光电效应是物理学中一个重要的现象。在高于某特定频率的电磁波照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电。光电现象由德国物理学家赫兹于1887年发现，而正确的解释为爱因斯坦所提出。科学家们在研究光电效应的过程中，物理学者对光子的量子性质有了更加深入的了解，这对波粒二象性概念的提出有重大影响。
一、实验目的
(1) 通过光电效应加深对光的量子性的了解。
(2) 验证Einstein方程，并测定Planck常数。
二、主要实验仪器
GD－27型光电管，GGQ－50高压Hg灯，NG滤色片(365nm、405nm、436nm、546nm、577nm五片)，GD－Ⅲ型微电流测量放大器。
三、实验原理
当一定频率的光照射到某些金属表面时，可以使电子从金属表面逸出，这种现象称为光电效应，所逸出的电子称为光电子。光电效应是光的经典电磁理论所不能解释的。1905年， Einstein依据Planck的能量子假说提出了光子的概念，使光电效应所有的实验结果得以圆满解释。他认为光是一种粒子(即光子)，频率为ν的光子具有能量E =hν，当金属中的电子吸收一个频率为ν的光子时，便获得能量hν，如果该能量大于电子摆脱金属表面约束所需要的逸出功A，电子就会从金属中逸出。根据能量导恒定律有:
对于Einstein的假说，R．A．密立根从1905年Einstein的论文问世后经过十年左右艰苦卓绝的工作，1916年发表详细的实验论文，证实了Einstein方程，并精确测出了Planck常数。A． Einstein和R．A．密立根都因光电效应等方面的贡献，分别于1921年和1923年获得诺贝尔奖。
按照R．A．密立根实验思路，要求精确测定光电子最大动能和入射光频率之间的关系。实验原理图如图23－1所示。用不同频率的单色光照射光电管阴极K，用“减速电位法”测定阴极发射光电子的最大动能。当阳极A的负电位较小时，光电子损失一部分功能后，仍然可以达到阳极，形成的光电流由微电流测试仪G测出。阳极的负电位逐渐增大，光电流会随之变小;当阳极A的负电位增大到某一值时，使动能最大的光电子刚好不能克服减速电场到达阳极，光电流降为零，如图23－2所示，这时有关系式:
图23－1 实验原理图
图23－2 一定频率光下I-U曲线
这个使光电流刚刚降为零的电压Uc称为截止电压。由此，方程(23-1) 可改写成:
e Uc=hν－A
即
式(23-3)表示Uc与ν间存在线性关系，其斜率等于h/e，因而可以从对Uc与ν的数据分析中求出Planck常数。
光电效应实验验证Einstein方程，测定Planck常数，原理比较简单，但实际工作需要排除一些干扰，才能获得具有一定精度并且可以重复的结果。主要的影响因素如下。
(1) 暗电流:光电管在没有受到光照时也会产生电流，称为暗电流，主要来自光电管极的热电子发射。
(2) 反向电流:光电管的两极材料不同，在工业制作过程时，阳极A往往溅有阴极材料。当光射到A上时，阳极A往往也有电子发射;此外，来自阴极的电子也有被阳极表面反射的可能。当对阴极电子加负压使之减速时，对来自阳极的电子却起了加速的作用，从而使之到达阳极，形成反向电流。
由于上述因素的干扰，实测光电效应为阴极电流、暗电流和反射电流之和，如图23－3所示。由于反向电流和暗电流的存在，使得截止电压的测定变得困难。对于不同的光电管，应根据I-U曲线的特点，选用不同的方法确定截止电压。
图23－3 实测I-U曲线
本实验选取的GD－27型光电管，在截止电压附近阳极光电流上升很快，从I-U曲线中找出电流开始变化的“抬头点”，用来确定截止电压Uc。
四、实验内容
(1) 预备:将光源、光电管暗盒、微电流放大器安放在适当位置，暂不连线，并将微电流测量放大器面板上的开关旋钮置于下列位置:“电流调节”开关置于短路，“电压调节”反时针调到底。将光电管暗盒A(红)，接地(黑) 两端由导线接入实验仪背板的“电压输出”，将暗盒的K端按入背板的“电流输入”，用遮光罩盖住暗盒的光窗;将实验仪与电流接通，打开微电流放大器电源开关，预热约20分钟，调节光阑转盘，使光不能入射到光电管，打开光源开关，使汞灯预热。
(2) 待微电流测量放大器充分预热后，“调零、校准测量”转换开关置调零校准档，“电流调节”开关置短路档，调节“调零”旋钮使电流表指示为零，置“电流调节”开关于校准档，调“校准”旋钮使电流指示100，调零和校准反复调整，使之都能满足要求。然后置“调零、校准、测量”开关于测量档，旋动“电流调节”开关于各档，电流表指示都应为零(10－7档由于零漂而除外)。仪器已调整好，可以开始测量，在测量过程中若零点漂移，可随时进行调零和校准操作，这时要断开电流输入。调好后，“调零、校准、测量”开关仍置于测量档进行测量。
(3) 连接好光电管暗盒与微电流测量放大器，测量放大器“电流调节”旋钮置于10－7或10－6档，顺时针旋转“电压调节”旋钮读出相应的电压、电流值，此即光电管的暗电流值。
(4) 让光源出射孔对准暗盒窗口，并让暗盒距离光源约20 ～30cm，调节光阑转盘更换滤色片调节光波长，测量放大器“电流调节”置10－6或10－5，“电压调节”从最小(－3V)调起，滤色片从短波长逐次更换，每一枚滤色片读出一组I-U值。测出不同光频率的I-U值之后，在坐标纸上作出I-U曲线，认真审视曲线的拐折处，找出拐折处的电压Uc，求出普朗克常数h，h=e Uc/γ。
五、数据处理
(1) 将每种波长的光对应的数据记录在表23-1中。
表23-1 光电效应数据记录表
(2) 根据所得实验数据，在精度合适的方格纸(如25cm×20cm，画I-U曲线时频率轴不要过宽) 上，仔细作出不同波长的I-U曲线。从曲线中认真找出电流开始变化的“抬头点”，确定截止电压U0，并列表记下不同波长(频率) 下的Uc值。
(3) 用最小二乘法求出Planck常数。
六、注意事项
(1) 对于每种波长的光，其I-U数据点要满足作图要求，并不要求所有数据均匀取值，可在电流变化抬头点周围多取数据点，而在其他偏离抬头点的位置取代表性的几个点即可。
(2) 各种光的截止电压U0是随着光波波长的增加而变小的，如果在实验中发现例外，则要重新实验操作，以免后面数据处理时出现问题。
(3) 本仪器是精密测量仪器，使用时应小心轻放，不要在靠近仪器的地方走动，避免入射到光电管的光强有变化。
(4) 仪器不用时，调节光阑转盘，使光不能入射到光电管，以免光电管长期受光照而老化。
七、思考题
(1) 改变暗盒离光源的距离，使光电管的照度变化，对I-U曲线有何影响?
(2) 光电管阴极上均涂有脱出功小的光敏材料，而阳极则选用脱出功大的金属制造，为什么?
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