电流div

实验五光电效应测定普朗克常数当光照射在物体上时,光的能量只有部分以热的形式被物体所吸收,而另一部分则转换为物体中某些电子的能量,使这些电子逸出物体表面,这种现象称为光电效应.
在光电效应这一现象中,光显示出它的粒子性,所以深入观察光电效应现象,对认识光的本性具有极其重要的意义.
普朗克常数是1900年普朗克为了解决黑体辐射能量分布时提出的"能量子"假设中的一个普适常数,是基本作用量子,也是粗略地判断一个物理体系是否需要用量子力学来描述的依据.
h1905年爱因斯坦为了解释了光电效应现象,提出了"光量子"假设,即频率为ν的光子其能量为hv.
当电子吸收了光子能量hv之后,一部分消耗与电子的逸出功W,另一部分转换为电子的动能,212mv即Whmv=ν221(1)上式称为爱因斯坦光电效应方程.
1916年密立根首次用油滴实验证实了爱因斯坦光电效应方程,并在当时的条件下,较为精确地测得普朗克常数为:J·s,其不确定度大约为0.
5%.
这一数据与现在的公认值比较,相对误差也只有0.
9%.
为此,1923年密立根因这项工作而荣获诺贝尔物理学奖.
341057.
6*=h目前利用光电效应制成的光电器件和光电管、光电池、光电倍增管等已成为生产和科研中不可缺少的重要器件.
图37-1光电效应实验示意图GGDAKVREE-U+U一、实验目的(1)了解光电效应的基本规律,验证爱因斯坦光电效应方程.
(2)掌握用光电效应法测定普朗克常数h.
二、实验原理光电效应的实验示意图如图1所示,图中GD是光电管;K是光电管阴极;A为光电管阳极;G为微电流计;V为电压表;E为电源;R为滑线变阻器,调节R可以得到实验所需要的加速电位差UAK.
在光电管的A、K之间可获得从到再到连续变化的电压.
实验时用的单色光是从低压汞灯光谱中用干涉滤色片过滤得到,其波长分别为365nm、405nm、436nm、、.
无光照阴极时,由于阳极和阴极是断路的,所以G中无电流通过.
用光照射阴极时,由于阴极释放出电子而形成阴极光电流(简称阴极电流).
加速电位差UUU+0nm546nm577AK越大,阴极电流越大,当UAK增加到一定数值后,阴极电流不再增大而达到某一饱和值IH,IH的大小和照射光的强度成正比(如图37-2所示).
加速电位差UAK变为负值时,阴极电流会迅速减少,当加速电位差UAK负到一定数值时,阴极电流变为"0",与此对应的电位差称为遏止电位差.
这一电位差用Ua来表示.
Ua的大小与光的强度无关,而是随着照射光的频率的增大而增大(如图3所示).
IIH光强光弱UAKUaV图2光电管的伏安特性图3光电管遏止电位的频率特性(1)饱和电流的大小与光的强度成正比.
eUamv=221(2)光电子从阴极逸出时具有初动能,其最大值等于它反抗电场力所做的功,即:,因为ν∝Ua,所示初动能大小与光的强度无关,只是随着频率的增大而增大.
ν∝Ua的关系可用爱因eWehUa=ν斯坦方程表示如下:(2)实验时用不同频率的单色光(1ν、2ν、3ν、4ν、……)照射阴极,测出相对应的遏止电位差、、、、……),然后作出1(Ua2Ua3Ua4UaνUa图,由此图的斜率即可以求出h.
(3)如果光子的能量hv≤W时,无论用多强的光照射,都不可能逸出光电子.
与此相对应的光的频率则称为阴极的红限,且用vνUa0(v0≤W/h)来表示.
实验时可以从图的截距求得阴极的红限和逸出功.
本实验的关键是正确确定遏止电位差,作出νUa图.
至于在实际测量中如何正确地确定遏止电位差,还必需根据所使用的光电管来决定.
下面就专门对如何确定遏止电位差的问题作一简要的分析与讨论.
遏止电位差的确定:如果使用的光电管对可见光都比较灵敏,而暗电流也很小.
由于阳极包围着阴极,即使加速电位差为负值时,阴极发射的光电子仍能大部分射到阳极.
而阳极材料的逸出功又很高,可见光照射时是不会发射光电子的,其电流特性曲线如图4所示.
图中电流为零时的电位就是遏止电位差Ua.
然而,光电管在制造过程中,工艺上很难保证阳极不被阴极材料所污染(这里污染的含义是:阴极表面的低逸出功材料溅射到阳极上),而且这种污染还会在光电管的使用过程中日趋加重.
被污染后的阳极逸出功降低,当从阴极反射过来的散射光照到它时,便会发射出光电子而形成阳极光电流.
实验中测得的电流特性曲线,是阳极光电流和阴极光电流叠加的结果,如图37-5的实线所示.
由图5可见,由于阳极的污染,实验时出现了反向电流.
特性曲线与横轴交点的电流虽然等于"0",但阴极光电流并不等于"0",交点的电位差Ua也不等于遏止电位差Ua.
两者之差由阴极电流上升的快慢和阳极电流的大小所决定.
如果阴极电流上升越快,阳极电流越小,与Ua之差也越小.
从实际测量的电流曲线上看,正向电流上升越快,反向电流越小,则与Ua之差也越小.
aU′aU′IUUaUaIUUa〃Ua'阴极电流IK实测电流I阳极电流IA图4光电管理想的电流特性曲线如图图5光电管老化后电流特性曲线由图5可以看到,由于电极结构等种种原因,实际上阳极电流往往饱和缓慢,在加速电位差负到Ua时,阳极电流仍未达到饱和,所以反向电流刚开始饱和的拐点电位差aU′′也不等于遏止电位差Ua.
两者之差视阳极电流的饱和快慢而异.
阳极电流饱和得越快,两者之差越小.
若在负电压增至Ua之前阳极电流已经饱和,则拐点电位差就是遏止电位差Ua.
总之,对于不同的光电管应该根据其电流特性曲线的不同采用不同的方法来确定其遏止电位差.
假如光电流特性的正向电流上升得很快,反向电流很小,则可以用光电流特性曲线与暗电流特性曲线交点的电位差近似地当作遏止电位差Ua(交点法).
若反向特性曲线的反向电流虽然较大,但其饱和速度很快,则可用反向电流开始饱和时的拐点电位差aU′aU′′当作遏止电位差Ua(拐点法).
三、实验装置ZKY-GD-4智能光电效应实验仪,DS3042型数字存储示波器.
四、实验内容和步骤1.
测试前准备(1)仪器连接将测试仪及汞灯电源接通(盖上光电管暗箱遮光盖),预热20min.
调整光电管与汞灯距离为约40cm并保持不变蓝.
用专用连接线将光电管暗箱电压输入端与测试仪电压输出端(后面板上)连接起来(红—红,蓝—蓝).
将"电流量程"选择开关置于所选档位,进行测试前调零.
测试仪在开机或改变电流量程后,都会自动进入调零状态.
调零时应将光电管暗箱电流输出端K与测试仪微电流输入端(后面板上)断开,旋转"调零"旋钮使电流指示为000.
0.
调节好后,用高频匹配电缆将电流输入端连接起来,按下"调零确认/系统清零"键,系统进入测试状态.
若要动态显示采集曲线,需将测试仪的"信号输出"端口接至示波器的"Y"输入端;"同步输出"端口接至示波器的"外触发"输入端.
示波器"触发源"开关拨向"外";"Y衰减"旋钮拨至约"1V/格";"扫描时间"旋钮拨至约"50μs/格".
此时示波器将用轮流扫描的方式显示5个存储区中存储的曲线,横轴代表电压UAK,纵轴代表电流I.
(2)示波器的连接与设置a.
将实验仪的信号输出端、同步输出端分别接在示波器CH1和EXT.
TRIG端;开启电源,5s钟后,示波器显示屏出现[CH1]的五个菜单,设置"耦合"为[交流],"带宽限制"为[关闭],"档位调节"为[粗调],"控头"为[1X],"反向"为[关闭].
b.
调节垂直SCALE旋钮,使显示屏左下角指示CH1通道灵敏度约为200mV-500mV/div.
c.
调节水平SCALE旋钮,使显示屏右下角指示Time约为20μs.
d.
待信号输入(测试开始)调节垂直POSITION旋钮,使波形居中.
e.
待信号输入(测试开始)后,微调触发电平LEVEL旋钮,使波形清晰、稳定.
2.
测普朗克常数h由于本实验仪器的电流放大器灵敏度高,稳定性好;光电管阳极反向电流,暗电流水平也较低.
在测量各谱线的截止电压Ua时,可采用零电流法(即交点法),即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Ua.
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较小.
且各谱线的截止电压都相差ΔU,对Ua-v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.
测量截止电压时,"伏安特性测试/截止电压测试"状态键应为截止电压测试状态.
"电流量程"开关应处于10-13A挡.
(1)手动测量使"手动/自动"模式键处于手动模式.
将直径4mm的光阑及365.
0nm的滤色片装在光电管暗箱光输入口上,打开汞灯遮光盖.
此时电压表显示UAK的值,单位为V;电流表显示与UAK对应的电流值I,单位为所选择的"电流量程".
用电压调节键→、←、↑、↓可调节UAK的值,→、←键用于选择调节位,↑、↓键用于调节值的大小从低到高按步长为0.
01V调节电压(从-2V到0V),观察电流值的变化,寻找电流为零时对应的UAK,以其绝对值作为该波长对应的Ua的值,并将数据记于表37-1中.
依次换上404.
7nm、435.
8nm、546.
1nm、577.
0nm的滤色片,重复以上测量步骤.
(2)自动测量将"手动/自动"模式键切换到自动模式.
此时电流表左边的指示灯闪烁,表示系统处于自动测量扫描范围设置状态,用电压调节键可设置扫描起始和终止电压.
对各条谱线,我们建议扫描范围大致设置为:365nm,-1.
90~-1.
50V;405nm,-1.
600~-1.
20V,436nm,-l.
35~-0.
95V;546nm,-0.
80~-0.
40V;577nm,-0.
65~-0.
25V.
测试仪设有5个数据存储区,每个存储区可存储500组数据,并有指示灯表示其状态.
灯亮表示该存储区已存有数据,灯不亮为空存储区,灯闪烁表示系统预选的或正在存储数据的存储区.
设置好扫描起始和终止电压后,按动相应的存储区按键,仪器将先消除存储区原有数据,等待约30s,然后按4mV的步长自动扫描,并显示、存储相应的电压、电流值.
扫描完成后,仪器自动进入数据查询状态,此时查询指示灯亮,显示区显示扫描起始电压和相应的电流值.
用电压调节键改变电压值,就可查阅到在测试过程中,扫描电压为当前显示值时相应的电流值.
读取电流为零时对应的UAK,以其绝对值作为该波长对应的Ua的值,并将数据记于表37-1中.
按"查询"键,查询指示灯灭,系统回复到扫描范围设置状态,可进行下一次测量.
在自动测量过程中或测量完成后,按"手动/自动"键,系统回复到手动测量模式,模式转换前工作的存储区内的数据将被清除.
若仪器与示波器连接,则可观察到UAK为负值时各谱线在选定的扫描范围内的伏安特性曲线.
(3)测光电管的伏安特性曲线此时,"伏安特性测试/截止电压测试"状态键应为伏安特性测试状态.
"电流量程"开关应拨至10-10A挡,并重新调零.
将直径4mm的光阑及所选谱线的滤色片装在光电管暗箱光输入口上.
测伏安特性曲线可选用"手动/自动"两种模式之一,测量的最大范围为-l~50V,自动测量时步长为1V,仪器功能及使用方法如前所述.
①可同时观察5条谱线在同一光阑、同一距离下伏安饱和特性曲线.
②可同时观察某条谱线在不同距离(即不同光强)、同一光阑下的伏安饱和特性曲线.
③可同时观察某条谱线在不同光阑(即不同光通量)、同一距离下的伏安饱和特性曲线.
由此可验证光电管的饱和光电流与入射光光强成正比.
记录所测UAK及I的数据到表2中,在坐标纸上作对应于以上波长及光强的伏安特性曲线.
在UAK为50V时,将仪器设置为手动模式,测量并记录对同一谱线、同一入射距离,光阑分别为2mm、4mm、8mm时对应的电流值于表37-3中,验证光电管的饱和光电流与入射光强MIP成正比.
也可在UAK为50V时,将仪器设置为手动模式,测量并记录对同一谱线、同一光阑时,光电管与入射光在不同距离,如300mm、400mm等对应的电流值于表37-4中,同样验证光电管的饱和电流与入射光强MIP成正比.
五、数据处理由1的实验数据,作出Ua-v图,求出直线的斜率K,即可用h=eK求出普朗克常数,并与h的公认值h0比较,分别求出手动、自动时的相对误差E=(h-h-340)/h0,式中e=1.
602*10-19C,h0=6.
626*10JS表1Ua-ν关系波长λi(nm)365.
0404.
7435.
8546.
1577.
0频率νi(10148.
2147.
4086.
8795.
4905.
196Hz)手动截止电压Uoi(V)自动表2和表3分别是I-UAK与IM-P的关系表.
表2I-UAK关系UAK(V)-10I(*10A)UAK(V)I(*10-10A)表3-P关系MIUAK=Vλ=nmL=mm光阑孔Ф-10I(*10A)表4-P关系MIUAK=Vλ=nm光阑孔Ф=mm距离L-10I(*10A)六、思考和讨论1.
测定普朗克常数的关键是什么怎样根据光电管的特性曲线选择适宜的测定遏止电压Ua的方法.
2.
从遏止电压Ua与入射光的频率v的关系曲线中,你能确定阴极材料的逸出功吗3.
本实验存在哪些误差来源实验中如何解决这些问题七、附录ZKY-GD-4智能光电效应实验仪.
仪器由汞灯及电源、滤色片、光阑、光电管、智能测试仪构成,仪器结构如图37-6所示.
测试仪有手动和自动两种工作模式,具有数据自动采集,存储,实时显示采集数据、动态显示采集曲线(连接普通示波器,可同时显示5个存储区中存储的曲线),及采集完成后查询数据的功能.
图37-6仪器结构示意12345671-指示灯电源2-3-4-5-6-7-指示灯滤色片光阑光电管基座测试仪