光子能量演示和估计实验

文摘 2024-06-18 11:58 江苏

锐光凯奇（镇江）光电科技有限公司专注于发展高端科研仪器集成化，是可提供整个科研仪器系统集成化的供应商，为客户提供优质、高效的服务。除此之外，锐光还非常重视有关光电的基础理论方面的知识，今天非常荣幸的请到长春理工大学物理学院赵振明老师推送光子能量演示和估计实验，赵老师有多年的理论教学和实验教学的经验与大家分享一定获益匪浅！

作者介绍

赵振明，长春理工大学物理学院光电信息科学与技术系，硕士生导师。1988年长春光学精密机械学院（现长春理工大学）毕业，获应用光学学士学位，毕业后留校工作至今。工作后一直从事光学领域教学和科研工作，主讲过《物理光学》、《信息光学》、《激光原理》和《光电检测技术》等十余门课程；参编《物理光学》等教材三部。指导硕士研究生三十名。工作以来发表论文十余篇，代表性的论文有“无傅里叶变换光学传递函数理论”、“用惠更斯原理研究光和原子相互作用”。曾担任长春理工大学天文协会指导教师，参与长春∙中国光学科技馆建设。

一、引言

1、爱因斯坦的光子理论

1905年爱因斯坦为了解释光电效应，提出了“光子理论”，该理论认为光的能量是“一份一份”的，每份能量是一个光子，光子的能量

E = h\nu = {{hc}/\lambda}

λ

，

λ

h

λ

称为普朗克常数，ν 是光的频率,

λ

\lambda

λ

是光的波长。

爱因斯坦的光子理论是量子理论诞生的标志，光电效应是近代物理学重要实验之一。光电效应不仅在物理学领域受到重视，也在现代社会获得广泛应用。

2、LED光子能量演示教具特点

利用光电效应测量光子能量的实验仪器已经商品化，传统实验仪器采用光电管。采用测量光电管的“遏止电压”办法确定光子能量（附录1 根据光电效应测量光子能量）。

本实验是利用LED的PN结内光电效应（光伏效应）演示光子能量。本实验可进行光电效应实验，还可以比较不同颜色（波长）的光子能量大小。

二、光子能量演示教具原理

1、光子能量比较方法

设计本实验的思路是：LED把电转换为光属于微观量子过程，而微观量子过程是可逆的，可以推断LED具有逆转换（光电转换）功能，一个单色的LED在逆转换时也应该与光的颜色有关！

图1 单色LED外形和符号

如果一只LED能发出能量为

E

的光子，那么用这个LED作为光电转换器件，当它受到能量大于

E

的光子照射，它应该有电压输出，这就是本实验估计光子能量的原理。

表1：典型单色LED发光波长及对应光子能量（eV：电子伏特，能量单位）

图2 LED的光-电转换原理

图3 测量LED 光-电转换方法

接下来介绍一下本实验用红色、绿色和蓝色LED判断光子能量方法。

设照射LED的单色光的光子能量为

E

。

①如果该单色光能使红色、绿色和蓝色的LED均有电压输出，即:

E >E_{红}

、E >E_{绿}、E > E_{蓝}

，根据表一数据即可确定光子能量

E >2.4\text{eV}

。

②如果该单色光能使红色和绿色的LED有电压输出，蓝色的LED无电压输出，即:

E >E_{红}、E > E_{绿}、E < E_{蓝}

，即可确定光子能量

2.2\text{eV} < E < 2.4\text{eV}

。

③如果该单色光能使红色的LED有电压输出，绿色和蓝色的LED无电压输出，即:

E >E_{红}、E < E_{绿}、E < E_{蓝}

,即可确定光子能量

1\text{.8eV} < E < 2.2\text{eV}

。

如果希望对光子能量更细致区分，可通过增加橘色、黄色和紫色LED实现。

2、单色光的产生

获得单色光的办法有：单色仪和白炽灯加滤光片办法，如果对单色性要求较高时采用气体放电灯或激光器。

本实验采用LED产生单色光。LED使用与白炽灯完全不同，白炽灯都标注了额定电压，例如12伏、36伏、220伏，白炽灯也没有正负极区别。而LED都是有极性的，具有单向导电特性，而且每只LED都有个工作电流范围，一般采用恒流供电，而电池都是恒压电源，这时LED须与电阻串联后再与电池组连接。

图4 LED发光原理、电学性质、使用方法

LED所需串联电阻的

R

计算公式：

R = {\left( {U - U_{LED}} \right)/I}

U

为电池组电压；

I

为LED工作电流（常见LED选择10mA工作即可）；

U_{LED}

为LED工作时端电压（PN结电压，与LED颜色有关）。采用四节

1.5V

电池串联

6V

供电时，所需串联电阻见表2。

表2 各色LED的

U_{LED}

、采用

6V

供电时所需串联电阻（工作电流10mA）

三、光子能量演示教具

实验材料：红色、绿色和蓝色LED各两只（白色透明外壳），

330\Omega、360\Omega和410\Omega

电阻各一只、万用表一块、四节一号电池、导线、鳄鱼夹、胶带。

图5光子能量演示实验原理，其中LED1用来产生单色光，按表2的数据选择电阻值。LED2用来接收单色光，数字万用表置量程2000mV直流档。

图5 发射与接收光实验

因为LED的芯片面积很小，真正被接收的光能量非常少。实验时，发射和接收LED需对准，最好使用套管把两只LED对准，套管还能阻挡环境杂散光，套管内壁的反射也能提高光利用率。

图6 两只LED用套管对准

图7 用4节1号电池串联电阻给LED供电产生单色光

图8是光子能量演示实验的全部器件。右上角是电池包，里面有4节1号电池。LED和电阻都安装在塑料件上，塑料件的颜色与LED发光颜色一致，LED的配套电阻也用相同颜色塑料件。电池包和LED的正极和负极用红色和黑色导线区分。

图8教具材料全图

图9 红LED接收红光

图9是光子能量演示实验的连接方法。图中用红色LED发光（图中左边的红色塑料上是

410\Omega

电阻，这时红色LED电流时10mA），万用表测量红LED的光电转换输出电压。

四、实验（举例）

1、光电效应实验

根据一只LED在各种光子照射时的电压，判断该LED光电转换时对光子能量要求。

①发射LED1用红色，接收LED2为绿色，这时电压表0.9mV

②发射LED1用绿色，接收LED2为绿色，这时电压表90mV

③发射LED1用蓝色，接收LED2为绿色，这时电压表1580mV

在第①步实验测得绿色的LED电压0.9 mV，因为实验时没用套管遮挡杂散光，这个电压予以忽略。

前面实验表明：红色光子能量低，不能使绿色LED产生电压；绿色和蓝色光子能量高，能使LED产生电压。这可以得出结论：LED具有光电转换功能，前提是光子能量满足要求。

2、光子能量估计

用各种单色LED依次接未知能量光子，观察每个LED的反应，判断光子能量。

①发射LED1用红色，接收LED2 分别为红、绿和蓝色LED。万用表电压填在记录表。

②发射LED1用绿色，接收LED2 分别为红、绿和蓝色LED。万用表电压填在记录表。

③发射LED1用蓝色，接收LED2 分别为红、绿和蓝色LED。万用表电压填在记录表。

表3 实验记录表

发光LED类型		红	绿	蓝
接收光 LED类型	红	1321mV	1337mV	1286mV
	绿	0.9 mV	90mV	1580mV
	蓝	0.7 mV	0.5 mV	322mV

表中的0.9 mV 、0.7 mV 和0.5mV这三个值应该是环境光的影响。

实验结果分析

在第①步实验中，光红色的LED有电压输出，绿色和蓝色的LED无电压输出，即:

E >E_{红}、E < E_{绿}、E < E_{蓝}

,即可确定光子能量

1\text{.8eV} < E < 2.2\text{eV}

。

在第②步实验中，绿光能使红色和绿色的LED有电压输出，蓝色的LED无电压输出，即:

E >E_{红}、E > E_{绿}、E < E_{蓝}

,即可确定光子能量

2\text{.2eV} < E < 2.4\text{eV}

。

在第③步实验中，蓝光使红色、绿色和蓝色的LED均有电压输出，即:

E >E_{红}、E > E_{绿}、E > E_{蓝}

,即可确定光子能量

E >2.4\text{eV}

。

根据前面的数据，光子能量大小顺序为

E_{红} < E_{绿} < E_{蓝}

；红光频率最低，蓝光频率最高，符合爱因斯坦的光子能量与光的频率成正比关系

E = h\nu

。

附录1：根据光电效应测量光子能量

1、光电效应

在图1的装置中，电极K和 A封闭在高真空光电管内，光经过石英窗口照射到电极K上，当电极K受光照射时，就会有电子离开电极表面，这些电子称为光电子，光电子受K A间电场的影响而加速飞向电极A，这时就有电流路过电流计，这个电流称为光电流。

根据能量守恒：发生光电效应时，光子的能量一部分用于克服电极K对电子的束缚，另一部分能量转变为电子的动能，所以电子的动能为：

\frac{1}{2}m\upsilon^{2} = h\nu + eU - W

是电子质量，

v

是电子速度，

\frac{1}{2}m\upsilon^{2}

为光电子离开电极时的动能，

h\nu

是光子能量，

e

是电子电量， U是光电管AK电压之间，

W

是电子摆脱电极K束缚所需的能量（称为逸出功）。逸出功

W

的大小取决电子在逸出前的状态和电极的材料。

图1 光电效应原理

图2 根据光电效应测量光子能量

2、利用光电效应测量光子能量

在图2中，利用光电效应测量光子能量时AK间的电压是反向的。当变阻器的滑动端位于左端，此时AK间的电压为0，电流计G依然显示有光电流存在。接着将变阻器的滑动端向右移动，电流计G显示的光电流逐渐变小。再继续将变阻器的滑动端向右移动，直到电流计G显示光电流为0时停止，这时A的电压刚好抑制光电管的光电流，此时A的电压称为光电管“遏止电压”。

在光电管AK之间加反向时，电子到达A时的动能为：

\frac{1}{2}m\upsilon^{2} = h\nu - eU - W

在电极K上，一些电子的能量很高，逸出功几乎为零，这些电子到达A时动能为：

\frac{1}{2}m\upsilon^{2} = h\nu - eU

如果想抑制这些逸出功为零的电子到达A，反向电压应满足：

h\nu - eU = 0

即

eU = h\nu

，根据这个关系可以确定光子能量。

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