实验报告-光电效应实验.doc

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
实验名称:光电效应
二、实验目的:１、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;
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,并用以测定普朗克常数。
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
四、实验原理：
1、光电效应与爱因斯坦方程
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，其中h=6.６２6为普朗克常数.
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。爱因斯坦提出了著名的光电方程:
(1)
式中,为入射光的频率，为电子的质量，为光电子逸出金属表面的初速度,为被光线照射的金属材料的逸出功,１/2mｖ2为从金属逸出的光电子的最大初动能。
由(1）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被称为光电效应的截止电压.显然,有eu0-1／2mv2=0（2)代入上式即有
（３）
由上式可知，若光电子能量h＋W，则不能产生光电子。产生光电效应的最低频率是０＝W/ｈ,通常称为光电效应的截止频率。不同材料有不同的逸出功，因而0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２,当入射光的频率=０时,截止电压,没有光电子逸出.图中的直线的斜率k＝h/e是一个正的常数：
(5）
由此可见，只要用实验方法作出不同频率下的Ｕ0-曲线,并求出此曲线的斜率,就可以通过式(５)求出普朗克常数.其中是电子的电量．
光电效应的伏安特性曲线
图３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,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I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Ｋ、A之间电压大小变化而变化．
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I~U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U呈线性变化,因此可忽略其对遏止电位差的影响。阳极反向电流虽然在实验中较显著,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5十分接近,因此曲线与Ｕ轴交点的电位差值近似等于遏止电位差U０,此即本实验采用的交点法（或零电流法)。
⑵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6中虚线所示的理论曲线下移为实线所示的实测曲线，遏止电位差Ｕ0也下移到U'0点