第11章 物理光學實驗的操作與改進設計(3)(1 / 3)

現行教材基本上都是采用“帶負電法”(即先給鋅板帶上負電荷,然後再用紫外線去照射的方法)來演示光電效應實驗,一般情況下實驗效果不錯。但是,如何使未帶電的鋅板在紫外線的照射下也能發射出光電子,產生光電效應,並能由一般的驗電器顯示出來呢?為了解決這個問題,江西宜春地區糧食職工中專易康平老師介紹可采用“外加電場”,即在鋅板與紫外光源之間引入一個帶正電荷的金屬網,如這個帶正電荷的金屬網能產生一個電場。它能起到兩個重要作用:其一,對於鋅板來說能抵消一部分原子核對核外電子的束縛作用;其二,能及時清除鋅板附近的光電子雲。

實驗原理:由於外加正電場的作用,使鋅原子核對核外電子的束縛作用減弱,所以當紙屏取走後,紫外線穿過金屬網照射在鋅板上時就能比較容易地發射出光電子,產生光電效應。同時,可以看到鋅板下驗電器的箔片張角由零開始逐漸增大,金屬網下箔片的張角逐漸減小。

但是,隨著鋅板上光電子的不斷發射,鋅板上積累的正電荷越來越多,由正電荷產生的正電場也越來越強,到一定程度鋅板上就不能再發射出光電子了,驗電器箔片張角也就穩定下來了。

實驗步驟及現象:①把鋅板與金屬網均插在兩個完全相同的驗電器上;②給金屬網帶上正電荷,讓網上驗電器箔片張開一個較大的角度;③將紙屏取走,讓紫外線穿過金屬網照射在鋅板上;④這時可看到鋅板下的驗電器的箔片張開一角度,經檢驗知鋅板已帶上了正電荷,而金屬網下驗電器的箔片張角減少了一些,這說明從鋅板上發射出的光電子被帶正電的金屬網所吸收並中和了一部分。最後,兩驗電器的箔片張角近似相等,它們之間達到了截止電位,鋅板就不再發射出光電子了,這時即使我們取走金屬網,鋅板下驗電器的箔片張角也不會發生變化。

鋅板在紫外線照射下產生光電效應的實驗還可以由下麵兩個小實驗來演示。

(1)鋅板接地,金屬網帶上正電荷,取走紙屏,用紫外線照射在鋅板上,可見到帶正電的金屬網下的驗電器的箔片張角逐漸減小,最後為零。這表明鋅板接地時在紫外線照射下能不斷發射出光電子,而帶正電的金屬網則吸收光電子直到與它全部中和為止。

(2)鋅板與金屬網都插在驗電器上,給鋅板帶上少量的負電荷,金屬網帶上較多的正電荷,且鋅板下驗電器的箔片張角小於金屬網下驗電器的箔片張角。取走紙屏,在紫外線照射下,鋅板發射出的光電子奔向帶正電的金屬網,鋅板下驗電器的箔片張角先閉合,然後再張開,經檢驗知它已帶上了正電荷;金屬網下驗電器的箔片張角減少了一些,最後兩驗電器的箔片張角近似相等。另外,如果想使鋅板下驗電器的箔片張角大一些,隻須給金屬網帶更多的正電荷就行了。

注意事項:①做實驗前要將朝著光源一麵打磨幹淨並立即使用,以免在其表麵上形成氧化層而影響實驗效果。②實驗操作應準確迅速並注意保護好實驗人員的眼睛。

“用靜電計演示光電效應”實驗

有時我們用靜電計、鋅板和紫外光源演示光電效應現象,但此實驗應注意空氣電離對其結果的影響。四川省什邡洛水中學陳良烈老師作了如下分析:

實驗情況:將鋅板裝在靜電計金屬杆上,先將鋅板帶上負電荷、此時靜電計指針張開一定角度。待穩定後開啟紫外線燈(實驗中用了高壓泵燈代替紫外光光源)。

當紫外光照到鋅板上時,靜電計指針偏角開始緩慢減小。如用玻璃板擋住紫外線,靜電計指針偏角立即停止減小。

其實,上述實驗中,偏角減小的原因並不完全是由紫外線照射鋅板而從鋅板上逸出光電子引起的。有兩種情況值得考慮:第一種情況就是由光電效應引起偏角減小的;第二種情況則有可能是由於空氣受紫外光照射後,電離出正離子和電子。正離子在鋅板電場(鋅板帶電形成電場)作用下到達鋅板發生電中和而使靜電計指針偏角減小的,可用方框表示。

兩種情況都可使靜電計指針偏角減小,這在實驗中是同時存在的,後一種情況顯然不是光電效應,下述實驗證實了這一點。

先將鋅板帶上正電荷,靜電計指針張開一定角度。用紫外光照射到鋅板。實驗現象是:當紫外光剛照射到鋅板上的很短暫的時間內,如果抓住這一短暫時間仔細觀察便可看到靜電計指針偏角微微增大,隨即偏角開始減小,如紫外光繼續照射,指針偏角不斷減小。