关于此实验
光照射到洁净的金属上时，可以将电子从表面击出。爱因斯坦在 1905 年解释了这一现象，其中令人意外的是，决定现象是否发生的是光的颜色，而不是亮度。光以称为光子的粒子形式到达，每个光子都具有 hf 的能量。只有当光子的能量大于金属的逸出功时，它才能释放一个电子；剩余的能量则转化为电子的动能。改变波长、亮度、金属和电压，并测量截止电压，亲自求出普朗克常数。
学习目标
- 描述光电效应和截止频率的概念
- 使用 E = hf，根据频率或波长求出光子的能量
- 应用光电方程 K_max = hf - φ
- 解释为什么遏止电压取决于频率，而不取决于光强
- 解释为什么光电效应支持光的光子模型
使用方法
- 1使用钠和 400 nm 的光观察电子。现在慢慢增大波长。波长达到多少时电子会停止逸出？
- 2设定一个能使电子逸出的波长，然后改变光强。变化的是电子的数量、速度，还是两者都会变？
- 3逐渐降低集电极电压，直到电流恰好为零。将这个遏止电压与最大动能进行比较。
- 4测量 250、300、350 和 400 nm 下的遏止电压。将其对频率作图，并求出斜率。
- 5切换到“能量与频率”。为什么所有直线的斜率都相同？
- 6先用可见光照射锌，再用紫外线照射。哪些金属可用于测量可见光的光度计？
模型
假设
- 每个光子最多释放一个电子；高于阈值的光子中，固定的一小部分会释放电子，因此饱和电流与光强成正比。
- 逸出电子的动能在0到K_max之间均匀分布，因此随着遏止电压增大，电流会呈直线下降。
- 两块极板都处于真空中。忽略两种金属之间的接触电势，以及超过饱和后在正电压下产生的任何电流。
- 功函数是洁净表面的典型值；实际表面会有零点几电子伏特的差异。
在课堂上试试这个实验
- Q1为什么非常亮的红灯不能使锌逸出任何电子，而微弱的紫外灯却可以？
- Q2波长为 300 nm 的光照射到钙（φ = 2.87 eV）上，截止电压是多少？
- Q3如果将光强加倍，饱和电流和截止电压会分别如何变化？
- Q4即使光只有一种波长，为什么电子的动能也不都相同？
- Q5波动模型预测，弱光需要一段时间积累足够的能量才能使电子逸出。为什么没有观察到这种延迟？
常见问题
什么是逸出功？
它是将电子从金属表面拉出所需的最小能量。金属内部较深处的电子需要更多能量，因此逸出的电子具有一系列动能，最高可达 K_max。
如何用这个实验求出普朗克常数？
测量几种波长对应的截止电压，将波长换算为频率，并绘制 eV 对 f 的图线。直线的斜率为 h，约为 4.14 × 10⁻¹⁵ eV s 或 6.63 × 10⁻³⁴ J s。
为什么所有正电压下的电流都相同？
集电极带正电后，所有释放出的电子都会到达集电极，因此电流取决于每秒释放出的电子数量。这个数量取决于光的强度，而不是电压。