内容发布更新时间 : 2024/12/26 15:20:44星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。
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用光电效应测普朗克常数
【实验简介】
光电效应是物理学中一个重要而神奇的现象。在高于某特定频率的电磁波照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电。光电现象由德国物理学家赫兹于1887年发现，而正确的解释为爱因斯坦所提出。科学家们在研究光电效应的过程中，物理学者对光子的量子性质有了更加深入的了解，这对波粒二象性概念的提出有重大影响。
普朗克常数记为h，是一个物理常数，用以描述量子大小，约为
6.62619?10?34J?s。在量子力学中占有重要的角色，马克斯?普朗克在1900年研
究物体热辐射的规律时发现，只有假定电磁波的发射和吸收不是连续的，而是一份一份地进行的，计算的结果才能和试验结果是相符。这样的一份能量叫做能量子，每一份能量子等于 ， 为辐射电磁波的频率。普朗克常数是自然科学中一个很重要的常量，它可以用光电效应简单而又准确地测量。 【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。 【实验仪器】
GD-4型智能光电效应(普朗克常数)实验仪(由光电检测装置和实验仪主机两部分组成)光电检测装置包括：光电管暗箱GDX-1，高压汞灯箱GDX-2；高压汞灯电源GDX-3和实验基准平台GDX-4。实验主机为：GD-4型光电效应(普朗克常数)实验仪，该仪器包含有微电流放大器和扫描电压源发生器两部分组成的整体仪器。
图1 Us A V K G O Ws/e v0 图2 v 。
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【实验原理】 1、普朗克常数的测定
根据爱因斯坦的光电效应方程： EP?hv?Ws （1）
(其中：EP是电子的动能，hv是光子的能量，v是光的频率，Ws是逸出功, h是普朗克常量。)Ws是材料本身的属性，所以对于同一种材料Ws是一样的。当光子的能量hv?Ws时不能产生光电子，即存在一个产生光电效应的截止频率v0（v0?Ws/h）。实验中：将A和K间加上反向电压UKA(A接负极),它对光电子运动起减速作用.随着反向电压UKA的增加,到达阳极的光电子的数目相应减少,光电流减小。当UKA?Us时，光电流降为零，此时光电子的初动能全部用于克服反向电场的作用。即：
eUs?EP （2）
这时的反向电压叫截止电压。入射光频率不同时，截止电压也不同。将（2）式代入（1）式，得：
h （3） Us?（v?v0）e（其中v0?Ws/h）式中h、e都是常量，对同一光电管v0也是常量，实验中测量不同频率下的Us，做出Us?v曲线。在（3）式得到满足的条件下，这是一条直线。若电子电荷e已知，由斜率k?h可以求出普朗克常数h。由直线上的截距可e以求出溢出功Ws，由直线在v轴上的截距可以求出截止频率v0。如图（2）所示。 2、测量光电管的伏安特性曲线
在照射光的强度一定的情况下，光电管中的电流I与光电管两端的电压UAK之间存在着一定的关系。
理想曲线与实验曲线有所不同，原因有： ①光电管的阴极采用逸出电势低的材料制
成，这种材料即使在高真空中也有易氧化的趋向，使阴极表面各处的逸出电势不尽相等，同时，逸出具有最大动能的光电子数目大为减少。随着反向电压的增高， 光电流不是陡然截止，而是较快降低后平缓的趋近零点。
图3 IM I Us UAK 。
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②阳极是用逸出电势较高的铂钨等材料做成，本来只有用远紫外线照射才能逸出光电子，因为施加在光电管上的外电场对于这些光电子来说正是一个加速电场，使得发射的光电子由阳极飞向阴极，构成反向电流。
③暗合中的光电管即使没有用光照射，在外加电压下也会有微弱的电流流通，称做暗电流，其主要原因是极间绝缘电阻漏电（包括管座以及玻璃壳内外表面的漏电）、阴极在常温下的热电子辐射等。暗电流与外加电压基本成线性关系。 【实验内容及要求】
1、将仪器的连线接好；
2、经老师确认后，接通电源预热仪器20分钟； 3、熟悉仪器，进行一些简单的操作，并将仪器调零； 4、普朗克常数的测定
选定某一光阑孔径为?的光阑（记录其数值），在不改变光源与光电管之间的距离L的情况下，选用不同滤色片（分别有?为365.0nm，404.7nm，435.8nm，，调节光电管两端的电压UAK，使得光电管中的电流为0，546.1nm，577.0nm）
将此时光电管两端的电压表示为Us（称为截止电压），将其记录下来；
5、测量光电管的伏安特性曲线
观察5条谱线在同一光阑孔径为?（记录其数值），在不改变光源与光电管之间的距离L（记录其数值）的情况下，改变光电管两端的电压UAK（范围在，记录电压UAK和对应的光电流I。 ?1?50V）
6、验证饱和电流与入射光强度成正比：
确定入射光波长?（记录其数值）、光源与光电管之间的距离L（记录其数值）以及光电管两端的电压UAK（一般为50V，这时认为光电管中的电流已达到最大值，即为饱和电流Im），改变光阑孔径?（分别为：2mm，4mm，8mm），记录对应的饱和光电流Im；
7、整理实验仪器
结束实验时，要将实验仪器按原样摆放好； 【数据的测量与处理】
1、普朗克常数h、溢出功Ws、截止频率v0的测定 表一、 U0?v 关系 光阑孔??。
mm
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（）入射光波长? inm14（?10Hz）对应频率v i365.0 8.214 404.7 7.408 435.8 6.879 546.1 5.490 577.0 5.196 截止电压Us 要求：根据表一的实验数据作图像U0?v，求出U0?v直线的斜率k，即可用h?ek求出普朗克常数h，并用普朗克常数的公认值h0比较实验相对误差E?h?h0，式h0中e?1.602?10?19C， h0?6.62?10?34JS。由直线上的截距可以求出溢出功Ws，由直线在v轴上的截距可以求出截止频率v0。
k?h?ek?
Ws??0?
2、测光电管的伏安特性曲线 表二、I?UAK ??UAK（V） nm ??6 7 8 9 mm，L?mm
1 2 3 4 5 10 11 12 13 14 15 16 17 （I?10-10A） UAK（V） 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 （I?10-10A） UAK（V） 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 （I?10-10A） 要求：在坐标纸上绘出I?UAK关系曲线，并描述其特点。
Us UAK IM I 。
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3、验证饱和电流与入射光强度成正比 表三、IM?P（P为光的强度）关系 UAK?50V ，??nm，L?2 mm
4 8 光阑孔?（mm） IM（?10-10A） 要求：作图分析实验数据（提示：IM与?2成正比例） 【实验思考题】
1、光电效应有哪些规律，爱因斯坦方程的物理意义是什么？
2、光电管的阴极上均匀涂有逸出功小的光敏材料，而阳极选用逸出功大的金属制造，为什么？
3、光电流是否随光源的强度变化而变化？截止电压是否因光强不同而变化？ 4、测量普朗克常数实验中有哪些误差来源？如何减少这些误差？
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