一种能够同时测量普朗克常数和逸出功的装置及测量方法
专利名称：一种能够同时测量普朗克常数和逸出功的装置及测量方法
技术领域：
本发明涉及测量普朗克常数和逸出功的技术领域。
背景技术：
金属中存在大量的自由电子，但电子在金属内部所具有的能量低于在外部所具有的能量，因而电子逸出金属时需要给电子提供一定的能量，这份能量称为电子逸出功。用单色光照在光电管阴极材料上，从阴极逸出的自由电子将向阳极运动，形成电流，在光电管电极上加上反向电压，逐渐增加反向电压的大小，到达阳极的电子数目也随之减少，当反向电压增加到某一值Us时，到达阳极的电子数目为0，此时得到爱因斯坦光电方程，即光子能量减去逸出功等于电子电量e与Us的乘积，Us为截止电压。理论上，通过不同波长的单色光照射同一光电管，测量其对应的截止电压，可以求出普朗克常数和逸出功的大小。电子从金属中逸出，需要能量.增加电子能量有多种方法，如用光照、利用光电效应使电子逸出，或用加热的方法使金属中的电子热运动加剧，也能使电子逸出，目前大多数实验用加热金属使热电子发射的方法来测量金属的逸出功，热金属内部有大量自由运动电子，其能量分布遵循费米一狄拉克量子统计分布规律，当电子能量高于逸出功时，将有部分电子从金属表面逃逸形成热电子发射电流，测量热电子发射电流和阴极温度后用里查逊 (Richardson)直线法可以求解逸出功。在传统的光电效应实验测量普朗克常数的装置中， 通常通过在汞灯上加装滤光片后得到单色光，激发光电管发射电子。在测量普朗克常数的装置中，汞灯作为光源有很多不足，首先，汞灯是冷启动光源，如果在测量过程中关闭了汞灯，要等汞灯管冷却后才能再次点亮；其次，汞灯管的使用寿命都不长，在测量普朗克常数的实验中，由于经常进行开关，导致实际使用寿命很短，而且易发生汞泄露，对人体造成伤害；第三，汞灯管功耗都比较大，在测量普朗克常数的装置中，汞灯管功耗通常在几十瓦到几百瓦之间；最后，汞灯发射的光要经过滤色片才能得到单色性比较好的单色光，而且由于滤色片的截止波长和汞灯尖锐谱线之间存在匹配问题，会导致普朗克常数测量值与标准值误差比较大以及逸出功的不可测量。
发明内容
本发明目的提供一种结构简单，测试效果好，避免人体污染，节约能源的能够同时测量普朗克常数和逸出功的装置及测量方法。一种能够同时测量普朗克常数和逸出功的装置，暗盒的内部分别布置光电管、微电流放大器、LED发光部件，暗盒的外部分别布置可调LED电源、测试仪，光电管通过导线分别与微电流放大器、测试仪连接，微电流放大器通过导线与测试仪连接，可调LED电源通过导线与LED发光部件连接；所述LED发光部件上布置若干个LED灯。基于本发明的能够同时测量普朗克常数和逸出功的装置的测量方法，包括如下步骤将导线连接到LED发光部件的其中一个LED灯上，通过可调LED电源调节LED灯的发光强度；调节测试仪上的电压调节旋钮，改变光电管阴极和阳极的电压，当连接光电管的回路电流为零时，记下对应的电压值；依次点亮其它LED灯，得到一组LED波长和电压的数据； 最后，通过作频率与截止电压图求解普朗克常数与逸出功。本发明采用上述技术方案，与现有技术相比具有如下优点本发明的同时测量普朗克常数和逸出功的实验装置，具有安全、无污染、功耗低、成本低的特点，与传统的测量普朗克常数的方法和装置相比，不但避免了汞泄露对人体的伤害，光源的功耗由几十瓦降低到几瓦，可以节约90%以上的电能，同时还可以省去滤色片，节约仪器成本，本装置最突出的优点是基于爱因斯坦光电效应方程可以同时测量普朗克常数和光电管阴极材料的逸出功，整个装置的物理原理清晰，便于学生理解光电效应现象。由于测量普朗克常数与逸出功的实验项目属于理工科大学常见的实验项目，因此在实验教学方面有广泛的应用前景和很大的应用价值。
图I是本发明的一种结构示意图。图2为本发明测量普朗克常数的频率与截止电压的关系图。图3为本发明测量逸出功的频率与截止电压的关系图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明
如图I所示，一种能够同时测量普朗克常数和逸出功的装置，暗盒4的内部分别布置光电管I、微电流放大器2、LED发光部件3，暗盒4的外部分别布置可调LED电源5、测试仪6， 光电管I通过导线分别与微电流放大器2、测试仪6连接，微电流放大器2通过导线与测试仪6连接，可调LED电源5通过导线与LED发光部件3连接；所述LED发光部件3上布置若干个LED灯。本发明的光电管I采用真空单级光电管或多级光电管；
本发明的暗盒4采用为微电流放大器2提供屏蔽的金属结构。本发明的LED发光部件3上的LED灯是由多个不同波长的单色LED灯组成。基于本发明的能够同时测量普朗克常数和逸出功的装置的测量方法，包括如下步骤将导线连接到LED发光部件3的其中一个LED灯上，通过可调LED电源5调节LED灯的发光强度；调节测试仪6上的电压调节旋钮，改变光电管I阴极和阳极的电压，当连接光电管I的回路电流为零时，记下对应的电压值；依次点亮其它LED灯，得到一组LED波长和电压的数据；最后，通过作频率与截止电压图求解普朗克常数与逸出功。如图I所示，同时测量普朗克常数和逸出装置，包括光电管1，微电流放大器2，LED 发光部件3，暗盒4，可调LED电源5，测试仪6，导线7。光电管I和LED发光部件3中间距离5cm焊接固定在暗盒4底部，光电管I和微电流放大器2通过导线7连接到测试仪6，LED 发光部件3内的每个LED灯均可以通过导线7连接到可调LED电源5。本发明的光电管I为⑶31型光电管，其阴极材料为锑铯(CsSb)合金，对应的逸出功为 I. 91eV。本发明的LED发光部件3上固定有红黄绿蓝紫5个单色LED。本发明的微电流放大器2内串联I个IOM欧姆电阻，通过测试仪6测量IOM欧姆电阻的分压从而间接测量光电流的大小。本发明的测试仪6内部有2个电压显示窗口和一个O到3V可调电源。本发明的可调LED电源5为可调恒流源,调节范围为O到30mA。本发明的暗盒4为厚度2mm、长宽高200*100*100臟的铁盒，有可以打开的上盖，打开后可以观测到LED的发光颜色，测试时关上。实施例I测量普朗克常数。依次将不同颜色(红黄绿蓝紫)的LED (对应的截止波长分别为572nm、551nm、 531nm、500nm、440nm，)通过导线7与可调LED电源5连接，并将可调LED电源工作电流大小设定为5. 0mA，调节测试仪6的可调电源，改变反向电压大小，当测试仪6测量IOM欧姆电阻的分压变为零时，记下LED对应的截止电压，数据记录见表I。通过光速、波长、频率三者的关系(光速除以波长等于频率，此处光速大小取值3*108m/s)将波长换算成频率(见表1)， 然后通过作频率与截止电压的关系图(见图2)求出斜率a=0.410*10_14 V/Hz，最终得到普朗克常数 h=e*a=l. 6*1(Γ19*0. 410*1(Γ14=6. 656*1(T34JS，与标准值 6. 626*1(T34JS 的相对误差为 O. 453%。
权利要求
1.一种能够同时测量普朗克常数和逸出功的装置，其特征在于暗盒(4)的内部分别布置光电管(I)、微电流放大器(2)、LED发光部件(3)，暗盒(4)的外部分别布置可调LED电源(5)、测试仪(6)，光电管(I)通过导线分别与微电流放大器(2)、测试仪(6)连接，微电流放大器(2 )通过导线与测试仪(6 )连接，可调LED电源(5 )通过导线与LED发光部件(3 )连接；所述LED发光部件(3)上布置若干个LED灯。
2.根据权利要求I所述的能够同时测量普朗克常数和逸出功的装置，其特征在于上述光电管(I)采用真空单级光电管或多级光电管。
3.根据权利要求I所述的能够同时测量普朗克常数和逸出功的装置，其特征在于上述暗盒(4 )采用为微电流放大器(2 )提供屏蔽的金属结构。
4.根据权利要求I所述的能够同时测量普朗克常数和逸出功的装置，其特征在于上述 LED发光部件(3)上的LED灯是由多个不同波长的单色LED灯组成。
5.基于权利要求I所述的能够同时测量普朗克常数和逸出功的装置的测量方法，其特征在于包括如下步骤将导线连接到LED发光部件(3)的其中一个LED灯上，通过可调LED 电源(5)调节LED灯的发光强度；调节测试仪(6)上的电压调节旋钮，改变光电管(I)阴极和阳极的电压，当连接光电管(I)的回路电流为零时，记下对应的电压值；依次点亮其它 LED灯，得到一组LED波长和电压的数据；最后，通过作频率与截止电压图求解普朗克常数与逸出功。
全文摘要
一种能够同时测量普朗克常数和逸出功的装置及测量方法，涉及测量普朗克常数和逸出功的技术领域。本发明暗盒的内部分别布置光电管、微电流放大器、LED发光部件，暗盒的外部分别布置可调LED电源、测试仪，光电管通过导线分别与微电流放大器、测试仪连接，微电流放大器通过导线与测试仪连接，可调LED电源通过导线与LED发光部件连接；所述LED发光部件上布置若干个LED灯。本发明实现了结构简单，测试效果好，避免人体污染，节约能源的目的。
文档编号G09B23/06GK102589847SQ20111041775
公开日2012年7月18日 申请日期2011年12月14日 优先权日2011年12月14日
发明者刘明熠, 宋建平, 巩江峰, 张开骁, 朱卫华 申请人:河海大学
技术领域：
本发明涉及测量普朗克常数和逸出功的技术领域。
背景技术：
金属中存在大量的自由电子，但电子在金属内部所具有的能量低于在外部所具有的能量，因而电子逸出金属时需要给电子提供一定的能量，这份能量称为电子逸出功。用单色光照在光电管阴极材料上，从阴极逸出的自由电子将向阳极运动，形成电流，在光电管电极上加上反向电压，逐渐增加反向电压的大小，到达阳极的电子数目也随之减少，当反向电压增加到某一值Us时，到达阳极的电子数目为0，此时得到爱因斯坦光电方程，即光子能量减去逸出功等于电子电量e与Us的乘积，Us为截止电压。理论上，通过不同波长的单色光照射同一光电管，测量其对应的截止电压，可以求出普朗克常数和逸出功的大小。电子从金属中逸出，需要能量.增加电子能量有多种方法，如用光照、利用光电效应使电子逸出，或用加热的方法使金属中的电子热运动加剧，也能使电子逸出，目前大多数实验用加热金属使热电子发射的方法来测量金属的逸出功，热金属内部有大量自由运动电子，其能量分布遵循费米一狄拉克量子统计分布规律，当电子能量高于逸出功时，将有部分电子从金属表面逃逸形成热电子发射电流，测量热电子发射电流和阴极温度后用里查逊 (Richardson)直线法可以求解逸出功。在传统的光电效应实验测量普朗克常数的装置中， 通常通过在汞灯上加装滤光片后得到单色光，激发光电管发射电子。在测量普朗克常数的装置中，汞灯作为光源有很多不足，首先，汞灯是冷启动光源，如果在测量过程中关闭了汞灯，要等汞灯管冷却后才能再次点亮；其次，汞灯管的使用寿命都不长，在测量普朗克常数的实验中，由于经常进行开关，导致实际使用寿命很短，而且易发生汞泄露，对人体造成伤害；第三，汞灯管功耗都比较大，在测量普朗克常数的装置中，汞灯管功耗通常在几十瓦到几百瓦之间；最后，汞灯发射的光要经过滤色片才能得到单色性比较好的单色光，而且由于滤色片的截止波长和汞灯尖锐谱线之间存在匹配问题，会导致普朗克常数测量值与标准值误差比较大以及逸出功的不可测量。
发明内容
本发明目的提供一种结构简单，测试效果好，避免人体污染，节约能源的能够同时测量普朗克常数和逸出功的装置及测量方法。一种能够同时测量普朗克常数和逸出功的装置，暗盒的内部分别布置光电管、微电流放大器、LED发光部件，暗盒的外部分别布置可调LED电源、测试仪，光电管通过导线分别与微电流放大器、测试仪连接，微电流放大器通过导线与测试仪连接，可调LED电源通过导线与LED发光部件连接；所述LED发光部件上布置若干个LED灯。基于本发明的能够同时测量普朗克常数和逸出功的装置的测量方法，包括如下步骤将导线连接到LED发光部件的其中一个LED灯上，通过可调LED电源调节LED灯的发光强度；调节测试仪上的电压调节旋钮，改变光电管阴极和阳极的电压，当连接光电管的回路电流为零时，记下对应的电压值；依次点亮其它LED灯，得到一组LED波长和电压的数据； 最后，通过作频率与截止电压图求解普朗克常数与逸出功。本发明采用上述技术方案，与现有技术相比具有如下优点本发明的同时测量普朗克常数和逸出功的实验装置，具有安全、无污染、功耗低、成本低的特点，与传统的测量普朗克常数的方法和装置相比，不但避免了汞泄露对人体的伤害，光源的功耗由几十瓦降低到几瓦，可以节约90%以上的电能，同时还可以省去滤色片，节约仪器成本，本装置最突出的优点是基于爱因斯坦光电效应方程可以同时测量普朗克常数和光电管阴极材料的逸出功，整个装置的物理原理清晰，便于学生理解光电效应现象。由于测量普朗克常数与逸出功的实验项目属于理工科大学常见的实验项目，因此在实验教学方面有广泛的应用前景和很大的应用价值。
图I是本发明的一种结构示意图。图2为本发明测量普朗克常数的频率与截止电压的关系图。图3为本发明测量逸出功的频率与截止电压的关系图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明
如图I所示，一种能够同时测量普朗克常数和逸出功的装置，暗盒4的内部分别布置光电管I、微电流放大器2、LED发光部件3，暗盒4的外部分别布置可调LED电源5、测试仪6， 光电管I通过导线分别与微电流放大器2、测试仪6连接，微电流放大器2通过导线与测试仪6连接，可调LED电源5通过导线与LED发光部件3连接；所述LED发光部件3上布置若干个LED灯。本发明的光电管I采用真空单级光电管或多级光电管；
本发明的暗盒4采用为微电流放大器2提供屏蔽的金属结构。本发明的LED发光部件3上的LED灯是由多个不同波长的单色LED灯组成。基于本发明的能够同时测量普朗克常数和逸出功的装置的测量方法，包括如下步骤将导线连接到LED发光部件3的其中一个LED灯上，通过可调LED电源5调节LED灯的发光强度；调节测试仪6上的电压调节旋钮，改变光电管I阴极和阳极的电压，当连接光电管I的回路电流为零时，记下对应的电压值；依次点亮其它LED灯，得到一组LED波长和电压的数据；最后，通过作频率与截止电压图求解普朗克常数与逸出功。如图I所示，同时测量普朗克常数和逸出装置，包括光电管1，微电流放大器2，LED 发光部件3，暗盒4，可调LED电源5，测试仪6，导线7。光电管I和LED发光部件3中间距离5cm焊接固定在暗盒4底部，光电管I和微电流放大器2通过导线7连接到测试仪6，LED 发光部件3内的每个LED灯均可以通过导线7连接到可调LED电源5。本发明的光电管I为⑶31型光电管，其阴极材料为锑铯(CsSb)合金，对应的逸出功为 I. 91eV。本发明的LED发光部件3上固定有红黄绿蓝紫5个单色LED。本发明的微电流放大器2内串联I个IOM欧姆电阻，通过测试仪6测量IOM欧姆电阻的分压从而间接测量光电流的大小。本发明的测试仪6内部有2个电压显示窗口和一个O到3V可调电源。本发明的可调LED电源5为可调恒流源,调节范围为O到30mA。本发明的暗盒4为厚度2mm、长宽高200*100*100臟的铁盒，有可以打开的上盖，打开后可以观测到LED的发光颜色，测试时关上。实施例I测量普朗克常数。依次将不同颜色(红黄绿蓝紫)的LED (对应的截止波长分别为572nm、551nm、 531nm、500nm、440nm，)通过导线7与可调LED电源5连接，并将可调LED电源工作电流大小设定为5. 0mA，调节测试仪6的可调电源，改变反向电压大小，当测试仪6测量IOM欧姆电阻的分压变为零时，记下LED对应的截止电压，数据记录见表I。通过光速、波长、频率三者的关系(光速除以波长等于频率，此处光速大小取值3*108m/s)将波长换算成频率(见表1)， 然后通过作频率与截止电压的关系图(见图2)求出斜率a=0.410*10_14 V/Hz，最终得到普朗克常数 h=e*a=l. 6*1(Γ19*0. 410*1(Γ14=6. 656*1(T34JS，与标准值 6. 626*1(T34JS 的相对误差为 O. 453%。
权利要求
1.一种能够同时测量普朗克常数和逸出功的装置，其特征在于暗盒(4)的内部分别布置光电管(I)、微电流放大器(2)、LED发光部件(3)，暗盒(4)的外部分别布置可调LED电源(5)、测试仪(6)，光电管(I)通过导线分别与微电流放大器(2)、测试仪(6)连接，微电流放大器(2 )通过导线与测试仪(6 )连接，可调LED电源(5 )通过导线与LED发光部件(3 )连接；所述LED发光部件(3)上布置若干个LED灯。
2.根据权利要求I所述的能够同时测量普朗克常数和逸出功的装置，其特征在于上述光电管(I)采用真空单级光电管或多级光电管。
3.根据权利要求I所述的能够同时测量普朗克常数和逸出功的装置，其特征在于上述暗盒(4 )采用为微电流放大器(2 )提供屏蔽的金属结构。
4.根据权利要求I所述的能够同时测量普朗克常数和逸出功的装置，其特征在于上述 LED发光部件(3)上的LED灯是由多个不同波长的单色LED灯组成。
5.基于权利要求I所述的能够同时测量普朗克常数和逸出功的装置的测量方法，其特征在于包括如下步骤将导线连接到LED发光部件(3)的其中一个LED灯上，通过可调LED 电源(5)调节LED灯的发光强度；调节测试仪(6)上的电压调节旋钮，改变光电管(I)阴极和阳极的电压，当连接光电管(I)的回路电流为零时，记下对应的电压值；依次点亮其它 LED灯，得到一组LED波长和电压的数据；最后，通过作频率与截止电压图求解普朗克常数与逸出功。
全文摘要
一种能够同时测量普朗克常数和逸出功的装置及测量方法，涉及测量普朗克常数和逸出功的技术领域。本发明暗盒的内部分别布置光电管、微电流放大器、LED发光部件，暗盒的外部分别布置可调LED电源、测试仪，光电管通过导线分别与微电流放大器、测试仪连接，微电流放大器通过导线与测试仪连接，可调LED电源通过导线与LED发光部件连接；所述LED发光部件上布置若干个LED灯。本发明实现了结构简单，测试效果好，避免人体污染，节约能源的目的。
文档编号G09B23/06GK102589847SQ20111041775
公开日2012年7月18日 申请日期2011年12月14日 优先权日2011年12月14日
发明者刘明熠, 宋建平, 巩江峰, 张开骁, 朱卫华 申请人:河海大学
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