光电效应实验 南京理工大学物理实验中心 同学们好，本次实验为大家讲解光电效应实验。 讲课之前，请先打开实验仪器电源预热，以使仪器进行正常的精确测量。 南京理工大学物理实验中心

物理概念：光电效应 在一定频率光的照射下，材料表面发出电子的现象叫做光电效应。发射出来的电子叫光电子。 光照射到材料表面上时，光的能量仅部分以热能的形式被材料吸收，而另一部分则转换为材料表面中某些电子的能量，促使这些电子从表面逸出来，这种现象叫做光电效应，逸出的电子叫做光电子。光电效应可以在任何材料中发生，可是在金属或其他导体，它最容易观察到，因为该过程引起了电荷不平衡。 如果金属板作为阴极，加上阳级就构成了一个光电管。在两极加上电场，那么光电子会做定向移动，形成光电流，电流是一个比较容易测量的物理量，这样我们就可以研究光电效应的一些物理规律了。接下来，我们还是先来看一下，光电效应是怎么被发现的。

一、历史背景 德国物理学家赫兹（Heinrich Rudolf Hertz，1857-1894） 在1887年在实验中首次发现，用紫外线照射电极，会非常容易的产生电火花，这是光电效应实验的雏形。 赫兹 德国物理学家普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck，1858-1947）在1900年研究黑体辐射时，提出了量子假说，即电磁波所携带的能量只能以能量包的形式释放。他引进了一个物理普适常数，即普朗克常数，是微观现象量子特性的表征。 普朗克的伟大成就之一，就是提出了量子假说，引导了物理学理论的一次巨大变革。 普朗克常数是现代物理学中最重要的物理常数，它标志着物理学从“经典幼虫”变成“量子蝴蝶”。 普朗克

德国科学家爱因斯坦（Albert Einstein，1879-1955）推进了普朗克假设，给出了光电效应方程，成功解释了光电效应现象。因光电效应现象规律的发现，获得1921年诺贝尔物理学奖。 1916年美国物理学家罗伯特·密立根(Robert Andrews Millikan,1868～1953)历经十年，发表了光电效应实验结果，验证了爱因斯坦的光量子说。因基本电荷和光电效应的工作，获1923年诺贝尔物理学奖。 光电效应的研究，引出了理解光量子本质的重要一步，并影响了波-粒子二象性这一重要物理概念的形成。 光电效应，不仅在电子物理学，而且在化学领域，如量子化学或电化学中，都被广泛的研究。 爱因斯坦有5个有划时代意义的物理理论贡献 (1)光量子论， (2)分子运动理论，解决半个多世纪来科学界和哲学界争论不休的原子是否存在的问题做出了突出贡献。 (3)创立狭义相对论，推动了整个物理学理论的革命。 (4)质能相当性，它是原子核物理学和粒子物理学的理论基础， （5）广义相对论 密立根他本人进行这些实验的目的是推翻爱因斯坦公式，也包括公式赖以建立的光量子假说。可是，实验结果却支持这些假说，使其成为理论。 科学上的争强好胜密立根以其实验的精确著名。 通过油滴实验，他测的精确值最终结束了关于对电子离散性的争论，并使许多物理常数的计算获得较高的精度。 密立根

二、社会应用--图像传感器 这款由瑞士Seitz公司推出的相机具备1.6亿像素，由于可拍摄的6*17cm的全景画面，所以这款相机的型号也被称为Seitz 6x17。由于拍摄的画面比较大，所以每次拍摄需要花1秒钟的时间。 最大分辨率为7500*21250像素 此相机拍摄相片的分辨率可达7500*21250像素。除了拍摄6*17cm的大幅画面外，用户也可进行调节拍摄6*6cm、6*9cm、6*15cm格式的相片。Seitz 6x17相机的ISO范围为500—10000, 快门速度可达1/20000。

能源

工业控制与测量

其它应用 光传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之一，它在自动控制和非电量电测技术中占有非常重要的地位。 光敏传感器的种类繁多，主要有：光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、光电耦合器、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD和CMOS图像传感器等。

三、光电效应规律 1）光电效应的发生几乎是瞬时的，时间不超过10-9s。 2）任何金属都有一个能产生光电效应的最低照射光频率，叫做极限频率。 3）光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大，而与入射光强度无关。 定性认识123 定量研究456

4）不同光照频率下，截止电压不同 讲解时各物理量结合实际仪器讲解

4）不同光照频率下，截止电压不同。 普朗克常数的求解： 当光电管上所加电压等于于截止电压时，光电流为零， 有如下关系 计算可得 A为金属逸出功 普朗克常数的求解： 爱因斯坦光电效应方程： 当光电管上所加电压等于于截止电压时，光电流为零， 有如下关系 计算可得 4）不同光照频率下，截止电压不同。 讲解时各物理量结合实际仪器讲解

5）截止电压与入射光频率成线性关系。

6）光电流强度与入射光的强度成正比。 饱和电流概念

7）光电流强度与入射光的频率不成正比。

7）验证光电效应第一定律 光电效应第一定律： 当光源频率一定或光源频谱分布一定时，饱和光电流Im与阴极的光通量Φ有严格的正比关系。 实验装置中点光源照射到光电管阴极的光通量正比于1/L2， 其中L为入射距离。 由实验测得Im与1/L2 关系，就可验证光电效应第一定律。

实验拓展 用436nm滤色片产生的光电流，可能会大于用405nm滤色片，思考一下原因。 如果电压小于截止电压，有时会出现微弱的负电流，思考一下原因。