 是频率v 的线性函数，如图5所示，图中的直线的斜率为h e =k ，可以这样来理解：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2021υm （即0eU ）与光强P 无关，而只与频率v 成正比。

从而，爱因斯坦的光量子理论成功地解释了光电效应规律。

同时，爱因斯坦光电效应方程提供了测量提供了测量普朗克常数h 的一种方法：由（3）式可知，如果测出不同的频率对应的截止电压，所得的0U －v 关系是一条直线，求出此直线的斜率k ，根据直线斜率h e =k 的关系，其中191.6010C e -=⨯是电子的电量，就可算出普朗克常数h 。

因此，用光电效应方法测量普朗克常数h 的关键在于获得单色光和确定不同频率单色光对应的截止电压0U 。

【实验仪器】ZKY-GD-4智能光电效应实验仪。

仪器由汞灯及电源、滤色片、光阑、光电管和智能实验仪（包含有微电流放大器和扫描电压源发生器）构成，其装置结构如图6168所示，其中智能实验仪的调节面板如图7所示。

⑴ 汞灯。

用高压汞灯，是一种气体放电光源，点燃稳定后，在可见光区域内有几条波长相差较远的强谱线。

本实验用高压汞灯的光谱范围在302.3 ～ 872.0 nm 之间，在光谱响应范围内有365.0 nm 、404.7 nm 、435.8 nm 、546.1 nm 、577.0 nm 等谱线可供实验选用。

⑵ 滤色片组。

用NG 型滤色片产生单色光，它是一组（5片）宽带型有色玻璃组合滤色片，具有选择365.0 nm 、404.7 nm 、435.8 nm 、546.1 nm 、577.0 nm 等谱线的能力。

⑶ 光阑。

3片，其孔径分别为Φ2 mm 、Φ4 mm 、Φ8 mm 。

⑷光电管。

它装在带有入射窗口的暗盒内，阳极为镍圈，阴极为银－氧－钾，光谱响应范围为340 ～ 700 nm ，暗电流：12210A I -≤⨯()AK 2V 0V U -≤≤。

⑸ 光电管工作电源。

2档，0 ～ 2 V 档，示值精度1%≤，最小调节电压2 mV ；－1 ～ 50 V 档，示值精度5%≤，最小调节电压0.5 V 。

⑹ 微电流放大器。

6档，电流测量范围为10－8～10－13A ，三位半数显，最小显示位10－14A 。

零漂：开机20分钟后，30分钟内不大于满度读数的0.2%±（10－13A 档）。

图6 仪器结构图169另外，智能实验仪有手动和自动两种工作模式。

具有数据自动采集，存储，实时显示采集数据，动态显示采集曲线（连接普通示波器，可同时显示5个存储区中存储的曲线），及采集完成后查询数据的功能。

【实验内容及步骤】1.普朗克常数h 的测定⑴ 测量方法讨论理论上，测出各频率单色光照射下阴极电流（即阴极光电效应所产生的电流）为零时对应的AK U ，其绝对值即该频率的截止电压0U ，然而实际上由于光电管的阳极反向电流（阳极光电效应所引起）、暗电流（即无光照射时的电流）及极间接触电位差的影响，所以实测电流并非阴极电流，实际上包括阳极反向电流、暗电流和阴极电流等部分，从而实测电流为零时对应的AK U 也就并非截止电压0U 。

光电管制作过程中阳极A 往往被污染，沾上少许阴极材料，入射光照射阳极A 或入射光从阴极A 反射到阳极K 之后都会造成阳极A 光电子发射，AK U 为负值时，阳极A 发射的电子向阴极K 迁移形成了阳极反向电流。

因此，光电管阳极A 用逸出功较大的材料，在制作过程中尽量防止阴极材料蒸发，实验前对光电管阳极充电，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，这样可大大减少图7 实验仪面板图170阳极反向电流。

暗电流是由阴极K 热电子发射、光电管管壳漏电和杂散光等原因产生。

因此，要求在光电管制作，或测量过程中采取适当措施以减小它们的影响。

极间接触电位差与入射光频率无关，只影响0U 的准确性，不影响0U －v 直线斜率，对测定h 无大的影响。

由于本实验仪器的电流放大器灵敏度高，稳定性好；光电管的特殊结构使光不能直接照射到阳极，阴极反射到阳极的光很少，以及采用新型的阴、阳极材料和制造工艺，使得光电管阳极反向电流和暗电流水平都很低。

因此，在测量各谱线截止电压0U 时，可采用“零电流法”，即直接将各谱线照射下测得的电流为零时对应的电压AK U 的绝对值作为截止电压0U 。

此方法的前提是阳极反向电流和暗电流都很小。

所以用“零电流法”测得的截止电压与真实值相差较小，且各谱线的截止电压都相差△U 对0U －v 曲线的斜率无大的影响，对h 的测量不会产生大的影响。

⑵ 测试前准备① 将汞灯及光电管暗箱遮光盖盖上。

② 将实验仪及汞灯电源接通，预热20分钟。

③ 调整光电管与汞灯距离约为40 cm 并保持不变。

④ 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）。

⑤ 将“电流量程”选择开关置于10-13档位，仪器在充分预热后，进行测试前调零，旋转“调零”旋钮使电流指示为000.0。

注：调零时，确保将光电管暗箱电流输出端K 与实验仪微电流输入端（后面板上）断开，且必须断开连线的实验仪一端。

⑥ 用高频匹配电缆(短Q9线，长约50 cm )将光电管暗箱电流输出端K 与实验仪微电流输入端（后面板上）连接起来，按“调零确认/系统清零”键，系统进入测试状态。

具体测试操作有手动模式测量和自动模式测量两种方式，要求测量数据根据手动模式测量获得，自动模式测量为选做内容。