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光电效应

光电效应及普朗克常数的测定预习提纲

1、实验任务

（1）用光电效应仪测普朗克常数；（必做）

（2）光强（光阑孔直径的大小）对普朗克常数测定影响的研究。（选做）2、实验原理

（1）截止电压与截止频率？

（2）如何确定不同频率下的截止电压？

（3）光电子的能量随光强变化吗？

（4）光电流的大小随光强变化吗？

（5）如何从光电管的U-I特性图上利用“拐点法”确定“截止电压”？

（6）如何利用“线性函数”图像求出普朗克常数？

3、操作规范

（1）汞灯开启直至实验结束、数据签字后方能关闭；

（2）操作时，室内人员请勿讲话和走动，以免影响实验数据；

（3）仪器不用时，将镜头盖盖上，关掉电源开关。

4、数据处理表格设计

表格设计：

不同频率下的伏安特性曲线

（数据仅仅供参考，每位同学的仪器数据都不同）

光阑孔直径Φ= 10.00×10-3m；距离： L=27.13×10-2 m

；

电压值量程：-3.14—+3.14 V；电流值放大倍率×10-5A

数据处理：（两种方法选一种）

（1）利用坐标纸：

根据实验数据在坐标纸上画出每个频率下的伏安特性曲线，并找出相应的

截止电压、作出截止电压——频率图，找出斜率K，再根据公式h=eK 求出普朗克常数。

（2）利用电脑：

将实验数据输入在Excel表格中，点击“图表向导”作出每个频率下的伏安特性曲线图形，确定截止电压；再利用截止电压——频率数据作出截止电压——频率图，鼠标指向图线，按鼠标“右键”，点击“添加趋势线”，在“类型”中选则“线性（L）”，在“选项”中选“显示公式（E）”，在显示图形上，可直接确定斜率的大小，根据公式h=eK 求出普朗克常数。

（3）不确定度的处理方法

在Excel中选：4个空格→fx→统计→Linest(双击) →分别在表格最上的1、2两行中，填入原始数据（截止电压、频率）；在3、4两行中，分别填入true、true→(Ctrl+Shift+Enter),则第一列第一行为斜率拟合值，第一列第二行为斜

光阑孔直径Φ=10.00×10-3m；距离： L=27.13×10-2 m；

（5）作出截止电压U s—v图线，确定斜率K

截止电压U s —v 图线

截止电压（纵坐标，单位：V ）——频率（横坐标，单位：x1014

HZ ）：

（6）数据计算过程

公认值: h 0=6.63×10－34(J ·S)

找出斜率，再根据公式h=eK 求出普朗克常数h 。其中：K 在图上直接找出

0100%h h E h -=

计算：图中看出斜率为：0.4378 x10-14；斜率不确定度0.031 x10-14

计算得：百分差：%

5.5%10010

63.61063.61001.7%10034

34340

0=???-?=

?-=

---h

h h E p

一般控制在8%以内。

5、光强（光阑孔直径的大小）对普朗克常数测定影响的研究（选做）

表格设计和数据处理方法同上，h 是否会发生变化？请同学自己得出结论。

6、结果讨论和误差分析(仅供格式上的参考)

定性分析：举例：

（1）截止电压的取值是影响测量结果的主要原因；

h h =±?1914341.6100.031100.5010()

h k e J S ---?=??=???=? 34

(7.010.50)10h h h J S -=±?=±? 191434eK=1.6100.4378107.0110()h J S ---=???=?

（2）电流的原因：由于有暗电流、本底电流、反向电流的干扰，实际的截止电压应在电流为零时的反向电压与电流达到反向饱和拐点处对应的反向电压之间，不易准确找到，一般以前者或后者来近似代替，故会产生较大的误差。反向电流是由于在制造过程中光阴极物质溅射到阳极上，当光照射时，其行为与光阴极相似，致使在截止电压下获得一个反向电流，随着反向电压的增加，反向电流趋于饱和，这是因为在测量反向截止电压时，阴极是高电位，阳极是低电位，阳极是的阴极材料光电子在光电效应中的加速电场中所产生的反向电流就是在加上反向电压后总有0.2-0.4μΑ，（随频率的不同而异）的光电流的原因，实验得知随着反向电压增加到一定的值时（3.00V 左右），这一电流就不在增加，所有阳极光电子都到了阴极。

（3）电压的原因：由于电流原因，导致本实验截止电压偏大，ｈ值偏大。定量分析：

改变距离为 L=20.00cm ，其它不变时，(要求具体处理计算过程)测得：

比较h 值相差较小，故得出结论：说明光强的改变对普朗克常数的测定没有影响

7、仪器操作提示

按仪器盖上的实验步骤及参数进行操作

8、实验报告注意

（1）实验参考内容：浙江海洋学院主页—机构设置—公共实验中心—物理实验

教学中

心—“教学辅导/实验预习”及教材中的内容。

（2）图形：最好利用Excel ，六幅图打印在一张B5纸，粘在报告内；也可利用坐标纸手工画图；

（3） Excel 制图操作步骤：在预习提纲内；

（4）求出普朗克常数h=eK 时，先代数据、算出结果并写出单位（5）不确定度最多取两位有效数字；

（6）在波长图中标出对应的波长、截止电压值（可手写）；（7）截止电压尽量取准确。

19143420.00eK=1.6100.436610 6.9910()

h J S ---=???=? 191434

27.13eK=1.6100.4378107.0110()h J S ---=???=?

(整理)5光电效应实验.

光电效应实验一定频率的光照射在金属表面时, 会有电子从金属表面逸出,这种现象称为光电效应。1887年赫兹发现了光电效应现象，以后又经过许多人的研究，总结出一系列实验规律。1905年，爱因斯坦在普朗克能量子假设的基础上，提出了光量子理论，成功地解释了光电效应的全部规律。实验原理光电效应的实验原理如图1所示。用强度为P 的单色光照射到光电管阴极K 时，阴极释放出的光电子在电场的加速作用下向阳极板A 迁移，在回路中形成光电流。图1 实验原理图图2 光电管同一频率不同光强的伏安特性曲线用实验得到的光电效应的基本规律如下： 1、光强P 一定时，改变光电管两端的电压AK U ，测量出光电流I 的大小，即可得出光电管的伏安特性曲线。随AK U 的增大，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。 2、当光电管两端加反向电压时，光电流将逐步减小。当光电流减小到零时，所对应的反向电压值，被称为截止电压U 0（图2）。这表明此时具有最大动能的光电子刚好被反向电场所阻挡，于是有 0202 1eU mV =（式中m 、V 0、e 分别为电子的质量、速度和电荷量）。（1）不同频率的光，其截止电压的值不同（图3）。 3、改变入射光频率ν时，截止电压U 0随之改变，0U 与ν成线性关系（图4）。实验表明，当入射光频率低于0ν(0ν随不同金属而异，称为截止频率)时，不论光的强度如何，照射时间多长，都没有光电流产生。

图3光电管不同频率的伏安特性曲线图4截止电压U 0与频率ν的关系 4、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0ν，在开始照射后立即有光电子产生，延迟时间最多不超过910-秒。经典电磁理论认为，电子从波阵面上获得能量，能量的大小应与光的强度有关。因此对于任何频率，只要有足够的光强度和足够的照射时间，就会发生光电效应，而上述实验事实与此直接矛盾。显然经典电磁理论无法解释在光电效应中所显示出的光的量子性质。按照爱因斯坦的光量子理论，光能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ν的光子具有能量ν=h E ，h 为普朗克常数。当光束照射金属时，是以光粒子的形式打在它的表面上。金属中的电子要么不吸收能量，要么就吸收一个光子的全部能量νh ，而无需积累能量的时间。只有当这能量大于电子摆脱金属表面约束所需的逸出功A 时，电子才会以一定的初动能逸出金属表面。按照能量守恒原理，爱因斯坦提出了著名的光电效应方程： A mV hv +=2021 （2）式中，A 为金属的逸出功，202 1mV 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。光子的能量A h 0<ν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h A 0=ν。将（2）式代入（1）式中可得： A h eU 0-ν= （3） )(00v v e h U -= 此式表明截止电压0U 是频率ν的线性函数。只要用实验方法得出不同的频率的截止电压，由直线斜率和截距，就可分别算出普朗克常数h 和截止频率0ν。基于此，在爱因斯坦光量子理论提出约十年后，密立根用实验证实了爱因斯坦的光电效应方程，并精确地测定了普朗克常数。两位物理大师在光电效应等方面的杰出贡献，分别于1921

内外光电效应

光照射到某些物质上,引起物质的电性质发生变化,这类光致电变的现象统称为光电效应。光电效应一般分为外光电效应和内光电效应。内光电效应是被光激发所产生的载流子（自由电子或空穴）仍在物质内部运动，使物质的电导率发生变化或产生光生伏特的现象。外光电效应是被光激发产生的电子逸出物质表面，形成真空中的电子的现象。一、外光电效应在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：E=hvh—普朗克常数，6.626×10-34J·s；ν—光的频率（s-1）根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的能量，所以要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电效应多发生于金属和金属氧化物，从光开始照射至金属释放电子所需时间不超过10-9s。根据能量守恒定理 E=hv-W 该方程称为爱因斯坦光电效应方程。二、内光电效应当光照在物体上，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的现象。分为光电导效应和光生伏特效应（光伏效应）。 1 光电导效应在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态，而引起材料电导率的变化。当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，且光辐射能量又足够强，光电材料价带上的电子将被激发到导带上去，使光导体的电导率变大。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。 2 光生伏特效应在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。基于该效应的器件有光电池和光敏二极管、三极管。 ①垒效应（结光电效应）光照射PN结时，若hf≧Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，电子偏向N区外侧，空穴偏向P区外侧，使P区带正电，N区带负电，形成光生电动势。 ②侧向光电效应（丹培效应）当半导体光电器件受光照不均匀时，光照部分产生电子空穴对，载流子浓度比未受光照部分的大，出现了载流子浓度梯度，引起载流子扩散，如果电子比空穴扩散得快，导致光照部分带正电，未照部分带负电，从而产生电动势，即为侧向光电效应。 ③光电磁效应半导体受强光照射并在光照垂直方向外加磁场时，垂直于光和磁场的半导体两端面之间产生电势的现象称为光电磁效应，可视之为光扩散电流的霍尔效应。④贝克勒耳效应是指液体中的光生伏特效应。当光照射浸在电解液中的两个同样电极中的一个电极时，在两个电极间产生电势的现象称为贝克勒耳效应。感光电池的工作原理基于此效应。三、应用 1制造光电倍增管光电倍增管能将一次次闪光转换成一个个放大了的电脉冲，然后送到电子线路去，记录下来。算式在以爱因斯坦方式量化分析光电效应时使用以下算式：光子能量 = 移出一个电子所需的能量+ 被发射的电子的动能代数形式： hf=φ +Em φ=hf0 Em=(1/2)mv^2 其中 h是普朗克常数，h = 6.63 ×10^-34 J·s， f是

光电效应法测普朗克常量实验报告

实验题目：光电效应法测普朗克常量实验目的：1.了解光电效应的基本规律； 2.用光电效应方法测量普朗克常量和测定光电管的光电特性曲线。实验原理：当光照在物体上时，光的能量仅部分地以热的形式被物体吸收，而另一部分则转换为物体中某些电子的能量，使电子逸出物体表面，这种现象称为光电效应，逸出的电子称为光电子。在光电效应中，光显示出它的粒子性质，所以这种现象对认识光的本性，具有极其重要的意义。光电效应实验原理如图8.2.1-1所示。 1．光电流与入射光强度的关系光电流随加速电位差U 的增加而增加，加速电位差增加到一定量值后，光电流达到饱和值和值I H ，饱和电流与光强成正比，而与入射光的频率无关。当U= U A -U K 变成负值时，光电流迅速减小。实验指出，有一个遏止电位差U a 存在，当电位差达到这个值时，光电流为零。 2．光电子的初动能与入射频率之间的关系光电子从阴极逸出时，具有初动能，在减速电压下，光电子逆着电场力方向由K 极向A 极运动。当U=U a 时，光电子不再能达到A 极，光电流为零。所以电子的初动能等于它克服电场力作用的功。即 a eU mv =2 2 1 （1）根据爱因斯坦关于光的本性的假设，光是一粒一粒运动着的粒子流，这些光粒子称为光子。每一光子的能量为hv =ε，其中h 为普朗克常量，ν为光波的频率。所以不同频率的光波对应光子的能量不同。光电子吸收了光子的能量h ν之后，一部分消耗于克服电子的逸

出功A ，另一部分转换为电子动能。由能量守恒定律可知 A mv hv += 2 2 1 （2）式（2）称为爱因斯坦光电效应方程。由此可见，光电子的初动能与入射光频率ν呈线性关系，而与入射光的强度无关。 3．光电效应有光电存在实验指出，当光的频率0v v <时，不论用多强的光照射到物质都不会产生光电效应，根据式（2），h A v = 0，ν0称为红限。爱因斯坦光电效应方程同时提供了测普朗克常量的一种方法：由式（1）和（2）可得： A U e hv +=0，当用不同频率（ν1，ν2，ν3，…，νn ）的单色光分别做光源时，就有 A U e hv +=11 A U e hv +=22 ………… A U e hv n n += 任意联立其中两个方程就可得到 j i j i v v U U e h --= )( （3）由此若测定了两个不同频率的单色光所对应的遏止电位差即可算出普朗克常量h ，也可由ν-U 直线的斜率求出h 。因此，用光电效应方法测量普朗克常量的关键在于获得单色光、测得光电管的伏安特性曲线和确定遏止电位差值。实验中，单色光可由水银灯光源经过单色仪选择谱线产生。表8.2.1-1 可见光区汞灯强谱线

光电效应

图1 实验原理图光电效应摘要：电效应是指一定频率的光照射在某些金属表面上使电子从金属表面逸出的现象。本文介绍了光电效应的基本原理和三种测量截止电压的方法，用“减速电位法”测量光电子的动能来实验验证爱因斯坦光电方程并用零电流法测量了普朗克常量。关键词：光电效应、普朗克常量、截止电压一、光电效应原理光电效应是指一定频率的光照射在金属表面时会有电子从金属表面逸出的现象。基本的实验事实为：(1)饱和光电流与光强成正比；(2)光电效应存在一个域频率v 0（截止频率），当入射光的频率低于域频率时，不论光的强度如何,都没有光电效应产生；(3)光电子的动能与光强无关，但与入射光的频率成线性关系；(4)光电效应是“瞬时”的，当入射光的频率大于域频率时，一经光照射，立刻产生光电子[2]。按照爱因斯坦的光量子理论，光能不是分布在波阵面上，它和电磁波理论所想象的不一样，光的能量集中在光子（光量子）的粒子上。如果光子的频率为ν,那么它所具有的能量E 则为hν,其中h 为普朗克常数。当光照在某些金属表面上，如果其所获得能量大于金属的逸出功的话，那么可以使电子从金属表面逸出，这种现象称为光电效应，所产生的电子为光电子。当光子照射到金属表面上时，一次为金属中的电子全部吸收，而无需积累能量的时间。电子把能量一部分用来克服金属表面对它的吸引力，余下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： hν=1 2 mV m 2 +A (1) 式中12mV m 2为光电子逸出金属表面的最大初动能， m 为电子的质量，V m 为光电子逸出金属表面的初速度，ν为光电子的频率，A 为光照射的金属材料的逸出功。二、普朗克常数由该式可见，射到金属表面的光的频率越高，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： 12 mV m 2=eU a (2) 当光子的能量hν0