光源的非单色性对光电效应的影响
2008年第1期 物理通报 实验教学研究
光源的非单色性对光电效应的影响
黄曙江
(杭州电子科技大学理学院
浙江杭州 310018)
光电效应实验揭示了光的量子性, 用光电效应法测普朗克常量是理工科大学普遍开设的实验内容. 实验主要通过测定遏止电压及其相应的频率关系求得普朗克常量
根据爱因斯坦方程
mv 2+W (1) 2
式中h 为普朗克常量, 为入射单色光的频率, v 为
h =
光电子离开金属表面时的速度, W 为金属的逸出功. 光电子从阴极逸出时具有一定的初动能, 在反向减速电压下, 光电子逆着电场方向由阴极向阳极运动, 当反向电压等于遏止电压时, 光电子不能到达阳极, 光电流为零. 即mv 2=eU s , U s 为遏止电压, 故
2
有
h =eU s +W
-(2) e e
由(2) 式可知 与U s 为线性关系. 实验中对不同频即 U s =
得微波的泄漏不得超过5mW/cm 2. 微波炉中泄漏出来的微波在传播时, 它的衰减程度和与微波炉之间的距离平方大致成反比. 也就是说, 假如在微波炉炉门处微波泄漏有10mW/cm 2, 那么在1m 以外的空间只有0. 001mW 的强度, 何况微波炉炉门实际的泄漏量要远远低于这个数值. 因而既不要对微波辐射置之不理, 也不要过分紧张. 对付微波泄漏的办法有以下几点:根据微波炉的工作原理, 微波泄漏只可能发生在门体周围, 在使用中, 应经常检查微波炉门有无机械性损伤, 查看有无松动现象, 若开启不正常应及时送到专业部门维修, 防止微波泄漏. 其次, 一定要给微波炉周围留出足够的空间, 前后左右最好有10cm 左右. 第三, 用微波炉时最好站得远一些, 一般以1m 左右比较安全. 当然, 购买质量好的产品也是减
率的单色光分别测出其遏出电压U s , 由 与U s 的直线关系, 通过求斜率可获得常量h.
光电效应实验仪的光源都是通过滤光片来获得单色光的. 如我们使用的南京厂的实验仪光源为汞灯, 通过滤光片得到波长分别为365、405、436、546、577nm 的单色光, 用不同频率的单色光照射金属表面产生光电流, 通过改变反向电压获得光电流与电压对应的特性曲线, 由曲线抬头点测得遏止电压. 虽然通过曲线来确定遏止电压有较大的任意性, 不可避免地造成了误差. 但从光源上看通过滤光片的光是否为单色光, 这点实验教材中都未提及. 如果不是, 那么通过每种滤光片后的光都含有哪些波长? 它对实验结果又有什么影响? 1 入射光波长
在光谱仪上测量光通过滤光片后的光谱, 发现通过每一种滤光片后的光并非为单色光, 而都包含几种波长的光. 如表1所示. 少微波泄漏几率的关键.
通过这次对微波炉应用的研究, 可以了解微波炉除了加热以外的一些功能. 当然, 微波还有一些其他性质值得继续探究, 以进一步扩展它在物理实验中的应用.
参考文献
1 Vollmer M. Mo llmann K. P. &Karstadt D. Phys. Educ.
2004, 39(6) :500~508
2 Vollmer M. , Mollmann K. P. &Karstadt D. Phys. Educ.
2004, 39(4) :346~351
3 罗文琳, 许陆文, 徐鹿鳞. 金属结构损伤复合材料微波修
复的实验研究. 南京航空航天大学学报. 2005, 37(6) :29~33
4 Vollmer M. Phys. Educ . 2004, 39(1) :74~81
2008年第1期 物理通报
表1 经过各滤光片出射光波长
滤光片/nm
[1**********]7
[**************]
波长/nm [**************]
[1**********]9
607 546
实验教学研究
用最小二乘法来求斜率b.
由最小二乘法可知, 斜率b =而
S xy =
S xy
, a =y -bx. S xx
i =1
n
(x i -x ) (y i -y )
S xx =
i =1
n
(x i -x ) 2
3. 1 由滤光频率求斜率
根据表3的数据可得
x =6. 245 1014Hz , y =0. 9935V
S xx =3. 422 (1014Hz ) 2S x y =1. 258 1014Hz ! V
b =3. 676-15s ! V
已知b =, 故得普朗克常量
e
h =5. 89 10-34J ! s 普朗克常量的公认值为
h =6. 626 10-34J ! s
因此百分误差为A =11%.3. 2 由复合光频率求斜率
由复合光频率得
x ∀=5. 9725 1014Hz , y =0. 9935V 则
S xx ∀=2. 883 (10Hz ) b ∀=3. 927 10-15s ! V
得普朗克常量h ∀=6. 292 10
-34
14
2
虽然经过滤光片后的出射光中, 不同波长光的强度不同, 每一种入射光的遏止电压也不同, 但与作为单色光相比, 既然入射光为复合光, 那就应考虑其平均效应.
2 入射光频率和遏止电压
实验中我们测得通过滤光片后各光的反向电压和电流, 由光电流与反向电压对应的特性曲线确定了遏止电压, 如表2所示.
表2 遏止电压与频率
波长/nm 频率/1014Hz 遏止电压/V
4057. 41
4366. 88
5465. 491. 24
5775. 201. 40
0. 5640. 77
如果考虑通过滤光片的光是复合光, 取其平均效应显然由于平均波长大于原滤光波长, 实际频率将减小. 如表3所示.
表3 遏止电压与复合光的频率
滤光频率/10Hz 复合光频率/10Hz 遏止电压/V
1414
S x y ∀=1. 132 1014Hz ! V
J ! s , 与公认值的百
7. 417. 21
6. 886. 30
5. 495. 291. 24
5. 205. 091. 40
分误差为A =5%.4 结论
光电效应实验中, 普遍出现的百分误差在10%~15%, 这除了由于光电管的阳极反向电流、暗电流及本底电流的影响以至在确定遏止电压上存在着一定不确定度外, 还有非单色光作为单色光的计算的不确定度. 而当通过光电流和反向电压特性曲线确定了遏止电压后, 非单色光作为单色光的影响可使百分误差减小至5%, 显然这样可提高测量的精度.
0. 5640. 77
3 实验结果和百分误差 由方程
U s =
设y =U s , b =
-e e
, x = , a =-, 则有线性方程e e y =bx +a