光电效应测定普朗克常数

1. 近代物理实验32 光电效应测定普朗克常数

2. M.普朗克 A.爱因斯坦 光电效应测定普朗克常数 背景资料 实验仪器 实验原理 实验内容 数据处理

3. 背景资料 光电效应现象： 1887年德国物理学家H.R.赫兹发现电火花间隙受到紫外线照射时会产生更强的电火花。赫兹的论文《紫外光对放电的影响》发表在1887年《物理学年鉴》上。论文详细描述了他的发现。 　　赫兹的论文发表后，立即引起了广泛的反响，许多物理学家纷纷对此现象进行了研究，用紫外光或波长更短的X光照射一些金属，都观察到金属表面有电子逸出的现象，称之为光电效应。 对于光电效应的实验规律，经典的波动理论无法给出圆满的解释。1905年爱因斯坦受普朗克量子假设的启发，提出了光量子假说，即：一束光是一粒一粒以光速C运动的粒子流，这些粒子称为光子，光子的能量为E＝hv（h为普朗克常数，v为光的频率）。根据光量子假说，爱因斯坦给出了著名的光电效应方程，并成功地解释了光电效应的各条实验规律。 然而，爱因斯坦的光量子假说和光电效应方程并没有立即得到人们的承认，原因是经典的电磁理论的传统观念束缚了人们的思想，同时这个假说未获得全面的验证。

4. 爱因斯坦（Albert Einstein, 1879-1955）因在理论物理方面的成就，尤其是发现了光电效应的规律，获得了1921年度的诺贝尔物理学奖。 密立根（Robert Andrews Millikan,1868-1953)因对基本电荷和光电效应的研究，获得了1923年度的诺贝尔物理学奖。 A.爱因斯坦 康普顿（Arthur Holly Compton, 1892-1962）因发现康普顿效应获得了1927年度的诺贝尔物理学奖。 R.密粒根 H.康普顿 背景资料 1912-1915年间，密立根以卓越的研究方法和精湛的实验技术，检验了爱因斯坦1905年提出的光电效应公式。于1916年发表论文证实了爱因斯坦方程的正确性，并直接运用光电方法对普朗克常数h作了首次测量。 1922年，康普顿发现了“康普顿效应”，他采用单个光子和自由电子的简单碰撞理论，对这个效应做出了满意的理论解释，进一步证实了爱因斯坦的光子理论。 密立根和康普顿的精密实验研究终于确立了光量子论的地位。

5. 实验仪器 GGQ—50WHg仪器用高压汞灯 GDh—45型光电管 GD—1型微电流测试仪

6. 滤色片: 是一组外径为36mm的宽带通型有色玻璃组合滤色片,具有滤选 3650A,4047A,4358A,5461A和5770A等谱线的能力。 中性减光片:是三块一组外径为 36mm的中性减光片。光通过减光片后,光强将减弱。在单色光为5770A时，其减光率分别可达25%、50%、和75%。 实验仪器 滤色片性能表

7. 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。 光电效应的实验规律： 饱和光电流与入射光强成正比；(频率相同） 光电效应存在一个截止频率 ，当入射光的频率 时，不论光的强度如 何都没有光电子产生； 光电子的初动能与光强无关，而与入射光的频率成正比； 只要 ，无论光强如何，都会立即引起光电子发射， 。 对于这些实验事实，经典的波动理论无法给出圆满的解释。 爱因斯坦光量子理论： 爱因斯坦受普朗克量子假设的启发，提出了光量子假设，当光子照射金属时，金属中的电子全部吸收光子的能量hv，电子把光子能量的一部分变成它逸出金属表面所需的功W，另一部分转化为光电子的动能，即： ——爱因斯坦方程 爱因斯坦光量子理论圆满地解释了光电效应的各条实验规律。

8. G 光强较大 光强较小 U （频率相同） 0 图2 I－U 特性曲线 图1光电效应实验原理图 实验原理 • 截止频率 ：根据爱因斯坦方程，只有当 才会有光电子发射，即截止频率为 （ 值随金属种类不同而不同 ） • 反向遏止电压 ：使光电流为零而在光电管两端所加的反向电压（如图2所示），显然，反向遏止电压的物理含义为

9. 上式说明 与入射光频率 成直线关系，实验中可用不同频率的入射光照射，分别找到相应的遏止电压 ，就可作出 的实验直线，此直线的斜率就是 则普朗克常数 由该直线与横轴的交点，可求出“红限”频率 。这就是密立根验证爱因斯坦光电效应方程的主要实验思想。 实验原理 • 根据

10. 实际测量的光电管伏安特性曲线如图3所示。这是由于在实验进行时，光电管中还伴有两个现象，即阳极的光电子发射和暗电流。阳极的光电子发射是阳极材料在光照下发射的光电子，对这些光电子而言，外加反向电场是加速电场，因此它们很容易到达阴极，形成反向电流。暗电流 则是在无光照射时，外加反向电压下光电管流过的微弱电流。由于这两个因素的影响，实验中实测的I—U特性曲线往往如图3所示。曲线的下部转变为直线，转变点B(抬头点)对应的外加电压值才是遏止电压。 实验曲线 暗电流 0 B 图3 I－U实验曲线 实验原理 • 注：

11. 实验内容 • 一、测量I—U伏安特性曲线 • 将挡光盖盖住光源出光孔，把暗盒入光孔套架上挡光盖取下来，换上滤色片，再从光源出光孔上取下挡光盖，顺时针旋转“电压调节”旋钮，使电压由-3V逐渐升高到30V，观察光电流的变化，记下一组I—U值，由短波到长波逐次换上五种不同波长的滤色片，这样可记5组I—U值。 • 注意测量点应合理分配，具体为： • －3V ～ 0V 电流开始变化(急剧变化)时细测几个点(间隔0.1V或0.2V) • 0V ～ 10V 每隔1V记一个电流值 • 10V ～30V 每隔5V记一个电流值 • 二、测量I—P特性(光电特性)曲线 • 把577型滤色片装在暗盒光窗上，电压由0V升到30V，记下饱和电压值，我们可视之为透光率为100%的情况，还可测出透光率分别为75%，50%和25%的三种情况，即将三块减光片分别装在光源出光口，电压都是从0V升到30V的。由此可观察饱和光电流与光的强度的关系。

12. 数据处理 一、根据测量数据作出5种不同频率的照射光所对应 的I—U伏安特性曲线，由此确定5种不同频率的照射光所对应截止电压值。 参考表格： 数据拟合： 1>作图法 作出US－v的实验直线，求此直线的斜率k； 普朗克常数 h＝ek （与公认值进行比较，计算相对不确定度） 该直线与横轴的交点即“红限”频率v0。

13. 2>最小二乘法 根据最小二乘法求出直线方程 普朗克常数 “红限”频率 计算不确定度、表达实验结果。 数据处理 二、根据测量数据作出不同照度下I—U伏安特性曲线和I—P特性(光电特性)曲线。