光电效应与普朗克常数的测定

大学物理实验

光电效应与普朗克常数的测定

Ξ

王永良　王致玉　马和平

(大连轻工业学院基础部,大连,116034)摘要　结合一般高校现有条件,介绍了一种仪器简单而又能充分定量分析

光电效应三定律的一种实验方法,并由此进一步测量近代量子理论中常见

到的普朗克常数h 。结果表明,所测数值与其它精密实验所测的数据相当吻

合,其百分差不足0.40%。

关键词　光电效应;普朗克常数;红限频率

中图分类号　TN 29

光电效应是近代物理学的基础实验之一,正是由于发现了“光电效应”现象,才使现代量子物理(爱因斯坦的光子论)在理论研究和技术开发上都有了长足的进展。特别是光电管在现代技术中(如光学信号、电视、有声电影、自动控制与自动计量等方面)有着广泛的应用[1]。本文较详细地介绍了光电效应的概念、爱因斯坦方程及其实际的应用,测普朗克常数。1　实验仪器[2]

(1)　暗箱:木制长方箱内有灯具座、光源等;

(2)　光电管:G D 24型,1只;

(3)　直流复射式检流计:AC15型,1台;

(4)　直流电源:0～250V ,装有电位器,1台;

(5)　直流电压表:0～250挡,1块;

(6)　滤光片一组:460nm 、500nm 、530nm 、590nm 、650nm 。

2　实验原理[3]

当物体被可见或不可见光照射时,光的能量有一部分以热的形式被物体吸收而使物体变热,还有一部分转换为该物体中某些电子的能量。从而使这些电子获得逸出功逸出物体表面(如阴极)形成光电子流,亦即可获得电流,这种现象叫光电效应。可见,光电效应表明了:光能可直接转换为电能,这种变光能为电能的器件就是光电管。

按作用原理,光电效应分为三种:

(1)　当光线射在浸没于电介液内的两种金属电极上,其间产生了电动势,这就是光伏效第17卷第1期1998年3月　　　　　　大　连　轻　工　业　学　院　学　报　　　　　　Journal of Dalian Institute of Light Industry

Vol.17,No.1

Mar.1998Ξ收稿日期:1997204228

王永良:男,1963年7月生,讲师

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应。

(2)　当光线射在硒元素上,硒的电导率改变,这就是光导效应。

(3)　当光线射在金属表面上,发射出电子,这就是光电发射效应。

一般习惯把光伏效应和光导效应称作为内光电效应,光电发射效应称作为外光电效应,本文着重研究外光电效应。

外光电效应管(光电管)有真空管和充气管两种。前者的电流仅是由光电子所形成,后者的电流则由光电子和气体被电离所产生的正负离子所形成。

下面讨论真空光电管的光电发射工作原理[4]。如图1,光电管玻璃泡的中心是一个阳极A ,光电阴极K 是涂在玻璃内壳或是涂在封于玻璃壳里面的金属片上的一层电子逸出功较小的物质,此物质一般采用铯化物。本实验用的光电管所用的涂料是锑～铯化合物(它在可见光的作用下可发出电子来)。当光线从前面透明的小窗照射到阴极K 上时,阴极上就会逸出电子。接通外面电源E ,电子被阳极收集,就有电流产生,在电流计G 上就有明显的指示,如果加以适当放大,就可以应用。光电流的方向在管内由阳极流向阴极,而管外方向相反。实验发现,光电流的大小与外加电压和光的照度有关

,见图2。

图1　光电管工作原理图2　光电效应的伏安特性曲线

从图2可以看出光电发射的伏安特性。曲线①是一定光线强度照在光电管的阴极上,当阳极电压V 具有少量负值时,阳极电流I 为零,如G 或R 两点(和光线频率有关)。当阳极电压逐渐向正值增加时,起初阳极电流也随着逐渐增加,即曲线的上升部分。当阳极电压增加到一定数值时,阳极电流不再增加而达到饱和状态,即曲线的水平部分。曲线①左端分为两条线是代表两种不同频率的光线且光强相同的伏安特性曲线。这说明,阳极截止负压(V G 及V R )的数值随光线频率不同而不同,这个截止负压表示了光线的能量愈大,所需截止的负压也愈大。阳极电流达到饱和状态,这说明光电发射的电流具有一定的最大值,如I H 1、I H 2等。这个数值随光线强度F 不同而增减,这种饱和状态的电流叫做饱和电流。

(1)　假如光线的频率保持一样(即用同一单色光)而强度增加一倍(如曲线②

),这时截止电压不变,但饱和电流则增加了一倍。同样,光强增加二倍(如曲线③

),则饱和电流也增加二倍,这说明:饱和电流数值与入射光线的强度成正比而与入射光线的频率无关。这就是光电效应第一定律(即斯托列托夫定律)。

(2)　假如光线的强度F 保持不变,而改变光的频率时,则截止电压跟着改变,如用兰光37第1期　　　　　　　　　　王永良等:　光电效应与普朗克常数的测定　　　　　　　　　　

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照射时,它的截止电压较大,用绿光时则较小;用红光时则更小。这明显说明:截止电压随入射光线的波长增加而减低,与入射光的强度无关。这就是光电效应第二定律(即爱因斯坦定律)。

(3)　当外加电压一定时,光电流强度I 与光的照度E 之间的关系,如图3所示,即光电流强度I 与光源到光电管之间的距离R 的平方成反比(照度表示光照射到某处单位面积上功率的大小),即

I

图3光电流与光照度关系曲线0I ∝E ,　　　E ∝1

R 2,　　　I ∝1

R 2为了解释上述现象,爱因斯坦提出:光是由一些能量为E =h

υ的粒子组成的粒子流,这些粒子称为光子。光的强弱决定于粒子的多少,故光的饱和电流与入射光的强度成正比,又因每个电子只能

吸收一个光子的能量h υ,所以电子获得的能量与光强无关,而只与光的频率成正比,即:

h υ=12

m υ2+A (1)式中,等号右边前项是光电子逸出金属表面后所具有的最大动能;A 为逸出功,即一个电子从金属内部克服金属表面势垒逸出表面所需要的最低能量。

显然,当h υ<A 时将没有光电流,即存在一截止频率υ0(υ0=A /h )只有入射光的频率υ

>υ0时才能产生光电流。

不同的金属逸出功的数值不同,所以截止频率(红限频率)也不相同。本实验验证爱因斯坦方程的原理是:光子h

υ射到K 上打出光电子,当A 加正电位,K 加负电位时光电子就被加速,而K 加正电位,A 加负电位时,光电子就被减速,若所加的负电压V =

V 截,并且eV 截=12

m υm ax 2时,光电流为零,把上式代入(1)式中得:h

υ=eV 截+A 即V 截=h e υ-A e

改变入射光的频率,可测得不同的截止电压V 截,做V 截～

υ图可得一直线,其斜率tg θ=ΔV 截Δυ=h υ

式中e 为电子电荷,e =1.602×10-19库仑,由此即可算出h 。

实验线路图见图4[2]。

图4实验线路图V

G

K

A ～-+6.3V 0～250V ○○

○○○○

○○○○

47　　　　　　　　　大　连　轻　工　业　学　院　学　报　　　　　　　　　　第17卷

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3　普朗克常数的测定[2]

接通电路,改变入射光频率测得不同的截止电压V 截,分别代入下列表格中(

为计算简便图5　截止电压与光频率关系曲线

起见,V 截、e 均取正值),并作V 截～

ν图表1　实验数据

λ/!

4600530059006500ν/×1015S -1

0.6520.5660.5080.461V 截/V 2.40 2.04 1.80 1.61

计算:　　h =e ?tg θ=e ?

ΔV 截/Δν　　　　　=1.60×10-19×1.58/(0.38×1015)

　　　　　=6.65×10-34(J ?S )

其百分误差=|h 测-h 公认|

h 测　　　　　=6.65×10-34- …… 此处隐藏：2533字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……