光源對普朗克常數測量的影響范文

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《大學物理實驗雜志》2016年第4期

摘要:

介紹了光電效應實驗中，采用零電流法確定截止電壓測量普朗克常數的方法，研究了汞燈和氙燈提供光源對普朗克常數實驗測量的影響，通過用Origin軟件對測量的數據進行線性擬合，可得到截止電壓與光子頻率的關系曲線的斜率，從而能夠更加準確的計算出普朗克常數的值，實驗結果表明，對于氙燈光源，在普朗克常數的測量上相對誤差更小，所得到的普朗克常數越精確，從實驗的角度充分證明了氙燈光源是光電效應實驗測量效果非常好的一種光源。

關鍵詞:

光源;光電效應;普朗克常數;截止電壓

光電效應與普朗克常數實驗測量目前是多數高校開設的一個普通的物理實驗項目，這不僅是因為利用光電效應制成的光電管、光電池、光電倍增管等已成為生產和科研中不可缺少的傳感和換能器件［1-3］，通過此實驗，學生還對認識光的波粒二象性具有極為重要的意義。物理實驗依托多層次系列課程建設，培養學生創新能力方面進行了積極的探索和實踐［4-7］。在普朗克常數測量實驗中，對光電效應本身蘊含的豐富的實驗內容還未有充分挖掘，查閱已有的關于光電效應的研究文獻，可以看到在截止電壓的不同測量方法上做過研究［8-10］，還在光電效應測量儀的研制上做出嘗試［11-13］，但在同一光電效應測量儀儀器下，利用其他儀器提供氙燈光源對普朗克常數實驗測量還未看到有相應的研究，本文根據光電效應的實驗測量的教學現狀，以及普朗克常數測量同入射光頻率有關的性質，提出在原有實驗內容和實驗儀器的基礎上，結合光化學反應器提供新的氙燈光源，來增加一部分設計性實驗內容，研究不同光源對普朗克常量實驗測量的實際影響。

1實驗原理

光電效應是指一定頻率的光照射在金屬表面時會有電子從金屬表面逸出的現象，從金屬表面逸出的電子稱為光電子，形成的電流稱為光電流［14］。本實驗的實驗原理圖如圖1所示，用光強度為P的單色光照射光電管陰極K，陰極釋放出的電子在電源產生的電場的作用下加速向A移動，在回路中形成光電流I，光電效應有以下實驗規律;(1)在光強P一定時，隨著U的增大，光電流逐漸增大到飽和，飽和電流IM與入射光強P成正比。(2)在光電管兩端加反向電壓，光電流變小，在理想狀態下，光電流減小到零時光，U0稱為截止電壓，說明電子無法打到A，此時eU0=12mυ2(1)(3)愛因斯坦的光電效應方程:hν=12mv2+A(2)當光子的能量hν0＜A時，電子不能脫離金屬，因而沒有光電流產生，產生光電效應的最低頻率(截止頻率)為ν0=Ah，A為金屬材料的逸出功，為定值。將(1)帶入(2)中方程聯立得:U0=he(ν-ν0)(3)此式表明截止電壓U0是頻率ν的線性函數，直線斜率K=he，只要用實驗方法測量出不同的頻率對應的截止電壓，求出直線斜率就可算出普朗克常數h。

2實驗裝置

分別使用汞燈和光化學反應器儀器提供氙燈光源兩種光源，結合ZKY-GD-4智能光電效應(普朗克常數)實驗儀。表1給出了在汞燈光源下各個濾光片(365．0nm、405．0nm、436．0nm、546．0nm和577．0nm)截止電壓的大小，表2給出了光化學反應器儀器提供氙燈光源時下各個濾光片(400．0nm、450nm、500．0nm、550．0nm和600nm)截止電壓的大小。

3結果分析與討論

表1和表2數據給出兩種光源下，不同波長光照時，利用零電流法測量所對應的截止電壓大小。圖3給出了在兩種光源照射下頻率與截止電壓的關系，對頻率與截止電壓實驗數據，利用Ori-gin軟件線性擬合［15-16］，所得到的相應的擬合直線及擬合的線性方程得到斜率和相關系數的計算值和它們的標準偏差，利用式(3)將斜率乘以電子電荷量1．602×10－19C即可求得普朗克常量，這些數據并列于表3中。從圖3可以看出，在每種光源照射下截止電壓與不同光頻率的直線擬合都很好，表3相關系數及其標準差的計算值也表明，在氙燈光照射時，頻率與截止電壓的相關系數最高，相關系數標準差相對也比較小，這應該是最為符合式的線性關系，也再次證明了氙燈是在光電效應實驗和應用中使用效果非常好的一種光源。

4結論

在光電效應測量普朗克常數的實驗中采用零電流法測量截止電壓的大小，再利用Origin軟件對數據進行線性擬合，可以更便捷快速地計算得出普朗克常數值。光化學反應器產生的氙燈光源、與傳統汞燈光源相比電參數一致性好，光源壽命長驅動簡單實驗時不需預熱，可以隨時點亮或關閉，工作狀態受外界條件變化的影響小，由于不同光源所包含的光譜成分不同，對實驗結果的分析清晰地表明氙燈是對于光電效應實驗測量的一種效果非常好的光源。另外，在選擇相同的實驗方法基礎上，盡量消除了暗電流和雜散光產生的電流對實驗結果的影響，還應考慮到光闌及光電管接收距離對實驗結果的影響。

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作者:張風昀 王雪鵬 董開拓 單位:山東中國石油大學(華東)