光電效應(yīng)測量單色光波長

徐譽(yù)洲 肖洪洋 羅澤 李歡歡 彭川黔 龔恒翔

摘 ?要：單色光波長測量是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的一個重要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，根據(jù)愛因斯坦光電方程，單色光光電效應(yīng)截止電壓與光頻滿足線性關(guān)系，該文用鈉光燈作為標(biāo)準(zhǔn)參考光源，運(yùn)用比較法通過光電效應(yīng)來測量單色光波長，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該方法測量單色光波長相對誤差不大于1%。

關(guān)鍵詞：普朗克常數(shù) ?單色光波長 ?光電效應(yīng) ?光電方程

中圖分類號：O4-34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2019）06（a）-0039-02

測量單色光波長，是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的一個重要內(nèi)容。傳統(tǒng)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)主要通過邁克爾遜干涉儀法、雙棱鏡干涉法、分光計法等方法，利用光的干涉、衍射等特性來測量單色光的光波波長。通過這些實(shí)驗(yàn)可以學(xué)習(xí)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)操作技巧，加深對光的干涉、衍射等特性的理解。

光的量子屬性也是光的一個基本特性，光電效應(yīng)現(xiàn)象需要用到光的量子屬性來進(jìn)行解釋。自德國物理學(xué)家赫茲（H·Hertz，1857—1894）于1886年發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)后，眾多學(xué)者對其規(guī)律進(jìn)行了大量研究。19世紀(jì)末，普朗克為解決黑體輻射問題引入了普朗克常數(shù)h，1905年，愛因斯坦提出了輻射能量E以hv（v為光子頻率）為不連續(xù)的最小單位的量子化思想，解釋了光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)問題。根據(jù)光電效應(yīng)原理，光子能量正比于光子頻率，通過光電效應(yīng)測量得到的截止電壓與光子頻率成線性關(guān)系。

利用光電效應(yīng)原理，通過比較法也能測量不同單色光的光波波長，同時還可以加深學(xué)生對光的量子屬性的理解。該文將介紹通過愛因斯坦光電方程來測量不同單色光的光波波長的實(shí)驗(yàn)方法。

1 ?實(shí)驗(yàn)原理

2 ?光波波長測量

普朗克常數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值為：6.6257×10-34，電子電量標(biāo)準(zhǔn)值為：1.602×10-19C。根據(jù)公式（3），不同單色光的截止電壓與光頻滿足線性關(guān)系。若已知某單色光頻率（或波長），并通過光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測量得到其對應(yīng)的截止電壓，對于未知頻率（或波長）的單色光，可通過光電效應(yīng)測量其對應(yīng)的截止電壓，根據(jù)公式（3）可獲得其對應(yīng)的頻率（或波長）。

該文將以鈉黃光（波長589.3nm）作為標(biāo)準(zhǔn)光源，以此標(biāo)準(zhǔn)光源來作為參考，通過比較法測量不同單色激光光源波長。利用ZKY-GD-3光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對鈉黃光進(jìn)行多次測量后，零點(diǎn)法對應(yīng)的截止電壓平均值為：-0.403V。為了對比測試結(jié)果，該文分別對5組不同波長的半導(dǎo)體激光光源進(jìn)行了對比測試。

表1為5組半導(dǎo)體激光光源測試數(shù)據(jù)。表中“標(biāo)準(zhǔn)波長”為“復(fù)享PG2000”高品質(zhì)光纖光譜儀測定波長，“零點(diǎn)電壓”為利用ZKY-GD-3光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對不同半導(dǎo)體激光光源測試的光電效應(yīng)零點(diǎn)電壓，“計算波長”為根據(jù)公式（3）利用“零點(diǎn)電壓”計算得到的實(shí)驗(yàn)波長。從表1可以看出，利用光電效應(yīng)，通過與標(biāo)準(zhǔn)光源比較的方法來測量單色光波長具有相當(dāng)高的測量精度。

3 ?結(jié)語

通過表1數(shù)據(jù)可以得出，通過比較法利用光電效應(yīng)來測量未知單色光波長，實(shí)驗(yàn)誤差不大于1%。利用光電效應(yīng)法來測量未知單色光波長，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、實(shí)驗(yàn)精度高，若能通過自動控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)電壓的自動測量，則可實(shí)現(xiàn)未知單色光波長的自動快速檢測。

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