光电管特性的研究讲义

二、实验仪器
暗匣（内装光电管及小灯泡及米尺）；光电效应实验仪（包括 稳压电源、 可调稳压电源、 位数子电压表和电流表，分别指示光电管电压、光源电流和光电流、调节光电管电压的电位器、调小灯电流的可变电阻）。
三、实验原理
金属或金属化合物在光的照射下有电子逸出的现象，称为光电效应，或称为光电发射。产生光电发射的物体表面通常接电源负极，所以又称为光电阴极，光电阴极往往不由纯金属制成，而常用锑钯或银氧钯的复杂化合物制成，因为这些金属化合物阴极的电子逸出功远较纯金属小，这样就能在较小光照下得到较大的光电流。把光电阴极和另一个金属电极－阳极仪器封装在抽成真空的玻璃壳里就成了光电管。光电管在现代科学技术中如自动控制、有声电影、电视、以及光讯号测量等方面都有重要的应用。
（2）无光照时，加上外加电压，光电管中仍有微弱的电流流过，称为暗电流。形成暗电流的主要原因是阴极在常温下的热电子发射，以及阴极和阳极之间的绝缘不良造成漏电。
（3）阳极和阴极材料不同引起不同的接触电势差。
由于上述因素，实验中所测得的光电管临界截止电压要比真正的临界截止电压值小。光电特性曲线也存在着截距 （理论上在 时， ），对此我们应加以分析。
3．该实验仪器使用简单，因此学生都能成功顺利完成实验，在检查数据时要求他们粗略画出图象，回去后再用坐标纸描点。
4．在实验中最易出现的错误有：①测量数据时，没有关闭暗箱；②测量伏安特性时，同时改变光源电流和光源到光电管阴极间距，或在第二次测量时减小光源电流，第三次测量时减小光源到光电管阴极间距。
（2）将光源放在离光电管较近的位置，通过拖动暗箱滑板，使光电管阴极逐渐远离光电管，记下暗箱滑板读数 （每次改变 或 ）及对应的饱和光电流值 。至少测读 组数据。
五、数据表格及数据处理
1．伏安特性
（1）初始距离 小灯电流 米尺读数
测量次数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
测量次数
（2）小灯电流 距离
测量次数
1
2
3
设光电管的阴极面积为 ，阴极与发光强度为的点光源间的距离为 ，由光度学理论可知，点光源到达的光通量为
上式表明，点光源在光电管阴极表面 的光通量与光源的发光强度成正比，与 到光源的距离 的平方成反比。
当光电管两极间的加速电压在能产生饱和光电流的某一定值时，保持点光源发光强度不变，光电流与阴极表面的光通量的关系可根据该式来进行研究。改变点光源与光电管之间的距离 ，测出饱和光电流 与 的关系曲线即可知 与 的关系。若 与 的关系为一直线，如图5.12－3所示，即验证了光电流与入射光光通量的线性关系。
（3）研究光电管正向伏安特性。记下暗箱滑板距离 （一般取 左右，注意小灯泡与阴极间距 应为 ，并保持不变，调节电压调节旋钮，观察光电管加上正向电压时的伏安特性，然后使电压由 逐步降到 。每降低 （或 ）测读一次相应的光电流值，测量次数不少于 次。由于光电管的伏安特性为非线性曲线，因此，在非线性区域，测试点应多一些。
由于光电流从阴极表面逸出时具有一定的初速度 ，所以，当两极间电压为零时，仍有光电流 存在，若阳极 为低电势，则电子被减速。当减速电压加到某一值时，飞出的电子被遏制，光电流随之减少为零，此时的减速电压 称为临界截止电压（亦称遏止电压）。则有
由爱因斯坦光电效应方程有
上式说明临界截止电压与光的强度无光。
2．光电流与阴极表面光通量的关系
1. 光电流与加速电压的关系
保持光源与光电管的距离一定，如果阳极 为高电势，则电子将加速飞向阳极，光电流 随两极间的加速电压改变而改变。如图5.12－2所示，开始光电流随加速电压增加而增加，当加速电压增加到一定值后，光电流不再增加，这是因为在一定光照度下单位时间内所产生的光电子数目一定，而且这些电子在电场的作用下已全部跑出阳极，从而达到饱和。此时的光电流称饱和光电流，用 表示。对不同的光强，饱和光电流 与入射光强 成正比。
7．仪器使用完后，将电压旋钮和光源电流调至最小，以免启动仪器时，电流过大烧坏灯泡。
七、教学后记
1．实验测量光电管伏安特性时，比书上要多一条曲线，这是因为实验中我们通过两种方式（改变光源电流和光源到光电管的距离）来改变照在光电管的光强，因此在检查预习和讲课中要提醒学生多画一个表格记录数据。
2．学生上学期理论课中已经对光电效应知识进行了学习，因此这个实验的授课多采用提问和讨论的方式，和学生共同探讨本实验的意义，以及光电管的伏安特性曲线的特点和物理解释。
课 题光电管特性的研究
1．了解光电效应实验的基本规律和光的量子性；
教 学 目 的 2．测定光电管的伏安特性，研究光电流强度与加在光电管两极间电压的关系；
3．测定光电管的光电特性，研究光电流强度与照在光电管阴极上光通量的关系。
重 难 点 1．光电管的伏安特性和光电特性；
2．最小二乘法处理数据。
教 学 方 法 讲授、讨论、实验演示相结合。
4. 在研究伏安特性中，需确定光源电流值，应先将电压调至最大，再调光电源电流到达合适位置，以保证光电流不溢出。
5. 在研究光电特性中，选取饱和光电流的电压值最好不要选取拐点，因为拐点不稳定，一般选取饱和区域中间值，以确保能够获得饱和光电流。
6．在研究光电特性中，暗箱滑板从里往外拉，以保证光电流不溢出。
（3）设有直线方程 ，根据所测数据用最小二乘法求出该直线的斜率 、截距 以及相关系数 ，由拟合的方程在（2）中的坐标纸上绘制光电管的 曲线，并作曲线分析。
六、注意事项
1．实验仪器在打开后要预热10分钟。
2．光源电流不得超过 ，如光源电流过大，容易烧坏灯泡。
3．注意光源与光电管的距离，应为光源与光电管阴极的初始距离加上暗箱滑板的读数的值（即 ）。
学 时 3个学时
一、前言
光电效应是指在光的作用下，从物体表面释放电子的现象，所逸出的电子称为光电子。这种现象是1887年赫兹研究电磁波时发现的。在光电效应中，光不仅在被吸收或发射时以能量 的微粒出现，而且以微粒形式在空间传播，充分显示了光的粒子性。
1905年爱因斯坦引入光量子理论，给出了光电效应方程，成功地解释了光电效应的全部实验规律。1916年密立根用光电效应实验验证了爱因斯坦的光电效应方程，并测定了普朗克常量。爱因斯坦和密立根都因为光电效应方面的杰出贡献，分别获得1921年和1923年诺贝尔物理学奖。而今光电效应已经广泛地应用于各科技领域，例如利用光电效应制成的光电管、光电倍增管等光电转换其间，把光学量转换成电学量来测量。光电元件已成为石油钻井、传真电报、自动控制等生产和科研中不可缺少的元件。
（4）测临界截止电压。光电管电压为零时光电流不为零，这是因为电子在获得光子能量后就有了动能，仍能到达阳极形成电流。将光电管接线的极性对调，即在光电管两极加上反向电压，使光电管阳极为负电势，慢慢增大反向电压，记下使光电流刚好为零的电压值，即为临界截止电压。注意：这时指示的电流极性与实际电流极性相反。
（5）研究光电管在不同光强照射下的伏安特性，采用两种方法。
实际上，实验中使用的点光源都不是理想的点光源，而具有一定的发光面积，但只要光电管与光源足够远，可以近似地把它看作点光源。
另外，对于一般的光电管，其百度文库极是蒸镀在玻璃壳内表面的锑铯化合物，因它的逸出功很不均匀，光电流没有一个截止点，又由于光电管结构上的原因，故有下述三种因素产生实验误差：
（1）在光电管的制造中，免不了有些光阴极物质溅到阳极上，而当光照射在阴极时，部分漫反射到阳极上的光使之也发射光电子。而反向电压对这些光电子则是加速场，使它们到达阴极，形成反向电流。
①使小灯电流降低 ，重复步骤（3）、（4），测读并记录实验数据。注意不要改变光源与光电管的距离。
②使暗箱滑板距离为 （一般取 左右），重复步骤（3）、（4），测读并记录实验数据。注意不要改变灯电流值的大小。
（6）根据记录数据，绘制三条伏安特性曲线。
2.测定饱和光电流与阴极上光通量的关系
（1）根据光电管伏安特性的实验结果，在产生饱和光电流的电压区域中取一电压值（注意不要取拐点，取饱和区域中间点），加在光电管的两极上并保持不变。注意光源电流值不改变。
1905年爱因斯坦提出“光子”概念，光是由一些能量 的粒子组成的粒子流。按照光子理论，光电效应是光子与电子碰撞，光子把全部能量（ ）传给电子，电子获得的能量，一部分用来克服金属表面对它的束缚，另一部分成为该电子（光电子）逸出金属表面后的动能。根据能量守恒有
该式就是著名的爱因斯坦光电效应方程。由于一个电子只能吸收一个光子的能量，该式表明光电子的初动能与入射光的频率呈线性关系，与入射光子数无关。
本实验是利用真空光电管来研究这一实验的基本规律，验证爱因斯坦的光电子理论。实验原理图如图5.12－1所示， 为光电管的阴极， 为光电管的阳极，调节 ,可在 、 两极间获得连续变化的电压。光的强弱决定于光子的多少，当用一定强度的光照射到光电管阴极时，光子（ ）流射到 上打出光电子，阴极释放的电子在电场的作用下向阳极迁移，回路中将形成光电流。光电流的大小与光电管两极间电压及光电管阴极的光通量（光通量与光强成正比）都有关。
四、实验内容与步骤
1.测光电管的伏安特性曲线
（1）按图5.12－4接好线路，使光电管阳极为高电势，检查正负极插线无误后，打开光电效应仪的电源开关，并预热10分钟。
（2）选取合适的小灯电流值。测量前先测出小灯泡与光电管阴极间的初始间距 ，并记录。使光源与光电管阴极的距离为 ，并保持不变，顺时针调节电压调节旋钮，达到最大值，给光电管加的电压，再顺时针调节电流调节旋钮，保证光电流不逸出即可，记下小灯电流值。
4
5
6
7
8
9
10
测量次数
（3）小灯电流 距离
测量次数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
测量次数
2．光电特性
极间电压 小灯电流
测量次数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
2．用测得的数据作曲线
（1）在同一坐标纸上以光电流 为纵轴，加速电压 为横轴，绘制光电管的三条伏安特性曲线，并作曲线分析。
（2）在坐标纸上以饱和光电流 为纵轴，点光源到阴极距离的平方的倒数 为横轴，绘制光电管的光电特性曲线。（见下面）