光电效应实验一定频率的光照射在金属表面时, 会有电子从金属表面逸出,这种现象称为光电效应。

1887年赫兹发现了光电效应现象，以后又经过许多人的研究，总结出一系列实验规律。

1905年，爱因斯坦在普朗克能量子假设的基础上，提出了光量子理论，成功地解释了光电效应的全部规律。

实验原理光电效应的实验原理如图1所示。

用强度为P 的单色光照射到光电管阴极K 时，阴极释放出的光电子在电场的加速作用下向阳极板A 迁移，在回路中形成光电流。

图1 实验原理图 图2 光电管同一频率不同光强的伏安特性曲线用实验得到的光电效应的基本规律如下：1、 光强P 一定时，改变光电管两端的电压AK U ，测量出光电流I 的大小，即可得出光电管的伏安特性曲线。

随AK U 的增大，I 迅速增加，然后趋于饱和，饱和光电流m I 的大小与入射光的强度P 成正比。

2、 当光电管两端加反向电压时，光电流将逐步减小。

当光电流减小到零时，所对应的反向电压值，被称为截止电压U 0（图2）。

这表明此时具有最大动能的光电子刚好被反向电场所阻挡，于是有02021eU mV =（式中m 、V 0、e 分别为电子的质量、速度和电荷量）。

（1） 不同频率的光，其截止电压的值不同（图3）。

3、 改变入射光频率ν时，截止电压U 0随之改变，0U 与ν成线性关系（图4）。

实验表明，当入射光频率低于0ν(0ν随不同金属而异，称为截止频率)时，不论光的强度如何，照射时间多长，都没有光电流产生。

图3光电管不同频率的伏安特性曲线 图4截止电压U 0与频率ν的关系4、光电效应是瞬时效应。

即使入射光的强度非常微弱，只要频率大于0ν，在开始照射后立即有光电子产生，延迟时间最多不超过910-秒。

经典电磁理论认为，电子从波阵面上获得能量，能量的大小应与光的强度有关。

因此对于任何频率，只要有足够的光强度和足够的照射时间，就会发生光电效应，而上述实验事实与此直接矛盾。

显然经典电磁理论无法解释在光电效应中所显示出的光的量子性质。

按照爱因斯坦的光量子理论，光能是集中在被称之为光子的微粒上，但这种微粒仍然保持着频率（或波长）的概念，频率为ν的光子具有能量ν=h E ，h 为普朗克常数。

当光束照射金属时，是以光粒子的形式打在它的表面上。

金属中的电子要么不吸收能量，要么就吸收一个光子的全部能量νh ，而无需积累能量的时间。

只有当这能量大于电子摆脱金属表面约束所需的逸出功A 时，电子才会以一定的初动能逸出金属表面。

按照能量守恒原理，爱因斯坦提出了著名的光电效应方程： A mV hv +=2021 （2）式中，A 为金属的逸出功，2021mV 为光电子获得的初始动能。

由该式可见，入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子动能越大。

光子的能量A h 0<ν时，电子不能脱离金属，因而没有光电流产生。

产生光电效应的最低频率（截止频率）是h A 0=ν。

将（2）式代入（1）式中可得：A h eU 0-ν= （3）)(00v v eh U -= 此式表明截止电压0U 是频率ν的线性函数。

只要用实验方法得出不同的频率的截止电压，由直线斜率和截距，就可分别算出普朗克常数h 和截止频率0ν。

基于此，在爱因斯坦光量子理论提出约十年后，密立根用实验证实了爱因斯坦的光电效应方程，并精确地测定了普朗克常数。

两位物理大师在光电效应等方面的杰出贡献，分别于1921年和1923年获得诺贝尔物理学奖。

光电效应实验，使人们对光的波粒二象性的本质有了更深的认识。

对光电效应现象的研究，促进了光的量子理论的建立和近代物理学的发展。

今天，利用光电效应制成的各种光电器件，如光电池、光电管、光电倍增管等，已被广泛的应用于工农业生产、国防和科研等各个领域。

实验仪器ZKY-GD-4智能光电效应（普朗克常数）实验仪，仪器由光电检测装置（含光电管暗箱，高压汞灯灯箱，高压汞灯电源和实验基准平台）及实验主机-光电效应实验仪（含微电流放大器、扫描电压源发生器两部分）构成。

仪器结构如图5所示。

1.汞灯电源，2.汞灯，3.滤光片，4.光阑，5.光电管，6.光电效应测试仪，7.基座图5 仪器结构图主要技术参数：1、微电流放大器：电流测量范围：A 13810~10--，分6档，三位半数显，最小显示位10-14A 。

零漂：开机20分钟后、30分钟内不大于满度的)A 10%(2.013档-±。

2、光电管工作电源：电压调节范围：V 2~0-档，示值精度1≤％，最小调节电压2mV ；V 50~1+-档，示值精度5≤％，最小调节电压0.5V 。

3、光电管：光谱响应范围 340-700nm ，最小阴极灵敏度Lm A 1μ≥，阳极：镍圈。

暗电流：A 102I 12-⨯≤（V 0U V 2AK ≤≤-）4、滤光片：5片，透射波长365.0nm 、404.7nm 、435.8nm 、546.1nm 、578.0nm 光阑：3片，直径2mm ，4mm ，8mm5、汞灯：可用谱线365.0nm 、404.7nm 、435.8nm 、546.1nm 、578.0nm测量误差：3≤％实验内容一、必做部分：1． 了解光电效应的基本规律。

2． 测定光电管伏安特性曲线和入射光频率与光电管截止频率间的关系，计算普朗克常数。

注意事项：1、做好测试前准备：1）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（注意导线与接口的颜色）。

2）将汞灯及光电管暗箱遮光盖盖上，将汞灯暗箱光输出口对准光电管暗箱光输入口，调整光电管与汞灯距离约为40cm并保持不变。

3）将测试仪及汞灯电源接通，预热20分钟。

2、测定普朗克常数h时注意调零和汞灯的遮盖：U，其绝对值即为该频理论上，测出各频率的光照射下阴极电流为零时对应的AK率的截止电压(零电流法)，然而实际上由于光电管的阴极反向电流（阳极制作过程沾上少许阴极材料，入射光照射阳极或入射光从阴极反射到阳极之后都会造成阳极光电子发射）、暗电流（无光照时，阴极本身的热电子发射）、本底电流（外界各种漫反射光照射U也并非截止电压。

所致）的影响，实测电流并非阴极电流，实测电流为零时对应的AK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U时，可采用“零电流法”。

流也较低。

在测量各谱线的截止电压1）将“电流量程”选择开关置于所选档位（伏安特性测试时用10-10A，截止电压测试时用10-13A），将光电管暗箱电流输出端从实验仪后面板断开，进行测试前调零。

（注意：每次实验仪开机或改变电流量程后都要调零）2）待电流指示为000.0，电压指示为- - - -后，将光电管暗箱电流输出端与测试仪微电流输入端连接起来，按调零确认键，系统进入测试状态。

3）选择手动测量截止电压模式。

4）将直径4mm的光阑及365.0nm的滤光片装在光电管暗箱光输入口上（注意：安装、更换光阑或滤光片时，要将汞灯的遮光盖盖好，以免强光直射光电管）。

5）从低到高调节电压，观察电流值的变化。

用“零电流法”测量该波长对U，并将测量数据记入表中。

应的6）依次换上404.7nm，435.8nm，546.1nm，578.0nm的滤光片，重复5）的测量步骤。

3、测光电管的伏安特性曲线时注意扫描区域和存储空间的选择：1）进行测试前调零，选择伏安特性测试的自动模式。

2)测定光电管同一光强不同波长的伏安特性曲线。

a.b. 将直径2mm 的光阑及365.0nm 的滤光片装在光电管暗箱光输入口上。

c. 设置扫描起始和终止电压（-1~50V ）。

d. 按存储区1键，自动扫描开始。

扫描结束时，查询灯亮。

e.f. 用电压调节键改变电压值，查阅并记录（数据记录表自拟）扫描到的电压及相应的电流值后，灭查询灯，进入新的测试状态。

g. 依次换上435.8nm ， 578.0nm 的滤光片，重复b 、c 、d 的测量步骤。

h.i. 测量结束时，示波器上应留有三条伏安特性曲线。

二、选作部分（自选测量方式、自拟数据记录表格）1、 用“补偿法”测截止电压求普朗克常数h ：补偿法是调节电压AK U 使电流为零后，保持AK U 不变，遮挡汞灯光源，此时测得的电流1I 为电压接近截止电压时的暗电流和本底电流。

重新让汞灯照射光电管，调节电压AK U 使电流值至1I ，将此时对应的电压AK U 的绝对值作为截止电压0U 。

此法可补偿暗电流和本底电流对测量结果的影响。

2、 测定光电管同一波长不同光强的伏安特性曲线，验证光电管的饱和光电流与入射光强成正比（光强与光阑面积成正比）。

数据处理要求：1、用最小二乘法得出0U －ν直线的斜率k 。

根据线性回归理论，0U －ν直线的斜率k 的最佳拟合值为：2200νννν-⋅-⋅=U U k 其中：∑==n i i n 11νν 表示频率ν的平均值 ∑==n i i n 1221νν 表示频率ν的平方的平均值 212)1()(∑==ni i n v ν 表示频率ν的平均值的平方∑==ni i U n U 1001 表示截止电压0U 的平均值∑=⋅=⋅n i i i U n U 1001νν 表示频率ν与截止电压0U 的乘积的平均值求出直线斜率k 后，可用ek h =求出普朗克常数，并与h 的公认值0h 比较，求出相对误差%10000⨯-=h h h E （电子电量C e 1910603.1-⨯=，S J h ⋅⨯=-34010626.6）。

2、作出光电管同一光强不同波长的伏安特性曲线（画在同一坐标系内）。

思考题1、 什么是金属材料的逸出功？如果一种物质的逸出功为2.0电子伏特，那么它做成光电管阴极时其截止频率是多少？为什么随着电压的增大，光电流会达到某个饱和值？。