光电效应测量单色光波长

徐誉洲 肖洪洋 罗泽 李欢欢 彭川黔 龚恒翔

摘  要：单色光波长测量是大学物理实验中的一个重要实验内容，根据爱因斯坦光电方程，单色光光电效应截止电压与光频满足线性关系，该文用钠光灯作为标准参考光源，运用比较法通过光电效应来测量单色光波长，实验结果显示，该方法测量单色光波长相对误差不大于1%。

关键词：普朗克常数  单色光波长  光电效应  光电方程

中图分类号：O4-34                                文献标识码：A                         文章编号：1672-3791（2019）06（a）-0039-02

测量单色光波长，是大学物理实验中的一个重要内容。传统大学物理实验主要通过迈克尔逊干涉仪法、双棱镜干涉法、分光计法等方法，利用光的干涉、衍射等特性来测量单色光的光波波长。通过这些实验可以学习相应的实验操作技巧，加深对光的干涉、衍射等特性的理解。

光的量子属性也是光的一个基本特性，光电效应现象需要用到光的量子属性来进行解释。自德国物理学家赫兹（H·Hertz，1857—1894）于1886年发现光电效应后，众多学者对其规律进行了大量研究。19世纪末，普朗克为解决黑体辐射问题引入了普朗克常数h，1905年，爱因斯坦提出了辐射能量E以hv（v为光子频率）为不连续的最小单位的量子化思想，解释了光电效应实验问题。根据光电效应原理，光子能量正比于光子频率，通过光电效应测量得到的截止电压与光子频率成线性关系。

利用光电效应原理，通过比较法也能测量不同单色光的光波波长，同时还可以加深学生对光的量子属性的理解。该文将介绍通过爱因斯坦光电方程来测量不同单色光的光波波长的实验方法。

1  实验原理

2  光波波长测量

普朗克常数的标准值為：6.6257×10-34，电子电量标准值为：1.602×10-19C。根据公式（3），不同单色光的截止电压与光频满足线性关系。若已知某单色光频率（或波长），并通过光电效应实验测量得到其对应的截止电压，对于未知频率（或波长）的单色光，可通过光电效应测量其对应的截止电压，根据公式（3）可获得其对应的频率（或波长）。

该文将以钠黄光（波长589.3nm）作为标准光源，以此标准光源来作为参考，通过比较法测量不同单色激光光源波长。利用ZKY-GD-3光电效应实验系统对钠黄光进行多次测量后，零点法对应的截止电压平均值为：-0.403V。为了对比测试结果，该文分别对5组不同波长的半导体激光光源进行了对比测试。

表1为5组半导体激光光源测试数据。表中“标准波长”为“复享PG2000”高品质光纤光谱仪测定波长，“零点电压”为利用ZKY-GD-3光电效应实验系统对不同半导体激光光源测试的光电效应零点电压，“计算波长”为根据公式（3）利用“零点电压”计算得到的实验波长。从表1可以看出，利用光电效应，通过与标准光源比较的方法来测量单色光波长具有相当高的测量精度。

3  结语

通过表1数据可以得出，通过比较法利用光电效应来测量未知单色光波长，实验误差不大于1%。利用光电效应法来测量未知单色光波长，系统结构简单、操作方便、实验精度高，若能通过自动控制系统实现零点电压的自动测量，则可实现未知单色光波长的自动快速检测。

参考文献

[1] 梁霄，袁敏.大学物理实验[M].北京：科学出版社，2014.

[2] 王林香.光电效应实验的影响因素及误差分析[J].物理与工程，2016，26（5）：33-36.

[3] 陈若辉，郭赫.光电效应测量普朗克常量实验的研究[J].北华大学学报：自然科学版，2007（4）：303-305.

[4] 王云志，赵敏.光电效应测普朗克常数的数据处理及误差分析[J].大学物理实验，2011，24（2）：93-95.

[5] 将长荣，刘树勇.爱因斯坦和光电效应[J].首都师范大学学报：自然科学版，2005，26（4）：32-37.