光電效應(yīng)是物理學(xué)中一個(gè)重要的現(xiàn)象。在高于某特定頻率的電磁波照射下，某些物質(zhì)內(nèi)部的電子會(huì)被光子激發(fā)出來(lái)而形成電流，即光生電。光電現(xiàn)象由德國(guó)物理學(xué)家赫茲于1887年發(fā)現(xiàn)，而正確的解釋為愛(ài)因斯坦所提出。科學(xué)家們?cè)谘芯抗怆娦?yīng)的過(guò)程中，物理學(xué)者對(duì)光子的量子性質(zhì)有了更加深入的了解，這對(duì)波粒二象性概念的提出有重大影響。

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

(1) 通過(guò)光電效應(yīng)加深對(duì)光的量子性的了解。

(2) 驗(yàn)證Einstein方程，并測(cè)定Planck常數(shù)。

二、主要實(shí)驗(yàn)儀器

GD－27型光電管，GGQ－50高壓Hg燈，NG濾色片(365nm、405nm、436nm、546nm、577nm五片)，GD－Ⅲ型微電流測(cè)量放大器。

三、實(shí)驗(yàn)原理

當(dāng)一定頻率的光照射到某些金屬表面時(shí)，可以使電子從金屬表面逸出，這種現(xiàn)象稱(chēng)為光電效應(yīng)，所逸出的電子稱(chēng)為光電子。光電效應(yīng)是光的經(jīng)典電磁理論所不能解釋的。1905年， Einstein依據(jù)Planck的能量子假說(shuō)提出了光子的概念，使光電效應(yīng)所有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果得以圓滿(mǎn)解釋。他認(rèn)為光是一種粒子(即光子)，頻率為ν的光子具有能量E =hν，當(dāng)金屬中的電子吸收一個(gè)頻率為ν的光子時(shí)，便獲得能量hν，如果該能量大于電子擺脫金屬表面約束所需要的逸出功A，電子就會(huì)從金屬中逸出。根據(jù)能量導(dǎo)恒定律有:

對(duì)于Einstein的假說(shuō)，R．A．密立根從1905年Einstein的論文問(wèn)世后經(jīng)過(guò)十年左右艱苦卓絕的工作，1916年發(fā)表詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)論文，證實(shí)了Einstein方程，并精確測(cè)出了Planck常數(shù)。A． Einstein和R．A．密立根都因光電效應(yīng)等方面的貢獻(xiàn)，分別于1921年和1923年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

按照R．A．密立根實(shí)驗(yàn)思路，要求精確測(cè)定光電子最大動(dòng)能和入射光頻率之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)原理圖如圖23－1所示。用不同頻率的單色光照射光電管陰極K，用“減速電位法”測(cè)定陰極發(fā)射光電子的最大動(dòng)能。當(dāng)陽(yáng)極A的負(fù)電位較小時(shí)，光電子損失一部分功能后，仍然可以達(dá)到陽(yáng)極，形成的光電流由微電流測(cè)試儀G測(cè)出。陽(yáng)極的負(fù)電位逐漸增大，光電流會(huì)隨之變小;當(dāng)陽(yáng)極A的負(fù)電位增大到某一值時(shí)，使動(dòng)能最大的光電子剛好不能克服減速電場(chǎng)到達(dá)陽(yáng)極，光電流降為零，如圖23－2所示，這時(shí)有關(guān)系式:

圖23－1 實(shí)驗(yàn)原理圖

圖23－2 一定頻率光下I-U曲線(xiàn)

這個(gè)使光電流剛剛降為零的電壓Uc稱(chēng)為截止電壓。由此，方程(23-1) 可改寫(xiě)成:

e Uc=hν－A

即

式(23-3)表示Uc與ν間存在線(xiàn)性關(guān)系，其斜率等于h/e，因而可以從對(duì)Uc與ν的數(shù)據(jù)分析中求出Planck常數(shù)。

光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證Einstein方程，測(cè)定Planck常數(shù)，原理比較簡(jiǎn)單，但實(shí)際工作需要排除一些干擾，才能獲得具有一定精度并且可以重復(fù)的結(jié)果。主要的影響因素如下。

(1) 暗電流:光電管在沒(méi)有受到光照時(shí)也會(huì)產(chǎn)生電流，稱(chēng)為暗電流，主要來(lái)自光電管極的熱電子發(fā)射。

(2) 反向電流:光電管的兩極材料不同，在工業(yè)制作過(guò)程時(shí)，陽(yáng)極A往往濺有陰極材料。當(dāng)光射到A上時(shí)，陽(yáng)極A往往也有電子發(fā)射;此外，來(lái)自陰極的電子也有被陽(yáng)極表面反射的可能。當(dāng)對(duì)陰極電子加負(fù)壓使之減速時(shí)，對(duì)來(lái)自陽(yáng)極的電子卻起了加速的作用，從而使之到達(dá)陽(yáng)極，形成反向電流。

由于上述因素的干擾，實(shí)測(cè)光電效應(yīng)為陰極電流、暗電流和反射電流之和，如圖23－3所示。由于反向電流和暗電流的存在，使得截止電壓的測(cè)定變得困難。對(duì)于不同的光電管，應(yīng)根據(jù)I-U曲線(xiàn)的特點(diǎn)，選用不同的方法確定截止電壓。

圖23－3 實(shí)測(cè)I-U曲線(xiàn)

本實(shí)驗(yàn)選取的GD－27型光電管，在截止電壓附近陽(yáng)極光電流上升很快，從I-U曲線(xiàn)中找出電流開(kāi)始變化的“抬頭點(diǎn)”，用來(lái)確定截止電壓Uc。

四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

(1) 預(yù)備:將光源、光電管暗盒、微電流放大器安放在適當(dāng)位置，暫不連線(xiàn)，并將微電流測(cè)量放大器面板上的開(kāi)關(guān)旋鈕置于下列位置:“電流調(diào)節(jié)”開(kāi)關(guān)置于短路，“電壓調(diào)節(jié)”反時(shí)針調(diào)到底。將光電管暗盒A(紅)，接地(黑) 兩端由導(dǎo)線(xiàn)接入實(shí)驗(yàn)儀背板的“電壓輸出”，將暗盒的K端按入背板的“電流輸入”，用遮光罩蓋住暗盒的光窗;將實(shí)驗(yàn)儀與電流接通，打開(kāi)微電流放大器電源開(kāi)關(guān)，預(yù)熱約20分鐘，調(diào)節(jié)光闌轉(zhuǎn)盤(pán)，使光不能入射到光電管，打開(kāi)光源開(kāi)關(guān)，使汞燈預(yù)熱。

(2) 待微電流測(cè)量放大器充分預(yù)熱后，“調(diào)零、校準(zhǔn)測(cè)量”轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)置調(diào)零校準(zhǔn)檔，“電流調(diào)節(jié)”開(kāi)關(guān)置短路檔，調(diào)節(jié)“調(diào)零”旋鈕使電流表指示為零，置“電流調(diào)節(jié)”開(kāi)關(guān)于校準(zhǔn)檔，調(diào)“校準(zhǔn)”旋鈕使電流指示100，調(diào)零和校準(zhǔn)反復(fù)調(diào)整，使之都能滿(mǎn)足要求。然后置“調(diào)零、校準(zhǔn)、測(cè)量”開(kāi)關(guān)于測(cè)量檔，旋動(dòng)“電流調(diào)節(jié)”開(kāi)關(guān)于各檔，電流表指示都應(yīng)為零(10－7檔由于零漂而除外)。儀器已調(diào)整好，可以開(kāi)始測(cè)量，在測(cè)量過(guò)程中若零點(diǎn)漂移，可隨時(shí)進(jìn)行調(diào)零和校準(zhǔn)操作，這時(shí)要斷開(kāi)電流輸入。調(diào)好后，“調(diào)零、校準(zhǔn)、測(cè)量”開(kāi)關(guān)仍置于測(cè)量檔進(jìn)行測(cè)量。

(3) 連接好光電管暗盒與微電流測(cè)量放大器，測(cè)量放大器“電流調(diào)節(jié)”旋鈕置于10－7或10－6檔，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)“電壓調(diào)節(jié)”旋鈕讀出相應(yīng)的電壓、電流值，此即光電管的暗電流值。

(4) 讓光源出射孔對(duì)準(zhǔn)暗盒窗口，并讓暗盒距離光源約20 ～30cm，調(diào)節(jié)光闌轉(zhuǎn)盤(pán)更換濾色片調(diào)節(jié)光波長(zhǎng)，測(cè)量放大器“電流調(diào)節(jié)”置10－6或10－5，“電壓調(diào)節(jié)”從最小(－3V)調(diào)起，濾色片從短波長(zhǎng)逐次更換，每一枚濾色片讀出一組I-U值。測(cè)出不同光頻率的I-U值之后，在坐標(biāo)紙上作出I-U曲線(xiàn)，認(rèn)真審視曲線(xiàn)的拐折處，找出拐折處的電壓Uc，求出普朗克常數(shù)h，h=e Uc/γ。

五、數(shù)據(jù)處理

(1) 將每種波長(zhǎng)的光對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)記錄在表23-1中。

表23-1 光電效應(yīng)數(shù)據(jù)記錄表

(2) 根據(jù)所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在精度合適的方格紙(如25cm×20cm，畫(huà)I-U曲線(xiàn)時(shí)頻率軸不要過(guò)寬) 上，仔細(xì)作出不同波長(zhǎng)的I-U曲線(xiàn)。從曲線(xiàn)中認(rèn)真找出電流開(kāi)始變化的“抬頭點(diǎn)”，確定截止電壓U0，并列表記下不同波長(zhǎng)(頻率) 下的Uc值。

(3) 用最小二乘法求出Planck常數(shù)。

六、注意事項(xiàng)

(1) 對(duì)于每種波長(zhǎng)的光，其I-U數(shù)據(jù)點(diǎn)要滿(mǎn)足作圖要求，并不要求所有數(shù)據(jù)均勻取值，可在電流變化抬頭點(diǎn)周?chē)嗳?shù)據(jù)點(diǎn)，而在其他偏離抬頭點(diǎn)的位置取代表性的幾個(gè)點(diǎn)即可。

(2) 各種光的截止電壓U0是隨著光波波長(zhǎng)的增加而變小的，如果在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)例外，則要重新實(shí)驗(yàn)操作，以免后面數(shù)據(jù)處理時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題。

(3) 本儀器是精密測(cè)量?jī)x器，使用時(shí)應(yīng)小心輕放，不要在靠近儀器的地方走動(dòng)，避免入射到光電管的光強(qiáng)有變化。

(4) 儀器不用時(shí)，調(diào)節(jié)光闌轉(zhuǎn)盤(pán)，使光不能入射到光電管，以免光電管長(zhǎng)期受光照而老化。

七、思考題

(1) 改變暗盒離光源的距離，使光電管的照度變化，對(duì)I-U曲線(xiàn)有何影響?

(2) 光電管陰極上均涂有脫出功小的光敏材料，而陽(yáng)極則選用脫出功大的金屬制造，為什么?