光电效应的实验及理论研究Revised on November 25, 2020JISHOU UNIVERSITY本科生毕业论文题目：光电效应理论及实验探讨作者：杨麟学号：所属学院：物理与机电工程学院专业年级：2012级应用物理专业指导教师：邬云雯职称：教授完成时间：2016年4月27日吉首大学教务处制光电效应的理论及实验探讨杨麟（吉首大学物理与机电工程，湖南吉首 416000）摘要：为了更加深入的探索“光与电之间的相互转换”这一未来的热门领域，分析了光电效应产生的基本原理和实验规律，并用实验加以验证，为以后进一步的研究打下了基础。

关键词：光电效应；光电子；频率；遏止电压Theoretical and Experimental Investigationof the photoelectric effectYanglin(College of Physics, Mechanical and Electrical Engineering, JishouUniversity,Jishou,Hunan 416000)Abstract: For more in-depth exploration of "mutual conversion between light and electricity," the next hot area, analyzes the basic principles and laws of the photoelectric effect experiment generated and verified by experiment, for further research laid the foundation for later.Keywords: the photoelectric effect ; Optoelectronics ; frequency ; Curb voltage引言光电效应是指光照射到金属上，引起物质的电性质发生变化的这一类现象的总和。

由物理学家赫兹于1887年发现，而正确的解释为爱因斯坦所提出。

自20世纪70年代以来，随着社会的发展和科技创新，越来越多的人把焦点集中在对光能和电能的运用，由于光电效应能实现光能和电能之间的转换，因此也有了越来越多了的应用。

特别是近30年，光电效应更是广泛的应用于工业和军事领域，已经成为人类文明发展不可缺失的一部分！本文较为详细的介绍了光电效应的理论知识及发展历史，并设计实验加以验证。

1.光电效应的理论探讨光电效的含义在物理学中，光电效应是一个重要而神奇的现象。

物质在高于某特定频率的光波照射下，引起物质的电性质发生变化。

这类光变致电的现象被人们统称为光电效应。

其中光电效应分为光电子发射、光电导效应和光生伏特效应。

前一种发生在物体表面，使物体内的电子逸出物体表面，称为外光电效应。

后两种发生在物内部，使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差或引起材料电导率的变化，称为内光电效应。

光电效应的理论发展和研究历史德国物理学家赫兹在1887年用莱顿瓶做放电实验观察到了光电效应和电磁波的发射与接收,正是这个实验中赫兹注意到当紫外光照射在火花隙的负极上,放电就比较容易发生。

赫兹的论文《紫外线对放电的影响》发表后，引起物理学界广泛的注意，许多物理学家进行了进一步的实验研究。

1888年，德国物理学家霍尔瓦克斯（Wilhelm Hallwachs）证实，这是由于在放电间隙内出现了荷电体的缘故。

1899年，.汤姆孙用巧妙的方法测得产生的光电流的荷质比，获得的值与阴极射线粒子的荷质比相近，这就说明产生的光电流和阴极射线一样是电子流。

这样，物理学家就认识到，这一现象的实质是由于光（特别是紫外光）照射到金属表面使金属内部的自由电子获得更大的动能，因而从金属表面逃逸出来的一种现象。

1899—1902年，勒纳德（，1862—1947）对光电效应进行了系统的研究，并首先将这一现象称为“光电效应”。

为了研究光电子从金属表面逸出时所具有的能量，勒纳德在电极间加一可调节反向电压，直到使光电流截止，从反向电压的截止值，可以推算电子逸出金属表面时的最大速度。

他选用不同的金属材料，用不同的光源照射，对反向电压的截止值进行了研究，并总mv2,可以计算出发射电子的能量。

由结出了光电效应的一些实验规律。

根据动能定理：eU=12mv2+I+W此可以得出：hf=12深入的实验发现的规律与经典理论存在诸多矛盾，但许多物理学家还是想在经典电磁理论的框架内解释光电效应的实验规律。

有一些物理学家试图把光电效应解释为一种共振现象，但也不能完全合理。

勒纳德在1902年提出触发假说，假设在电子的发射过程中，光只起触发作用，电子原本就是以某一速度在原子内部运动，光照射到原子上，只要光的频率与电子本身的振动频率一致，就发生共振，电子就以其自身的速度从原子内部逸出。

勒纳德认为，原子里电子的振动频率是特定的，只有频率合适的光才能起触发作用。

勒纳德的假说在当时很有影响，被一些物理学家接受。

但是，不久，勒纳德的触发假说被他自己的实验否定。

直到1905年，爱因斯坦把普朗克量子化观点进一步研究和推广，由此提出了光量子即光子概念,爱因斯坦认为,光在空间的传播正象粒子那样运动,并把组成光束的粒子称为光子，光子的能量并不是连续分布的函数，射向金属表面的光，实质上就是具有能量ε=hν的光子流。

如果照射的光的频率过低，即光子流中每个光子能量较小，当它照射到金属表面时，这一光子就被电子吸收了，它所增加的能量ε=hν仍然不足以让电子脱离金属表面（即ε=hν要小于电子的逸出功），电子就不能脱离开金属表面，因而不能产生光电效应。

如果照射光的频率高到能使电子吸收后其能量足以克服逸出功而脱离金属表面，就会产生光电效应。

此时逸出电子的、和逸出功之间的关系可表示为：Εk(max)=hν- W0这就是爱因斯坦光电效应方程。

其中hν为入射光子能量，由频率决定。

Εk(max)为光电子的最大初动能，W0 金属的逸出功。

爱因斯坦的这一理论成功的解析了光电效应。

光电效应实验规律经过许多科学家的一系列的实验，得出光电效应实验规律如下:1．光电子动能和入射光频率之间的关系：光电子的最大初动能与入射光频率成正比,而与光的强度无关。

2．光电效应的红限：只有当照射物体的光频率大于某个确定值时（不同金属有不同值），光电效应才会发生。

而低于这一频率的光，无论照射多长时间也不会产生光电效应。

称这一确定的光频率为光电效应的红限。

3．光电效应与时间关系：光电效应与光照几乎同时产生和消失,滞后时间最多不超过10-9S,通常称为光电效应的瞬时性。

4. 光电子的数目和入射光的强度之间的关系：当入射光的频率一定,而改变入射光的强度,饱和电流与入射光强度成正比,单位时间内发出的光电子数与入射光强度成正比。

mv2+W0的正确性5.爱因斯坦光电效应方程：hνi=12在当时人们试图用光的波动理论对以上实验结果加以解释,但实验结果与波动理论解释之间存在尖锐矛盾,根据经典的电磁理论，光是一种电磁波，电磁波的能量只决定于它的强度，即只与电磁波的振幅有关，而与它的频率无关。

上述实验规律中的第一、第二两点显然无法用经典理论来解释。

而且也不能解释第三条，因为根据经典理论，对很弱的光要想获得足够的能量使电子逸出，就必须有一个能量积累的过程，光电子是不可能瞬时产生的。

这充分暴露光的波动理论的不完全性,而用爱因斯坦的光子假设成功的对光电效应的解释证实了光子假设的实在性。

下面我们用实验加以验证。

2.光电效应实验仪器及实验原理实验仪器光电效应实验装置如下图1所示：图1 光电效应实验装置图上图所示实验仪为ZKY-GD-4光电效应实验仪，其组成为：微电流放大器，光电管工作电源光电管滤色片，汞灯。

实验原理研究光电效应的实验装置原理电路图如下图2所示，K和A是封闭在真空玻璃管中的两个电极(其中K为阴极，A为阳极)，当光束从窗口射入到K极时，便会在K极上发射光电子。

K于A之间的电压大小可以调整，以便控制光电子发射的速度。

图中的微电流计和电压表分别用来测量K,A两极之间的电压和光电流。

图中电源的正负极也可以对调，当电源如图2所示接入时，A极吸收从K极发射出的光电子，从而形成光电流。

滑动变阻器采用了分压式接法用来调节两极间的电压,这样连接就可以让A,K两极间的电压从零开始变化。

图2 光电效应实验装置原理电路图光电效应是一种微观现象，想要观察影响光电效应的因素，就必须把这种微观现象转化为宏观现象的变化，以此来进行判断。

这也是一种普遍的试验方法。

在图2中，我们可以通过观察微电流计示数的变化，来判断产生光电子数目的多少。

比如，如果电流表示数增大，则说明光电流增大，因此可以说明光电子产生的数目变多。

反之，则光电子产生数目变少。

由此可以研究光电子的数目和入射光强，频率的关系。

而持续改变入射光的频率，并且在阴极K和阳极A之间施加正向电压，观察示数的变化直到刚好为零，记录使微电流计示数刚好为零的光频率就可以得出光电效应的红限频率的大概值。

由于直接测量光电子的动能比较困难，所以我们在阴极K和阳极A两端加上反向电压，来控制光电子发射的速度，而发射端是从金属表面开始的,因此,在金属内部不受反向电压的影响,只有当光电子逸出金属表面的瞬间,才开始受到电压的作用而做减速运动，当反向电压逐渐增大，光电子发射的数目减少，直到为零。

我们就称这个光电子发射数目刚好为零的反向电压为遏止电压。

结合动能定理可以用公式表示为：eU a=12mv2（1）其中Ua称为反向遏止电压。

请注意对不同频率νi的光,有不同的反向遏止电压！由上述公式可知，光电子的能量(最大初动能)决定了遏止电压的大小,我们可以通过研测量遏止电压这个可观测的宏观物理量与如射光的强度、频率的关系来得知光电子能量这个不可观测的微观物理量与哪些因素有关了,这就是物理上经常用的转化思想,也是这个实验装置的巧妙之处.或者可以说,从遏止电压可以推算出电子逸出金属表面时的能量(最大初动能)。

另外，我们也可以通过测量不同频率的入射光的遏止电压来测量另一个与光电效应有关的重要的物理量普朗克常数。

由爱因斯坦光电效应方程：hνi=12mv2+W0 (2)其中hνi为光电子的能量，12mv2为光电子的最大初动能，W0为逸出功。

再结合以上（1），(2)两式可以得出：U g=h e⁄（νi + W0h⁄） (3)由(3)式可知反向遏止电压Ug与光频率νi是线性关系,直线的斜率即为h/e,由于电子电量e为已知,所以普朗克常量可以用斜率与e乘积求得.实验时改变νi测相应Uai,作Uai-νi图,并求斜率K=h/e。