用單色LED光源測量普朗克常數(shù)

肖洪洋 羅澤 徐譽(yù)洲 李歡歡 彭川黔 龔恒翔

摘? ?要：本文介紹了用發(fā)光二極管代替汞燈來測量普克朗常數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法，汞燈存在預(yù)熱時(shí)間長，光源亮度不易調(diào)節(jié)，環(huán)境污染等問題。單色發(fā)光二極管雖然頻譜范圍較寬，但其光電效應(yīng)零點(diǎn)電壓總是對應(yīng)其頻譜范圍內(nèi)某近似波長，對單色發(fā)光二極管近似波長進(jìn)行定標(biāo)后，針對不同光電暗盒普朗克常數(shù)測量誤差不大于10%，單色發(fā)光二極管可作為普朗克常數(shù)測量光源。

關(guān)鍵詞：普克朗常數(shù)? 發(fā)光二極管? 光電效應(yīng)? 近似波長

中圖分類號：TN312? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）06（a）-0046-02

普朗克常數(shù)是聯(lián)系物質(zhì)的粒子性與波動性的重要參數(shù)，通過光電效應(yīng)測量普朗克常數(shù)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，可以加深學(xué)生對光粒子性的認(rèn)識，了解微觀領(lǐng)域能量的不連續(xù)性，更好的認(rèn)識光的本質(zhì)，因此光電效應(yīng)測普朗克常數(shù)是大學(xué)物理普遍開設(shè)的一個(gè)近代實(shí)驗(yàn)[1，2]，該實(shí)驗(yàn)主要通過截止電壓和頻率間的線性關(guān)系來計(jì)算普朗克常數(shù)。

光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)可簡單、準(zhǔn)確的測量出普朗克常數(shù)，現(xiàn)代光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)常用汞燈作為實(shí)驗(yàn)光源，而實(shí)驗(yàn)用的高壓汞燈存在以下不足：（1）高壓汞燈的驅(qū)動電源比較復(fù)雜，穩(wěn)定性要求也比較高，容易損壞。而且必須預(yù)熱20分鐘以上才能正常工作，一旦關(guān)閉不能立即點(diǎn)亮，否則燈管非常容易燒壞。（2）高壓汞燈中含有汞，不利于回收利用，會對環(huán)境造成污染。（3）高壓汞燈具有較強(qiáng)的紫外光譜成分，會對觀察者的眼睛造成傷害。

本文考慮采用單色發(fā)光二極管（LED）作為實(shí)驗(yàn)光源來代替汞燈。LED能避免光源發(fā)熱的問題，具有對環(huán)境無污染、性能穩(wěn)定、光強(qiáng)容易控制等優(yōu)勢。

1? 光電效應(yīng)原理

從赫茲發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)后，眾多學(xué)者對光電效應(yīng)理論及實(shí)驗(yàn)作了深入的研究[3，4]，當(dāng)光照射到金屬表面時(shí)，會有電子從金屬表面逸出，該物理現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)，逸出的電子被稱為光電子其動能為：

（1）

式中h為普朗克常量，其公認(rèn)值為6.6257×10-34J.sec;ν為入射光的頻率;m為電子質(zhì)量，v為光電子逸出金屬表面時(shí)的初速度;WS為光電子逸出金屬材料表面所需的最小能量。（1）式中，mv2/2是沒有受到空間電荷阻止，從金屬中逸出的光電子的最大初動能。由（1）式可見，入射到金屬表面的光頻率越高，逸出光電子的最大初動能必然也越大。若將被照射金屬連接入電流測量回路（如圖1），當(dāng)光照射到金屬端（陰極K），光電子將從K發(fā)射到陽極A，在電路中形成光電流，通過該回路可測量光電流大小。若在陰極K和陽極A間加入反向電場，當(dāng)電勢低于某一值時(shí)，所有電子都不能達(dá)到陽極A，光電流為零，此時(shí)陰極K與陽極A間電勢 被稱為光電效應(yīng)的截止電勢或截止電壓。顯然，此時(shí)有：

eUS-mv2/2=0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中，e為電子電荷。對于給定的金屬材料而言，WS是一個(gè)定值，令WS=hν0，ν0稱為光電效應(yīng)的紅限頻率，聯(lián)立（1）（2）式，可得

（3）

式（3）表明，“截止電壓-光頻”曲線是一條直線，它的斜率與金屬材料的性質(zhì)無關(guān)。

2? LED光譜分析

圖2是利用“復(fù)享PG2000”高質(zhì)量光纖光譜儀測量的一組單色LED光源光譜，圖中給出了各單色LED光源的中心波長及頻譜的半高寬。從圖2可看出，單色LED光源光譜集中在一較小波長范圍以內(nèi)，用單色LED光源來完成光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，其測量的零點(diǎn)電壓值將是所有頻譜的共同作用結(jié)果。

3? 數(shù)據(jù)測量與處理

從汞燈經(jīng)過濾色片后的光譜分析圖可以看出，用汞燈、濾色片系統(tǒng)獲得的測量光束的光譜并不單一，測量得到零點(diǎn)電壓是經(jīng)過濾色片后，所有色光的陰極電流、陽極電流、暗電流之和為零的點(diǎn)，是汞燈對應(yīng)譜線截止電壓的近似測量值，相反的也可以認(rèn)為，汞燈譜線是零點(diǎn)電壓所對應(yīng)截止電壓的近似光譜。

利用單色LED來完成光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，不同顏色的LED也可獲得不同的零點(diǎn)電壓，只要能找到該電壓對應(yīng)的近似光譜值，相應(yīng)的也可以用寬帶的LED完成光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)。

本文將以汞燈光譜為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)公式（3）來定標(biāo)不同顏色LED截止電壓對應(yīng)的近似光譜值。

表1.為利用光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)汞燈零點(diǎn)法對1號光電暗盒測量得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)值，通過直線擬合得到普朗克常數(shù)為：6.7580×10-34，紅限頻率ν0為：4.1048×1014。根據(jù)公式（3），通過零點(diǎn)法得到不同色光LED的零點(diǎn)電壓可反推得到不同色光LED所對應(yīng)的近似光譜值。

表2.為利用LED光源對1號光電暗盒利用零點(diǎn)法測量得到的零點(diǎn)電壓值，以及根據(jù)公式（3）反推得到的近似波長。從表2.可以看出，近似波長落在各色光LED光譜范圍以內(nèi)。

表3.為同一組LED光源，對不同光電暗盒進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)測試對比結(jié)果。從表3.可以看出，對于定標(biāo)光電暗盒（1號），重復(fù)測量相對誤差較小，而對于不同光電暗盒（2號，3號）零點(diǎn)法測量普朗克常數(shù)測量值相對誤差較大，但均在10%的誤差范圍以內(nèi)。若實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)要求精度不高，通過反推得到近似波長后，單色LED光源可以用來代替汞燈、濾色片系統(tǒng)進(jìn)行光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)。

4? 結(jié)論

從實(shí)驗(yàn)對比測試可以看出，用單色LED作為測量光源來完成光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，能比較準(zhǔn)確的測定普朗克常數(shù)，其測量誤差不大于10%。利用單色LED不但能極大的降低實(shí)驗(yàn)成本，而且能有效避免前文所介紹的汞燈光源引起的各種問題。

參考文獻(xiàn)

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