Tài liệu đo hằng số planck dựa vào hiện tượng quang điện

Lời cảm ơn Để đạt được kết quả như ngày hôm nay tác giả xin chân thành cảm ơn cha mẹ, gia đình, thầy cô và bạn bè đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập cũng như thực hiện khóa luận này. Tác giả xin bày tỏ lòng trân trọng và cảm ơn đến: Cô Nguyễn Thị Hảo đã giúp đỡ, hướng dẫn tôi rất nhiều trong quá trình tìm hiểu và thực hiện khóa luận, hướng dẫn đề tài cũng như dành nhiều thời gian để đọc và sửa chữa khóa luận cho tôi. Thầy Nguyễn Hoàng Long và thầy Nguyễn Huỳnh Duy Khang đã hỗ trợ và giúp đỡ nhiệt tình, tạo mọi điều kiện để tôi có được các thiết bị, dụng cụ để thực hiện thí nghiệm. Thầy Trần Tuấn Anh, giảng viên trường Đại học Sư phạm kĩ thuật đã tạo điều kiện tốt nhất để tôi được tiếp cận và thực hiện các thí nghiệm tại trường. Cô Phan Thị Ngọc Loan đã nhiệt tình giải đáp những vấn đề mà tôi thắc mắc trong quá trình thực hiện khóa luận này. Bên cạnh đó, tôi xin gửi lời tri ân đến các thầy cô khoa Lý đã giảng dạy, truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm cho tôi trong suốt quá trình học tập. Tôi cũng xin gửi lời biết ơn đến Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chính Minh đã tạo cho tôi có một môi trường học tập và rèn luyện một cách thuận lợi và tốt nhất. Cám ơn tất cả các bạn đã thăm hỏi tôi, động viên tôi hoàn thành đề tài. i Mục lục Lời cảm ơn i Mục lục iii Danh mục các bảng iv Danh mục các hình vẽ, đồ thị vi Lời mở đầu 1 I 3 Đo hằng số Planck dựa vào hiện tượng quang điện 1 Cơ 1.1 1.2 1.3 sở lý thuyết Tế bào quang điện . . . . . . . . . . . . . . . . . Hiện tượng quang điện . . . . . . . . . . . . . . . Thí nghiệm hiện tượng quang điện . . . . . . . . 1.3.1 Thí nghiệm của Hertz về hiện tượng quang 1.3.2 Thí nghiệm với tế bào quang điện . . . . . 1.4 Các định luật về hiện tượng quang điện . . . . . . 1.5 Giải thích các định luật quang điện . . . . . . . . 1.5.1 Sự bất lực của lý thuyết sóng điện từ . . . 1.5.2 Lý thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein 1.6 Khối lượng nghỉ và động lượng của photon . . . . 2 Thực hành 2.1 Mục đích . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Tóm tắt lý thuyết . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Thực hành thí nghiệm . . . . . . . . . . . 2.3.1 Dụng cụ . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2 Thiết bị đo . . . . . . . . . . . . . 2.3.3 Nguyên tắc hoạt động của thiết bị 2.3.4 Phương pháp đo . . . . . . . . . . 2.4 Trình tự thực hành . . . . . . . . . . . . . 2.4.1 Chuẩn bị thí nghiệm . . . . . . . . ii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . điện (1887) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4 4 5 5 6 9 9 9 10 12 . . . . . . . . . 13 13 13 14 14 15 16 16 16 16 2.5 II 2.4.2 Xử lý 2.5.1 2.5.2 Xác định hằng số Planck . . . . . số liệu và kết quả . . . . . . . . . Xác định giá trị Uh của từng màu Xác định hằng số Planck . . . . . . . . . . . khác . . . . . . . . . nhau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Đo hằng số Planck bằng đèn LED 3 Cơ sở lý thuyết 3.1 Sự dẫn điện trong bán dẫn . . . . . . 3.1.1 Chất bán dẫn điện thuần . . . 3.1.2 Chất bán dẫn pha tạp . . . . 3.1.3 Tiếp xúc n - p. Diode bán dẫn 3.2 Giới thiệu về LED . . . . . . . . . . 3.3 Nguyên lý làm việc của LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Thực hành 4.1 Mục đích . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Tóm tắt lý thuyết . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Giao thoa cho hệ vân tròn Newton 4.2.2 Xác định hằng số Planck bằng LED 4.3 Thực hành thí nghiệm . . . . . . . . . . . 4.3.1 Dụng cụ . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2 Trình tự thực hành . . . . . . . . . 4.3.3 Xử lý số liệu và kết quả thí nghiệm 17 18 18 19 23 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 24 24 26 28 30 31 . . . . . . . . 33 33 33 33 34 36 36 39 40 Kết luận và kiến nghị 52 Danh mục công trình của tác giả 53 Tài liệu tham khảo 55 A Số liệu của từng LED 56 B Tài liệu thực hành đo hằng số Planck bằng đèn LED 59 C Mẫu báo cáo thực hành đo hằng số Planck bằng đèn LED 68 iii Danh mục các bảng Bảng 2.1 Bảng 2.2 Bảng 2.3 Hiệu điện thế hãm ứng với từng bước sóng . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Giá trị hằng số Planck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Số liệu tuyến tính hóa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Bảng 3.1 Điện thế ngưỡng của một số LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Bảng Bảng Bảng Bảng 4.1 Số liệu đo được từ LED đỏ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Số liệu đo được từ LED màu lục . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Số liệu đo được từ LED màu lam . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Hệ số a và b sau khi khớp hàm phần tuyến tính của đường đặc - Ampe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bảng 4.5 Giá trị Ung của các đèn LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bảng 4.6 Số liệu tuyến tính hóa của đèn LED màu đỏ . . . . . . . . . . Bảng 4.7 Số liệu tuyến tính hóa của đèn LED màu lục . . . . . . . . . Bảng 4.8 Số liệu tuyến tính hóa của đèn LED màu lam . . . . . . . . . Bảng 4.9 Giá trị Ung của các đèn LED tính bằng cách lập bảng . . . . Bảng 4.10 Giá trị hằng số Plack đo được từ các đèn LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . tuyến Vôn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 41 42 43 45 45 46 48 50 51 Bảng A.1 Số liệu đèn LED màu đỏ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Bảng A.2 Số liệu đèn LED màu lục . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Bảng A.3 Số liệu đèn LED màu lam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng C.1 C.2 C.3 C.4 C.5 C.6 C.7 C.8 C.9 Số liệu đo được từ LED màu đỏ . . . . . . . . . . Số liệu đo được từ LED màu lục . . . . . . . . . Số liệu đo được từ LED màu lam . . . . . . . . . Kết quả đo bước sóng ánh sáng của các đèn LED Số liệu đèn LED màu đỏ . . . . . . . . . . . . . . Số liệu đèn LED màu lục . . . . . . . . . . . . . Số liệu đèn LED màu lam . . . . . . . . . . . . . Giá trị Ung của các đèn LED . . . . . . . . . . . Giá trị Ung của các đèn LED . . . . . . . . . . . iv . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 69 69 69 70 70 70 70 71 Danh mục các hình vẽ, đồ thị Hình 1.1 Hình 1.2 Hình 1.3 Thí nghiệm của Hezt về hiện tượng quang điện . . . . . . . . . . . . . . . Sơ đồ bố trí thí nghiệm khảo sát hiện tượng quang điện . . . . . . . . . . . Sự phụ thuộc của dòng quang điện vào hiệu điện thế UAK . . . . . . . . . Hình Hình Hình Hình 2.1 2.2 2.3 2.4 Các kính lọc màu có ghi sẵn giá trị bước sóng trong Thiết bị đo hiệu ứng quang điện . . . . . . . . . . . Đồ thị của biểu diễn độ lớn Uh theo tần số . . . . . Các giá trị thu được sau khi khớp hàm Uh theo ν . Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình 3.1 Tinh thể chất bán dẫn ở nhiệt độ thấp (T = 0K) - bán dẫn thuần . . 3.2 Tinh thể chất bán dẫn thuần ở nhiệt độ cao (T =300K) . . . . . . . 3.3 Sự dẫn điện của tinh thể chất bán dẫn thuần . . . . . . . . . . . . . 3.4 Tinh thể bán dẫn pha tạp loại n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5 Tinh thể bán dẫn pha tạp loại p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6 Sơ đồ mắc thuận của diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7 Sơ đồ mắc nghịch của diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.8 Đặc tuyến Vôn - Ampe của lớp tiếp xúc p - n . . . . . . . . . . . . . 3.9 Sự chuyển dời của hạt mang điện và lỗ trống qua lớp tiếp xúc p - n và tạo của LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 thiết . . . . . . . . . bị đo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 15 18 22 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . cấu . . . 24 25 26 26 27 29 29 30 Sơ đồ giao thoa hệ vân tròn Newton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tiếp xúc p - n và vùng điện tích không gian . . . . . . . . . . . . . . . Sự dẫn điện của bán dẫn p - n khi được phân cực thuận . . . . . . . . Sự phát xạ năng lương của LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Thiết bị đo bước sóng bằng vân tròn Newton . . . . . . . . . . . . . . Đồng hồ vạn năng DT - 9205A+ và một số thông số kĩ thuật về thiết bị Thiết bị thực hành thí nghiệm đo hằng số Planck bằng đèn LED . . . Vị trí các vân tối của vân tròn Newton . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mạch điện đo hiệu điện thế ngưỡng của LED . . . . . . . . . . . . . . . Bảng kết quả sau khi khớp hàm của LED đỏ . . . . . . . . . . . . . . . Kết quả thu được sau khi khớp hàm đối với LED màu đỏ . . . . . . . . LED màu đỏ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . LED màu lục . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . LED màu lam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v . . . . 6 6 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 33 35 35 35 36 37 38 39 40 42 43 44 44 44 Hình Hình Hình Hình B.1 Minh họa giao thoa vân tròn Newton B.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B.3 Cấu tạo đèn LED . . . . . . . . . . . B.4 Sự dẫn điện của LED . . . . . . . . . vi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 61 62 62 Lời mở đầu Vật lý là môn khoa học thực nghiệm. Do đó, nét đặc trưng của môn Vật lý là sự gắn liền giữa lý thuyết với thưc hành. Lịch sử vật lý từ trước đến nay, các định luật, định lý hay các lý thuyết về vật lý được công bố đều là kết quả của nghiên cứu thực nghiệm hoặc phải được thực nghiệm kiểm chứng. Những lý do đó đã cho thấy phương pháp thực nghiệm có vai trò rất quan trọng trong học tập và nghiên cứu khoa học. Trong thời gian qua, bản thân tôi cũng được học nhiều môn thực hành sau khi đã hoàn thành các môn đại cương. Tất cả các môn thực hành đó đều đem lại sự đam mê và thích thú cho bản thân tôi và để lại nhiều ấn tượng sâu sắc.Từ đó tôi rút ra kết luận rằng phương pháp thực nghiệm có vai trò rất quan trọng trong quá trình giảng dạy. Trong chương trình Vật lý phổ thông hiện hành, các tác giả đã đưa vào sách giáo khoa Vật lý 12 một phần rất căn bản của vật lý lượng tử, có thể kể đến như là “Hiện tượng quang điện” hay “Quang phổ vạch của Hydro”. Hằng số Planck đã được đề cập đến khi học sinh học tới những phần này. Sâu hơn nữa, khi được tiếp cận đến vật lý lượng tử, hằng số Planck xuất hiện như là một điều tất yếu, nó mô tả mối quan hệ giữa năng lượng trong một lượng tử bức xạ điện từ và tần số bức xạ đó. Hằng số Planck có vai trò quan trọng trong vật lý lượng tử. Mặc dù giá trị hằng số Planck có giá trị rất nhỏ, h = 6.62607 × 10−34 J.s nhưng ta vẫn có thể thực hiện các thí nghiệm với những phương pháp khác nhau để kiểm chứng. Tôi xin đề cập đến hai phương pháp: 1. Dựa trên hiện tượng quang điện. 2. Dựa sự phát photon của đèn LED. Hai phương pháp khác nhau để thực hiện hai thí nghiệm với cùng một mục đích. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và hạn chế. Tùy vào mục đích mà ta có thể đưa vào giảng dạy ở những đối tượng khác nhau, với những yêu cầu khác nhau. Dụng cụ quan trọng khi thực hiện thí nghiệm đối với phương pháp 1 là tế bào quang điện, còn đối với phương pháp 2 là đèn LED. Từ những lý do trên, tôi quyết định chọn đề tài: “XÁC ĐỊNH HẰNG SỐ PLANCK BẰNG TẾ BÀO QUANG ĐIỆN VÀ ĐÈN LED”. Mục tiêu của khóa luận là xác định được hằng số Planck bằng hai phương pháp khác nhau. Thông qua đó, tôi sẽ đánh giá độ chính xác kết quả. Từ đó, tôi sẽ gợi ý phạm vi ứng dụng để phát huy được điểm mạnh và hạn chế điểm yếu của từng phương pháp. Để thực hiện được mục tiêu trên, những công việc cụ thể cần thực hiện trong khóa luận này là: 1 1. Hệ thống hóa kiến thức về “Hiện tượng quang điện” và “Linh kiện bán dẫn”, cụ thể ở đây là diode phát quang (LED). 2. Từ những kiến thức trên, tiến hành thực hiện các thí nghiệm để thu các số liệu. 3. Tiến hành xử lý số liệu thí nghiệm và thu được kết quả. 4. Đánh giá kết quả của từng phương pháp. Nội dung khóa luận bao gồm 2 phần với cấu trúc như nhau. Phần I bao gồm chương 1 và chương 2, phần này trình bày về phương pháp đo hằng số Planck dựa vào hiện tượng quang điện. Phần II bao gồm chương 3 và chương 4, phần này trình bày về phương pháp đo hằng số Planck bằng đèn LED. Cụ thể là: ˆ Chương 1 trình bày cơ sở lý thuyết về hiện tượng quang điện. Hiện tượng quang điện bao gồm hiện tượng quang điện ngoài và hiện tượng quang điện trong. Trong giới hạn của đề tài, tôi chỉ trình bày chủ là hiện tượng quang điện ngoài, phù hợp với phần thực nghiệm được trình bày ở chương 2. ˆ Chương 2 trình bày phần thực nghiệm khi đo hằng số Planck bằng phương pháp hiện tượng quang điện. Tôi sẽ nêu mục đích của thí nghiệm và tóm tắt lý thuyết trước khi bắt đầu thực hành. Tiếp theo, tôi sẽ trình bày phần thực hành bao gồm trình tự thực hành, xử lý số liệu ra để dẫn đến kết quả và đánh giá kết quả thu được. ˆ Chương 3 trình bày cơ sở lý thuyết về linh kiện bán dẫn, chủ yếu là sự dẫn điện của bán dẫn, bao gồm bán dẫn thuần, bán dẫn loại n, bán dẫn loại p và tiếp xúc n-p. Ngoài ra, tôi còn giới thiệu về đèn LED và nguyên tắc hoạt động của đèn LED. ˆ Chương 4 trình bày phần thực nghiệm khi đo hằng số Planck bằng đèn LED. Tôi sẽ nêu mục đích của thí nghiệm và tóm tắt lý thuyết trước khi bắt đầu thực hành. Tiếp theo, tôi sẽ trình bày phần thực hành bao gồm trình tự thực hành, xử lý số liệu ra để dẫn đến kết quả và đánh giá kết quả thu được. Kết luận và hướng phát triển là phần cuối cùng của khóa luận. Trong phần này tôi sẽ trình bày tóm tắt các kết quả thu được khi thực hiện khóa luận cũng như đề ra hướng phát triển cho đề tài này. 2 Phần I Đo hằng số Planck dựa vào hiện tượng quang điện 3 Chương 1 Cơ sở lý thuyết 1.1 Tế bào quang điện Tế bào quang điện là dụng cụ chính dùng để khảo sát hiện tượng quang điện. Đó là một bóng trong suốt không cản tia tử ngoại, bên trong hầu như là chân không và gồm có: ˆ Một catod K (bản âm cực) là một lớp kim loại tinh chất mà ta muốn khảo sát. ˆ Một anod A (bản dương cực) là một thanh kim loại (có thể là một vòng kim loại). Anode A được nối với một điện thế cao hơn điện thế của cathode C. Do đó, khi rọi một chùm tia sáng thích hợp, làm bật ra các electron thì những electron này bị hút về phía anod tạo thành một dòng electron dịch chuyển [7]. 1.2 Hiện tượng quang điện Hiện tượng quang điện do Hertz phát hiện ra đầu tiên 1887, sau đó việc nghiên cứu chi tiết hiện tượng được Stoletov tiến hành vào những năm 1888-1889, rồi đến Lénard năm 1889 1902 và nhiều nhà thực nghiệm khác vào những năm 90 của thế kỉ XIX [3][7]. Trong những thí nghiệm này người ta đã thu được dòng quang điện và đến đầu thế kỉ XX các định luật quang điện đã được thiết lập. Hiện tượng quang điện gồm có hai loại chính: Hiện tượng quang điện ngoài và hiện tượng quang điện trong. Ngoài ra còn có hiện tượng quang điện của lớp chặn [3]. ˆ Hiện tượng quang điện ngoài: hiện tượng ánh sáng có bước sóng thích hợp, khi chiếu vào kim loại, làm bật các electron ra khỏi bề mặt kim loại, gọi là hiện tượng quang điện ngoài. ˆ Hiện tượng quang điện trong: dưới tác dụng của ánh sáng có bước sóng thích hợp, các electron dẫn và lỗ trống trong bán dẫn được tạo thành, kết quả là tính dẫn điện của vật dẫn được tăng lên. ˆ Hiện tượng quang điện của lớp chặn: thể hiện ở sự xuất hiện hiệu điện thế trên các vật bán dẫn đặt tiếp xúc nhau được chiếu sáng. Hiệu ứng này được giải thích bởi cơ chế dẫn 4 điện trong các vật bán dẫn. Nếu một bán dẫn có tính dẫn bằng electron và một bán dẫn có tính dẫn bằng lỗ trống được đặt tiếp xúc nhau và bán dẫn có tính dẫn bằng lỗ trống được chiếu sáng, thì các electron của nó sau khi hấp thụ lượng tử ánh sáng sẽ chuyển sang bán dẫn có tính dẫn bằng electron, bán dẫn này được tích điện âm và bán dẫn kia được tích điện dương. Một nguồn điện được tạo ra, thêm vào đó qua lớp chặn dòng quang điện đi theo hướng ngược với chiều dòng điện đi qua thiết bị đó, thiết bị này được dùng như một cái chỉnh lưu. Hiệu ứng quang điện hầu như không có quán tính, nghĩa là không có sự chậm trễ giữa lúc bắt đầu chiếu sáng và lúc xuất hiện các quang electron [3]. 1.3 Thí nghiệm hiện tượng quang điện 1.3.1 Thí nghiệm của Hertz về hiện tượng quang điện (1887) Dùng một bản P bằng kẽm và gắn với một bình điện nghiệm như hình 1.1. Tích điện vào bình. Rọi vào bản P một chùm tia sáng giàu tia tử ngoại (hồ quang), ta thấy kết quả như sau [7]: ˆ Nếu bình điện nghiệm được tích điện dương thì sự chiếu sáng trên không gây ra một tác dụng nào đối với điện tích của bình : f vẫn tách khỏi E như cũ. ˆ Nếu bình điện nghiêm được tích điện âm, ta thấy f khép lại khá nhanh, chứng tỏ điện tích của bình điện nghiệm, cũng như của bản P giảm đi và triệt tiêu. Điều này chứng tỏ bình đã phóng điện. Bây giờ lại tích điện âm vào bản P và bình điện nghiệm nhưng đặt giữa nguồn sáng và bản P một bản thủy tinh (bản này có tính chất hấp thụ tia tử ngoại). Ta thấy sự phóng điện không xảy ra : f và E vẫn đẩy nhau. Từ thí nghiệm này, người ta kết luận: Ánh sáng tử ngoại khi chiếu tới bản kẽm đã làm bật ra các electron ở bản P, do đó điện tích âm ở bản P và ở bình giảm đi và triệt tiêu. Hiện tượng như trên gọi là hiện tượng quang điện ngoài. Vậy hiện tượng quang điện ngoài là hiện tượng ánh sáng (hoặc bức xạ điện từ) làm bật các electron ra khỏi bề mặt kim loại. 5 Hình 1.1: Thí nghiệm của Hezt về hiện tượng quang điện [7] 1.3.2 Thí nghiệm với tế bào quang điện 1.3.2.1 Bố trí thí nghiệm Sơ đồ thí nghiệm thường dùng để nghiên cứu hiệu ứng quang điện như hình 1.2. Nó gồm một bóng đèn chân không cao (áp suất vào khoảng 10−6 mmHg ). Trong bóng đèn có hai bản kim loại: bản dương cực A (anod) và bản âm cực K (catod ). Bản âm cực K làm bằng kim loại cần nghiên cứu hiệu ứng quang điện. Nhờ hai nguồn điện ε1 và ε2 (có các cực mắc đối nhau) và một biến trở R nối với hai bản A và K như hình vẽ, ta có thể đặt bản A ở hiệu điện thế cao hơn bản K (hoặc ngược lại) bằng cách dịch chuyển con chạy trên biến trở R. Hình 1.2: Sơ đồ bố trí thí nghiệm khảo sát hiện tượng quang điện [4] Cho một chùm ánh sáng tử ngoại (bước sóng ngắn) chiếu tới trên mặt bản âm cực K. Chùm ánh sáng này sẽ giải phóng các electron khỏi mặt bản âm cực K, những electron này gọi 6 là các quang electron. Dưới tác dụng của điện trường giữa A và K, các quang electron sẽ chuyển động về dương cực A và tiếp tục đi vào trong mạch điện, tạo thành một dòng điện không đổi có chiều ngược lại gọi là dòng quang điện [3][4][7]. Cường độ dòng điện Ia đo bằng điện kế G, còn hiệu điện thế UAK = VA − VK giữa hai bản kim loại A và K được đo bằng vôn kế V. 1.3.2.2 Tiến hành thí nghiệm Đầu tiên ta đặt UAK > 0: Khi không có ánh sáng chiếu vào, trong mạch không có dòng điện (kim điện kế không lệch). Khi chiếu ánh sáng có tần số thích hợp vào quang catod thì trong mạch xuất hiện dòng điện (kim điện kế bị lệch), điều này chứng tỏ đã có các electron bứt ra khỏi quang catod và dưới tác dụng của điện trường, các electron bị kéo về anod, do đó trong mạch xuất hiện dòng điện. Dòng điện này được gọi là dòng quang điện[4][7]. Bây giờ cho UAK thay đổi và đo sự biến thiên của cường độ dòng quang điện theo hiệu điện thế UAK , ta được đường cong a trên hình. Sau đó tăng gấp đôi cường độ ánh sáng và lặp lại thí nghiệm, ta được đường cong b (hình 1.3)[4]. Hình 1.3: Sự phụ thuộc của dòng quang điện vào hiệu điện thế UAK [4] 1.3.2.3 Kết quả thí nghiệm Ta thấy rằng khi tăng UAK thì dòng I tăng theo. Nếu tiếp tục tăng UAK thì I đạt đến một giá trị không đổi gọi là dòng bão hòa I0 [4][7]. Ta có thể hiểu điều này như sau: Hiệu điện thế UAK dương có tác dụng kéo các electron phát ra từ quang catod về anod. Khi UAK càng lớn thì số electron tạo ra ở catod về được anod càng nhiều và dòng quang điện càng lớn. Đến một lúc, khi mọi quang electron phát ra ở catod đều tập trung ở anod thì dù có tăng UAK thì dòng điện cũng không thể tăng thêm nữa. Khi đó ta có dòng bão hòa. Như vậy cường độ dòng điện bão hòa tỉ lệ số quang electron phát ra. So sánh các giá trị I0 tương ứng với trường hợp a và b ta 7 thấy khi cường độ ánh sáng tăng gấp đôi thì cường độ dòng bão hòa tăng gấp đôi: I02 = 2I01 . Nghĩa là cường độ của dòng quang điện bão hòa tỉ lệ với cường độ ánh sáng tới. Nói cách khác, số quang electron phát ra tỉ lệ với cường độ ánh sáng tới [3][4][7]. Ngoài ra, ta thấy hiệu điện thế bằng không vẫn có dòng quang điện. Khi UAK âm ứng với giá trị UAK = −Uh thì dòng quang điện triệt tiêu, Uh được gọi là hiệu điện thế hãm. Ý nghĩa của hiệu điện thế hãm là như sau [4]: Bức xạ chiếu vào quang catod đã cung cấp năng lượng làm cho các electron bứt ra khỏi kim loại và cung cấp cho mỗi electron một động năng ban đầu K0 nào đó. Nhờ có động năng này, các electron có thể chuyển động đến anod khi không có điện trường (UAK = 0) hoặc ngay cả khi điện trường có tác dụng chống lại sự chuyển động (UAK < 0). Giá trị UAK = −Uh ứng với khi các electron có động năng ban đầu cực đại K0 max vừa đúng bị hãm bởi điện trường [3][4]. Có thể tính được K0 max thông qua Uh bằng cách sau. Theo định luật bảo toàn năng lượng thì tổng động năng và thế năng của electron trong điện trường là không đổi. Ban đầu khi mới xuất hiện, nó có động năng cực đại là K0 max và thế năng Wt = −eVK = 0 (chọn VK = 0). Sau đó khi đi đến anod (có điện thế VA = −Uh ), electron có thế năng Wt = −e (−Uh ) = eUh và động năng lúc này bằng không. Vậy ta có: K0 max + 0 = 0 + eUh hay K0 max = eUh (1.1) Như vậy, Bằng cách đo Uh , có thể xác định được động năng ban đầu cực đại của chúng[4]. Công thức (2.6) cho thấy động năng ban đầu cực đại của electron K0 max tỉ lệ với hiệu điện thế hãm Uh . Từ đồ thị ta thấy hiệu điện thế hãm Uh không phụ thuộc cường độ ánh sáng tới. Do đó, động năng ban đầu cực đại của electron không phụ thuộc vào cường độ ánh sáng tới. Điều này là vấn đề khó hiểu nếu giải thích theo quan điểm sóng ánh sáng [2]. Bây giờ ta cho thay đổi tần số ν của ánh sáng chiếu vào và đo sự phụ thuộc của Uh theo tần số ν, ta được kết quả như hình 1.5. Ta thấy Uh là một hàm tuyến tính của tần số ánh sáng đến. Nghĩa là theo (2.6), động năng ban đầu cực đại của electron là một hàm tuyến tính theo tần số ánh sáng. Tần số mà tại đó hiệu điện thế hãm Uh = 0 gọi là tần số ngưỡng và kí hiệu là ν0 . Ý nghĩa của nó như sau: Khi ánh sáng đến có tần số nhỏ hơn ν0 , dù ta đặt Uh = 0 (các electron không bị cản trở chuyển động), cũng không có dòng điện trong mạch. Nghĩa là không có quang electron xuất hiện. Vậy khi ánh ánh đến có tần số nhỏ hơn tần số ngưỡng thì hiện tượng quang điện không xảy ra. Bước sóng λ0 ứng với tần số ngưỡng ν0 gọi là giới hạn quang điện của kim loại phụ thuộc vào bản chất kim loại[3][7]. 8 Ta có thể tóm tắt các kết quả thực nghiệm như sau [2][3][4][7]: ˆ Số quang electron phát ra tỉ lệ cường độ ánh sáng tới. ˆ Động năng ban đầu cực đại của quang electron không phụ thuộc cường độ mà phụ thuộc tần số ánh sáng (là hàm tuyến tính của tần số ánh sáng kích thích). ˆ Khi ánh sáng tới có tần số nhỏ hơn tần số ngưỡng hay bước sóng ánh sáng kích thích lớn hơn giới hạn quang điện thì hiện tượng quang điện không xảy ra. 1.4 Các định luật về hiện tượng quang điện Từ các kết quả thí nghiệm về hiện tượng quang điện, người ta rút ra được ba định luật [2] [3] [4] [7]. ˆ Định luật thứ nhất (định luật về giới hạn quang điện): Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi ánh sáng kích thích có bước sóng nhỏ hơn hay bằng giới hạn quang điện (λ ≤ λ0 ). ˆ Định luật thứ hai (định luật về cường độ dòng quang điện bão hòa): Khi xảy ra hiện tượng quang điện, cường độ dòng quang điện bão hòa tỉ lệ thuận với cường độ chùm sáng kích thích (I0 ∼ Ias ). ˆ Định luật thứ ba (định luật về động năng ban đầu cực đại): Khi xảy ra hiện tượng quang điện, động năng ban đầu cực đại của các quang electron không phụ thuộc vào cường độ của ánh sáng kích thích mà chỉ phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng kích thích và bản chất của kim loại dùng làm catod. 1.5 1.5.1 Giải thích các định luật quang điện Sự bất lực của lý thuyết sóng điện từ Theo thuyết điện từ về ánh sáng, năng lượng ánh sáng được truyền đi liên tục theo sóng ánh sáng và cường độ ánh sáng càng lớn thì năng lượng ánh sáng mang theo càng nhiều. Như vậy, dù ánh sáng có bước sóng lớn thế nào đi nữa, nhưng nếu có cường độ lớn thì nó sẽ cung cấp được nhiều năng lượng cho electron và do đó sẽ giải phóng được electron khỏi kim loại[2]. Vì thế, thuyết điện từ không thể giải thích được tại sao có “giới hạn quang điện”, cũng như không thể giải thích được tại sao có động năng cực đại ban đầu của các quang electron không phụ thuộc vào cường độ chùm sáng rọi tới kim loại. Hơn nữa, theo thuyết điện từ về ánh sáng, từ khi ánh sáng rọi tới kim loại đến khi có các quang electron đầu tiên xuất hiện phải mất một 9 khoảng thời gian mấy chục phút. Nhưng thí nghiệm chứng tỏ rằng, khoảng thời gian đó rất bé (không quá 10−9 giây) [4]. Đó là những bất lực của thuyết điện từ về ánh sáng trong việc giải thích hiện tượng quang điện. 1.5.2 Lý thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein 1.5.2.1 Lý thuyết lượng tử năng lượng của Planck Năm 1900, Planck đưa ra giả thuyết: Lượng năng lượng mà mỗi lần một nguyên tử hay phân tử hấp thụ hay phát xạ có giá trị hoàn toàn xác định và bằng hν; trong đó ν là tần số của ánh sáng bị hấp thụ hay được phát ra; còn h là một hằng số [4]. 1.5.2.2 Lý thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein Năm 1905, để giải thích các kết quả thực nghiệm về hiện tượng quang điện, Einstien đã đẩy mạnh ý tưởng lượng tử hóa năng lượng và nêu giả thuyết[4]. ˆ Năng lượng của ánh sáng tập trung thành những bó có kích thước rất nhỏ và lan truyền với vận tốc bằng vận tốc ánh sáng trong chân không c, những bó này được gọi là photon (hay lượng tử ánh sáng), năng lượng của mỗi photon của ánh sáng đơn sắc tần số ν tỉ lệ với tần số này qua hằng số Planck. ε = hν = hc/λ (1.2) trong đó h = 6.625 × 10−34 Js là hằng số Planck ˆ Cường độ của một chùm sáng tỉ lệ với mật độ photon trong chùm. ˆ Nguyên tử hay phân tử vật chất hấp thụ ánh sáng theo từng photon riêng biệt. ˆ Vận tốc ánh sáng trong chân không là tuyệt đối, c = 3 × 108 m/s, không phụ thuộc vào nguồn phát hay máy thu. Như vậy, Einstien đã hình dung một chùm sáng như một chùm các hạt nhỏ li ti. Năng lượng của mỗi hạt tỉ lệ với tần số của ánh sáng sáng, E = hν. Khi đó, năng lượng của chùm ánh sáng gửi qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền trong một giây (cường độ ánh sáng) sẽ bằng số hạt đi qua diện tích trong một giây (N ) nhân với năng lượng của mỗi hạt (hν). Nghĩa là: Cường độ sáng = N hν 10 Einstein đã áp dụng các giả thuyết trên đã giải thích hiện tượng quang điện.Khi nhận photon có năng lượng là hν, một electron bị bứt khỏi bề mặt kim loại, động năng của nó là K0 = hν − W trong đó, W là công cần thiết để bứt một electron khỏi nguyên tử bề mặt kim loại. Các electron trong nguyên tử ở các mức khác nhau thì có công bứt electron W khác nhau. Các electron ở mức ngoài cùng của các nguyên tử trên bề mặt kim loại có W nhỏ nhất là A, A được gọi là công thoát. Đối với electron có công thoát A sẽ có động năng ban đầu lớn nhất: K0 max = hν − A hay hν = A + K0 max (1.3) Công thức (1.3) gọi là công thức Einstein. 1.5.2.3 Giải thích hiện tượng quang điện trên cơ sở thuyết lượng tử ánh sáng Vấn đề cường độ: Khi ta tăng cường độ ánh sáng lên hai lần thì số photon trong chùm sáng tăng lên hai lần, do đó số quang electron và dòng quang điện bão hòa cũng tăng gấp hai lần. Nhưng khi đó năng lượng của mỗi photon không tăng [4], do đó động năng mà các electron thu được không phụ thuộc và cường độ ánh sáng. Vấn đề tần số: Nếu cho K0max = 0 trong công thức (1.3), ta được: hν0 = A Khi đó, các electron hấp thụ vừa đúng bằng một năng lượng đủ để thoát khỏi bề mặt kim loại mà không có động năng ban đầu. Nếu cho ν < ν0 thì các electron không thể thoát khỏi bề mặt kim loại[4]. Điều đó giải thích sự tồn tại của tần số ngưỡng ν0 . Thay (1.1) vào (1.3) và biến đổi ta được: hν A − (1.4) Uh = e e Công thức (1.4) cho thấy Uh phụ thuộc tuyến tính vào ν, độ dốc của đường thẳng trên hình là tỉ số h/e [3]. 11 Vấn đề thời gian: Do năng lượng của ánh sáng được tập trung trong các photon, nên khi hấp thụ một photon có năng lượng lớn hơn công thoát, electron có khả năng bật ra tức thì khỏi mặt kim loại [4]. 1.6 Khối lượng nghỉ và động lượng của photon Giả thuyết của Einstein cho thấy photon có tính chất như một hạt và mang năng lượng hν, chuyển động với vận tốc ánh sáng trong chân không. Khi một hạt chuyển động, nó sẽ có một động lượng lượng nào đó. Do đó, photon cũng sẽ có động lượng. Để tìm động lượng photon, ta phải tìm khối lượng nghỉ của nó [7]. Để tìm khối lượng nghỉ này ta phải xuất phát từ công thức tổng quát cho năng lượng toàn phần của một hạt có khối lượng nghỉ m0 chuyển động với vận tốc v là: m0 c2 E=r v2 1− 2 c Vì photon chuyển động với vận tốc v = c nên mẫu số triệt tiêu, nhưng năng lượng của photon là E = hν hữu hạn, vậy tử số cũng phải bằng 0, hay khối lượng nghỉ của photon phải bằng 0, m0 = 0. Thay m0 = 0 vào hệ thức tương đối tính giữa năng lượng, động lượng và khối lượng nghỉ:
2 E 2 = (pc)2 + m0 c2 Ta suy ra biểu thức cho động lượng của photon như sau [7]: p= hν c E = = c c λ 12 (1.5) Chương 2 Thực hành 2.1 Mục đích ˆ Đo hiệu điện thế hãm của (Uh ) đối với từng ánh sáng đơn sắc khác nhau. ˆ Xác định hằng số Planck. 2.2 Tóm tắt lý thuyết Hiện tượng quang điện là hiện tượng bật ra các electron từ một tấm kim loại khi chiếu vào tấm kim loại đó một chùm sáng có bước sóng thích hợp. Các electron bắn ra được gọi là các quang electron [4]. Electron trong kim loại muốn thoát ra ngoài kim loại phải có năng lượng ít nhất bằng công thoát A của electron đối với kim loại đó. Bình thường, động năng chuyển động nhiệt của các electron đều nhỏ hơn A. Khi bức xạ điện từ thích hợp chiếu tới, các electron tự do trong kim loại sẽ hấp thụ photon. Mỗi một photon có năng lượng ε = hν. Năng lượng này một phần chuyển thành công thoát A và phần còn lại chuyển thành động năng ban đầu của electron quang. Động năng ban đầu này càng lớn khi electron càng gần bề mặt kim loại và kết quả là động năng ban đầu sẽ cực đại với các quang electron ở sát bề mặt kim loại. Theo định luật bảo toàn năng lương ta có [11]: ε = hν = A + 2 mv0max = A + Wđ 2 (2.1) Khi chiếu vào catod ánh sáng có bước sóng thích hợp thì trong mạch xuất hiện dòng quang điện. Muốn cho dòng quang điện triệt tiêu hoàn toàn thì phải đặt vào giữa anod và catod một hiệu điện thế hãm. Sự tồn tại của hiệu điện thế hãm chứng tỏ rằng khi bật ra khỏi mặt kim loại, các electron quang có một vận tốc ban đầu v0 . Điện trường cản mạnh đến một mức nào đó thì ngay cả những electron có vận tốc ban đầu lớn nhất v0max cũng không bay được đến anod. Lúc đó dòng quang điện triệt tiêu hoàn toàn và công của điện trường hãm có giá trị đúng bằng 13 động năng ban đầu cực đại của quang electron: Wđmax = eUh (2.2) với e là điện tích của electron và Uh là hiệu điện thế làm cho dòng quang điện triệt tiêu hoàn toàn, được gọi là hiệu điện thế hãm. Kết hợp phương trình (2.6) và (2.2) ta có: hν = A + eUh (2.3) A h ν− e e (2.4) Hay Uh = Với các ánh sáng đơn sắc có tần số lần lượt là ν1 và ν2 , hiệu điện hãm có giá trị tương ứng là Uh1 và Uh2 . Khi đó, theo (2.3), ta có: eUh1 = h.ν1 − A eUh2 = h.ν2 − A Từ đó suy ra giá trị của hằng số Planck: h = e. 2.3 2.3.1 Uh1 − Uh2 ν1 − ν2 (2.5) Thực hành thí nghiệm Dụng cụ Thiết bị nghiên cứu hiệu ứng quang điện và xác định hằng số Planck, với các thông số [11]: ˆ Tế bào quang điện chân không loại Cs-Sb, dòng điện tối không lớn hơn 3nA. ˆ Bộ gồm 4 kính lọc sắc : 635 nm, 570 nm, 540 nm, 460 nm (hình 2.6). ˆ Sai số xác định điện áp gia tốc electron 2%. ˆ Nguồn sáng : Đèn Halogen 12 V/35 W. ˆ Nguồn cung cấp cho thiết bị : AC 220 V, 50 Hz. 14