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实验三十八光电效应法测普朗克常数Experiment38DeterminingthePlanck’sconstantusingphotoelectriceffect量子力学是近代物理的基础之一，而光电效应对认识光的本质及早期量子理论的发展，具有里程碑似的意义。随着科学技术的发展，光电效应己广泛应用于工农业生产、国防和许多科技领域。利用光电效应制成的光电器件，如光电管、光电池、光电倍增管等已成为生产和科研中不可缺少的器件。普朗克常数是自然科学中一个很重要的常数，它可以用光电效应法简单而又准确地求出。1905年爱因斯坦大胆地把1900年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（量子化）的观点应用于光辐射，提出“光量子”概念，成功地解释了光电效应现象。对于爱因斯坦的假设，许多学者都企图通过自己的工作来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密立根，他经过十年左右的时间，对光电效应开展全面的实验研究，对爱因斯坦方程做出了成功的验证，并精确测出了普朗克常数h=6.62619Js，推动了量子理论的发展，树立了一个实验验证科学理论的良好典范。爱因斯坦和密立根都因光电效应等方面的杰出贡献，分别于1921年和1923年获得诺贝尔奖。实验原理Experimentalprinciple1．光电效应photoelectriceffect一束光照射到金属表面，会有电子从金属表面逸出，这个物理现象称为光电效应。它是1887年赫兹在验证电磁波存在时意外发现的现象。在赫兹发现光电效应之后，哈耳瓦克斯、斯托列托夫、勒纳德等众多科学家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规律如下：1）光电流与光强成正比，如图1（a）所示；2）光电效应存在一个阈频率（或称截止频率），当入射光的频率低于某一阈值时，不论光的强度如何，都没有光电子产生，如图1（b）所示；3）光电子的动能与光强无关，与入射光的频率成正比，如图1（c）所示；4）光电效应是瞬时效应，一经光线照射，立刻产生光电子（延迟时间不超过秒）。停止光照，即无光电子产生。这些实验规律，无法用人们当时所熟知的麦克斯韦经典电磁理论来解释。2．爱因斯坦方程Einsteinequation爱因斯坦光量子假说成功地解释了这些实验规律。他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，他假设光是由能量为hν的粒子（称为光子）组成的，其中h为普朗克常数，当光束照射金属时，以光粒子的形式射在金属表面上，金属中的电子要么不吸收能量，要么吸收一个光子的全部能量hν。只有当这能量大于电子摆脱金属表面约束所需要的逸出功时，电子才会以一定的初动能逸出金属表面。根据能量守恒有（1）式（1）称为爱因斯坦光电效应方程。h为普朗克常数，ν为入射光频率，m为电子的质量，为光电子逸出金属表面时的初速度，为受光线照射的金属材料的逸出功。在式（1）中，是光电子逸出金属表面后所具有的最大初动能。由式（1）可见，入射金属表面的光频率越高，逸出来的电子最大初动能也越大。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而形成光电流，甚至阳极相对阴极的电势低时，也会有光电子落到阳极，直到阳极电势低于某一数值时，所有光电子都不能到达阳极，光电流才为零，如图1（a）。这个相对阴极为负值的阳极电势称为光电效应的截止电压。显然，此时有（2）P低UU（a）（b）（c）UsUs图1关于光电效应的几个特性（2）式中为电子电荷，代入式（1）即有e=hν-（3）由于金属材料的逸出功是金属的固有属性，对于给定的金属材料是一个定值，它与入射光频率无关。令=h,为阈频率，即具有阈频率的光子恰恰具有逸出功，而没有多余的动能。将式（3）改写（4）式（4）表明，截止电位是入射光频率的线性函数。当入射光的频率=时，截止电压=0，没有光电子逸出。图1（b）所示的—曲线的斜率是一个常数。于是可写成：（5）可见，只要用实验方法作出不同频率下的—曲线，并求出此曲线的斜率，就可以通过式（5）求出普朗克常数h的数值。3．验证爱因斯坦方程的实验experimentofverifyingEinsteinequation1）密立根实验密立根设计的测量普朗克常数的实验原理图，如图2所示。频率为、...