光電效應實驗的影響因素及誤差分析

王林香

(新疆師范大學 1物理系; 2礦物發光及其微結構重點實驗室； 3理論物理自治區重點學科,新疆 烏魯木齊 830054)

光電效應實驗的影響因素及誤差分析

王林香1，2，3

(新疆師范大學1物理系;2礦物發光及其微結構重點實驗室；3理論物理自治區重點學科,新疆 烏魯木齊 830054)

通過對光電效應伏安特性及普朗克常數測定實驗的研究，歸納出影響實驗結果的主要因素，除了暗電流、本底電流、反向電流、接觸電位差影響外，光源與光電管的間距、不同的處理數據的方法，也會對實驗誤差造成影響.實驗發現，光源與光電管間距40cm條件下，與計算機全自動處理方式比較，手動選取合適的拐點，半自動處理方式獲得普朗克常量的相對誤差較小，測量的伏安特性曲線的精確度也較高.本文對實驗中普朗克常量相對誤差變化原因進行了分析，給出了減小誤差的辦法，這對避免實驗干擾因素，有效操作實驗，改進實驗過程，獲得更加精準的實驗結果有一定的幫助.

光電效應；伏安特性；實驗影響因素；誤差分析

眾多研究者對光電效應伏安特性實驗和普朗克常量測量實驗開展了大量研究[1-3]，并對光電效應實驗的難點進行分析，提出改進實驗的初步方法[4,5].隨著光電效應在光電控制設備、光纖通訊技術、光電轉換器件上的廣泛應用，如何有效提高光電效應實驗精準度，減少影響因素，減小實驗誤差，成為光電效應實驗研究的一個重點.本文通過對光電效應伏安特性實驗和普朗克常數測定實驗的研究，歸納總結出一些影響實驗結果的因素，并提出了有效改善方法，同時對實驗中普朗克常量相對誤差變化原因進行了分析，給出了減小誤差的辦法，這為避免實驗干擾因素，改進實驗過程以及光電效應自動控制應用奠定了一定的基礎.

1 實驗

實驗采用GD-Ⅳ型微機光電效應實驗儀，用高壓汞燈(燈泡選用GGQ-50WHg型)；光電管采用GDh-1型(陽極為鎳圈，陰極為銀—氧—鉀，光譜范圍為340～700nm)，入射窗口配有45mm孔徑；用NG型濾色片，它是一組(5塊)寬帶型有色玻璃組合濾色片，可選365.0nm、405.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm的光；微電流放大器測量范圍10-6～10-13A，內附光電管工作電源(直流用于手動調節電壓，掃描用于微機改變電壓).

1.1 暗電流、本底電流等影響

通過反復試驗發現，首先存在以下因素直接影響實驗結果，要獲得更準確的實驗數據，表1給出了具體影響因素及解決辦法.

表1 影響實驗結果的4個因素及解決辦法

1.2 光源與光電管距離的影響

表2 光源與光電管不同間距測量的遏止電壓及普朗克常數的相對誤差

表2還給出了光源與光電管相距40cm時拐點法處理和計算機處理結果，對比光源與光電管間距20cm、30cm數據，間距40cm時獲得的普朗克常量相對誤差較小；在同樣間距40cm時條件下，拐點法半自動處理比計算機全自動處理結果的相對誤差要小.普朗克常量的相對誤差，間接地反映出伏安曲線的可靠程度，由以上結果可以看出，手動選取合適的拐點，再利用計算機自動處理，效果要好于計算機全自動處理結果.

圖1 光源與光電管相距40cm遮光下的伏安特性曲線

圖1給出了光源與光電管相距40cm遮光下的伏安特性曲線，普朗克常數相對誤差較小的情況下，測量的伏安特性曲線的精確度也較高.圖1給出了光源與光電管相距40cm遮光下的伏安特性曲線，從圖中可以看出，同樣入射光強下，入射光波長越小，單光子能量則越高，獲得的遏止電壓就越大.

1.3 光源對實驗的影響

實驗中，單色光是GGQ-50WHg型水銀燈光源經過濾光片后得到的，實驗所用的通光孔共有5、8、10、12、14、17等6個型號，NG型濾光片可選365.0nm、405.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm等5種濾光片，通光孔與濾光片可以根據實驗需要進行切換組合，也可用單色儀得到單色光源.高壓汞燈是一種氣體放電光源，在可見光區能產生幾條強光譜，且波長相差較大，如表3所示，每一種濾光片都能通過兩種波長的光，且這兩種光的透過率非常接近，所以每一次從高壓汞燈射進光電管的光盡管都通過了濾光片，但到達光電管的光并不是絕對單色光，所以通過濾光片后不同光譜線(頻率不同)進入光電管發生光電效應，此時愛因斯坦光電方程hν=Em+w0應寫成多個光電效應方程的組合，多種頻率光入射光電管，獲得光電子動能及相應遏止電壓都會有變化.所以，在改善光源方面，盡可能使用單色儀產生的光或者單色LED光源，這樣測量得到的飽和光電流數據更加準確.

表3 光源及經過濾光片透過率實驗數據

1.4 陰極材料對實驗的影響

由于不同的陰極材料對光靈敏度不同，對光的靈敏度間接地反映了飽和光電流隨入射光頻率的變化關系.圖2給出了光強度一定時，飽和光電流隨入射光頻率(或波長)變化的關系，銀-氧-銫(Ag-O-Cs)陰極出現了兩個峰.本實驗所用的陰極材料是銀-氧-鉀(Ag-O-K光譜范圍為340～700nm)，鉀與銫同屬第一主族，有相似的物理化學性質, 其相對靈敏度曲線應有兩個波峰，對光強相同，不同波長的光響應不同，將增加光電流變化的不確定性.一般光電陰極材料不同的光電管有不同的紅限頻率，所以，同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同，陰極若是銻銫材料，其對入射的可見光靈敏度較高；若入射光是紅外光，則用銀-氧-銫作為陰極材料；若是紫外光，則用銻-銫陰極材料，由此可見，針對不同的光源，需要選擇不同材料的陰極K，達到測量響應度高，結果精確.

圖2 陰極材料銀-氧-銫對光的靈敏度曲線

1.5 其他因素的影響

其他因素主要包括實驗室的光照條件、溫度、濕度、試驗儀器的狀態，如光電管長時間工作或是強光照射，陰極發射體容易疲勞，靈敏度會降低，從而影響實驗的結果；通光孔與濾光片在轉動時，注意不要讓彼此遮蓋，旋轉時注意方向，避免產生回程差，影響到入射光強.用微機輔助實驗時，由于微機對環境比較敏感，需保持周圍環境安靜，實驗者做實驗時需細心謹慎，養成良好的實驗操作習慣.

2 結語

通過對光電效應伏安特性實驗和普朗克常數測定實驗的研究，歸納總結出一些影響實驗結果的因素，并提出了有效改善方法，同時對實驗中普朗克常量相對誤差變化原因進行了分析，給出了減小誤差的辦法，這為避免實驗干擾因素，改進實驗過程，獲得較好的實驗結果以及光電效應自動控制應用奠定了一定的基礎.

[1] 凌濤,胡海寧,彭麟,等.利用固體物理LED發光原理測量普朗克常數[J].大學物理實驗,2015,(2):55-56.

[2] 姚啟鈞,華東師大光學教材編寫組.光學教程[M].4版.北京：高等教育出社,2008.

[3] 李曙光.光電效應中飽和光電流與入射光頻率的關系研究[J].大學物理實驗,2002,15(2):14-17.

[4] 王云志,趙敏.光電效應測普朗克常數的數據處理及誤差分析[J].大學物理實驗,2011,24(02):93-95.

[5] 李松嶺,李明雪.光電效應演示實驗的難點分析與成功改進[J].物理教師,2015,36(4):52-54.

[6] 李志武.光電效應演示實驗幾種方案的比較[J].物理通報,2011,29(1):65-66.

[7] 王林香.光電效應伏安特性實驗改進研究[J].大學物理實驗,2016,29(1):60-62.

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INFLUENCE FACTOR AND ERROR ANALYSIS OF THE PHOTOELECTRIC EFFECT EXPERIMENT

Wang Linxiang1，2，3

(1Department of Physics,2Key Laboratory of Novel Luminescent Materials and Nanostructures,3Key disciplinary areas of the theoretical physics of the Xinjiang Autonomous Region， Xinjiang Normal University, Urumqi 830054)

The volt-ampere characteristics and Planck’s constant measurement are researched in photoelectric effect experiment, the main factors affecting the experimental error are summarized including the dark current, the bottom current, reverse current and the contact potential difference, in addition to include the space between the light source and photoelectric tube, and the different processing methods for data. The experiments showed that the space of 40cm between the light source and photoelectric tube, compared with computer automatic processing method, manual selecting the appropriate inflection point, Planck constant obtained by semi automatic process has relative small error, and the measurement accuracy for the volt-ampere characteristic curve is higher. The reasons for the relative errors change of Planck’s constant are analyzed in this work, and the method is given to reduce the error. It is helpful to avoid the experimental interference factors, carry out experiment effectively, improve the experimental process, and get more accurate experimental results.

photoelectric effect; volt-ampere characteristic curve; experimental influence factors; error analysis

2016-01-14；

2016-04-21

新疆師范大學博士科研啟動基金(xjnubs-1011)資助項目.

王林香，女，副教授，從事光電子學及納米材料制備的實驗研究，研究方向為納米功能材料.wanglinxiang23@126.com

王林香. 光電效應實驗的影響因素及誤差分析[J]. 物理與工程，2016，26(5)：33-36，45.