实验讲义-光电效应和普朗克常数的测量

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1、实验--光电效应和普朗克常数的测量1887年德国物理学家H.R.赫兹发现电火花间隙受到紫外线照射时会产生更强的电火花。赫兹的论文《紫外光对放电的影响》发表在1887年《物理学年鉴》上。论文详细描述了他的发现。赫兹的论文发表后，立即引起了广泛的反响，许多物理学家纷纷对此现象进行了研究，用紫外光或波长更短的X光照射一些金属，都观察到金属表面有电子逸出的现象，称之为光电效应。对光电效应现象的研究，使人们进一步认识到光的波粒二象性的本质，促进了光量子理论的建立和近代物理学的发展，现在光电效应以及根据光电效应制成的各种光电器件已

2、被广泛地应用于工农业生产、科研和国防等各领域。【实验目的】①通过实验加深对光的量子性的认识；②验证爱因斯坦方程，并测量普朗克常数以及阴极材料的“红限”频率。【实验原理】一、光电效应及其实验规律当一定频率的光照射到某些金属表面上时，可以使电子从金属表面逸出，这种现象称为光电效应，所产生的电子称为光电子。研究光电效应的实验装置如图4.3.1所示，入射光照射到阴极K时，由光电效应产生的光电子以某一初动能飞出，光电子受电场力的作用向阳极A迁移而构成光电流。一定频率的光照射阴极K所得到的光电流和两极间的电压的实验曲线如图4.3.

3、2所示。随着光电管两端电压的增大,光电流趋于一个饱和值，当≤时，光电流为零，称为反向遏止电压。kAGAV入射光光电管图4.3.1光电效应实验装置示意图0图4.3.2U——I特性曲线总结所有的实验结果，光电效应的实验规律可归纳为：（1）对于一种阴极材料，当照射光的频率确定时，饱和光电流的大小与入射光的强度成正比。7（1）反向遏止电压的物理含义是：当在光电管两端所加的反向电压为时，则逸出金属电极K后具有最大动能的电子也不能到达阳极A，此时（4.3.1）实验得出光电子的初动能与入射光的强度无关，而只与入射光的频率有关。（2）

4、光电效应存在一个阈频率，当入射光的频率时，不论光的强度如何都没有光电子产生。（3）光电效应是瞬时效应，只要照射光的频率大于，一经光线照射，立刻产生光电子，响应时间为。对于这些实验事实，经典的波动理论无法给出圆满的解释。按照电磁波理论，电子从波阵面连续地获得能量。获得能量的大小应当与照射光的强度有关，与照射的时间长短有关，而与照射光的频率无关。因此对于任何频率的光，只要有足够的光强度或足够的照射时间，总会发生光电效应。这些结论是与实验结果直接矛盾的。二、爱因斯坦方程和密立根实验1905年爱因斯坦受普朗克量子假设的启发，提

5、出了光量子假说，即：一束光是一粒一粒以光速C运动的粒子流，这些粒子称为光子，光子的能量为（为普朗克常数，为光的频率）。当光子照射金属时，金属中的电子全部吸收光子的能量，电子把光子能量的一部分变成它逸出金属表面所需的功，另一部分转化为光电子的动能，即：（4.3.2）式中:—普朗克常数，公认值为6.62916这就是著名的爱因斯坦光电效应方程。根据这一理论，光电子的能量只决定于照射光的频率，并与之成线性关系。由（4.3.2）式可见,只有当时,才会有光电子发射,我们把记作,即（4.3.3）这就是说是能发生光电效应的入射光的最小

6、频率，显然它的值随金属种类不同而不同,又称“红限”频率。图4.3.3爱因斯坦光量子理论圆满地解释了光电效应的各条实验规律。爱因斯坦的光子理论由于与经典电磁理论抵触，一开始受到怀疑和冷遇。一方面是因为人们受传统观念的束缚，另一方面是因为当时光电效应的实验精度不高，无法验证光电效应方程。密立根从1904年开始光电效应实验，1912-1915年间，密立根对一些金属进行测量，得出了光电子的最大动能7和入射光频率之间的严格线性关系（图4.3.3），直线在横轴上的交点，说明照射光的频率小于时不会有光电子发射。不同的金属其值不同，但

7、所有的金属直线的斜率却是不变的。密立根于1916年发表论文证实了爱因斯坦方程的正确性，并直接运用光电方法对普朗克常数作了首次测量。历经十年，密立根用实验证实了爱因斯坦的光量子理论。两位物理大师因在光电效应等方面的杰出贡献，分别于1921和1923年获得诺贝尔物理学奖。光量子理论创立后，在固体比热，辐射理论，原子光谱等方面都获得成功，人们逐步认识到光具有波动和粒子二象属性。光子的能量与频率有关，当光传播时，显示出光的波动性，产生干涉，衍射，偏振等现象；当光和物体发生作用时，它的粒子性又突出了出来。后来科学家发现波粒二象性

8、是一切微观物体的固有属性，并发展了量子力学来描述和解释微观物体的运动规律，使人们对客观世界的认识前进了一大步。三、普朗克常数的测量原理根据爱因斯坦光电效应方程（4.3.2）式、截止电压与光电子的最大初动能的关系（4.3.2）式以及“红限”频率与逸出金属表面所需的功之间的关系（4.3.3）式，可得到：0图4.3.4照射光频率与截止电