光电效应实验的影响因素及误差分析

王林香

(新疆师范大学 1物理系; 2矿物发光及其微结构重点实验室； 3理论物理自治区重点学科,新疆 乌鲁木齐 830054)

光电效应实验的影响因素及误差分析

王林香1，2，3

(新疆师范大学1物理系;2矿物发光及其微结构重点实验室；3理论物理自治区重点学科,新疆 乌鲁木齐 830054)

通过对光电效应伏安特性及普朗克常数测定实验的研究，归纳出影响实验结果的主要因素，除了暗电流、本底电流、反向电流、接触电位差影响外，光源与光电管的间距、不同的处理数据的方法，也会对实验误差造成影响.实验发现，光源与光电管间距40cm条件下，与计算机全自动处理方式比较，手动选取合适的拐点，半自动处理方式获得普朗克常量的相对误差较小，测量的伏安特性曲线的精确度也较高.本文对实验中普朗克常量相对误差变化原因进行了分析，给出了减小误差的办法，这对避免实验干扰因素，有效操作实验，改进实验过程，获得更加精准的实验结果有一定的帮助.

光电效应；伏安特性；实验影响因素；误差分析

众多研究者对光电效应伏安特性实验和普朗克常量测量实验开展了大量研究[1-3]，并对光电效应实验的难点进行分析，提出改进实验的初步方法[4,5].随着光电效应在光电控制设备、光纤通讯技术、光电转换器件上的广泛应用，如何有效提高光电效应实验精准度，减少影响因素，减小实验误差，成为光电效应实验研究的一个重点.本文通过对光电效应伏安特性实验和普朗克常数测定实验的研究，归纳总结出一些影响实验结果的因素，并提出了有效改善方法，同时对实验中普朗克常量相对误差变化原因进行了分析，给出了减小误差的办法，这为避免实验干扰因素，改进实验过程以及光电效应自动控制应用奠定了一定的基础.

1 实验

实验采用GD-Ⅳ型微机光电效应实验仪，用高压汞灯(灯泡选用GGQ-50WHg型)；光电管采用GDh-1型(阳极为镍圈，阴极为银—氧—钾，光谱范围为340～700nm)，入射窗口配有45mm孔径；用NG型滤色片，它是一组(5块)宽带型有色玻璃组合滤色片，可选365.0nm、405.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm的光；微电流放大器测量范围10-6～10-13A，内附光电管工作电源(直流用于手动调节电压，扫描用于微机改变电压).

1.1 暗电流、本底电流等影响

通过反复试验发现，首先存在以下因素直接影响实验结果，要获得更准确的实验数据，表1给出了具体影响因素及解决办法.

表1 影响实验结果的4个因素及解决办法

1.2 光源与光电管距离的影响

表2 光源与光电管不同间距测量的遏止电压及普朗克常数的相对误差

表2还给出了光源与光电管相距40cm时拐点法处理和计算机处理结果，对比光源与光电管间距20cm、30cm数据，间距40cm时获得的普朗克常量相对误差较小；在同样间距40cm时条件下，拐点法半自动处理比计算机全自动处理结果的相对误差要小.普朗克常量的相对误差，间接地反映出伏安曲线的可靠程度，由以上结果可以看出，手动选取合适的拐点，再利用计算机自动处理，效果要好于计算机全自动处理结果.

图1 光源与光电管相距40cm遮光下的伏安特性曲线

图1给出了光源与光电管相距40cm遮光下的伏安特性曲线，普朗克常数相对误差较小的情况下，测量的伏安特性曲线的精确度也较高.图1给出了光源与光电管相距40cm遮光下的伏安特性曲线，从图中可以看出，同样入射光强下，入射光波长越小，单光子能量则越高，获得的遏止电压就越大.

1.3 光源对实验的影响

实验中，单色光是GGQ-50WHg型水银灯光源经过滤光片后得到的，实验所用的通光孔共有5、8、10、12、14、17等6个型号，NG型滤光片可选365.0nm、405.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm等5种滤光片，通光孔与滤光片可以根据实验需要进行切换组合，也可用单色仪得到单色光源.高压汞灯是一种气体放电光源，在可见光区能产生几条强光谱，且波长相差较大，如表3所示，每一种滤光片都能通过两种波长的光，且这两种光的透过率非常接近，所以每一次从高压汞灯射进光电管的光尽管都通过了滤光片，但到达光电管的光并不是绝对单色光，所以通过滤光片后不同光谱线(频率不同)进入光电管发生光电效应，此时爱因斯坦光电方程hν=Em+w0应写成多个光电效应方程的组合，多种频率光入射光电管，获得光电子动能及相应遏止电压都会有变化.所以，在改善光源方面，尽可能使用单色仪产生的光或者单色LED光源，这样测量得到的饱和光电流数据更加准确.

表3 光源及经过滤光片透过率实验数据

1.4 阴极材料对实验的影响

由于不同的阴极材料对光灵敏度不同，对光的灵敏度间接地反映了饱和光电流随入射光频率的变化关系.图2给出了光强度一定时，饱和光电流随入射光频率(或波长)变化的关系，银-氧-铯(Ag-O-Cs)阴极出现了两个峰.本实验所用的阴极材料是银-氧-钾(Ag-O-K光谱范围为340～700nm)，钾与铯同属第一主族，有相似的物理化学性质, 其相对灵敏度曲线应有两个波峰，对光强相同，不同波长的光响应不同，将增加光电流变化的不确定性.一般光电阴极材料不同的光电管有不同的红限频率，所以，同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同，阴极若是锑铯材料，其对入射的可见光灵敏度较高；若入射光是红外光，则用银-氧-铯作为阴极材料；若是紫外光，则用锑-铯阴极材料，由此可见，针对不同的光源，需要选择不同材料的阴极K，达到测量响应度高，结果精确.

图2 阴极材料银-氧-铯对光的灵敏度曲线

1.5 其他因素的影响

其他因素主要包括实验室的光照条件、温度、湿度、试验仪器的状态，如光电管长时间工作或是强光照射，阴极发射体容易疲劳，灵敏度会降低，从而影响实验的结果；通光孔与滤光片在转动时，注意不要让彼此遮盖，旋转时注意方向，避免产生回程差，影响到入射光强.用微机辅助实验时，由于微机对环境比较敏感，需保持周围环境安静，实验者做实验时需细心谨慎，养成良好的实验操作习惯.

2 结语

通过对光电效应伏安特性实验和普朗克常数测定实验的研究，归纳总结出一些影响实验结果的因素，并提出了有效改善方法，同时对实验中普朗克常量相对误差变化原因进行了分析，给出了减小误差的办法，这为避免实验干扰因素，改进实验过程，获得较好的实验结果以及光电效应自动控制应用奠定了一定的基础.

[1] 凌涛,胡海宁,彭麟,等.利用固体物理LED发光原理测量普朗克常数[J].大学物理实验,2015,(2):55-56.

[2] 姚启钧,华东师大光学教材编写组.光学教程[M].4版.北京：高等教育出社,2008.

[3] 李曙光.光电效应中饱和光电流与入射光频率的关系研究[J].大学物理实验,2002,15(2):14-17.

[4] 王云志,赵敏.光电效应测普朗克常数的数据处理及误差分析[J].大学物理实验,2011,24(02):93-95.

[5] 李松岭,李明雪.光电效应演示实验的难点分析与成功改进[J].物理教师,2015,36(4):52-54.

[6] 李志武.光电效应演示实验几种方案的比较[J].物理通报,2011,29(1):65-66.

[7] 王林香.光电效应伏安特性实验改进研究[J].大学物理实验,2016,29(1):60-62.

■

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

新疆师范大学博士科研启动基金(xjnubs-1011)资助项目.

王林香，女，副教授，从事光电子学及纳米材料制备的实验研究，研究方向为纳米功能材料.wanglinxiang23@126.com

王林香. 光电效应实验的影响因素及误差分析[J]. 物理与工程，2016，26(5)：33-36，45.