光 电 效 应
当光束照射到某些金属表面上时, 会有电子从金属表面即刻逸出,这种现象称为“光电效应”。1905年爱因斯坦圆满地解释了光电效应的实验现象，使人们进一步认识到光的波粒二象性的本质,促进了光的量子理论的建立和近代物理学的发展,爱因斯坦因此获得了1921年的诺贝尔奖。现在利用光电效应制成的各种光电器件(如光电管、光电倍增管、夜视仪等)已经被广泛应用于工农业生产、科研和国防等领域。
[实验目的]
1.加深对光的量子性的认识;
2.验证爱因斯坦方程,测定普朗克常数; 3.测定光电管的伏安特性曲线。 [ 实验原理]
当一定频率的光照射到某些金属表面上时, 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, 称为光电子。根据爱因斯坦的光电效应方程有 hν=1/2 mvm2+ W (1)
其中ν为光的频率,h为普朗克常数,m和vm是光电子的质量和最大速度,W为电子摆脱金属表面的约束所需要的逸出功。
按照爱因斯坦的光量子理论:频率为ν的光子具有能量hν,当金属中的电子吸收一个频率为ν的光子时,便获得这个光子的全部能量。如果光子的能量hν大于电子摆脱金属表面的约束所需要的逸出功W,电子就会从金属中逸出,1/2mvm 是光电子逸出表面后所具有的最大动能;光子能量 hν小于W时,电子不能逸出金属表面,因而没有光电效应产生。能产生光电效应的入射光最低频率ν0,称为光电效应的截止(或极限)频率。由方程(1)可得
v0=W/h (2)
不同的金属材料有不同的逸出功, 因而ν0也是不同的。
利用光电管可以进行研究光电效应规律、测量普朗克常数的实验,实验原理可参考图1。图中K为光电管的阴极,A为阳极,微安表用于测量微小的光电流, 电压表用于测量光电管两极间的电压,E为电源,R提供的分压可以改变光电管两极间的电势差。单色光照射到光电管的阴极K上产生光电效应时,逸出的光电子在电场的作用下由阴极向阳极运动,并且在回路中形成光电流。当阳极A电势为正,阴极K电势为负时,光电子被加速。当K电势为正,A电势为负时,光电子被减速;而当A、K之间的电势差足够大时，具有最大动能的光电子也被反向电场所阻挡,光电流将为零。此时,有
e U0 =1/2 mvm2 (3)
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式中e为电子电量,U0 称为截止电压。
光电管的伏安特性曲线(光电流与所加电压的I-U关系)如图2所示。当用一定强度的光照射在光电管阴极K上时,光电流I随两极间的加速电压改变而改变,开始光电流I随两极间的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。这是因为在一定光强下,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都跑向阳极A,从而达到饱和。称此时的电流为饱和电流Im。由于光电子从阴极表面逸出时具有一定的初速度,所以当两极间电压为零时,仍有光电流I存在。若在两极间施加一反向电压,光电流随之减小;当反向电压达到截止电压U0时,光电流为零。由式(1)、式(2)及式(3)可得
e U0= hν-W = hν- hν0
即 U0 =(hν-W)/e= h/e(ν-ν0) (4)
式(4)表明,截止电压U0是入射光频率ν的线性函数,其直线的斜率等于h/e。可见,只要用实验方法测量不同频率光的截止电压,做出U0-ν图形,从图中求得直线的斜率h/e,即可求出普朗克常数h。另外,从直线和坐标轴的交点还可求出截止频率ν0 。
图1 光电效应实验原理图 图.2 光电管的伏安特性曲线
测定普朗克常数h的关键是正确地测定截止电压U0 。但实际的光电管由于制作工艺等原因,给准确测定截止电压带来一些困难。对测量产生影响的主要因素如下。 (1)暗电流和本底电流
光电管在没有受到光照时,也会产生电流,称为暗电流。它是由阴极在常温下的热电子发射形成的热电流和封闭在暗盒里的光电管在外加电压下因管子阴极和阳极间绝缘电阻漏电而产生的漏电流两部分组成。本底电流是周围杂散光射入光电管所致。 (2)反向电流
由于制作光电管时阳极上往往溅有阴极材料,所以当光照到阳极上或杂散光漫射到阳极上时,阳极上也往往有光电子发射;此外,阴极发射的光电子也可能被阳极的表面所反射。当阳极A为负电势,阴极K为正电势时,对阴极K上发射的光电子而言起减速作用,而对阳极A发射或反射
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的光电子而言却起了加速作用,使阳极A发出的光电子也到达阴极K,形成反向电流。
由于上述原因, 实测的光电管伏安特性(I-U)曲线与理想曲线是有区别的。且不同的光电管的伏安特性曲线的特点也不同。一般光电管的伏安特性曲线的特点,可以参考图3,其中实线表示实测曲线,虚线表示理想曲线即阴极光电流曲线,点划线代表影响较大的反向电流及暗电流曲线。实测曲线上每一点的电流值是以上3个电流值的代数和。显然,实测曲线上光电流I为零的点所对应的电压值并不是截止电压。从图3可看出,阳极光电流(即反向电流和暗电流)的存在,使阴极光电流曲线下移,实测曲线的抬头点处的电压值与截止电压近似相等,可代替截止电压。因此,在光电效应实验中可以通过找出实测伏安特性曲线的抬头点来确定截止电压U0。
图3 光电流曲线分析
本实验仪器采用了新型结构的光电管。由于其特殊结构使光不能直接照射到阳极，由阴极反射照到阳极的光也很少，加上采用新型的阴、阳极材料及制造工艺，使得阳极反向电流大大降低，暗电流水平也很低。由于本仪器的特点，在测量各谱线的截止电压U0时，可不用难于操作的“抬头点法”，而用“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UAK的绝对值作为截止电压U0。此法的前提是阳极反向电流、暗电流和本底电流都很小，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ΔU对U0-?曲线的斜率无大的影响，因此对h的测量不会产生大的影响。 [ 实验仪器]
ZKY-GD-3光电效应实验仪。仪器由汞灯及电源，滤色片，光阑，光电管、测试仪（含光电管电源和微电流放大器）构成，仪器结构如图4所示，测试仪的调节面板如图5所示。
实验仪
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