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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上大膽提出了“光子”概念，成功地解釋了光電效應的所有實驗結果，建立了愛因斯坦方程，使人們對光的本質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[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為電子質量，υm為電子逸出后的最大速度。在光電效應中，光顯示出它的粒子性質，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 光電效應原理圖

實驗原理如圖1 ，調節(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，光電效應實驗是為高年級學生開設的近代物理實驗，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的基礎物理實驗中。在強調物理內涵的同時，也注意提高學生的學習興趣。利用光電效應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”。現(xiàn)從光譜的強度分布和光電管的光譜響應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 光電管的光譜響應特性曲線

3 結 論

光電效應實驗中，光電管產(chǎn)生的光電流不僅與譜線的發(fā)光強度有關，還與光電管的光譜靈敏度有關。從光譜強度和光電管的光譜響應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特性測試方法的研究[J].光學儀器,1995(2):8-12.