用半導(dǎo)體激光器測(cè)量普朗克常量

羅澤 徐譽(yù)洲 肖洪洋 李歡歡

摘 ?要：文章介紹了用激光器做單色光源，用于光電效應(yīng)法測(cè)量普朗克常數(shù)實(shí)驗(yàn)，半導(dǎo)體激光器具有單色性好、波長(zhǎng)穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)、價(jià)格便宜、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、不需預(yù)熱等優(yōu)點(diǎn)，是光電效應(yīng)測(cè)量普朗克常數(shù)實(shí)驗(yàn)中的理想光源，實(shí)驗(yàn)證明利用激光光源來(lái)測(cè)量普朗克常數(shù)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、測(cè)量方便、測(cè)量結(jié)果滿足實(shí)驗(yàn)誤差要求。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體激光器;光電效應(yīng);普朗克常量

中圖分類(lèi)號(hào)：O4-34 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2019）18-0024-03

Abstract： This paper introduces the experiment of using laser as monochromatic light source to measure Planck constant by photoelectric effect method. Semiconductor laser has the advantages of good monochromism， stable wavelength， long life， cheap price， simple driving， no preheating and so on. It is an ideal light source in the experiment of measuring Planck constant by photoelectric effect. It is proved that using laser light source to measure Planck constant has the advantages of simple experimental system， convenient measurement and measuring results to meet the requirements of experimental error.

Keywords： semiconductor laser; photoelectric effect; Planck constant

1 概述

從1887年赫茲發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)后，許多研究者對(duì)光電效應(yīng)理論及實(shí)驗(yàn)作了深入的研究[1-3]，普朗克常數(shù)是聯(lián)系物質(zhì)的粒子性與波動(dòng)性的重要參數(shù)，通過(guò)光電效應(yīng)測(cè)量普朗克常數(shù)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，可以加深學(xué)生對(duì)光粒子性的認(rèn)識(shí)，了解微觀領(lǐng)域能量的不連續(xù)性，更好認(rèn)識(shí)光的本質(zhì)，因此光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)是大多數(shù)高校所必開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[4-5]。關(guān)于光電效應(yīng)測(cè)量?jī)x器的改進(jìn)和改造研究，以及對(duì)截止電壓的不同測(cè)量方法和實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)誤差來(lái)源分析也在不斷進(jìn)行。傳統(tǒng)的光電實(shí)驗(yàn)利用汞燈作為實(shí)驗(yàn)光源，通過(guò)濾色系統(tǒng)獲得汞燈光譜內(nèi)的單色光，測(cè)量不同單色光在光陰極上的截止電壓，通過(guò)截止電壓-光頻曲線斜率測(cè)定普朗克常數(shù)。

半導(dǎo)體激光器具有波長(zhǎng)穩(wěn)定、單色性好、壽命長(zhǎng)、價(jià)格便宜、容易控制等特點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)將采用半導(dǎo)體激光器來(lái)代替汞燈完成光電效應(yīng)測(cè)量普朗克常數(shù)實(shí)驗(yàn)。

2 原理及方法

2.1 光電效應(yīng)測(cè)量普朗克常量原理

2.2 半導(dǎo)體激光器光譜分析

圖3是利用“復(fù)想PG2000”高品質(zhì)光纖光譜儀測(cè)量的普通半導(dǎo)體激光器光譜，圖中分別標(biāo)明了，購(gòu)買(mǎi)時(shí)廠家的標(biāo)稱波長(zhǎng)與光譜儀的實(shí)測(cè)波長(zhǎng)。從圖3可看出，半導(dǎo)體激光器光譜單色性更好。通過(guò)適當(dāng)?shù)恼诠庋b置，可以減弱雜光引入的測(cè)量誤差。

3 實(shí)驗(yàn)對(duì)比

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

半導(dǎo)體激光器激光強(qiáng)度較高，直接照射到光電暗盒容易導(dǎo)致光電流飽和不利于精確調(diào)節(jié)，擴(kuò)束鏡、準(zhǔn)直鏡系統(tǒng)將光束擴(kuò)展后通過(guò)光闌進(jìn)入光電暗盒。光闌孔徑較小，能有效隔離偏離光軸方向的環(huán)境光，對(duì)于通過(guò)激光器、擴(kuò)束鏡、準(zhǔn)直透鏡等反射的環(huán)境光則無(wú)法隔離，在測(cè)量時(shí)需將裝置外殼罩下，以減弱入射到激光器、擴(kuò)束鏡、準(zhǔn)直透鏡上的環(huán)境光。通過(guò)更換不同頻率激光器可測(cè)量不同頻率激光對(duì)應(yīng)的零點(diǎn)電壓（圖4）。

3.2 測(cè)試數(shù)據(jù)

表1和表2分別是用汞燈以及激光器作為實(shí)驗(yàn)光源，通過(guò)零點(diǎn)法測(cè)量普朗克常數(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中的光電暗盒、光電流測(cè)量系統(tǒng)采用成都世紀(jì)中科的“ZKY-GD-3光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”，分別測(cè)量了不同孔徑光闌下，零點(diǎn)法不同頻率色光對(duì)應(yīng)的零點(diǎn)電壓。從表1、表2可看出，利用汞燈光源和濾色片系統(tǒng)測(cè)量的普朗克常數(shù)誤差偏大，而采用激光作為光源測(cè)量的普朗克常數(shù)，在適當(dāng)遮擋環(huán)境光后，測(cè)量得到的測(cè)量結(jié)果較理想。

4 結(jié)論

從圖3的光譜分析圖以及表1，表2的普朗克常數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出，用汞燈作為普朗克常數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的光源對(duì)濾色片要求較高，普通的濾色片難以獲得純凈的單色光，濾色片過(guò)濾后的其他色光的殘余部分將會(huì)對(duì)普朗克常數(shù)測(cè)量引入較大誤差。激光具有很好的單色性，光強(qiáng)穩(wěn)定，在適當(dāng)遮光后，利用激光作為光源，進(jìn)行普朗克常數(shù)測(cè)量能獲得較好的測(cè)量結(jié)果，激光可以作為普朗克常數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)的可靠的替代光源。

參考文獻(xiàn)：

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