So sánh hiên jtuowngj quang điện trong năm 2024

MỤC ĐÍCH YÊU CẦU Mục đích Mục đích của bài thí nghiệm này nhằm tạo điều kiện cho sinh viên quan sát hiệu ứng quang điện ngoài và trang bị cho sinh viên kỹ năng thực nghiệm để khảo sát về hiệu ứng quang điện ngoài và xác định một hằng số cơ bản của vật lý lượng tử là hằng số Planck. Yêu cầu

• Nắm được cơ sở lý thuyết về hiện tượng quang điện ngoài.
• Nắm được cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tế bào quang điện chân không. Biết cách lắp mạch thí nghiệm theo sơ đồ và sử dụng thiết bị thí nghiệm.
• Biết cách tiến hành thí nghiệm để xây dựng đường đặc trưng Volt - Ampere của tế bào quang điện chân không. Biết cách xác định hiệu điện thế hãm bằng phương pháp thực nghiệm.
• Viết được báo cáo thí nghiệm, tính được các sai số theo yêu cầu. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hiệu ứng quang điện ngoài là hiện tượng các electron bị bứt ra khỏi kim loại dưới tác dụng của một bức xạ điện từ thích hợp. Những electron bị bật ra gọi là electron quang điện. Hiệu ứng quang điện do H. Hertz khám phá năm 1887 và được A. G. Stoletov nghiên cứu chi tiết năm 1888. Ba định luật thực nghiệm về hiệu ứng này, đó là:
• Định luật về giới hạn quang điện: Đối với mỗi kim loại, hiệu ứng quang điện ngoài chỉ xảy ra khi bước sóng  của bức xạ chiếu tới bằng hoặc

nhỏ hơn một giá trị  0 xác định, gọi là giới hạn quang điện của kim loại đó. - Định luật về động năng ban đầu cực đại của electron quang điện: Khi bức xạ chiếu tới thỏa mãn định luật về giới hạn quang điện thì động năng ban đầu cực đại của electron quang điện không phụ thuộc vào cường

độ của chùm bức xạ chiếu tới mà phụ thuộc vào bản chất của kim loại và phụ thuộc tuyến tính vào tần số của bức xạ chiếu tới. - Định luật về dòng quang điện bão hòa: Khi bức xạ chiếu tới thỏa mãn điều kiện của định luật giới hạn quang điện, cường độ dòng quang điện bão hòa tỷ lệ thuận với cường độ của chùm bức xạ chiếu tới cathode của tế bào quang điện. Năm 1905, A. Einstein đã đưa ra lý thuyết hạt về ánh sáng: mỗi bức xạ điện từ đơn sắc có bước sóng  là một dòng hạt (photon) chuyển động

với tốc độ c = 3 8 m/s, có năng lượng hc   hf  , động lượng h p   .

Theo thuyết photon, hiệu ứng quang điện được gây ra do các electron tự do trong kim loại hấp thụ photon của bức xạ chiếu tới. Mỗi electron hấp thụ một photon và lấy toàn bộ năng lượng của nó, năng lượng này sẽ được dùng để thực hiện công thoát A (là công tối thiểu cần phải tiêu tốn để bứt một electron ra khỏi bề mặt của kim loại) và cung cấp cho electron một động năng ban đầu. Phương trình Einstein về hiệu ứng quang điện ngoài (thực chất là phương trình biểu diễn định luật bảo toàn năng lượng cho những eletron ở ngay bề mặt kim loại) có dạng như sau: 2 hc A mv0 max 2

 



(12)

trong đó: h là hằng số Planck; c là tốc độ ánh sáng trong chân không;  là bước sóng của ánh sáng chiếu tới; A là công thoát của electron; m là khối

lượng của electron; v0max là tốc độ ban đầu cực đại của electron quang điện.

Thuyết photon của Einstein cho phép giải thích một cách đơn giản tất cả các định luật quang điện. Ngoài ra nó còn giải thích được nhiều hiện tượng khác như hiệu ứng Compton, phản ứng quang hóa, hiện tượng huỳnh quang, hiện tượng quang điện trong... Để nghiên cứu hiệu ứng quang điện ngoài, người ta dùng một dụng cụ gọi là tế bào quang điện chân không. Tế bào quang điện chân không là một bóng thuỷ tinh đã hút chân

không (10-6  10 -8 mmHg), bên trong có hai điện cực: anode A là một vòng dây kim loại đặt ở giữa, cathode K là một màng mỏng kim loại có công

• Khi UAK > 0 và càng tăng thì số electron quang điện chuyển động từ cathode K về anode A trong mỗi đơn vị thời gian càng nhiều và cường độ dòng quang điện I càng tăng.
• Khi UAK  Ubh thì toàn bộ số electron quang điện thoát ra khỏi cathode K đều bị hút hết về anode A, do đó cường độ dòng quang điện I không tăng nữa và đạt giá trị bão hoà Ibh. Nếu cường độ chùm bức xạ thích hợp chiếu vào cathode K càng mạnh thì số photon đến đập vào cathode K trong mỗi đơn vị thời gian càng nhiều. Do đó, số electron quang điện thoát khỏi cathode K và chuyển động về anode A trong mỗi đơn vị thời gian càng nhiều và cường độ dòng quang điện bão hoà Ibh càng lớn (cường độ dòng quang điện bão hoà tỷ lệ với cường độ của chùm bức xạ chiếu vào cathode).
• Khi UAK = 0, một số electron quang điện có động năng ban đầu đủ lớn vẫn có thể bay từ cathode K sang anode A để tạo thành dòng quang điện có cường độ I 0  0. Muốn triệt tiêu dòng quang điện, ta phải đặt vào hai cực của tế bào quang điện một điện trường cản đủ lớn để các electron quang điện không bay được đến anode. Hiệu điện thế cản (UAK < 0) với độ lớn tối thiểu khiến cho dòng quang điện triệt tiêu gọi là hiệu điện thế hãm, ký hiệu là Uh (Uh < 0). Ta có hệ thức liên hệ giữa hiệu điện thế hãm và động năng ban đầu cực đại của các electron quang điện: 2 0max h eU mv 2

 (12)

ở đây e  1,6  19 Clà điện tích của electron. So sánh (12) với (12), ta tìm được: eU h  hf  A 0 (12) Chiếu lần lượt hai ánh sáng đơn sắc có tần số lần lượt là f 1 và f 2 vào cathode của tế bào quang điện chân không, ta sẽ đo được các hiệu điện thế hãm có giá trị tương ứng là Uh1 và Uh2. Khi đó, theo (12), ta có: eU h1  hf 1 A 0 eU h2  hf 2 A 0 Từ đó suy ra giá trị của hằng số Planck:

h1 h 2 1 2

h e U U f f

 

 (12)

Trong thí nghiệm này, ta sẽ khảo sát hiện tượng quang điện bằng

cách vẽ đường đặc trưng Volt - Ampere I  f  UAKcủa tế bào quang điện

chân không và xác định hằng số Planck theo công thức (12). DỤNG CỤ

Hình 12. Bộ thí nghiệm khảo sát hiện tượng quang điện ngoài. Bộ thí nghiệm khảo sát hiện tượng quang điện ngoài, xác định hằng số Plank (Hình 12) gồm các phần chính:

1. Tế bào quang điện (TBQĐ) chân không đặt trong hộp kín, có hai điện cực anode A và cathode K.
2. Đèn chiếu sáng có Diaphram để thay đổi cường độ ánh sáng chiếu vào tế bào quang điện.
3. Nguồn điện U 1 cung cấp cho đèn chiếu sáng.
4. Nguồn điện một chiều UAK đã được nối vào hai chốt P, Q có thể điều chỉnh liên tục từ (0 ÷ 100) V khi đo đặc trưng V - A và từ (0 ÷ 2,5) V khi đo hiệu điện thế hãm, bằng cách vặn núm xoay UAK ngay bên cạnh nó.
5. Vôn kế V đo hiệu điện thế một chiều, có hai thang đo 100 V và 2,5 V (một vài kiểu thiết bị có thêm thang 1 V để tăng độ phân giải). Khi vặn chuyển mạch đổi thang đo thì nguồn cung cấp 1 chiều cũng tự động thay đổi theo.

Bảng 12. Đo đặc trưng Volt - Ampere của TBQĐ. - Vôn kế V: Um = ... (V) V = ...% - Micro-ampe kế Im = ... (A) I = ...% UAK(V) 0 2 4 ... 18 20 30 ... 80 90 I 1 (A)

I 2 (A)

I 3 (A)

Đo hiệu điện thế hãm Uh ứng với các ánh sáng đơn sắc

a. Sơ đồ mạch điện

Hình 12. Sơ đồ mạch điện xác định hiệu điện thế hãm của TBQĐ. Mắc mạch điện theo sơ đồ Hình 12 (đảo cực của nguồn bằng cách đổi nối chéo hai dây giữa các cọc nối dây P - F, Q - E).

• Vôn kế V chọn thang 2,5 V hoặc 1 V.
• Micro-ampe kế A chọn thang 1 A.
• Nguồn 1 chiều UAK đặt ở vị trí 0 (núm xoay UAK vặn về tận cùng trái).
• Gạt chuyển mạch (nếu có) của nguồn điện một chiều sang vị trí + 2,5 V.
• Các công tắc K và K 1 ở vị trí ngắt điện. Sau khi thiết lập xong, mời giáo viên tới kiểm tra mạch điện để được phép cắm phích điện của thiết bị vào ổ điện xoay chiều 220 V.

b. Tiến hành đo

• Bước 1: Bấm các công tắc K trên mặt máy: các đèn LED phát sáng báo hiệu máy đã sẵn sàng hoạt động. Đèn chiếu Đ vẫn chưa được đóng điện.

Q A F

P E U

A K

V

+

• Bước 2: Điều chỉnh nguồn một chiều UAK = 0. Dùng tấm nhựa đen che kín cửa sổ tế bào quang điện. Vặn núm quy "0" điều chỉnh chính xác kim đồng hồ micro-ampe kế chỉ đúng số 0.
• Bước 3: Thay miếng nhựa đen bằng tấm kính lọc, cho qua ánh sáng có bước sóng  1. Bật công tắc đèn chiếu K 1. Điều chỉnh Diaphram để cho dòng I 0 = 0,4 ÷ 0,8 A.
• Bước 4: Vặn núm xoay UAK để tăng dần hiệu thế ngược đặt vào anode A và cathode K. Ta thấy dòng I 0 giảm dần đến triệt tiêu. Để đo được hiệu thế hãm Uh, ta tăng dần từng 0,05 hoặc 0,1 V. Đọc và ghi các số liệu vào Bảng 12 cho đến khi I = 0. Chú ý: Để xác định chính xác các hiệu điện thế hãm Uh1, Uh2 khi dòng I giảm gần đến 0 ta tăng điện áp mỗi lần 0,02 V cho đến khi I = 0.
• Lặp lại các bước 2, 3 và 4 với kính lọc cho qua ánh sáng có bước sóng  2. Đọc và ghi số liệu vào Bảng 12.

Bảng 12. Đo hiệu điện thế hãm đối với ánh sáng đơn sắc. - Vôn kế V: Um = ... (V) V = ...% - Micro-ampe kế Im = ... (A) I = ...% Kính lọc sắc 1:  1 = ... (m) UAKi (V) ... Ii (A) ... Kính lọc sắc 2:  2 = ... (m) UAKi (V) ... Ii (A) ...

• Kết thúc phép đo giảm hiệu điện thế nguồn UAK về 0. Tắt công tắc K và K 1 , cất kính lọc sắc vào hộp kín, đặt tấm nhựa đen che cửa sổ tế bào quang điện, tháo mạch điện. Sắp xếp dụng cụ gọn gàng.
• Ghi các số liệu sau đây vào Bảng 12 và Bảng 12:
• Giá trị cực đại và cấp chính xác của vôn kế, ampe kế ứng với mỗi thang đo.
• Giá trị các bước sóng  1 và  2 của các kính lọc.

Câu hỏi kiểm tra 12. Định nghĩa hiện tượng quang điện ngoài. Vẽ sơ đồ và mô tả mạch điện dùng tế bào quang điện chân không để khảo sát hiện tượng này. 12. Phát biểu thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein. Ứng dụng thuyết này để giải thích dạng của đường đặc trưng Volt - Ampere I = f(UAK) đối với tế bào quang điện chân không. 12. Trình bày phương pháp xác định hằng số Planck trong thí nghiệm. 12. Tại sao cần phải vẽ đồ thị I = f(UAK) để xác định giá trị của hiệu điện thế hãm Uh đối với các bước sóng khác nhau? Giải thích nguyên nhân tại sao khi UAK = Uh dòng quang điện không giảm ngay tới 0 (tuy rất nhỏ)?