光电效应实验论文——王凯旋.doc

“光电效应”实验论文王凯旋,苗双宝中国海洋大学2011级光信息科学与技术专业摘要:本文围绕大学近代物理实验中的“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,也就是光能量转换成电能这一类光致电变的现象[1]——展开。应用ZKY—GD—3普朗克常数测量仪等仪器,通过测量光电管的暗电流和本底电流,测量不同波长下光电管的I—U特性,测量验证光电流与光强关系等,了解光电效应的原理,绘制光电管暗电流曲线和不同波长下的I—U特性曲线,测量普朗克常量。同时结合光电效应原理对实验数据进行分析,了解光电效应的规律,加深对光的量子性的认识。关键词:光电效应;暗电流;普朗克常数;I—U特性引言“光电效应”实验是大学近代物理实验中的一个必修实验,1905年,爱因斯坦在《关于光的产生和转化的一个启发性观点》一文中,用光量子理论对光电效应进行了全面的解释,并藉此获得1921年诺贝尔物理学奖。利用光电效应制成的光电管在工业生产和现代科学技术领域得到了广泛的应用,如:光控制电器,光电倍增管等。实验原理机制1、光电效应的实验原理如图1所示:入射光照射到光电管阴极K上,产生的光电子在电场的作用下向阳极A迁移构成光电流,改变外加电压,测量出光电流I的大小,即可得出光电管的伏安特性曲线。光电效应的基本实验事实如下:(1)对应于某一频率,光电效应的I-关系如图2[2]所示。从图中可见,对一定的频率,有一电压U0,当≦时,电流为零,这个相对于阴极的负值的阳极电压U0,被称为截止电压。(2)当≧后,I迅速增加,然后趋于饱和,饱和光电流IM的大小与入射光的强度P成正比。(3)对于不同频率的光,其截止电压的值不同,如图3所示。(4)截止电压U0与频率的关系如图4所示,与U0成正比。当入射光频率低于某极限值(随不同金属而异)时,不论光的强度如何,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,在开始照射后立即有光电子产生,所经过的时间至多为秒的数量级。按照爱因斯坦的光量子理论,光能并不像电磁波理论所想象的那样,分布在波阵面上,而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,频率为的光子具有能量E=h,h为普朗克常数。当光子照射到金属表面上时,一次被金属中的电子全部吸收,而无需积累能量的时间。电子把这能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引力,余下的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:(1)式中,A为金属的逸出功,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,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:(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,再增加时I不再变化,光电流出现饱和,饱和光电流的大小与入射光的强度P成正比。光子的能量<A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=A/h。将(2)式代入(1)式可得:(3)此式表明截止电压是频率的线性函数,直线斜率k=h/e,只要用实验方法得出不同的频率对应的截止电压