三、实验原理

三、实验原理

光电效应的实验原理如图3.81所示。入射光照射到光电管阴极K上，产生的光电子在电场的作用下向阳极A迁移构成光电流，改变外加电压UAK，测量出光电流I的大小，即可得出光电管的伏安特性曲线。

光电效应的基本实验原理如下：

①对于某一频率，光电效应的I⁃UAK关系如图3.82所示。从图3.82中可见，对一定的频率，有一电压U0，当UAK≤U0时，电流为零，也就是这个负电压产生的电势能完全抵消了由于吸收光子而从金属表面逸出的电子的动能。这个相对于阴极的负值的阳极电压U0，被称为截止电压。

图3.81　光电效应实验原理图

图3.82　同一频率，不同光强时光电管的伏安特性曲线

②当UAK≥U0后，电势能不足以抵消逸出电子的动能，从而组件产生电流I。I迅速增加，然后趋于饱和，饱和光电流IM的大小与入射光的强度P成正比。

③对于不同频率的光，由于它们的光子能量不同，赋予逸出电子的动能不同。显然，频率越高的光子，其产生逸出电子的能量也越高，所以截止电压的值也越高，如图3.83所示。

④作截止电压U0与频率ν的关系图如图3.84所示。U0与ν成正比关系。显然，当入射光频率低于某极限值ν0（ν0随不同金属而异）时，不论光的强度如何，照射时间多长，都没有光电流产生。

图3.83　不同频率时光电管的伏安特性曲线

图3.84　截止电压U0与入射光频率ν的关系图

⑤光电效应是瞬时效应。即使入射光的强度非常微弱，只要频率大于ν0，在开始照射后立即有光电子产生，所经过的时间至多为10－9 s的数量级。

说明：实际中，反向电流并不为零。图3.82、图3.83中从零开始，是因为反向电流极小，仅为10－13～10－14数量级，所以在坐标上反映不出来。(https://www.daowen.com)

按照爱因斯坦的光量子理论，光能并不像电磁波理论所想象的那样，分布在波阵面上，而是集中在被称之为光子的微粒上，但这种微粒仍然保持着频率（或波长）的概念，频率为ν的光子具有能量

h为普朗克常数。当光子照射到金属表面上时，一次为金属中的电子全部吸收，而无须积累能量的时间。电子把这能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引力，余下的就变为电子离开金属表面后的动能，按照能量守恒原理，爱因斯坦提出了著名的光电效应方程

式中　A——金属的逸出功；

mv——光电子获得的初始动能，v0为最大速度，m为光电子的质量；

ν——光的频率；

h——普朗克常数。

由式（3.159）可见，入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子动能越大，所以即使阳极电位比阴极电位低时也会有电子落入阳极形成光电流，直至阳极电位低于截止电压，光电流才为零，此时有关系：

阳极电位高于截止电压后，随着阳极电位的升高，阳极对阴极发射的电子的收集作用越强，光电流随之上升；当阳极电压高到一定程度，已把阴极发射的光电子几乎全收集到阳极，再增加UAK时I不再变化，光电流出现饱和，饱和光电流IM的大小与入射光的强度P成正比。

光子的能量hν0＜A时，电子不能脱离金属，因而没有光电流产生。产生光电效应的最低频率（截止频率）是ν0＝A／h。

将式（3.160）代入式（3.159）可得：

式（3.161）表明截止电压U0是频率ν的线性函数，直线斜率k＝h／e，只要用实验方法得出不同的频率对应的截止电压，求出直线斜率，就可算出普朗克常数h。

爱因斯坦的光量子理论成功地解释了光电效应规律。