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用第一性原理分析光电效应研究的百年是非(第一部分)

用第一性原理分析光电效应研究的百年是非(第一部分) 锐光凯奇raycage
2024-04-02
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导读:邓老师多年持续研究近代物理史料,实施相关实验创新改造获得多项发明专利和实用新型专利,牵头组织了汇集近二十年第一手近代物理实验资料的《近代物理再实验手记》的编写出版。本书将在文末送出。
作者简介:邓剑平,1982年毕业于陕西师范大学物理系物理专业,理学学士,1996年10月获评国家冶金工业部“高级工程师”。连续从事物理教学、物理实验教学和实验管理四十年,2022年7月退休前在青岛理工大学理学院物理实验中心专职实验教师。近年持续研究近代物理史料,实施相关实验创新改造获得多项发明专利和实用新型专利,牵头组织了汇集近二十年第一手近代物理实验资料的《近代物理再实验手记》的编写出版。

一、光电效应实验中反向遏止电压Us与入射光光强是否有关系?

光电效应实验中反向遏止电压Us与入射光光强是否有关系?先来说说我怎么会想到这个问题。1978年至1982年我在陕西师范大学物理系学习,去中级物理实验室做“光电效应测普朗克常数”实验,用的是“高压汞灯光源”经过“专用滤色镜”过滤出来的λ4 = 3650.2Å,λ5 = 4046.8Å,λ6 = 4339.4Å ,λ7 = 5461.0Å 和λ8 = 5770.0Å 等五组单色光分别来做光电效应实验IA ~ U曲线,图解法求出每个入射光频率对应的反向遏止电压Us,并作出 Us ~ν实验关系曲线(直线型)再用两点式求出该直线的斜率k ,借助“爱因斯坦光电效应方程”,最后间接测量出普朗克常数h

当年作为一个物理专业的学生,在做光电效应实验的时候就有几个大大的疑问:

为什么用高压汞灯来做光电效应实验?为什么不用那个能输出更多色光的圆罐子单色仪来做光源?

为什么换上滤色镜以后,还先要挥动小摇把来移动光源与装有光电效应管接收暗盒的轨道位置,使之在特定频率的入射光照射下的零偏压光电流值达到一个规定的值,然后再测这个频率对应的光电效应实验数据?

因为时间过去的太久远已经记忆不清楚具体是什么值了,只是记得在指针式微电流表表盘上有个明显的“红色标记”,下面摘取来自佚名作者编写的《实验二光电效应实验》实验指导材料,网上可以下载到原始文档。

“......5.正式测量。正式测量时先移远光源,参考表2调节工作电压起始值(都是负值),μA量程置10-5档。细心移近光源使μA表满偏,此后光源不可再动。令工作。。。 6.更换单色光。测毕一种单色光后,要按照波长递增的顺序更换滤色片,同时移远光源,重复步骤5,最大电流都取10-3微安 。。。。。。”

这里为什么要移动光源与装有光电效应管接收暗盒的轨道位置?

百思不得其解,因为爱因斯坦的光量子假说和光电效应方程告诉我们,光电效应中光电子获得光量子的能量只与入射光的频率相关,与入射光的光强无光。

光电效应实验中反向遏止电压Us与入射光光强 Iν是否有关系?

这里我们来应用一下第一性原理(First principle thinking):回归事物最基本的条件,将其拆分成各要素进行解构分析,从而找到实现目标最优路径的方法。

物理学解决纷争的方法不是拔枪决斗,而是做实验,做一个新实验,做一个有不同光强入射光的光电效应实验:

为了精确地定量研究特定频率入射光光强 Iν 与最小反向遏制电压Us实验关系,我们首先对光电效应实验仪高压汞灯辐射出的365nm405nm436nm546nm577nm这五个不同频率的入射光,在实验室找到同型号的光电效应实验备用仪器,先拆解下三套滤镜盘,再拆解出每个滤镜盘上的五组不同频率的滤色镜,利用光纤光谱仪(Ocean Optics SpectreSuite)进行了分色光的逐项组合测定。

光电效应实验仪专用滤镜盘

拆解出的各个频率色镜

入射光采用光栅光谱仪测定组合后色光光强数据曲线
利用这些拆解下来的色镜,按照上述的组合方式我们重新设计了光电效应实验的实验方式和实验内容,具体来说就是:采用同频专用滤镜组合来实现精准的单色入射光光强 Iν的调控,观察其对最小反向遏制电压 Us 的影响。
对使用原仪器自带的365nm滤镜,对光电效应管照射 I365nm,测定相应阳极电压U从-2.36V到+30.00V对应的光电流 IA 实验值记入表2.2,加一组(用两组)同频滤镜再次对光电效应管照射 I365nm,测定相应阳极电压从-2.36V到+30.00V对应的光电流 IA,再加一组(用三组)同频滤镜再次对光电效应管照射 I365nm,测定相应阳极电压U从-2.36V到+30.00V对应的光电流 IA,将上述实验测量值记入表2.3。
我们利用实验数据就可以做出365nm同频专用滤镜组合来实现精准的单色入射光光强 Iν 的调控,观察其对最小反向遏制电压 Us 的影响光电效应实验曲线。
先来观测对应于365nm不同入射光光强度,施加正向电压0.000V至30.00V的实验数据分布,测量结果如图2.26所示,我们可以获得施加正向电压光电流变化的实验数据分布曲线。

需要说明的是本实验仪器的电压测量精度在-2.00+2.00范围以内(不包含-2.00+2.00电压点)电压测量精度自动升高一位,调节电压最低位实现0.001V的测量精度输出,这是2010年采购这批在用光电效应实验仪的时候,我们对实验仪器设备生产厂家提出的一个设备改进要求,其目的就是为了能够用更高的电压分辨率来精密测量光电效应。

对应于365nm不同入射光光强度施加正向电压0.000V至30.00V实验数据曲线

这里我们看到实验数据的分布证实了P.雷纳德得出的入射光光强度 Iν 越高,正向光电流 IA 越大的结论。

下面我们来重点观测,对应于365nm不同入射光光强度 Iν,施加反向电压U从-2.36V至0.000V测定光电流 IA 实验数据,将数据标绘分布曲线来观察单色入射光光强Iν 的调控对最小反向遏制电压Us 的影响,我们就得到了与P.雷纳德实验结论完全不同的实验证据,如下图所示。

365nm不同入射光光强度 Iν 测定遏制电压U与光电流 IA 实验数据曲线
随着增加同频滤镜组数伴随着入射光光强 Iν 的降低,通过光电效应U - IA 曲线获得的 Us 出现了显著的相关性,即入射光光强 Iν 越低,反向遏制电压 Us 的绝对值也越低。
上述实验结果证明,P.雷纳德做出的“光电子的逃逸速度与入射电磁波的频率有关,而与入射光的光强度无关”的“实验”结论是错误的。
为了说明我们实验的普适性,除了上面对高压汞灯365nm色光不同光强 Iν 的测定以外,下面我们来继续分析高压汞灯其他同频单色光不同光强 Iν 测量所获的实验数据标绘成实验曲线,并用图解法做出与单色光光强 Iν 相对应的最小反向遏止电压 Us 。
405nm不同入射光光强度 Iν 测定遏制电压U与光电流IA 实验数据曲线

436nm不同入射光光强度Iν测定遏制电压U与光电流IA 实验数据曲线
546nm不同入射光光强度Iν 测定遏制电压U与光电流IA 实验数据曲线
577nm不同入射光光强度 I 测定遏止电压U与光电流IA 实验数据曲线
至此,我们的实验完成了既定的实验目标,获得的实验结论是:与遏止电压 Us 相关联的光电子最大逃逸速度不仅仅与入射光的频率ν有关,同时也与入射光的光强度 Iν 有关,并且 遏止电压 Us与入射光光强度 Iν 呈现出高度的线性相关。

《用第一性原理分析光电效应研究的百年是非》由青岛理工大学邓剑平、陈畅、李宏升、王宇琛、王轶君联合完
PS  介于文章长度,第二部分内容将在今后在推送。
邓剑平老师团队的《近代物理再实验手记》一书,全书共210页14个章节,里面更加详细和全面的讲述了本文的内容,感兴趣的学者可在文章下方留言,我们取留言前五名送出。


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