[發(fā)明專利]利用光電效應(yīng)測(cè)量單色光源波長(zhǎng)的方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810717096.1
• 申請(qǐng)日: 2018-07-03
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108847102A
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-11-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 羅洪梅;龔恒翔
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 重慶知遨科技有限公司
• 主分類號(hào): G09B23/18
• 分類號(hào): G09B23/18;G09B23/22;G01J9/00
• 代理公司: 重慶市諾興專利代理事務(wù)所(普通合伙) 50239
• 代理人: 劉興順

本發(fā)明公開(kāi)一種利用光電效應(yīng)測(cè)量單色光源波長(zhǎng)的方法，其特征在于包括如下步驟：步驟a：改造現(xiàn)有的光電效應(yīng)儀，改造后的光電效應(yīng)儀光電暗盒與讀數(shù)裝置電連接，光電暗盒旁邊設(shè)置一個(gè)待測(cè)量的單色光源；步驟b：調(diào)整單色光源的高度及位置，使單色光源發(fā)出的光線直接入射到所述的光電暗盒的入射口。本案改造了現(xiàn)有光電效應(yīng)儀的汞燈及相應(yīng)的濾色片，從而最大程度避免截止電壓的測(cè)量誤差，將測(cè)量精度高的截止電壓及光電暗盒的溢出功等參數(shù)帶入光電效應(yīng)方程公式，即可算得單色光源的頻率v，從而得到單色光源的波長(zhǎng)λ；本案為一種全新的單色光源波長(zhǎng)的測(cè)量方法，該測(cè)量方法與現(xiàn)有的利用牛頓環(huán)或邁克爾遜干涉儀測(cè)量方法完全不同。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于物理實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，尤其涉及一種利用光電效應(yīng)測(cè)量單色光源波長(zhǎng)的方法。

背景技術(shù)

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，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)高校必須開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。傳統(tǒng)的光電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)利用汞燈作為實(shí)驗(yàn)光源，主要因?yàn)楣療艟哂蟹浅７€(wěn)定的光譜分布，故常將汞燈用作光譜儀等科研設(shè)備的定標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)光源。實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過(guò)濾色片獲得汞燈光譜內(nèi)的單色光，并將過(guò)濾后的單色光作為光電效應(yīng)的工作光，工作光然后照射到光電暗盒里，由與光電暗盒相連的讀數(shù)裝置測(cè)量讀取截止電壓。傳統(tǒng)的光電效應(yīng)截止電壓測(cè)量方式有以下三種：1、零點(diǎn)法，即零點(diǎn)法測(cè)量總電流為零時(shí)電壓為截止電壓近似。2、補(bǔ)償法，即先測(cè)量遮擋汞燈光束時(shí)總電流I₀，在汞燈光照射時(shí)，通過(guò)調(diào)整反向電壓使得總電壓再次等于I₀，此時(shí)反向電壓作為截止電壓近似。3、拐點(diǎn)法，即做出反向電壓-總電流變化曲線，從變化曲線上找出對(duì)應(yīng)頻率入射光的截止電壓點(diǎn)(拐點(diǎn))。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過(guò)更換不同濾色片，測(cè)量汞燈不同光譜所對(duì)應(yīng)的截止電壓，從而得出一系列點(diǎn)，這些點(diǎn)的橫坐標(biāo)為截止電壓，縱坐標(biāo)為該截止電壓所對(duì)應(yīng)的汞燈單色光頻率，并利用這些點(diǎn)擬合作出電壓-頻率曲線，且利用曲線擬合得到電壓-頻率曲線斜率，該斜率即為h/E，其中E為電子常量，h為普朗克常數(shù)。

然而，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生計(jì)算得到的普朗克常數(shù)與真實(shí)值之間存在誤差，且這個(gè)誤差一直存在，為此我們經(jīng)過(guò)系統(tǒng)、細(xì)致地分析后發(fā)現(xiàn)如下問(wèn)題：

1、雖然汞燈具有非常穩(wěn)定的光譜分布，故常將汞燈用作光譜儀等科研設(shè)備的定標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)光源，這一做法對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是標(biāo)準(zhǔn)做法，定勢(shì)思維根深蒂固。但是利用濾色片對(duì)汞燈發(fā)出的光線濾光，對(duì)濾色片的要求很高，高品質(zhì)的濾色片價(jià)格昂貴，但是也難以獲得單一的單色光，而普通的濾色片更是難以獲得單一的單色光，并且在可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)濾色片并不能很好過(guò)濾其他色光分量，低頻色光分量的存在會(huì)改變光電暗盒的陽(yáng)極電流造成測(cè)量點(diǎn)偏離，高頻色光的存在會(huì)直接影響截止電壓的大小，從而對(duì)截止電壓的測(cè)量引入系統(tǒng)誤差。從上面分析可以看出，汞燈及配套使用的濾色片，對(duì)截止電壓的測(cè)量引入了系統(tǒng)誤差，而不管截止電壓的測(cè)量方法精度是否高，從而就導(dǎo)致電壓-頻率曲線“失真”，進(jìn)而導(dǎo)致電壓-頻率曲線的斜率“失真”，最終導(dǎo)致測(cè)得的普朗克常數(shù)與真實(shí)值之間必然存在偏差。然而，汞燈配濾色片是一直以來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)做法，汞燈也是光譜儀等科研設(shè)備的定標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)光源，這種做法已經(jīng)使本領(lǐng)域技術(shù)人員形成了根深蒂固的定勢(shì)思維，這種定勢(shì)思維導(dǎo)致本領(lǐng)域技術(shù)人員根本不會(huì)去分析研究汞燈和濾色片是否會(huì)對(duì)普朗克常數(shù)的測(cè)量精度造成不利影響。

另外，汞燈中的汞蒸氣對(duì)人體有害，從而導(dǎo)致操作限制多、需要進(jìn)行特殊防護(hù)；若在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中汞燈破裂，釋放出的汞蒸氣容易造成人體損傷，引起一系列的病變。并且，汞燈的驅(qū)動(dòng)電源比較復(fù)雜，穩(wěn)定性要求較高，且容易損壞，工作時(shí)必須預(yù)熱20分鐘以上才能正常工作，一旦關(guān)閉不能立即點(diǎn)亮，否則燈管非常容易燒壞。

2、現(xiàn)有的三種截止電壓測(cè)量方式測(cè)量精度不高，在汞燈+濾色片已經(jīng)引入系統(tǒng)誤差的情況下，更會(huì)導(dǎo)致電壓-頻率曲線“失真”，進(jìn)一步導(dǎo)致電壓-頻率曲線的斜率“失真”，最終導(dǎo)致測(cè)得的普朗克常數(shù)與真實(shí)值之間存在更大的偏差。