王林香

(新疆師范大學(xué) 1物理系; 2礦物發(fā)光及其微結(jié)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； 3理論物理自治區(qū)重點(diǎn)學(xué)科,新疆 烏魯木齊 830054)

光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的影響因素及誤差分析

王林香1，2，3

(新疆師范大學(xué)1物理系;2礦物發(fā)光及其微結(jié)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3理論物理自治區(qū)重點(diǎn)學(xué)科,新疆 烏魯木齊 830054)

通過(guò)對(duì)光電效應(yīng)伏安特性及普朗克常數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)的研究，歸納出影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的主要因素，除了暗電流、本底電流、反向電流、接觸電位差影響外，光源與光電管的間距、不同的處理數(shù)據(jù)的方法，也會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)誤差造成影響.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，光源與光電管間距40cm條件下，與計(jì)算機(jī)全自動(dòng)處理方式比較，手動(dòng)選取合適的拐點(diǎn)，半自動(dòng)處理方式獲得普朗克常量的相對(duì)誤差較小，測(cè)量的伏安特性曲線的精確度也較高.本文對(duì)實(shí)驗(yàn)中普朗克常量相對(duì)誤差變化原因進(jìn)行了分析，給出了減小誤差的辦法，這對(duì)避免實(shí)驗(yàn)干擾因素，有效操作實(shí)驗(yàn)，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，獲得更加精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定的幫助.

光電效應(yīng)；伏安特性；實(shí)驗(yàn)影響因素；誤差分析

眾多研究者對(duì)光電效應(yīng)伏安特性實(shí)驗(yàn)和普朗克常量測(cè)量實(shí)驗(yàn)開展了大量研究[1-3]，并對(duì)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)進(jìn)行分析，提出改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的初步方法[4,5].隨著光電效應(yīng)在光電控制設(shè)備、光纖通訊技術(shù)、光電轉(zhuǎn)換器件上的廣泛應(yīng)用，如何有效提高光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)精準(zhǔn)度，減少影響因素，減小實(shí)驗(yàn)誤差，成為光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究的一個(gè)重點(diǎn).本文通過(guò)對(duì)光電效應(yīng)伏安特性實(shí)驗(yàn)和普朗克常數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)的研究，歸納總結(jié)出一些影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的因素，并提出了有效改善方法，同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)中普朗克常量相對(duì)誤差變化原因進(jìn)行了分析，給出了減小誤差的辦法，這為避免實(shí)驗(yàn)干擾因素，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程以及光電效應(yīng)自動(dòng)控制應(yīng)用奠定了一定的基礎(chǔ).

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用GD-Ⅳ型微機(jī)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀，用高壓汞燈(燈泡選用GGQ-50WHg型)；光電管采用GDh-1型(陽(yáng)極為鎳圈，陰極為銀—氧—鉀，光譜范圍為340～700nm)，入射窗口配有45mm孔徑；用NG型濾色片，它是一組(5塊)寬帶型有色玻璃組合濾色片，可選365.0nm、405.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm的光；微電流放大器測(cè)量范圍10-6～10-13A，內(nèi)附光電管工作電源(直流用于手動(dòng)調(diào)節(jié)電壓，掃描用于微機(jī)改變電壓).

1.1 暗電流、本底電流等影響

通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，首先存在以下因素直接影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，要獲得更準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，表1給出了具體影響因素及解決辦法.

表1 影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的4個(gè)因素及解決辦法

1.2 光源與光電管距離的影響

表2 光源與光電管不同間距測(cè)量的遏止電壓及普朗克常數(shù)的相對(duì)誤差

表2還給出了光源與光電管相距40cm時(shí)拐點(diǎn)法處理和計(jì)算機(jī)處理結(jié)果，對(duì)比光源與光電管間距20cm、30cm數(shù)據(jù)，間距40cm時(shí)獲得的普朗克常量相對(duì)誤差較??；在同樣間距40cm時(shí)條件下，拐點(diǎn)法半自動(dòng)處理比計(jì)算機(jī)全自動(dòng)處理結(jié)果的相對(duì)誤差要小.普朗克常量的相對(duì)誤差，間接地反映出伏安曲線的可靠程度，由以上結(jié)果可以看出，手動(dòng)選取合適的拐點(diǎn)，再利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理，效果要好于計(jì)算機(jī)全自動(dòng)處理結(jié)果.

圖1 光源與光電管相距40cm遮光下的伏安特性曲線

圖1給出了光源與光電管相距40cm遮光下的伏安特性曲線，普朗克常數(shù)相對(duì)誤差較小的情況下，測(cè)量的伏安特性曲線的精確度也較高.圖1給出了光源與光電管相距40cm遮光下的伏安特性曲線，從圖中可以看出，同樣入射光強(qiáng)下，入射光波長(zhǎng)越小，單光子能量則越高，獲得的遏止電壓就越大.

1.3 光源對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響

實(shí)驗(yàn)中，單色光是GGQ-50WHg型水銀燈光源經(jīng)過(guò)濾光片后得到的，實(shí)驗(yàn)所用的通光孔共有5、8、10、12、14、17等6個(gè)型號(hào)，NG型濾光片可選365.0nm、405.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm等5種濾光片，通光孔與濾光片可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行切換組合，也可用單色儀得到單色光源.高壓汞燈是一種氣體放電光源，在可見光區(qū)能產(chǎn)生幾條強(qiáng)光譜，且波長(zhǎng)相差較大，如表3所示，每一種濾光片都能通過(guò)兩種波長(zhǎng)的光，且這兩種光的透過(guò)率非常接近，所以每一次從高壓汞燈射進(jìn)光電管的光盡管都通過(guò)了濾光片，但到達(dá)光電管的光并不是絕對(duì)單色光，所以通過(guò)濾光片后不同光譜線(頻率不同)進(jìn)入光電管發(fā)生光電效應(yīng)，此時(shí)愛因斯坦光電方程hν=Em+w0應(yīng)寫成多個(gè)光電效應(yīng)方程的組合，多種頻率光入射光電管，獲得光電子動(dòng)能及相應(yīng)遏止電壓都會(huì)有變化.所以，在改善光源方面，盡可能使用單色儀產(chǎn)生的光或者單色LED光源，這樣測(cè)量得到的飽和光電流數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確.

表3 光源及經(jīng)過(guò)濾光片透過(guò)率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.4 陰極材料對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響

由于不同的陰極材料對(duì)光靈敏度不同，對(duì)光的靈敏度間接地反映了飽和光電流隨入射光頻率的變化關(guān)系.圖2給出了光強(qiáng)度一定時(shí)，飽和光電流隨入射光頻率(或波長(zhǎng))變化的關(guān)系，銀-氧-銫(Ag-O-Cs)陰極出現(xiàn)了兩個(gè)峰.本實(shí)驗(yàn)所用的陰極材料是銀-氧-鉀(Ag-O-K光譜范圍為340～700nm)，鉀與銫同屬第一主族，有相似的物理化學(xué)性質(zhì), 其相對(duì)靈敏度曲線應(yīng)有兩個(gè)波峰，對(duì)光強(qiáng)相同，不同波長(zhǎng)的光響應(yīng)不同，將增加光電流變化的不確定性.一般光電陰極材料不同的光電管有不同的紅限頻率，所以，同一光電管對(duì)于不同頻率的光的靈敏度不同，陰極若是銻銫材料，其對(duì)入射的可見光靈敏度較高；若入射光是紅外光，則用銀-氧-銫作為陰極材料；若是紫外光，則用銻-銫陰極材料，由此可見，針對(duì)不同的光源，需要選擇不同材料的陰極K，達(dá)到測(cè)量響應(yīng)度高，結(jié)果精確.

圖2 陰極材料銀-氧-銫對(duì)光的靈敏度曲線

1.5 其他因素的影響

其他因素主要包括實(shí)驗(yàn)室的光照條件、溫度、濕度、試驗(yàn)儀器的狀態(tài)，如光電管長(zhǎng)時(shí)間工作或是強(qiáng)光照射，陰極發(fā)射體容易疲勞，靈敏度會(huì)降低，從而影響實(shí)驗(yàn)的結(jié)果；通光孔與濾光片在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，注意不要讓彼此遮蓋，旋轉(zhuǎn)時(shí)注意方向，避免產(chǎn)生回程差，影響到入射光強(qiáng).用微機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于微機(jī)對(duì)環(huán)境比較敏感，需保持周圍環(huán)境安靜，實(shí)驗(yàn)者做實(shí)驗(yàn)時(shí)需細(xì)心謹(jǐn)慎，養(yǎng)成良好的實(shí)驗(yàn)操作習(xí)慣.

2 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)光電效應(yīng)伏安特性實(shí)驗(yàn)和普朗克常數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)的研究，歸納總結(jié)出一些影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的因素，并提出了有效改善方法，同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)中普朗克常量相對(duì)誤差變化原因進(jìn)行了分析，給出了減小誤差的辦法，這為避免實(shí)驗(yàn)干擾因素，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，獲得較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及光電效應(yīng)自動(dòng)控制應(yīng)用奠定了一定的基礎(chǔ).

[1] 凌濤,胡海寧,彭麟,等.利用固體物理LED發(fā)光原理測(cè)量普朗克常數(shù)[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2015,(2):55-56.

[2] 姚啟鈞,華東師大光學(xué)教材編寫組.光學(xué)教程[M].4版.北京：高等教育出社,2008.

[3] 李曙光.光電效應(yīng)中飽和光電流與入射光頻率的關(guān)系研究[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2002,15(2):14-17.

[4] 王云志,趙敏.光電效應(yīng)測(cè)普朗克常數(shù)的數(shù)據(jù)處理及誤差分析[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2011,24(02):93-95.

[5] 李松嶺,李明雪.光電效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)分析與成功改進(jìn)[J].物理教師,2015,36(4):52-54.

[6] 李志武.光電效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)幾種方案的比較[J].物理通報(bào),2011,29(1):65-66.

[7] 王林香.光電效應(yīng)伏安特性實(shí)驗(yàn)改進(jìn)研究[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2016,29(1):60-62.

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INFLUENCE FACTOR AND ERROR ANALYSIS OF THE PHOTOELECTRIC EFFECT EXPERIMENT

Wang Linxiang1，2，3

(1Department of Physics,2Key Laboratory of Novel Luminescent Materials and Nanostructures,3Key disciplinary areas of the theoretical physics of the Xinjiang Autonomous Region， Xinjiang Normal University, Urumqi 830054)

The volt-ampere characteristics and Planck’s constant measurement are researched in photoelectric effect experiment, the main factors affecting the experimental error are summarized including the dark current, the bottom current, reverse current and the contact potential difference, in addition to include the space between the light source and photoelectric tube, and the different processing methods for data. The experiments showed that the space of 40cm between the light source and photoelectric tube, compared with computer automatic processing method, manual selecting the appropriate inflection point, Planck constant obtained by semi automatic process has relative small error, and the measurement accuracy for the volt-ampere characteristic curve is higher. The reasons for the relative errors change of Planck’s constant are analyzed in this work, and the method is given to reduce the error. It is helpful to avoid the experimental interference factors, carry out experiment effectively, improve the experimental process, and get more accurate experimental results.

photoelectric effect; volt-ampere characteristic curve; experimental influence factors; error analysis

2016-01-14；

2016-04-21

新疆師范大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金(xjnubs-1011)資助項(xiàng)目.

王林香，女，副教授，從事光電子學(xué)及納米材料制備的實(shí)驗(yàn)研究，研究方向?yàn)榧{米功能材料.wanglinxiang23@126.com

王林香. 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的影響因素及誤差分析[J]. 物理與工程，2016，26(5)：33-36，45.