光电效应
【实验目的】
1、通过测试光电效应基本特性曲线，使学生进一步加深对光的粒子性的认识。
2、通过对五种不同频率的反向遏止电压U S的测定，由Us- ν直线图形，求出“红限”
频率。
3、验证爱因斯坦光电方程，求普朗克常数 h。
【实验原理】
当一定频率的光照射到某些金属表面上时，可以使电子从金属表面逸出，这种现象称为光电效应，所产生的电子称为光电子。
光电效应的基本规律如下,（1）光电流I 与入射光强P成正比，当光强一定时，随着光电管两端电压的增大，光电流趋于一个饱和值I M，此时对应的电压称为饱和电压（如图 1a、
b） ； （2）光电效应存在一个阈频率 ν0，当入射光的频率 ν<ν0时，不论光的强度如何都没有光电子产生（图 1c）,且 ν0的大小与光阴极材料有关； （3）光电子的初动能与光强无关，
但与入射光的频率成正比（图 1d） ； （4）光电效应是瞬时效应，一经光线照射，立刻产生光电子，响应时间为 10
-9
S 。对于这些实验事实，经典的波动理论无法给出圆满的解释。
1905 年爱因斯坦受普朗克量子假设的启发，提出了光量子假说，并用它成功地解释了光电效应的实验结果，给出了有名的爱因斯坦光电效应方程,
WmVhv +=
2
max
2
1
(1)
式中：h—普朗克常数，公认值为6.62916×10
-34
J·S；
v—入射光频率；
2
max
2
1
mV —光电子的最大初动能；
W—电子摆脱金属表面约束所需的逸出功。
根据这一理论，当金属中的电子吸收一个频率为 ν的光子时，便获得这光子的全部能量h ν，如果这能量大于 W，电子就会从金属中逸出。
由（1）式可见，只有当 时，才会有光电子发射，我们把Whv ≥
h
W
记作 ν0即
h
W
v =
0
（2）
这就是说 ν0是能发生光电效应的入射光的最小频率，显然它的值随金属种类不同而不同，又称“红限”频率。
图 2 是光电效应实验的原理图。当频率大于 ν0的入射光射到阴极K时，会有光电子以某一初动能飞出。为了测量最大动能
2
max
2
1
mV,我们在阴极K与阳极A之间加上K高A低的可
1
变电压来使光电子减速，设当电压加至Us时恰好有
UsemV =
2
max
2
1
（3）
此时将不会有再有光电子到达阳极。当然此时光电流为零，Us 称为反向遏止电压。
(a) (b)
(c) (d)
图 1 关于光电效应的几个特性
U
U
S O
I
M
I
饱和 P增加
I
M
O
P
O
ν
ν
0
O
U
I
ν 增加
U
S
阈图 2 光电效应实验原理图 图 3 I-U 实验曲线
A K
光电管 入射光
V
A
I
U
US
Id
a
O
由式（1）,（2）,（3）可得
)(
0
vv
e
h
=Us （4）
上式说明Us与入射光频率 v成直线关系，实验中可用不同频率的入射光入射，分别找到相
2
应的遏止电压Us，就可作出Us- v的实验直线，此直线的斜率就是
e
h
k =,则普朗克常数
h=ke。并且由该直线与横轴的交点，可求出“红限”频率 ν0。这就是密立根验证爱因斯坦光电效应方程的主要实验思想。
应当指出，实际测量的光电管伏安特性曲线如图 3 所示。这是由于在实验进行时，光电管中还伴有两个现象，即阳极的光电子发射和暗电流。阳极的光电子发射是阳极材料在光照下发射的光电子。对这些光电子而言，外加反向电场是加速电场，因此它们很容易到达阴极，形成反向电流。暗电流I d则是在无光照射时，外加反向电压下光电管流过的微弱电流。由于这两个因素的影响，实验中实测的I-U特性曲线往往如图 3 所示。曲线的下部转变为直线，转变点a（抬头点）对应的外加电压值才是遏止电压。
【仪器简介】
GD-1 型光电效应测试仪由 5 部分组成，简介如下,
图 4 光电管暗盒面板图
光电管暗盒
K
A
（1）GDh-45型光电管：阳极为两块镍板，阴极为不透明锑钾铯（Te-K-Se），此光电管为侧窗式，光窗为石英，光谱响应范围 1900-7000?，峰值波长为 4000±200?，工作电压
30V时，阴极灵敏度约为10
-11
。
为了避免杂散光和外界电磁场对弱光电信号的干扰，光电管放置在铝质暗盒中，暗盒窗口的光阑孔为 φ 16mm，可放置 φ36mm 的各种带通滤色片和中性减光片。暗盒的背面为接线面板，如图 4 所示。
（2）光源采用 GGQ-50WHg 仪器用高压汞灯。波谱分布为分立式线谱,其波谱分布范围为 3023-8720?,其间有 3650?，
4047?，4358?，5461? 和5770? 等谱线可供实验使用。
（3）滤色片：是一组外径为 φ36mm 的宽带通型有色玻璃组合滤色片，具有滤选 3650
，4047?，4358?，5 461? 和5770? 等谱线的能力。选用谱线波长及其透过率见表一。
表一 滤色片性能表
型号 NG365 NG405 NG436 NG546 NG577
选用波长（?） 3650 4047 4358 5461 5770
透过率（%） 48 40 20 30 25
（4）中性减光片：是三块一组外径为 φ36mm 的中性减光片。光通过减光片后，光强将减弱。在单色光为 5770? 时，其减光率分别可达 25%，50%和 75%。其减光性能见表二。
表二 减光片减光性能表
相对透过率 规格
光谱波长（?）
75% 50% 25%
3
3650 64.4 40.1 17.6
4047 69.8 42.9 19.1
4358 70.7 44.0 19.5
5461 75.6 47.8 23.0
5770 75.8 48.7 23.9
图 5 GD-1 型微电流测试仪面板图
（5）GD-1 型微电流测试仪：面板图如图 5。电流测量范围为 AA μ?μ 9.1991.0,分辩率为 。机内设有稳定度 Aμ1.0 VVVVVV 3030,1515,33%,1 +++≤ 精密可调的光电管工作电源，最小分度值为 0.1 伏和1 伏。微电流测试仪可连续工作在十小时以上。
【预习思考题】
1,试解释存在饱和光电流的原因。
2,饱和光电流与光强有直线关系的前提是什么？
3,如何确定阴极金属材料的逸出功？
【实验内容】
在开始做实验之前，先要做好以下准备工作,
☆ 开机前准备：按照光源、光电管暗盒和微电流测试仪的顺序将仪器安放在适当位置，并将微电流测试仪面板上各个开关旋钮置于下列位置,
“电流量程”置,Aμ1,；,电压量程”置“30V” ；,电压极性”置“+” ；“电压调节”
逆时针调到最小。
☆ 将光源上出光孔和暗盒上入光孔分别用挡光盖盖上；把暗盒上“K”端用屏蔽电缆与微电流测试仪面板上“K”端连接，再用普通导线将二者对应的“A”和,,连接好。
☆ 先将电源开关打开，让汞灯预热 15-20 分钟，然后再打开微电流测试仪电源开关。
☆ 让光源出光孔与暗盒入光孔水平对准，二者间距保持在 20cm 左右。
4
☆ 取下光源出光孔上的挡光盖，观察并记录暗电流（此时暗盒上入光孔挡光盖不能摘，把电压慢慢由-3V 升高到 30V，观察暗电流变化） 。当“电压量程”为 3V,“电压极性”
为负时，旋转“电压调节”旋钮，可得到-3V～0V 的电压。
☆ 按照后面的实验内容进行测试。
1、测量 I—U 伏安特性曲线
将挡光盖盖住光源出光孔，把暗盒入光孔套架上挡光盖取下来，换上滤色片，再从光源出光孔上取下挡光盖，顺时针旋转“电压调节”旋钮，使电压由-3V 逐渐升高到 30V，
观察光电流的变化（每隔 1V 记一个电流值）,记下一组 I-U值，然后再将电压从 30V 降到
-3V。由短波到长波逐次换上五种不同波长的滤色片，这样可记 5 组 I-U 值。
2、测量Us- 特性（光谱特性）曲线
ν
把滤色片装在暗盒窗上，电压由-3V 升高到 6V，间隔 1V 测一个点。当电流开始变化
（急剧变化）时细测几个点（间隔 0.1V 或 0.2V） 。电流起始点所对应的电压值为反向遏止电压，滤色片由短波长向长波长方向逐次更换，方可测出 5 个反向遏止电压。
3、测量 I-P 特性（光电特性）曲线
把 577 型滤色片装在光源出光口，电压由 OV 升到 30V，记下饱和电流值，我们可视之为透光率为 100%的情况，还可测出透光率分别为 75%、50%和25%的三种情况，即将三块减光片再分别装在暗盒光窗上，电压都是从 0V 升到30V。由此可观察饱和电流与光的强度的关系。
【注意事项】
1.更换滤色片时注意避免污染，以免除不必要的折射光带来实验误差；
2.更换滤色片时先将光源出光孔遮住，而且做完实验后也要用遮光罩盖住光电管入光孔，避免强光直接照射阴极而缩短光电管寿命；
3.光电管入光孔勿对其它强光源以减少杂散光干扰。
【数据处理】
1．将[实验内容]1 中所测得的数据记入表三。
注意：在-2V 至 0V 间电流开始变化区间细测一下，多记几个点（即抬头点） 。
2．将[实验内容]3 中所得到的数据进行整理，分别记录透光率为 100%、75%、50%、
25%和 0 时所对应的饱和电流值，并将其记入表四。
3．选择合适的坐标纸，用表三、表四的数据分别作出光电管的伏安特性、光电特性和光谱特性曲线，由光谱特性Us- ν直线可求出“红限”频率 ν0。
4．求出Us- ν直线斜率 k，根据 h=ek 关系式求出普朗克常数 h。与公认值比较，写出
h 的结果表达式。
表三 不同波长下的伏安特性
5
3650
V(V)
I( ) Aμ
V(V)
（?）
I( ) Aμ
V(V)
I( ) Aμ
V(V)
4047
（?）
I( ) Aμ
V(V)
I( ) Aμ
V(V)
4358
（?）
I( ) Aμ
V(V)
I( ) Aμ
V(V)
5461
（?）
I( ) Aμ
V(V)
I( ) Aμ
V(V)
5770
（?）
I( ) Aμ
表四 不同照度下的伏安特性曲线
透过率
I(μA)
V(V)
100% 75% 50% 25% 0
0.0
10.0
20.0
30.0
【思考题】
1.密立根验证爱因斯坦光电效应方程的主要实验思想是什么？
2.当加在光电管两极间的电压为零时，光电流却不为零，这是为什么？
3.为什么反向电压加到一定值后，光电流会出现负值？
6
【实验目的】
1、通过测试光电效应基本特性曲线，使学生进一步加深对光的粒子性的认识。
2、通过对五种不同频率的反向遏止电压U S的测定，由Us- ν直线图形，求出“红限”
频率。
3、验证爱因斯坦光电方程，求普朗克常数 h。
【实验原理】
当一定频率的光照射到某些金属表面上时，可以使电子从金属表面逸出，这种现象称为光电效应，所产生的电子称为光电子。
光电效应的基本规律如下,（1）光电流I 与入射光强P成正比，当光强一定时，随着光电管两端电压的增大，光电流趋于一个饱和值I M，此时对应的电压称为饱和电压（如图 1a、
b） ； （2）光电效应存在一个阈频率 ν0，当入射光的频率 ν<ν0时，不论光的强度如何都没有光电子产生（图 1c）,且 ν0的大小与光阴极材料有关； （3）光电子的初动能与光强无关，
但与入射光的频率成正比（图 1d） ； （4）光电效应是瞬时效应，一经光线照射，立刻产生光电子，响应时间为 10
-9
S 。对于这些实验事实，经典的波动理论无法给出圆满的解释。
1905 年爱因斯坦受普朗克量子假设的启发，提出了光量子假说，并用它成功地解释了光电效应的实验结果，给出了有名的爱因斯坦光电效应方程,
WmVhv +=
2
max
2
1
(1)
式中：h—普朗克常数，公认值为6.62916×10
-34
J·S；
v—入射光频率；
2
max
2
1
mV —光电子的最大初动能；
W—电子摆脱金属表面约束所需的逸出功。
根据这一理论，当金属中的电子吸收一个频率为 ν的光子时，便获得这光子的全部能量h ν，如果这能量大于 W，电子就会从金属中逸出。
由（1）式可见，只有当 时，才会有光电子发射，我们把Whv ≥
h
W
记作 ν0即
h
W
v =
0
（2）
这就是说 ν0是能发生光电效应的入射光的最小频率，显然它的值随金属种类不同而不同，又称“红限”频率。
图 2 是光电效应实验的原理图。当频率大于 ν0的入射光射到阴极K时，会有光电子以某一初动能飞出。为了测量最大动能
2
max
2
1
mV,我们在阴极K与阳极A之间加上K高A低的可
1
变电压来使光电子减速，设当电压加至Us时恰好有
UsemV =
2
max
2
1
（3）
此时将不会有再有光电子到达阳极。当然此时光电流为零，Us 称为反向遏止电压。
(a) (b)
(c) (d)
图 1 关于光电效应的几个特性
U
U
S O
I
M
I
饱和 P增加
I
M
O
P
O
ν
ν
0
O
U
I
ν 增加
U
S
阈图 2 光电效应实验原理图 图 3 I-U 实验曲线
A K
光电管 入射光
V
A
I
U
US
Id
a
O
由式（1）,（2）,（3）可得
)(
0
vv
e
h
=Us （4）
上式说明Us与入射光频率 v成直线关系，实验中可用不同频率的入射光入射，分别找到相
2
应的遏止电压Us，就可作出Us- v的实验直线，此直线的斜率就是
e
h
k =,则普朗克常数
h=ke。并且由该直线与横轴的交点，可求出“红限”频率 ν0。这就是密立根验证爱因斯坦光电效应方程的主要实验思想。
应当指出，实际测量的光电管伏安特性曲线如图 3 所示。这是由于在实验进行时，光电管中还伴有两个现象，即阳极的光电子发射和暗电流。阳极的光电子发射是阳极材料在光照下发射的光电子。对这些光电子而言，外加反向电场是加速电场，因此它们很容易到达阴极，形成反向电流。暗电流I d则是在无光照射时，外加反向电压下光电管流过的微弱电流。由于这两个因素的影响，实验中实测的I-U特性曲线往往如图 3 所示。曲线的下部转变为直线，转变点a（抬头点）对应的外加电压值才是遏止电压。
【仪器简介】
GD-1 型光电效应测试仪由 5 部分组成，简介如下,
图 4 光电管暗盒面板图
光电管暗盒
K
A
（1）GDh-45型光电管：阳极为两块镍板，阴极为不透明锑钾铯（Te-K-Se），此光电管为侧窗式，光窗为石英，光谱响应范围 1900-7000?，峰值波长为 4000±200?，工作电压
30V时，阴极灵敏度约为10
-11
。
为了避免杂散光和外界电磁场对弱光电信号的干扰，光电管放置在铝质暗盒中，暗盒窗口的光阑孔为 φ 16mm，可放置 φ36mm 的各种带通滤色片和中性减光片。暗盒的背面为接线面板，如图 4 所示。
（2）光源采用 GGQ-50WHg 仪器用高压汞灯。波谱分布为分立式线谱,其波谱分布范围为 3023-8720?,其间有 3650?，
4047?，4358?，5461? 和5770? 等谱线可供实验使用。
（3）滤色片：是一组外径为 φ36mm 的宽带通型有色玻璃组合滤色片，具有滤选 3650
，4047?，4358?，5 461? 和5770? 等谱线的能力。选用谱线波长及其透过率见表一。
表一 滤色片性能表
型号 NG365 NG405 NG436 NG546 NG577
选用波长（?） 3650 4047 4358 5461 5770
透过率（%） 48 40 20 30 25
（4）中性减光片：是三块一组外径为 φ36mm 的中性减光片。光通过减光片后，光强将减弱。在单色光为 5770? 时，其减光率分别可达 25%，50%和 75%。其减光性能见表二。
表二 减光片减光性能表
相对透过率 规格
光谱波长（?）
75% 50% 25%
3
3650 64.4 40.1 17.6
4047 69.8 42.9 19.1
4358 70.7 44.0 19.5
5461 75.6 47.8 23.0
5770 75.8 48.7 23.9
图 5 GD-1 型微电流测试仪面板图
（5）GD-1 型微电流测试仪：面板图如图 5。电流测量范围为 AA μ?μ 9.1991.0,分辩率为 。机内设有稳定度 Aμ1.0 VVVVVV 3030,1515,33%,1 +++≤ 精密可调的光电管工作电源，最小分度值为 0.1 伏和1 伏。微电流测试仪可连续工作在十小时以上。
【预习思考题】
1,试解释存在饱和光电流的原因。
2,饱和光电流与光强有直线关系的前提是什么？
3,如何确定阴极金属材料的逸出功？
【实验内容】
在开始做实验之前，先要做好以下准备工作,
☆ 开机前准备：按照光源、光电管暗盒和微电流测试仪的顺序将仪器安放在适当位置，并将微电流测试仪面板上各个开关旋钮置于下列位置,
“电流量程”置,Aμ1,；,电压量程”置“30V” ；,电压极性”置“+” ；“电压调节”
逆时针调到最小。
☆ 将光源上出光孔和暗盒上入光孔分别用挡光盖盖上；把暗盒上“K”端用屏蔽电缆与微电流测试仪面板上“K”端连接，再用普通导线将二者对应的“A”和,,连接好。
☆ 先将电源开关打开，让汞灯预热 15-20 分钟，然后再打开微电流测试仪电源开关。
☆ 让光源出光孔与暗盒入光孔水平对准，二者间距保持在 20cm 左右。
4
☆ 取下光源出光孔上的挡光盖，观察并记录暗电流（此时暗盒上入光孔挡光盖不能摘，把电压慢慢由-3V 升高到 30V，观察暗电流变化） 。当“电压量程”为 3V,“电压极性”
为负时，旋转“电压调节”旋钮，可得到-3V～0V 的电压。
☆ 按照后面的实验内容进行测试。
1、测量 I—U 伏安特性曲线
将挡光盖盖住光源出光孔，把暗盒入光孔套架上挡光盖取下来，换上滤色片，再从光源出光孔上取下挡光盖，顺时针旋转“电压调节”旋钮，使电压由-3V 逐渐升高到 30V，
观察光电流的变化（每隔 1V 记一个电流值）,记下一组 I-U值，然后再将电压从 30V 降到
-3V。由短波到长波逐次换上五种不同波长的滤色片，这样可记 5 组 I-U 值。
2、测量Us- 特性（光谱特性）曲线
ν
把滤色片装在暗盒窗上，电压由-3V 升高到 6V，间隔 1V 测一个点。当电流开始变化
（急剧变化）时细测几个点（间隔 0.1V 或 0.2V） 。电流起始点所对应的电压值为反向遏止电压，滤色片由短波长向长波长方向逐次更换，方可测出 5 个反向遏止电压。
3、测量 I-P 特性（光电特性）曲线
把 577 型滤色片装在光源出光口，电压由 OV 升到 30V，记下饱和电流值，我们可视之为透光率为 100%的情况，还可测出透光率分别为 75%、50%和25%的三种情况，即将三块减光片再分别装在暗盒光窗上，电压都是从 0V 升到30V。由此可观察饱和电流与光的强度的关系。
【注意事项】
1.更换滤色片时注意避免污染，以免除不必要的折射光带来实验误差；
2.更换滤色片时先将光源出光孔遮住，而且做完实验后也要用遮光罩盖住光电管入光孔，避免强光直接照射阴极而缩短光电管寿命；
3.光电管入光孔勿对其它强光源以减少杂散光干扰。
【数据处理】
1．将[实验内容]1 中所测得的数据记入表三。
注意：在-2V 至 0V 间电流开始变化区间细测一下，多记几个点（即抬头点） 。
2．将[实验内容]3 中所得到的数据进行整理，分别记录透光率为 100%、75%、50%、
25%和 0 时所对应的饱和电流值，并将其记入表四。
3．选择合适的坐标纸，用表三、表四的数据分别作出光电管的伏安特性、光电特性和光谱特性曲线，由光谱特性Us- ν直线可求出“红限”频率 ν0。
4．求出Us- ν直线斜率 k，根据 h=ek 关系式求出普朗克常数 h。与公认值比较，写出
h 的结果表达式。
表三 不同波长下的伏安特性
5
3650
V(V)
I( ) Aμ
V(V)
（?）
I( ) Aμ
V(V)
I( ) Aμ
V(V)
4047
（?）
I( ) Aμ
V(V)
I( ) Aμ
V(V)
4358
（?）
I( ) Aμ
V(V)
I( ) Aμ
V(V)
5461
（?）
I( ) Aμ
V(V)
I( ) Aμ
V(V)
5770
（?）
I( ) Aμ
表四 不同照度下的伏安特性曲线
透过率
I(μA)
V(V)
100% 75% 50% 25% 0
0.0
10.0
20.0
30.0
【思考题】
1.密立根验证爱因斯坦光电效应方程的主要实验思想是什么？
2.当加在光电管两极间的电压为零时，光电流却不为零，这是为什么？
3.为什么反向电压加到一定值后，光电流会出现负值？
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