Transcript 测量普朗克常数 h
实验1 光电效应测定 普朗克常数 光电效应测定普朗克常数 1 2 hv m W 2 背景资料 实验原理 实验仪器 实验内容 数据处理 注意事项 h 6.62916 10 34 J s 背景资料 意外的发现 赫兹 紫外光对放电的影响,物理学年鉴,1887 勒纳德 光电效应实验规律:光电子数目~光强;光电 子动能~频率,×强度， 1902 赫兹 革命性思想 勒纳德 1905 普朗克 能量子h， 1900年 爱因斯坦 光子(光量子) ，E＝h, P=h/; 光电效应方 程h=1⁄2m2+W， 1905年 判决性实验 密立根 验证了光电效应方程, 首次精确测定普朗 克常数h=6.57×10-34Js ，A Direct Photoelectric 爱因思坦 1921 普朗克 1918 Determination of Planck‘s “h”, Phys. Rev. 1916(7): 355-388 康普顿,首次证实了光子具有动量, 1922 。 H.康普顿 1927 密粒根 1923 背景资料 密立根在1923年诺贝尔物理奖领奖词 “经过10年之久的实验、改进和学习，有时还遇到挫折，在这之后， 我把一切努力从一开头就针对光电子发射能量的精密测量，测量它随 温度、波长、材料(接触电动势)改变的函数关系。 与我自己预料的相 反，这项工作终于在1916年成了爱因斯坦方程式在很小实验误差范围 内精确有效地第一次实验证据，并且直接从光电效应测定普朗克常数h， 所得精度大约为0.5%，这是当时所能得到的最佳值.” （“This work resulted, contrary to my own expectation, in the first direct experimental proof of the Einstein equation and the first direct photoelectric determination of Planck’s h.” 爱因斯坦对密立根光电效应实验的意义说明 “我感激密立根关于光电效应的研究，它第一次判决 性地证明了在光影响下电子从固体发射与光的振动周期有 关，这一量子论的结果是辐射的粒子结构所特有的性质。” 背景资料 光电效应的实验规律 当光照射到金属表面时，金属中有电子逸出的现象叫光电 效应，所逸出的电子叫光电子，由光电子形成的电流叫光 电流，使电子逸出某种金属表面所需的功称为该种金属的 逸出功，使光电流为零的反向电压称为遏止电压。 1饱和光电流强度Is与入射光强度成正比 G K A U 2存在截止频率：当入射光频率 大于某一频率 0时，才有光电流，这个频率 叫做截止频率—红限；小于截止频率时，无论光多强，不会有光电流。 3遏止电势差与入射光频率具有线性关系 4瞬时性：光电流逸出延迟时间10-9s I Is 光强较大 U0 光强较小 （频率相同） U0 0 U 0 0 背景资料 波动论v.s量子论: 挑战与机遇 光电效应实验规律 波动理论 饱和光电流不仅与光强有 关而且与频率有关 入射光强越大，饱和电流 应该大，与频率无关 光子能量=h；光强与光 子数目(密度)有关 光电流存在截止频率n0 若光强足够大，各种频率 的光都会发生 hw，光子无足够能量 使电子逸出金属 光电子初动能与入射光频 率具有线性关系，与光强 无关 入射光越强，光电子初动 能越大，与频率无关 当hw时，光电子具有 初动能Ek＝h－h0, 与光 强无关。 光电子瞬间逸出，延迟时 间<10-9s 光能量分布在波面上，电 子吸收能量需要时间 光子被电子瞬间完全吸收 1905年Einstein光子论 1）光是一种粒子(光子，photon)，光子能量h。 2）光子具有质量m＝h/c2，光子静质量=0。 3）光子具有动量：p＝mc＝h/c＝h/ 。 4）光强度取决于单位体积内光子的数目(光子密度) 量子论 光电效应方程 1 h m 2 W 2 背景资料 光电效应的应用 •光电效应分为外光电效应和内光电效应。利用外光电效应 制成的光电器件如光电管、光电池、光电倍增管（电影、电 视、光控路灯、数码相机）；利用内光电效应（光电导效应 和光生伏打效应）的光敏电阻、光电二极管和光电三极管、 场效应光电管、雪崩光电二极管、电荷耦合器件等半导体光 敏元件制成的光电式传感器已应用到纺织、造纸、印刷、医 疗、环境保护等领域，在红外探测、辐射测量、光纤通信、 自动控制等传统应用领域的研究也有新发展。 1 2 hv m W 光电效应方程 G 2 使光电流为零而在光电管两端所加的反向 U 截止电压U0 满足（如图2所示） h 1 图1光电效应实验原 2 U v v m eU 0 0 0 理图 e 2 I W 光强较大 v0 红限（截止频率） Im h 光强较小 上式说明U0与入射光频率成线性关系，实验 中可用不同频率的入射光照射，分别找到相 （频率相同） 应的遏止电压 U0 ，作出U0 ~ 的实验图线， U 0 U0 求斜率k即可得到普朗克常数 h k e 图2 I－U 特性曲线 由该直线与横轴的交点，可求出红限频率0，这就是密立根 验证爱因斯坦光电效应方程的实验思想。 遏止电压的测量方法 1.交点法：直接测量光电 流为零时的反向电压 2.拐点法：根据实测的 I—U特性曲线的拐点测量 3.补偿法：扣除暗电流和 阳极电流 实验中，光电管中还伴有阳极的光 电子发射和暗电流。阳极光电子发 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，它们很容易到达阴 极，形成反向电流（阳极光电流）。 暗电流是无光照射时，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，拐点)对应的外加电压值才是 遏止电压。 实验仪器 GD—1型微电流测试仪 高压汞灯 GDh—45型光电管 实验仪器 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365.0、404.7、435.8、546.1、 577.0 nm等谱线的能力。 滤色片性能表 NG365 NG405 NG436 NG546 NG57 波长（nm） 365.0 404.7 435.8 546.1 577.0 透过率（％） 48 40 20 30 25 型 号 实验内容与步骤 1．调整仪器 (1)用电缆将微电流测量仪的输入接口与暗盒的输出接口连接起 来；将微电流测量仪的电压输出端插座与暗盒的电压输入插 座连接起来；将汞灯下侧的电线与限流器连接起来；接好电 源，打开电源开关，充分预热（20分钟）。 (2)在测量电路连接完毕后，旋转“调零”旋钮，使其显示 “000”。每换一次量程，必须重新调零。 (3)取下暗盒光窗口遮光罩，换上365.0nm滤光片，取下汞灯出 光窗口的遮光罩，装好遮光筒，调节暗盒与汞灯距离。 实验内容与步骤 2.测量光电管的伏安特性曲线 (1)暗盒光窗口装365.0nm滤光片和2mm光阑，缓慢调节电压 旋钮，令电压输出值缓慢由-2伏增加到+30V，-2到0之间 每隔0.2V记一个电流值，0到30之间每隔3伏记一个电流值。 注意在电流值为零处记下截止电压值U0。 (2)在暗盒光窗口上换上404.7nm滤光片，仍用2mm的光阑， 重复步骤（1），记入表1。 (3)换用4mm的光阑重复步骤（1）、（2）。 (4) 选择合适的坐标，分别作出两种光阑下的光电管伏安特 性曲线U～I 。 表1 光电管的伏安特性 伏安特性（U~V，I-nA） 滤光片 及光阑 U 2mm –1.8 –1.6 –1.4 –1.2 –1.0 –0.8 –0.6 –0.4 –0.2 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 –2 –1.8 –1.6 –1.4 –1.2 –1.0 –0.8 –0.6 –0.4 –0.2 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 –2 –1.8 –1.6 –1.4 –1.2 –1.0 –0.8 –0.6 –0.4 –0.2 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 –2 –1.8 –1.6 –1.4 –1.2 –1.0 –0.8 –0.6 –0.4 –0.2 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 –0 I U I U 4mm 365.0nm –2 –0 I U I U –0 U I U 4mm 404.7nm 2mm I I U I –0 实验内容与步骤 3．测量普朗克常数h (1)电压选择–2~＋2V档，将“电流量程”选择开关置于10-13A 档。将测试仪电流输入电缆断开，调零后重新接上。 (2)将直径为4mm的光阑和365.0nm的滤色片装在光电管暗箱入 口上。从高到低调节电压，用交点法(零电流法)测量该波长 对应的遏止电压U0，将数据记录于表2中。 (3)依次换上404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm的滤色片， 重复。 表2 频率与截止电压的关系（光阑=4mm） 波长 (nm) 365.0 404.7 435.8 546.1 577.0 频率(1014Hz) 8.214 7.408 6.879 5.490 5.196 截止电压U0(V) 数据处理 U 0 a k 1)作图法 作U0~ 的实验图线，求直线的k和截距a，计算 普朗克常数h=ek和红限频率0。 2）最小二乘法 用计算机拟和直线方程 根据斜率k和截距a求普朗克常数和“红限”频率0 ， 计算不确定度、表达实验结果。 注意事项!!! （1）使用滤色片时切勿用手触摸其表面，放入暗合套架时 要平整，以免因折光带来误差。 （2）更换滤色片时应先行将光源孔遮盖住，实验完毕后用 遮光罩盖住光电管暗盒进光窗，避免强光直接照射阴极 而缩短光电管寿命。 （3）从光源出光孔射出的光应照光电管的阴极面，光电管 暗盒可作左右及高低调节。避免光线照射阳极使反向电 流增大。 （4）微电流放大器必须充分预热才能正常工作，连线时务 必先接好地线，后接信号线。切勿让电压输出端与地短 路，以免损坏电源。 参考文献 [1]陈斌，李建国.光电效应的实验及理论研究[J].郑州铁路职业技术学 院学报，2003，15(3):55 [2]爱因斯坦.关于光的产生和转化的一个启发性观点[Z]. http://ishare.iask.sina.com.cn/f/5099825.html [3]姚启钧（原著）， 华东师大光学教材编写组改编.光学教程(第3 版)[M]. 北京:高等教育出版社，2002 [4] 赵伟，姜植群，李志斌，汪淑英.光电效应-普朗克常数测定实验的 改进[J].东北林业大学学报，1996，24（3）:110 [5] 吴丽君，李倩.光电效应测普朗克常数的三种方法[J].大学物理实验， 2007，20（4）:50-51 [6]杨述武，王定兴.普通物理实验（光学部分）[M].北京：高等教育出 版设，2000：148-155 [7]尤建飞，李巧改.光电效应普朗克常数测定中截止电位Us 的解析表示 [J].哈尔滨师范大学自然科学学报，2000，16（3）:64-66 [8]陈宜生，周佩瑶，冯艳全.物理效应及其应用[M].天津：天津大学出 版社，1996 The End 2015/4/13 20