光电效应实验.docx

光电效应实验88043实验二 光电效应实验
【预习重点】
1、 了解前人研究光电效应进程中的思维精华。
2、 体会数值微商法的应用意图，弄清怎样计算，怎样作图。
3、 复习直线拟合；了解曲线族的应用。
【实验目的】
本实验令不同频率的单色光依次入射同一光电管，测绘伏安特性曲线族，用数
值微商法确定不同光频的遏止电势差，经曲线族变换获得遏止电势差一光频曲线，
以此验证爱因斯坦方程并求普朗克常数。
【学史背景】
光电效应作为信号转换的一种重要方式，已制成光电管、光电倍增管等器中，
广泛地应用在工农业生产、科教文卫和国防建设众多领域中。但这绝不是光电效应 的全部价值。更重要的是发现光电效应的过程本身，它曾经把人类认识自然的能力 提升到一个崭新高度，有力地推动了近代物理学的创立和发展。
19 世纪末，理论物理学者普朗克( Max Karl Ernst Ludwig Planek, 1858 — 1947)
在前人的基础上研究黑体辐射。 1900年12月14日，他在德国物理学会例会上宣读
论文《关于正常光谱的能量分布定律》 ，公然挑战有史以来默认物理量可以连续变化
的常规，提出石破天惊的能量 量子化假设，拉开人类揭示微观世界跳跃式变化规律
的序幕。以其姓氏命名的 普朗克常数，连同1900年12月14日这个非凡的日子一起
载入量子论创立发展史册，普朗克本人荣膺 1918年度诺贝尔物理奖。
普朗克量子假说最初并未引起太多注意，充其量被当作局限于个别问题侥幸成 功的一个经验公式。首先意识到深刻内涵并推动量子论发展的人是青年学者爱因斯
坦(Albert Einstein, 1879 — 1955 )。爱因斯坦 1905年在《关于光的产生和转化的一
个试探性观点》一文中高屋建瓴，把普朗克量子假说推广到光辐射，发展为 光量子
(光子) 概念，精辟解释了此前已由赫兹、勒纳德等人研究发现的光电效应奇特现
象。当时，包括普朗克本人在内的许多物理学家都认为爱因斯坦走得太远，太过分
了。实验物理学者密立根( Robert Andrews Millikan, 1868 — 1953 )抱着否定态度开
展了杰出的试验研究，他甚至把旋转式微型剃刀装进真空光电管中，以便随时清除
电极表面的氧化膜。密立根 1916年发表的实验结果把赞成票转而投向爱因斯坦。爱
因斯坦和密立根分别于 1921年和1923年获得诺贝尔物理奖，他们的不朽业绩和科
学风范永远昭示后人。
因研究阴极射线获 1905年度诺贝尔物理奖的勒纳德发明了一种光电管， 实际上
就是真空三极管的雏型，为他人的研究提供了良好借鉴。人们公认勒纳德是一位卓 越的科学家，但他本人仍觉得被忽视了。勒纳德后来追随纳粹，攻击相对论，在科 学史上留下一笔遗憾。
【实验原理】
1光电效应的实验规律
勒纳德等人的工作揭示光电效应基本实验事实如下：
仅当光频高于某一阈值时，才能从金属表面打出光电子；
(2 )单个光电子的动能随光频提高而增大，与入射光强无关；
单位时间内产生光电子的数目仅与入射光强有关，与光频无关；
光电效应是瞬时完成的，电子吸收光能几乎不需要积累时间。
经典物理学无论如何也解释不了上述现象，爱因斯坦利用光子假说作出了清晰
的说明。他指出，入射光其实就是单粒能量 ； = h、..的光子流。这种光子在运动中并
不瓦解，而是在一瞬间整个地被吸收或被发射。电子吸收光子后，如果动能仍小于
金属的逸出功(功函数)，即h、.. v W，则不可能脱离金属表面成为光电子； 满足h、.. =W
的光频-..0叫做该种金属的光电效应 截止频率(红限)，它激发的光电子刚好脱离金
属表面而无剩余动能；如果 h .. > W,激发的光电子脱离金属表面后具有剩余动能
2
(1)
被耗尽时,
m v 二 h「 W
2
这个式子称为
爱因斯坦光电方程
在理想光电管中，令光电子在反向电场中前进，当剩余的动能刚好
电子所经历的电势差
uv叫做遏止电势差
，显然
eU v =
，代入(1)式可得
(2)
式表明，遏止电势差 Uv是入射光频的一
次函数，h/e就是一次曲线的 斜率。爱因斯坦方程 预见了实验测算普朗克常数的可行方案。除了求 出h的量值以外，还可通过( 2)式了解光电管的
特性。令=o,可得理想阴极的逸出电势等于曲 线的纵轴截距，U o=- W/e ；令 Uv=0,可得理想阴 极的截止频率等于曲线的 横轴截距，；o=W/h。实
际光电管的情况比较复杂，只能把两个截距 U。、
0看作整体光电管的宏观参量。 图1
图1是研究光电效应的简化电路。一束单色光照射真空光电管的阴极 K，设光
频> > 0,有光电子产生且有剩