七、补充说明
(1)光电效应实验步骤示例——测普朗克常数(以400 mm距离,ϕ4光阑为例)
1)准备工作
①将汞灯及光电管暗箱用遮光盖盖上,接通实验仪及汞灯电源,预热20 min。
②调整光电管与汞灯距离为400 mm,并保持不变。
③用专用连接线将光电管暗箱电压输入端与实验仪电压输出端连接起来(红—红,蓝—蓝)。
④将光电管暗箱电流输出端K与实验仪微电流输入端断开(断开实验仪一端)。“电流量程”置于10-13挡位(光电管工作情况与其工作环境,工作条件密切相关,可能置于其他挡位),进行调零。
注意 调零时,必须将光电管暗箱电流输出端K与实验仪微电流输入端断开,且必须断开连线的实验仪一端。
⑤用高频匹配电缆(短Q9线,长500 mm)将电流输入连接起来,按“调零确认/系统清零”键,系统进入测试状态。
2)测量
①手动测量:
a.按“手动/自动”键将仪器切换到手动模式。
b.打开光电管遮光盖,将“ϕ4”的光阑及365.0 nm的滤光片滤色片调到“↓”下方,打开汞灯遮光盖。
注意 先安装光阑及滤光片后打开汞灯遮光盖。
c.由高位到低位调节电压(←,→调节位,↑,↓调节值的大小)。寻找电流为零时的电压值,以其绝对值作为U0的值,记录下来。
d.依次更换404.7 nm,435.8 nm,546.1 nm,577.0nm的滤光片,重复①手动测量步骤b.。
注意 更换滤光片时需盖上汞灯遮光盖。
e.测试结束。
②自动测量:
a.按“手动/自动”键将仪器切换到自动模式。
b.此时电流表左边指示灯闪烁,表示系统处于自动测量扫描范围设置状态,用电压调节键设置扫描起始电压和扫描终止电压。
注意 显示区左边设置起始电压,显示区右边设置终止电压。
建议扫描范围:365 nm、-1.90~-1.50 V;405 nm、-1.60~-1.20 V;436 nm、-1.35~-0.95 V;546 nm、-0.80~-0.40 V;577 nm、-0.65~-0.25 V。
c.设置好后,按动相应的存储区按键,右边显示区显示倒计时30 s。倒计时结束后,开始以4 mV为步长自动扫描,此时右边显示区显示电压,左边显示区显示相应电流值。
d.扫描完成后,“查询”指示灯亮,用电压调节键改变电压,读取电流为零时的电压值,以其绝对值作为U0的值,记录下来。
e.按“查询”键,查询指示灯灭,此时系统回复到扫描范围设置状态,可进行下一次测试。
f.旋转滤色片选择圈,依次换上404.7 nm,435.8 nm,546.1 nm,577.0 nm滤光片,重复②自动测量步骤b—f。
注意 更换滤光片时应盖上汞灯遮光盖。
g.测试结束。
(2)光电效应实验步骤示例2——测I⁃UAK关系
不同谱线在同一光阑,同一距离下的伏安饱和特性曲线。以400 mm距离,ϕ4光阑为例。
1)准备工作
①断开光电管暗箱电流输出端K与实验仪微电流输入端,将“电流量程”置于10-1 1档(光电管工作情况与其工作环境,工作条件密切相关,可能置其他挡位),系统进入调零状态,进行调零。
注意 调零时必须把光电管暗箱电流输出端K与实验仪微电流输入端断开,且必须断开实验仪一端。
②用高频匹配电缆(短Q9线,长500 mm)将电流输入连接起来,按“调零确认/系统清零”键,系统进入测试状态。(https://www.daowen.com)
2)测量
①手动测量:
a.按“手动/自动”键将仪器切换到手动模式。
b.旋转光阑选择圈和滤色片选择圈,“ϕ4”光阑及“365.0”滤色片调到“↓”下方,打开汞灯遮光盖。
c.按电压值由小到大调节电压(←,→调节位,↑,↓调节值的大小),记录下不同电压值及其对应的电流值。
d.改变滤光片,重复①手动测量步骤b—d。
e.测试结束,依据记录下的数据作出I-UAK图像。
②自动测量:
a.按“手动/自动”键将仪器切换到自动模式。
b.旋转光阑选择圈和滤色片选择圈,“ϕ4”光阑及“365.0”滤色片调到“↓”下方,打开汞灯遮光盖。
c.此时电流表左边指示灯闪烁,表示系统处于自动测量扫描范围设置状态)用电压调节键设置扫描起始电压和扫描终止电压。(最大扫描范围为-1~50 V)
d.设置好后,按动相应的存储区按键,右边显示区显示倒记时30 s。倒记时结束后,开始以1 V为步长自动扫描,此时右边显示区显示电压,左边显示区显示相应电流值。
e.扫描完成后,“查询”指示灯亮,用电压调节键改变电压,录下不同电压值及其对应的电流值。
f.按“查询”键,查询指示灯灭,此时系统回复到扫描范围设置状态,可进行下一次测试。g.旋转滤色片选择圈,依次换上404.7 nm,435.8 nm,546.1 nm,577.0 nm滤光片。
注意 更换滤光片时应盖上遮光盖。
h.重复②自动测量步骤b~f,直到测试结束,依据记录下的数据作出I-UAK图像。
注意 使用示波器观察不同谱线在同一光阑,同一距离下的伏安饱和特性曲线时,由于各谱线的特性曲线数据跨度较大,为取得最佳显示效果,建议只做“435.8”“546.1”“577.0”三条谱线的特性曲线进行比较。
测某条谱线在同一光阑,不同距离下的伏安饱和特性曲线和某条谱线在不同光阑,同一距离下的伏安饱和特性曲线与不同谱线在同一光阑,同一距离下的伏安饱和特性曲线的方法类似,只是将改变滤光片改为改变距离或光阑,同时为避免数据溢出,将“电流量程”适当调整即可。
(3)光电效应伏安特性曲线的说明
光电效应具有如下的实验事实:
①截止电压与频率呈线性关系,光子频率越高,截止电压越高。
②对同一频率的光,饱和光电流的大小与入射光强成正比,如实验原理中图3.83所示。
③对不同频率的光,饱和光电流的大小取决于入射光强与光电管阴极材料在该频率的光谱灵敏度。饱和光电流大小与频率无直接的必然联系。
对于光电管常用的阴极材料,365~577 nm的光谱灵敏度相差不大,作5条谱线的伏安特性曲线时,哪条谱线位置高,主要取决于该条谱线的入射光强度。
应该说明,实验原理中图3.83只是用于说明对于不同频率的光,截止电压不同。图3.83中频率高的光饱和光电流大,只是因为在用于举例的两条条谱线中,频率高的谱线光更强。假如是频率低的光更强,则频率低的光的饱和光电流当然会大于频率高的光的饱和光电流。
在光阑大小一致时,不同波长的光强度由汞灯光源在该波长处的相对强度及该波长滤光片的透过率共同决定。
图3.85所示为光电效应用汞灯谱线典型的相对强度,表3.32为滤色片的透过率。

图3.85 汞灯谱线的相对强度
表3.32 各滤光片的透过率

综合考虑汞灯谱线强度和滤色片透过率,光电管接收到的谱线强度依次是365 nm,436 nm,405 nm,546 nm,577 nm。典型情况下各谱线的高低也依此排序。
需要说明的是,由于汞灯在生产中的差别或使用过程中发生条件改变,同一批次的各汞灯,或同一只汞灯在使用一段时间后,光谱都可能不一样,可能导致不同频率伏安特性曲线的高低排序发生改变。
不论各条谱线高低如何排序,只要证明饱和光电流大小与光强成正比,就与光电效应的基本实验事实符合,我们的实验正好证明了这点。