1、 大学物理实验光电效应“光电效应”实验论文王凯旋，苗双宝中国海洋大学 2011 级光信息科学与技术专业摘要：本文围绕大学近代物理实验中的“光电效应”光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化，也就是光能量转换成电能这一类光致电变的现象1 展开。应用ZKYGD3 普朗克常数测量仪等仪器，通过测量光电管的暗电流和本底电流，测量不同波长下光电管的 IU 特性，测量验证光电流与光强关系等，了解光电效应的原理，绘制光电管暗电流曲线和不同波长下的 IU 特性曲线，测量普朗克常量 。同时结合光电效应原h理对实验数据进行分析，了解光电效应的规律，加深对光的量子性的认识。关键词：光电效应；暗电流；普朗克常数；
2、IU 特性引言 “光电效应”实验是大学近代物理实验中的一个必修实验，1905 年，爱因斯坦在关于光的产生和转化的一个启发性观点一文中，用光量子理论对光电效应进行了全面的解释，并藉此获得 1921 年诺贝尔物理学奖。利用光电效应制成的光电管在工业生产和现代科学技术领域得到了广泛的应用，如：光控制电器，光电倍增管等。1、实验原理机制1、光电效应的实验原理如图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的作用下向阳极A迁移构成光电流，改变外加电压 ，测量出光电流I 的大小，即可得出光电管的伏安特性曲线。 光电效应的基本实验事实如下：（1）对应于某一频率,光电效应的 I- 关系如图 22 所
3、示。从图中可见，对一定的频率，有一电压 U0,当 时，电流为零，这个相对于阴极的负值大学物理实验光电效应的阳极电压 U0，被称为截止电压。 (2)当 后，I 迅速增加，然后趋于饱和，饱和光电流 IM 的大小与入射光的强度 P 成正比。 (3)对于不同频率的光，其截止电压的值不同，如图 3 所示。 (4)截止电压 U0 与频率 的关系如图 4 所示，与 U0 成正比。当入射光频v率低于某极限值 （ 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。 (5)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 0v，在开始照射后立即有光电子产生，所经过的时间至多为 秒的数
4、量级。 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微粒上，但这种微粒仍然保持着频率（或波长）的概念，频率为 的光子具有能量 E = h ，h 为普朗克常数。当vv光子照射到金属表面上时，一次被金属中的电子全部吸收，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，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： （1 ）式中，A 为金属的 逸出功，为光电子获得的初始动能。 由该式可见，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
5、入阳极形成光电流，直至阳极电位低于截止电压，光电流才为零，此时有关系： （2）阳极电位高于截止电压后，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；当阳极电压高到一定程度，已把阴极发射的光电子几乎全收集到阳极，再增加 时 I 不再变化，光电流出现饱和，饱和光电流 的大小与入射光的强度 P 成正比。 光子的能量 A 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（截止频率）是 =A/h。 将(2)式代入(1)式可得： （3）此式表明截止电压 是频率 的线性函数，直线斜率 k = h/e，只要用实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
6、普朗克常数h。 爱因斯坦的光量子理论成功地解释了光电效应规律。2、主要相关物理量a.暗电流和本底电流3 光电管在没有受到照明时产生的电流叫做暗电流。它主要是由阴极 K 在常温下的电子热运动产生的热电流和光电子等漏电形式下的漏电流组成。本底电流是由于各种漫反射光照在光电管二电极上引起的电流。这两种电流都会随着大学物理实验光电效应外电压的变化而变化，且二者都使外电压为 Ua 时，光电流不能降为 0.b.反向电流在制作和使用光电管时，阳极 A 上都会溅有阴极材料，当光束照到阳极 A上时，阳极也会发射电子，阴极 K 上发射的光电子也可能被 A 表面所反射，反向的电压对阳极发射的光电子起加速作用，形成反
7、向饱和电流。因此在实验时，应适当减小光阑的孔径，并调整暗盒的方向避免光直接照射到阳极上，从而使反向电流最小。c.不同的两种金属相接触的地方存在着接触电位差。接触电位差的大小与金属的逸出功有关。由于阴极、阳极和导线的材料不同而形成的电位差为接触电压。此电压难以测量，因而给实验带来误差。由于接触电压是不随入射光的频率变化的常数，只影响 Ua 的准确性，不影响 Ua 图的直线斜率 h/e，对测v定 h 无影响。 ref二、实验准备与进行1.实验仪器ZKY-GD-4 光电效应实验仪，其组成为：微电流放大器，光电管工作电源，光电管，滤色片，汞灯。如下图所示：2.实验内容实验前准备：首先，将实验仪及汞灯电
8、源接通（汞灯及光电管暗盒遮光盖盖上） ，预热 20min；注意调整光电管与汞灯距离为约 40cm 并保持不变；同时用专用连接线将光电管暗箱电压输入端与实验仪电压输出端（后面板上）连接起来（红红，蓝蓝） 。 将“电流量程”选择开关置于所选档位，进行测试前调零。调零时应将光电管暗盒电流输出端 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。旋转“调零” 旋钮使电流指示为 0。a.测量光电管的暗电流和本底电流：用遮光罩盖住光电管暗盒的光窗，顺时针缓慢旋转“电压调节”旋钮，并相应地改变“电压量程”和“电压极性”开关，从2V 到+2V 之间每隔 0.2V 测量一组数据，记录电压及对
9、应电流值以及暗电流的 I-U 特性曲线如下。 （“电流量程”设置为 10-13A 档）大学物理实验光电效应暗电流数据记录b.测量不同波长下光电管的 IU 特性：将直径 2mm 的光阑及 365.0nm 的滤色片装在光电管暗盒光输入口上， “电流量程”设置为 10-11A 档或者 10-12A 档，打开汞灯遮光盖。 “电压调节”选择2V 到+30V 档，从低到高调节电压观察电流值的变化，并记录相应电流值。数据记 录如下：改变电压对应电流数据记录依次换上 365.0 nm，404.7 nm，435.8 nm，546.1nm，577.0nm 的滤色片，测出对应的截止电压，数据记录如下： c. 测量验
10、证光电流与光强关系1）测量记录同一波长（365.0 nm） 、同一入射光距离（40cm）不变的情况下，光阑分别为2mm,4mm,8mm 时对应的 IU 值，数据记录如下：大学物理实验光电效应2）测量记录同一波长（365.0 nm） 、同一光阑(8mm)、不同入射光距离时对应的 IU值，数据记录如下：3、实验数据处理与分析1、实验数据处理a.测量光电管的暗电流和本底电流：暗电流本底电流之和大约为 0.10.2（*10 -13A）之间。b.测量不同波长下光电管的 IU 特性：1）直径 2mm 光阑，365.0nm 的滤色片时 IU 特性曲线如下：-2V-0V 区间局部放大如下：大学物理实验光电效应
11、2）直径2mm 光阑，435.8nm 的滤色片时 IU 特性曲线如下：3）不同波长（频率）对应截止电压关系图如下：c. 测量验证光电流与光强关系1）光强与光阑口径关系k=0.41954h=k*e=6.7126 sJ3410大学物理实验光电效应2）光强与入射光距离关系2、实验数据分析：a.在截止电压曲线上求斜率 k1=0.41954 对应 h1=k1*e=6.7126 sJ3410b 用线性回归法计算直线斜率 k2=0.42373 根据公式 对应 h2=k2*e=6.7796 sJ3410误差：由公式 *100% 得：E1=1.31%，E2=2.32%0hE可能存在的误差来源有：a.在实际的测量中，由于光电管的阳极电流、暗电流、本底电流及电极间接触电压的影响，给实验结果带来误差;b.实验中以汞灯作为光源，而汞灯在交变电压变化的情况下并不能完全稳定，产生的光也不稳定;大学物理实验光电效应c.在读数时，由于产生的光电流的变化，仪器示数会有微小的跳动，产生读数误差;d.人的读数误差 等。主要参考文献1百度百科/光电效应/-http:/ 中国海洋大学出版社,2013.8
