光電效應(yīng)特性曲線“倒置”問題的分析①

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(佳木斯大學理學院,黑龍江 佳木斯 154007)

0 引 言

光電效應(yīng)實驗是近代物理學史上的經(jīng)典實驗。1905年愛因斯坦根據(jù)普朗克的黑體輻射量子假說基礎(chǔ)上大膽提出了“光子”概念，成功地解釋了光電效應(yīng)的所有實驗結(jié)果，建立了愛因斯坦方程，使人們對光的本質(zhì)認識有了一個新的飛躍，推動了科學家對量子理論的深入研究[1]。

1 實驗原理

金屬在一定頻率的光照射下使電子逸出金屬表面的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)[2]。當光照射到金屬上時，根據(jù)愛因斯坦的光量子理論，每一個光子具有的能量為E= hν，電子要么吸收一個光子，要么就一點不吸收。如果一個光子的能量大于電子逸出逸出功，被一個電子吸收，能量的一部分將成為該電子的逸出功W= hν0，另一部分則轉(zhuǎn)換為電子逸出金屬表面后的動能，由能量守恒定律得[3]

這就是愛因斯坦光電方程。式中h為普朗克常數(shù)，ν為入射光的頻率，m為電子質(zhì)量，υm為電子逸出后的最大速度。在光電效應(yīng)中，光顯示出它的粒子性質(zhì)，所以這種現(xiàn)象對認識光的本性，具有極其重要的意義。

密立根采用“減速電位法”測定電子的最大初動能，并求出普朗克常數(shù)h。

圖1 光電效應(yīng)原理圖

實驗原理如圖1 ，調(diào)節(jié)電阻R可使光電管的陰極K和陽極A之間獲得-U～+U連續(xù)變化的電壓。當頻率為ν的光照到陰極上時，電子從陰極逸出，在電場的作用下向陽極運動，當UAK為正值時，入射的光強越大，形成的光電流也越大，當UAK達到一定值后，光電流飽和不再增加。當UAK為負值時，光電流逐漸減小，直到達到截止電壓-U0時，微電流計G的光電流為零，這時電子的最大初動能不能到達陽極K，有

得

由此得到了一種測量普朗克常數(shù)的方法，在U0-ν圖像中，斜率為h/e，電子電荷e=1.602×10-19C，進而可以求出普朗克常數(shù)h。

一般來說，光電效應(yīng)實驗是為高年級學生開設(shè)的近代物理實驗，隨著教學改革的進一步深入，現(xiàn)在絕大多數(shù)院校已經(jīng)把該實驗放到面向一年級學生開設(shè)的基礎(chǔ)物理實驗中。在強調(diào)物理內(nèi)涵的同時，也注意提高學生的學習興趣。利用光電效應(yīng)實驗測量普朗克常量，有助于學生理解光的量子性，更好地認識微觀世界普遍存在的波粒二象性和能量交換量子化的規(guī)律，以及在近代物理學中的重要地位[3]。實驗內(nèi)容主要包括：測量普朗克常數(shù)[4]；測量光電管的伏安特性曲線[5]；驗證飽和光電流與入射光強度成正比。

在實驗中，光電管的伏安特性曲線如圖2。由圖2可以看出：曲線由上到下，是按波長增加的順序排列的，但曲線L2和L3卻是“倒置”的，學生上課時經(jīng)常問這個問題，想當然認為這“不符合規(guī)律”，似乎與“光電流與入射光強度成正比”“相抵觸”?，F(xiàn)從光譜的強度分布和光電管的光譜響應(yīng)特性對該問題進行分析。

圖2 光電管的伏安特性曲線

2 分 析

低壓汞燈的光譜強度分布如圖3所示[6]，光電管的光譜響應(yīng)特性曲線如圖4所示[7]。

由圖3可以看出，譜線λ=435.8nm的發(fā)光強度是譜線λ=404.7nm的1.4倍，而從圖4可以看出，譜線λ=404.7nm的光譜響應(yīng)強度僅是譜線λ=435.8nm的是的1.05倍，所以譜線λ=435.8nm的光電流比譜線λ=404.7nm的光電流大，這就是曲線L2和L3 “倒置”的原因。另外曲線L4、L5對應(yīng)的譜線比譜線λ=404.7nm的發(fā)光強度低，并且隨著波長的增加光譜響應(yīng)強度下降較快，所以曲線L4、L5在曲線L2的下面。

圖4 光電管的光譜響應(yīng)特性曲線

3 結(jié) 論

光電效應(yīng)實驗中，光電管產(chǎn)生的光電流不僅與譜線的發(fā)光強度有關(guān)，還與光電管的光譜靈敏度有關(guān)。從光譜強度和光電管的光譜響應(yīng)特性兩方面對光電管的伏安特性曲線L2和L3 “倒置”問題進行了分析，解釋了光電特性曲線的分布規(guī)律，該規(guī)律與“光電流與入射光強度成正比”相符。

參考文獻:

[1] 孫晶華.大學物理實驗教程[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社, 2017.

[2] 姚啟鈞.光學教程(第3版)[M].北京:高等教育出版社,2002.

[3] 劉景林,王洪濤,蘆穎.近代物理實驗教程[M].哈爾濱:東北林業(yè)出版社,2007.

[4] 吳麗君, 李倩.光電效應(yīng)測普朗克常數(shù)的三種方法[J].大學物理實驗, 2007(4):49-52.

[5] 王林香.光電效應(yīng)伏安特性實驗改進研究[J].大學物理實驗,2016(1):60-62

[6] 朱鶴年.新概念基礎(chǔ)物理實驗[M].北京:清華大學出版社,2013.

[7] 李昌厚,范世福,蔣金標，等.光電管和硅光電池的相對光譜響應(yīng)特性測試方法的研究[J].光學儀器,1995(2):8-12.