光电效应实验报告

佛山科学技术学院

实 验 报 告

课程名称 实验项目 专业班级 姓名 学 号 指导教师 成绩 日 期 年 月 日 一、实验目的

1．了解光电效应的规律，加深对光的量子性的理解； 2．测量光电管的伏安特性曲线；

3．学习验证爱因斯坦光电效应方程的实验方法，测量普朗克常数。

二、实验仪器

光电效应（普朗克常数）实验仪（详见本实验附录A ），数据记录仪。

三、实验原理

1．光电效应及其基本实验规律

当一定频率的光照射到某些金属表面时，会有电子从金属表面即刻逸出，这种现象称为光电效应。从金属表面逸出的电子叫光电子，由光子形成的电流叫光电流，使电子逸出某种金属表面所需的功称为该金属的逸出功。

研究光电效应的实验装置示意图如图1所示。GD 为光电管，它是一个抽成真空的玻璃管，管内有两个金属电极，K 为光电管阴极，A 为光电管阳极；G 为微电流计；V 为电压表；R 为滑线

变阻器。单色光通过石英窗口照射到阴极上时，有光电子从阴

极K 逸出，阴极释放出的光电子在电场的加速作用下向阳极A

迁移形成光电流，由微电流计G 可以检测光电流的大小。调节R 可使A 、K 之间获得连续变化的电压AK U ，改变AK U ，测量出光电流I 的大小，即可测出光电管的伏安特性曲线，如图2(a)、(b)所示。

图2 光电效应的基本实验规律

光电效应的基本实验规律如下：

（1）对应于某一频率，光电效应的AK -I U 关系如图2(a)所示。从图中可见，对一定的频率，有一电压0U ，当AK 0U U ≤时，光电流为零，这个相对于阴极的负值的阳极电压0U ，称为截止电压。

图1 光电效应实验示意图

（2）当AK 0U U ≥后，I 迅速增加，然后趋于饱和，饱和光电流M I 的大小与入射光的强度P 成正比，如图2(b)所示。

（3）对于不同频率的光，其截止电压的值不同，如图2(a)所示。

（4）截止电压0U 与频率v 的关系如图2(c)所示。0U 与ν成正比。当入射光频率低于某极限值0v （随

不同金属而异）时，无论光的强度如何，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910-秒的数量级。 2．爱因斯坦光电效应方程

上述光电效应的实验规律无法用电磁波的经典理论解释。为了解释光电效应现象，爱因斯坦根据普朗

克的量子假设，提出了光子假说。他认为对于频率为ν的光波，每个光子的能量为E h ν=，h 为普朗克常数。当光子照射到金属表面上时，一次性为金属中的电子全部吸收，而无须积累能量的时间。电子把该能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引力，另一部分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

201

2

h m W νυ=+

（1）

式中，W 为被光线照射的金属材料的逸出功，2

012

m υ为从金属逸出的光电子的最大初动能。

由式（1）可知，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（即加反向电压）时，也会有电子落入阳极形成光电流，直至阳极电位低于截止电压，光电流才为零，此时有关系

2

0012

eU m υ=

（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AK U 时I 再变化，光电流出现饱和，饱和光电流M I 的大小与入射光的强度P 成正比。

光子的能量hv W <时，电子一次性吸收的能量不足以使之脱离金属，此时光强再大也没有光电流产生。因此产生光电效应的最低频率是0/v W h =，该频率称为截止频率。 3．普朗克常数的测量 将式（2）代入式（1）可得

0eU hv W =-

（3）

此式表明，对于同一种金属而言，电子的逸出功是一定的，截止电压0U 是频率v 的线性函数，直线斜率k h e =，如图2(c)所示。因此，只要用实验方法得出不同的频率光照时对应的截止电压，求出直线斜率，就可算出普朗克常数h 。

爱因斯坦的光量子理论成功地解释了光电效应规律。

四、实验内容与步骤

1．测试前的准备

（1）将测试仪及汞灯电源接通（汞灯一旦开启不要随意关闭），预热20分钟。

（2）把汞灯及光电管暗箱遮光盖盖上，将汞灯暗箱光输出口对准光电管暗箱光输入口，调整光电管于汞灯距离约30 cm 并保持不变。

（3）用专用连接线将光电管暗箱电压输入端与测试仪电压输出端（后面板上）连接起来（红-红，黑-黑）。

（4）仪器在充分预热后，进行测试前调零，将“电流倍率”选择开关拨至零点挡位，旋转“调零”旋钮，电流指示为000.0。将“电流倍率”选择开关拨至校准挡位，旋转“校准”旋钮电流指示为100.0，将“电流倍率”选择开关拨至1210-挡，进行测量挡调零，旋转“调零”旋钮电流指示为0.0。 （5）用高频匹配电缆将光电管暗箱电流输出端K 与测试仪微电流输入端（后面板上）连接起来。 2．测量光电管的伏安特性曲线

将电压选择按键置于-2～+2 V 挡；将“电流量程”选择开关置于1210-挡。 （1）将滤色片旋转到365.0 nm ，调光阑到4 mm 挡。

（2）从低到高调节电压，记录电流从非零到零点所对应的电压值，作为数据表格1（请自行设计表格）的前面部分（精细），以后电压每变化一定值（可调节电压挡到-2～+20 V ），记录相应的电流值到数据表格1的后面部分。

（3）将滤色片分别旋转到404.7 nm 、435.8 nm 、546.1 nm 、578.0 nm ，从低到高调节电压，记录对应的电流值填入表格1中（注意：选择合适“电压挡”和“电流量程”）。

（4）用表格1中的数据在坐标纸上作对应波长及光强的伏安特性曲线（以电压值作为横坐标、电流值作为纵坐标）。

3．验证光电管的饱和光电流与入射光强成正比

当AK U 为20 V 时，将“电流量程”选择开关置于相应的电流挡，将滤色片分别旋转到365.0 nm 、404.7 nm 、435.8 nm 、546.1 nm 、578.0 nm ，记录光阑分别为2 mm 、4 mm 、8 mm 时对应的电流值于表格2中（请自行设计表格）。用表格2中的数据验证光电管的饱和光电流与入射光强成正比。 4．测量普朗克常数

理论上，测出各频率的光照射下阴极电流为零时对应的AK U ，其绝对值即该频率的截止电压0U ，然而实际上由于光电管的阳极反向电流、暗电流、本底电流及极间接触电位差等因素的影响，实测电流为零时对应光电管的电压并非截止电压0U 。

（1）测量方法

测量普朗克常数的方法通常有以下三种。 ① 拐点法

根据表格1的数据画出的伏安特性曲线图中，分别找出每条谱线的“抬头电压”（随电压缓慢增加电流有较大变化的横坐标值），记录此值。在另一张坐标纸上以刚记录的电压值的绝对值作为纵坐标，以相应谱线的频率作为横坐标作出五个点，用此五点作一条0-U ν直线，在直线上找两点求出直线斜率k ，求出直线的斜率k 后，可用h ek =求出普朗克常数h 。 ② 零电流法

零电流法是直接将各谱线照射下测得的电流为零时对应的电压AK U 作为截止电压0U 。此法的前提是阳极方向电流、暗电流和杂散光产生的电流都很小，用零电流法测得的截止电压与真实值相差很小，且各谱线的截止电压都相差U ∆，对0-U v 曲线的斜率没有大的影响，因此对普朗克常数h 的测量不会产生大的影响。