光电效应截止电压的测量方法与流程

本发明涉及物理参数的测量，特别是光电效应的截止电压的精确测量。

背景技术：

光电效应主要是指光照射到金属表面能够促使金属表面的电子脱离金属的束缚。由于电子脱离金属表面束缚需要一定的能量，所以能够产生光电效应的光线具备一个最低频率，最低频率对应的能量就是电子脱离金属的逸出功；光波能量高于逸出功的部分转化为金属表面溢出电子的动能。

四川大学物理实验中心的光电效应测量普朗克常数实验，在实验过程中，zky-gd-3试验仪采用对光电流信号进行放大测量，外加电压阻止光电子到达收集电极、光电流为0（量程10^-12a）对应的外加电压称为截止电压，存在的问题是：不同仪器、相同激发波长对应的截止电压存在差异，按照物理的角度：相同的物质、相同的环境、相同的测试条件，其结果应该相同。zky-gd-3试验仪结构复杂，仪器的测试原理和工作原理不便于理解，所以，有必要设计另外的测试方法进行截止电压的测量。

技术实现要素：

为更加合理的测量光电效应截止电压，本发明提供一种新的光电效应截止电压的测量方法。

本发明实现发明目的采用的技术方案是：光电效应截止电压的测量方法，光源发出的光线经过透光孔后、从进光孔照射产生光电效应的金属表面，其特征是：光电效应金属表面发射电子；在光电效应金属表面的前方有一个圆圈金属电极，在圆圈金属电极与光照射的光电效应金属表面之间形成电流；为表述方便，产生光电效应的金属称为电子源金属、即产生光电子的金属称为电子源金属，圆圈金属电极简称为光电子接受部件，将电子源金属连接到电容的一端、将光电子接受部件连接到电容的另一端，光电效应产生的电流对电容充电，电容的电压使电子源金属和光电子接受部件之间形成反向电场阻碍光电子进一步向光电子接受部件运动，当电容两端的电压不再升高的时候，此时电容两端的电压就是光源波长对应光电效应的截止电压。

光源产生的光电流在10^-8-10^-9a。采用数字万用表的直流电压档测量电容两端的电压，数字万用表的直流电压档的内阻在10⁷-10⁸欧姆。电容的容量为0.1*10^-6f-470*10^-6f。光源产生的光电流在10^-9a；采用数字万用表的2v直流电压档每隔10分钟测量一次电容两端的电压、每次测量时间在1秒之内，数字万用表的2v直流电压档的内阻在10⁷欧姆；电容的容量为10*10^-6f。光源产生的光电流在10^-9a；采用数字万用表的2v直流电压档每隔10分钟测量一次电容两端的电压、每次测量时间在1-2秒，数字万用表的2v直流电压档的内阻在10⁸欧姆；电容的容量为1*10^-6f。光源产生的光电流在10^-9a；采用数字直流电压档测量电容两端的电压，数字直流电压档量程为10v，数字直流电压档的内阻在10¹⁰欧姆；电容的容量为0.1*10^-6f，电容的击穿电压大于10v。

本发明的有益效果是：测试电路简单，仅需附加一个电容；测量原理清晰：直接测量电压；测量方案可行：现有的电容的容量、击穿电压、以及电压表的输入内阻之间的匹配关系，能够找到合适的充电时间、测试间隔时间，甚至实时监测电容两端的充电电压都成为可能；有助于准确直观地理解光电效应。光电效应产生的电子形成电流，电流达到电容的极板就自然会产生一个电压，该电压的作用就会阻滞光电子继续达到极板，从而达到一个动态平衡（即电容两端的电压不再增加，也遵从任何一个物理过程最终会达到一个平衡状态），动态平衡时电容两极（板）之间的电压就是截止电压。

附图说明

图1是光电效应实验仪器布置图；图2是光电管结构图（以及本发明的电容与光电管的连接方式）；

其中，1、光源；2、透光孔；3、光电管；4、进光孔；5、光线；6、电子源金属；7、光电子接受部件；8、电容。

具体实施方式

光电管3由电子源金属6和光电子接受部件7组成，光电子接受部件7一般平行于电子源金属6表面，电子源金属6和光电子接受部件7密封在透明真空玻璃壳中，电子源金属6和光电子接受部件7都引出透明真空玻璃壳外侧成为两个电极，两个电极能够外接电压阻止（外加反向电压）或者吸引（外加正向电压）光电子到达光电子接受部件7。

光源1发出的光线5经过透光孔2（光源位于一个密封容器，密封容器有一个透光孔2，即除透光孔2外、其它部分都遮挡光线）从进光孔4照射光电效应金属表面（即光电效应金属表面位于一个密封容器，密封容器有一个进光孔4，即除进光孔4外、其它部分都不透光），光电效应金属表面接受光照并发射电子；在光电效应金属表面的前方有一个电极（现有的试验仪为一个圆圈形状的金属导线），在圆圈金属电极与光照射的光电效应金属表面之间形成电流；为表述方便，产生光电效应的金属（接受光照后发射电子的金属）称为电子源金属6，圆圈金属电极简称为光电子接受部件7，（一般实验时通过在光电子接受部件7和电子源金属6之间加上反向电压，即光电子接受部件7接电源负极、电子源金属6接电源的正极，外界电压产生的电场将阻碍电子的运动，当电流为0时，此时的外接电压称为截止电压）将电子源金属6连接到电容8的一端（电解电容8的正极）、将光电子接受部件7连接到电容8的另一端（电解电容8的负极），光电流对电容8充电（由于光照，电子从电子源金属6发射出来，部分电子达到光电子接受部件7，使电容8的一端电子增加，电容8的另一端电子减少、即正电荷增加），电容8的电压使电子源金属6和光电子接受部件7之间形成反向电场阻碍光电子向光电子接受部件7运动，当电容8的电压不再升高的时候，此时电容8两端的电压就是光源1波长对应光电效应的截止电压。

因为一般电容的击穿电压都比较高，能够达到几十伏特甚至上千伏特，而金属的逸出功大多数在10v以内，所以，本发明基本上不需要提及电容的击穿电压的要求（因为电容的击穿电压都容易满足要求）。

光源1产生的光电流在10^-8-10^-10a。通过光源的光强增加、进光孔孔径的增大以及光电管的电子源金属6受光面积的增加来增大光电流。光电流就是光子将光电效应金属表面电子激发出来形成的电子电流。

采用数字万用表的直流电压档测量电容8两端的电压（物理实验室的光电效应的截止电压在2v以内，采用直流电压2v档位），数字万用表的直流电压档的内阻在10⁷-10⁸欧姆（本实验中心的数字万用表2v直流电压档位的内阻在10⁷欧姆，在京东网站查询fluke的数字万用表的直流电压档的内阻已经能够达到40m欧姆，即4*10⁷欧姆，所以10⁷-10⁸欧姆是现有技术能够达到）。

电容8的容量为0.1*10^-6f-470*10^-6f。电容小，达到截止电压需要的充电时间短，但是，由于现有的测量电压的内阻不够大，准确测量电压比较困难；电容大，达到截止电压需要的充电时间比较长（但是，能够比较准确地测量电压），对于科学研究其实也是值得的，对于学生实验（由于学时的限制）可能存在困难。

实验概况：四川大学物理实验中心，zky-gd-3试验仪对应的光源1（汞灯）放置在一个长方体盒子中，长方体盒子的上方有散热孔，长方体盒子的左侧侧面有透光孔2；光电管3也位于光源1左侧的一个长方体盒子中，光电管3所在的长方体盒子的右侧有一个进光孔4；zky-gd-3试验仪对应的光源1汞灯的波长为365nm、404.7nm、435.8nm、546.1nm、577nm；通过其中一套zky-gd-3试验仪测量365nm（经过滤色片获得该波长光线）照射到光电管3中的光敏金属（电子源金属6）、光阑直径8mm（图1没有画出，这是光电效应的常用的部分遮光部件，光阑用来改变进光孔孔径的大小，光阑越大、进光量越大、光电流越大）在外加电压为0（即不加反向电场）的光电流为1.4*10^-9a，即电容8的充电电流为1.4*10^-9a；通过zky-gd-3测量的365nm的对应截止电压在1.6v左右（各个zky-gd-3测量仪器测量的相同波长对应的截止电压存在0.1v-0.2v差异），根据电容8充电的公式cu=q，其中c为电容8的大小，u为电容8两端的电压，q为电压u对应的能够存储在电容8的电荷量，q=i*t，其中i为充电电流、光电效应的电流由光强决定（所以基本恒定）、i=1.4*10^-9a，t为充电时间。对于1*10^-6f电容8充电到1.6v所需要的时间t满足：cu=q=i*t，即1*10^-6f*1.6v=1.4*10^-9a*t，t=1142秒=19分钟；如果电容8为10*10^-6f，则为11420秒=3.17小时；如果电容8为100*10^-6f，则为114200秒=31.7小时。电容8容量小，充电时间短。

实验中心另外一台实验仪器的光电流数据(外加电压为0，进光孔4内径15mm):365nm(7.12*10^-9a)、404.7nm(1.86*10^-9a)、435.8nm(7.14*10^-9a)、546.1nm(0.87*10^-9a)、577nm(0.29*10^-9a)，对于测量普朗克常数或者逸出功的时候，只需要两个频率，对于该数据，较大的电流对应的频率365nm和435.8nm比较适合。

电容8小，充电时间短。但是，由于现有技术的电压表的内阻相对（光电效应的电流）而言不是可以忽略的，对于1.6v的电压，对于电压档内阻为10⁷欧姆的万用表，测量的时候其（放电）电流能够达到1.6*10^-7a，所以充电1.6*10^-7a/(1.4*10^-9a)=114秒（即测量间隔必须大于114秒、测量的持续时间必须在1秒之内才能够观察到电容的充电现象；内阻10⁸欧姆，则为11.4秒，这更理想一点）就可能被万用表1秒钟（放电电流不是恒定的，完全放完电需要更长的时间才能完成），所以建议是充电时间必须比较长（即电容比较大）、测量间隔比较长、测量持续时间尽量短、电压档的内阻最好比较大。

建议参数1：光源1产生的光电流在10^-9a；采用数字万用表的2v直流电压档每隔10分钟测量一次电容8两端的电压、每次测量时间在1秒之内，数字万用表的直流电压档的内阻在10⁷欧姆；电容8的容量为10*10^-6。充电时间11420秒，测量时间1秒，相当于充电时间114秒，即产生的误差在114/11420=1.0%;由于数字万用表（数字电压表）能够通过提高采用频率，比如1秒钟测量5次，即频显时间间隔为0.2秒（长于人的反应速度0.1秒），那么最初显示的电压更接近于充电电压（充电电压的极限值就是截止电压）。这样0.2秒的放电大致相当于22.8秒的充电，即114/11420=1.0%变为22.8/11420=0.20%，这样能够能够减少误差（对万用表而言，现有技术也是能够完成的）。另外，“提高充电电流到10^-8a”与增加电压表内阻（从10⁷增加到10⁸）具有相同的效果（现有技术通过增大进光孔的面积、增大光电管的电子源金属6的敷设面积就能够实现，在现有的光电管的基础上、通过增大进光孔的面积基本上就能够达到10^-8a的光电流，前面的参数7.12*10^-9a和7.14*10^-9a就已经比较接近10^-8a，只需要将进光孔内径15mm增加到20mm即可，本实验中心光电管电子源金属6的敷设面积直径在33mm、透光孔2的内径在31mm，即可以实现10^-8a的光电流）。

建议参数2：光源1产生的光电流在10^-9a；采用数字万用表的2v直流电压档每隔10分钟测量一次电容8两端的电压、每次测量时间在1-2秒，数字万用表的直流电压档的内阻在10⁸欧姆；电容8的容量为1*10^-6f。充电时间1142秒，这个时间相对人的耐心而言比较适中；对于内阻在10⁸欧姆、电压1.6v的放电电流为1.6*10^-8a，测量1秒钟（放电）相当于16秒（放电电流1.6*10^-8a/充电电流10^-9a）（误差估计16/1142=1.5%），如果数字万用表的采样时间（屏显时间间隔）能够达到0.2秒，这样能够将16秒改变成3.2秒（误差为3.2/1142=0.3%），这样的影响更能够忽略。

通过数字万用表直流电压档（或者直流数字电压表）每间隔一段时间测量到的电容8两端的电压不再增加，则表示充电完成，此时的电容8两端的电压就是该频率的光波对应的截止电压。建议1：测量时间尽量短暂，即电压数值看清楚即停止测量；建议2：测量间隔时间应该长于“电容两端的电压/数字万用表直流电压档内阻/充电电流”，最好是间隔时间为电容两端的电压/数字万用表直流电压档内阻/充电电流10倍以上，测量的持续时间在1秒以内（尽可能短）。

现有电压测量技术:数字示波器的输入电阻在1兆欧姆;数字万用表的电压档一般在10兆欧姆,200mv档位有100兆欧姆（因为量程小，基本上用不上）；在京东网站有一款纳伏表“keithley吉时利纳伏表-2182a/e”，其10.000000v（分辨率1微伏）档位的输入电阻大于10000兆欧姆（即10g欧姆，放电电流在10^-10a,小于充电电流10^-8-10^-9a，纳伏表测电压的放电效应对电容的充电电压的测量没有影响：因为放电电流10^-10a已经远远小于充电电流10^-8-10^-9a），这个比较适合于本发明的电压测量。可以采用：光源1产生的光电流在0^-8-10^-9a；采用数字万用表的10v直流电压档测量电容8两端的电压，数字直流电压档的内阻在10¹⁰欧姆；电容8的容量为0.1*10^-6f（充电时间短）。这样的好处能够实时监测电容两端的电压、直到电压不再增加，即达到截止电压。对于“keithley吉时利纳伏表-2182a/e”价格比较贵（40000多元），可以适合于科研型研究，不影响本发明的可实施性。