实验四普朗克常数测量实验.doc

实验四普朗克常数测量实验量子论是近代物理的基础之一,光电效应可以给量子论以直观、鲜明的物理现象。随着科学技术的发展,光电效应已广泛应用于工农业生产、国防等许多领域。普朗克常数(公认值h=×10-34J·s)是自然界中一个很重要的普适常数,它可以用光电效应法简单而又较准确地测出,所以,进行光电效应实验并通过实验求取普朗克常数有助于学生理解量子理论,并更好地认识“h”这个普适常数。 1887年H·赫兹在验证电磁波存在时意外发现,一束入射光照射到金属表面,会有电子从金属表面逸出,这个物理现象被称为“光电效应”。 1888年以后,W·哈耳瓦克斯、A·T·斯托列托夫、P·勒纳德等人对光电效应作了长时间地研究,并总结出了光电效应的基本实验事实:光电发射率(光电流)与光强成正比,(图1,a、b);光电效应存在一个阈频率(或称截止频率)ν0,当入射光的频率低于某一阈值ν时,不论光的强度如何,都没有光电子产生,(图1,c);光电子的动能与光强无关,但与入射光的频率ν成正比(图1,d);光电效应是瞬时效应,一经光线照射,立刻产生光电子,然而用麦克斯韦的经典电磁理论无法对上述实验事实作出完美的解释。阈斜率h/eνν0φs图1关于光电效应的几个特性1905年A·爱因斯坦大胆的把1900年M·普朗克在进行黑体辐射研究过程中提出的辐射能量不连续观点应用于光辐射,提出“光量子”概念,从而给光电效应以正确的理论解释。 对于爱因斯坦的假设,许多学者(诸如剑桥大学的A·休斯,普林斯顿大学的O·W·理查逊、K·T·康普顿等)都做了许多工作,试图验证爱因斯坦方程的正确性。然而卓有成效的工作应该属于芝加哥大学莱尔逊实验室的R·A·密立根。他从1905年爱因斯坦的论文问世后立即对光电效应开展了全面详尽的实验研究,经过十年左右艰苦卓绝的工作,1916年密立根发表了详细的实验论文,证实了爱因斯坦方程的正确性,并精确测出了普朗克常数h=×,它与M·普朗克绝对黑体辐射律中的常数计算的值完全一致。A·爱因斯坦和R·A·密立根都因光电效应等方面的杰出贡献,分别于1921年和1923年获得了诺贝尔奖金。,加深对光的“量子性”的了解。测量光电管弱电流特性,找出不同光频率下的截止电压。通过光电效应实验,验证爱因斯坦方程,并由此测定普朗克常数。 A·爱因斯坦认为从一点发出的光不是按麦克斯韦电磁学说指出的那样以连续分布的形式把能量传播到空间,而是频率为ν的光以“hν”为能量单位(光量子)的形式一份一份地向外辐射。至于光电效应,是具有能量的一个光子作用于金属中的一个自由电子,并把它的全部能量都交给这个电子而造成的,如果电子脱离金属表面耗费的能量为WS的话,则由光电效应打出来的电子的动能为或(1)式中:h—普朗克常数,×10-34J·sν—入射光的频率 m—光电子的质量vm—光电子逸出金属材料时的初速度Ws—受光线照射的金属材料的逸出功(或功函数)在(1)式中,是没有受到空间电荷阻止,从金属中逸出的电子的最大初动能。由(1)式可见,入射到金属表面的光频率越高,逸出来的电子最大初动能必然也越大(如图1,d)。正因为光电子具有最大初动能,所以即使阳极不加电压也会有光电子落入面形成光电流,甚至阳极相对于阴极的电位低时也会有光电子落到阳极,直到