王林香

(新疆師范大學(xué),新疆 烏魯木齊　830054)

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光電效應(yīng)伏安特性實(shí)驗(yàn)改進(jìn)研究

王林香

(新疆師范大學(xué),新疆 烏魯木齊830054)

摘 要：光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)及理論解釋，為量子理論的建立奠定了基礎(chǔ)，在光電效應(yīng)伏安特性實(shí)驗(yàn)中，如何有效減少實(shí)驗(yàn)影響因素，提高測(cè)量結(jié)果的精確度，成為光電效應(yīng)伏安特性實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。本從光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的伏安曲線出發(fā)，分析理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果上的差異，提出了影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的因素以及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)操作辦法，為光電效應(yīng)伏安特性實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，獲得更加精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：光電效應(yīng)；伏安特性；光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

從1887年赫茲發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)后，許多研究者對(duì)光電效應(yīng)理論及實(shí)驗(yàn)作了深入的研究[1-2]，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于給定的金屬(逸出功為常數(shù))，能產(chǎn)生光電子情況下，入射光頻率越高光，出射電子的動(dòng)能就越大；入射光強(qiáng)越大，光通量越大，金屬表面逸出的光電子數(shù)就越多，產(chǎn)生飽和電流越大；金屬表面的一個(gè)電子同時(shí)吸收兩個(gè)甚至多個(gè)光子的概率是非常小的，但是當(dāng)光子頻率非常大時(shí)，多光子吸收不能被忽略，所以，多種因素影響著光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。隨著光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)精度要求的提高，改進(jìn)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，減小干擾因素，提高實(shí)驗(yàn)測(cè)量精度，成為實(shí)驗(yàn)研究的一個(gè)重點(diǎn)[3-6]。本文從研究光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的伏安曲線出發(fā)，分析理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果上的差異，并提出了影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的因素及解決辦法。

1實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本實(shí)驗(yàn)采用GD-IV型微機(jī)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀，實(shí)驗(yàn)儀器包括：高壓汞燈，燈泡選用GGQ-50WHg型；采用陽(yáng)極為鎳圈，陰極為銀—氧—鉀(Ag-O-K) GDh-1型光電管(范圍340～700 nm)，配有45 mm孔徑光窗；有選擇365.0、405.7、435.8、546.1、577.0 nm譜線寬帶型濾色片；有10-6～10-13A檔位電流放大器；工作電源有手動(dòng)調(diào)節(jié)電壓的直流(電壓輸出0～±3 V)，可改變電壓，用于微機(jī)自動(dòng)掃描(幅度0～±3 V)。

1.1光電效應(yīng)伏安特性實(shí)驗(yàn)及分析

圖1是光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的飽和光電流與入射光頻率及光強(qiáng)的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，圖1的(a)～(d)，它們的飽和電流幾乎相等，而反向電流相差很大。圖(b)～(d)顯示光通量相等時(shí)(通光孔均5)，入射光波長(zhǎng)越大其反向電流越小，突變電壓越??；圖(a)、(b)顯示入射光波長(zhǎng)(均為546nm)相等時(shí)，光通量越大其反向電流越大，突變電壓也越大；當(dāng)陽(yáng)極電壓UAK=UA-UK為正值時(shí)，UAK越大，光電流IAK越大；當(dāng)電壓UAK達(dá)到一定值時(shí)，光電流飽和。圖1中(b)～(d)表明，并非光強(qiáng)越大，飽和電流越大，可能是陰極K已疲勞或光強(qiáng)為5(通光孔為5)時(shí)已達(dá)到陰極K電子發(fā)射極限，所以出現(xiàn)電壓UAK達(dá)到一定值時(shí)，(b)～(d)光電流趨于飽和且近乎相等。若UAK為負(fù)(即在光電管上加減速電壓)，光電流逐漸減小，直到UAK達(dá)到某一負(fù)值Us(遏止電壓)，光電流為零，此時(shí)從陰極逸出的電子不能穿過(guò)反向電場(chǎng)。

1.2影響光電效應(yīng)伏安特性實(shí)驗(yàn)的因素及解決辦法

事實(shí)上，光電管制作中，A極往往濺有K極的活性材料，當(dāng)有少部分光照到A級(jí)，也有可能逸出光電子，致使在遏止電壓以下獲得反向電流，隨著反向電壓的增加，反向電流也必將增加，但不會(huì)達(dá)到飽和發(fā)射[7]。對(duì)于同種K陰極材料(逸出功相等)，根據(jù)光電效應(yīng)方程hν=Em-w0，入射光波長(zhǎng)越短，單個(gè)光子能量則越高，激發(fā)出光電子幾率及動(dòng)能Em(eUS=Em)就越大，所以得到：光通量相等時(shí)，入射光波長(zhǎng)越大，其反向電流越小，突變電壓越??；當(dāng)入射光波長(zhǎng)相等時(shí)，光通量越大，其反向電流越大，突變電壓相應(yīng)增加。

圖2　入射波長(zhǎng)365 nm，不同光照強(qiáng)度下的伏安曲線

通常情況K陰極上一個(gè)電子同時(shí)吸收兩個(gè)光子的概率非常小(普通光源下，K陰極上多光子吸收概率很小，可忽略不計(jì))，但本實(shí)驗(yàn)的陰極K吸收光譜范圍為340～700 nm，當(dāng)高能量光子和電子相互作用時(shí)，光通量增強(qiáng)時(shí)，多光子吸收不能被忽略。圖2給出了入射光波長(zhǎng)均為365 nm，光強(qiáng)不同時(shí)(通光孔分別為12、10、14、8、5)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的光電效應(yīng)伏安特性曲線，相應(yīng)abcde曲線的遏止電壓不同，分別是-1.433 V、-1.648 V、-1.282 V、-1.536 V、-1.472 V。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，同樣的K陰極，入射光波長(zhǎng)不變，光強(qiáng)改變時(shí)，遏止電壓不同，這與光電效應(yīng)方程規(guī)律并不一致；另外飽和電流沒(méi)有隨入射光強(qiáng)增強(qiáng)而增大，但反向電流卻增大了，以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能與電子的多光子吸收概率增大有關(guān)，還可能與光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特等有關(guān)，此處的實(shí)驗(yàn)和理論解釋還有待于進(jìn)一步研究。

為了更精確的測(cè)量遏止電壓Us，首先使用的光電管對(duì)光譜范圍內(nèi)測(cè)量靈敏度較高，且陽(yáng)極包圍陰極，這樣當(dāng)陽(yáng)極為負(fù)電位時(shí)，大部分光電子仍能到達(dá)陽(yáng)極；其次，要減小陽(yáng)極產(chǎn)生光電效應(yīng)的幾率，即減小反向電流。但實(shí)際的真空型光電管并不完全滿足以上條件[8]，本實(shí)驗(yàn)光電管實(shí)測(cè)U-I特性曲線如圖3中實(shí)線所示，光電流沒(méi)有一個(gè)銳截止點(diǎn)。實(shí)際在光電管制造中，少量陰極物質(zhì)濺射到陽(yáng)極，受光照射(包含漫反射)時(shí)，陽(yáng)極也會(huì)發(fā)射光電子，使兩極間出現(xiàn)反向電流。實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的電流特性曲線，是陰極和陽(yáng)極光電流迭加的結(jié)果，如圖3實(shí)線所示。無(wú)光照時(shí)，在外加電壓下，光電管中仍有微弱電流(暗電流)流過(guò)，這是由于光電管電極在常溫下熱電子發(fā)射及管殼漏電造成；不同材料組成的陽(yáng)極A和陰極K還會(huì)產(chǎn)生接觸電位差；另外室內(nèi)漫反射光入射到光電管會(huì)形成本底電流[9]。

圖3　實(shí)驗(yàn)中光電管的實(shí)測(cè)伏安曲線

綜上所述，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的還有暗電流、本底電流、反向電流和接觸電位差幾個(gè)因素。減少這些因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，主要使用以下操作辦法，首先，微電流測(cè)量?jī)x有一個(gè)調(diào)零旋鈕，需要線路接好之后再調(diào)零，一定程度可以減弱暗電流對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響；其次，采取光電管遮光措施，減少外界光對(duì)光電管干擾；另外，適當(dāng)控制實(shí)驗(yàn)室中光的亮度，減小本底電流的影響；最后，通過(guò)減小K陰極電流上升速度，來(lái)減小反向電流及相應(yīng)接觸電勢(shì)差的影響；以上這些操作步驟可以有效降低實(shí)驗(yàn)中的干擾因素，使得光電效應(yīng)伏安曲線測(cè)量結(jié)果更加精確。

2結(jié)論

本文從光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)出發(fā)，研究光電效應(yīng)伏安特新曲線，分析理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果上的差異。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，同樣的K陰極，入射光波長(zhǎng)不變，光強(qiáng)改變時(shí)，遏止電壓不同，這與光電效應(yīng)方程規(guī)律并不一致，且飽和電流沒(méi)有隨入射光強(qiáng)增強(qiáng)而增大，但反向電流卻增大了，以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能與電子的多光子吸收概率增大有關(guān)，還可能與光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特等有關(guān)。另外，本文提出了影響光電效應(yīng)伏安特性曲線實(shí)驗(yàn)的一些因素，以及有效減少暗電流、本底電流、反向電流和接觸電位差對(duì)實(shí)驗(yàn)影響的有效方法，這為提高實(shí)驗(yàn)精度，改進(jìn)光電效應(yīng)伏安特性實(shí)驗(yàn)，獲得更加精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)奠定了基礎(chǔ)。

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Study on the Improvement of the Volt-Ampere Characteristic Experiment of Photoelectric Effect

WANG Lin-xiang

(Xinjiang Normal University,Xinjiang Urumqi 830054)

Abstract：The experimental and theoretical explanation of the photoelectric effect is the basis of the establishment of the quantum theory.In the experiment of the photoelectric effect,how to reduce the influence factor and improve the accuracy of the measurement results is a key point for the improvement of the volt-ampere characteristic experiment of the photoelectric effect.In this work,the differences between the theoretical and experimental results were discussed,and the factors which influence the experimental results and corresponding experimental solutions were given.This laid the foundation for the more accurate experimental data,further improvement and application of the photoelectric effect experiment.

Key words：photoelectric effect；volt-ampere characteristics；photoelectric effect experiment improvement

中圖分類號(hào)：O 436.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.001.015

文章編號(hào)：1007-2934(2016)01-0060-03

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

收稿日期：2015-10-06