Thí nghiệm môn Vật lý - Khảo sát hiện tượng quang điện xác định hằng số planck

Thí nghiệm Vật lý. Bài 7: Khảo sát hiện tượng quang điện xác định hằng số planck Dụng cụ: 1. Bộ thí nghiệm vật lý MC-959. 2. Tế bào quang điện chân không. 3. Đèn chiếu sáng và các kính lọc sắc ( vàng và tím ). 4. Các dây dẫn dùng nối mạch điện ( 9 dây ). 5. Nguồn điện ~220V. I. Cơ sở lý thuyết. Hiệu ứng quang điện ngoài là hiện tượng các Electron thoát khỏi bản kim loại khi chiếu vào mặt bản đó chùm ánh sáng thích hợp có bước sóng l nhỏ hơn hoặc bằng lo. Các Electron này gọi là quang Electron, còn giá trị lo gọi là giới hạn quang điện phụ thuộc vào bản chất và trạng thái mặt ngoài của mỗi kim loại. Để nghiên cứu hiệu ứng này, người ta dùng một tế bào tế bào quang điện chân không AK mắc vào mạch điện theo sơ đồ hình 1. Đó là một bóng thuỷ tinh đã hút chân không ( 10-6 - 10-8mmHg ), bên trong nó có hai điện cực: Anốt là một vòng dây kim loại đặt ở giữa, katốt K là một lớp nhạy quang ( thí dụ như hợp chất Angtimoni xêzi,) phủ trên một nửa mặt phía trong của bóng. Anốt A nối với cực (+) và katốt K nối với cực (-) của nguồn điện một chiều U. Hiệu điện thế UAK giữa Anốt và Katốt có thể thay đổi nhờ biến trở R và đo bằng vôn kế V. Nếu chiếu ánh sáng thích hợp từ đèn Đ vào Katốt K, trong mạch sẽ xuất hiện dòng quang điện có cường độ I đo bằng microampekế mA. Cường độ I của dòng quang điện tăng dần theo hiệu điện thế UAK giữa Anốt và Katốt. Cho tới khi UAK ³ Ubh, cường độ I của dòng quang điện không tăng nữa và đạt giá trị bão hoà Ibh. Giá trị Ibh tăng tỉ lệ với cường độ chùm sáng thích hợp chiếu vào Katốt. Đồ thị I=f(UAK) trên hình 2 là đường đặc trưng Vôn-Ampe của tế bào quang điện chân không. Hình1 và 2 Có thể giải thích hiện tượng quang điện bằng thuyết lượng tử ánh sáng của Anhxtanh. Theo thuyết này, ánh sáng cấu tạo bởi vô số các phôtôn ( hay lượng tử ánh sáng ). Năng lượng của mỗi phôtôn có giá trị bằng: (1) với h là hằng số Plancl, c là vận tốc ánh sáng trong chân không, còn n là tần só của ánh sáng đơn sắc có bước sóng l. Như đã biết, Electron tự do trong kim loại muốn thoát ra khỏi mặt ngoài của kim loại thì cần phải có năng lượng ít nhất bằng công thoát Ao của nó đối với kim loại đó. Nếu chiếu ánh sáng thích hợp vào bản kim loại, Electron tự do nằm ở gần sát mặt ngoài của bản sẽ hấp thụ hoàn toàn năng lượng e=h.n của phôtôn để chuyển một phần thành công thoát Ao và phần còn lại chuyển thành động năng ban đầu cực đại của quang Electron khi nó vừa thoát khỏi mặt ngoài của kim loại. áp dụng định luật bảo toàn năng lượng cho quang Electron này, ta thu được phương trình Anhxtanh: (2) Vì , nên h.n ³ Ao và suy ra điều kiện xảy ra hiệu ứng quang điện: (3) Với chùm ánh sáng thích hợp ( lo ³ l ) chiếu vào Katốt, ta nhận thấy: - Nếu hiệu điện thế UAK > 0 và càng tăng thì số quang Electron chuyển động tư Katốt K về Anốt A trong đơn vị thời gian càng nhiều. Do đó cường độ I của dòng quang điện càng tăng và đạt giá trị bão hoà Ibh khi số quang Electron thoát khỏi Katốt K trong đơn vị thời gian chuyển động về phía Anốt A. - Nếu cường độ chùm sáng thích hợp càng mạnh thì số phôtôn đến đập vào Katốt trong đơn vị thời gian càng nhiều. Do đó số quang Electron thoát khỏi Katốt và chuyển động về Anốt trong đơn vị thời gian càng nhiều, nên cường độ dòng quang điện bào hoà Ibh càng lớn. - Nhưng ngay cả khi UAK=0, một số quang Electron có động năng ban đầu đủ lớn vẫn có thể bay từ Katốt sang Anốt A để tạo thành dòng quang điện có cường độ Io ạ 0 như đồ thị hình 2. Muốn dòng quang điện triệt tiêu ( Io=0 ), ta phải đặt vào hai cực của tế bào quang điện một hiệu điện thế cản UC có giá trị âm ( UC = UAK < 0 ), sao cho công cản của điện trường giữa Anốt A và Katốt K có trị số bằng động năng ban đầu cực đại của quang Electron: (4) ở đây e=1,6.10-19C là điện tích của quang Electron. So sánh (2) với (4), ta tìm được: e.UC= h.n - Ao Với các ánh sáng đơn sắc có tần số lần lượt là n1 và n2, hiệu điện thế cản sẽ có giá trị tương ứng là UC1 và UC2. Khi đó, theo (5) ta có: e.UC1= h.n1 – Ao ; e.UC2 = h.n2 – Ao Từ đó suy ra: (6) Trong thí nghiệm này, ta sẽ khảo sát hiện tượng quang điện bằng cách vẽ đường đặc trưng Vôn-Ampe I=f(UAK) của tế bào quang điện chân không và xác định hằng số Planck h theo công thức (6). II. Trình tự thí nghiệm. 1. Chuẩn bị bộ thiết bị MC-959 để thực hiện thí nghiệm này: a. Chưa cắm phích lấy điện của bộ MC-959 vào nguồn điện ~220V b. Dùng các dây nối các chốt vít xiết trên mặt máy MC-959 ( hình 3 ) theo sơ đồ mạch điện hình 1: - Vôn kế V mắc giữa hai chốt P và Q. - Tế bào quang điện AK mắc nối tiếp với microampekế điện tử mA giữa hai chốt E và F. - Nối các chốt E với P và chốt F với Q. - Núm chuyển thang đo của Vôn kế V đặt ở vị trí 100V và của microampekế điện tử mA đặt ở vị trí 100 mA. - Núm xoay UAK của biến trở PQ đặt ở vị trí 0. - Gạt chuyển mạch ( nếu có ) của nguồn điện một chiều sang vị trí +100 V. - Đặt đèn chiếu Đ cách tế bào quang điện AK từ 6-8 cm và nối nó với nguồn xoay chiều 50V -1A. - Các công tắc K và K1 đặt ở trạng thái ngắt điện. Hình 3 2. Mời thầy giáo tới kiểm tra mach điện trên mặt máy MC-959 và cắm phích lấy điện vào nguồn~220V. Bấm các công tắc K và K1 trên mặt máy: các đèn LED và đèn chiếu Đ phát sáng báo hiệu máy đã sẵn sàng hoạt động. 3. Vẽ đường đặc trưng Vôn-Ampe của tế bào quang điện. Vặn từ từ núm xoay UAK để số chỉ của Vôn kế V tăng dând dần từ 0 đến 100V. Đọc và ghi các số chỉ cường độ dòng quang điện I tương ứng của microampekế mA vào bảng 1. Sau đó, vặn núm xoay UAk quay về vị trí 0. Dựa vào các số liệu trong bảng 1, vẽ đồ thị I=f(UAk). 4. Xác định hằng số Planck: Dùng miếng nhựa chắn ánh sáng chiếu vào tế bào quang điện AK. Đảo cực của tế bào quang điện AK bằng cách nối chốt E với Q và F với P ( theo các đường đứt nét vẽ trên hình 1 ). Vặn các núm chuyển thang đo của Vôn kế V sang vị trí 2,5V và của microampekế mA sang vị trí 1mA. Nếu kim của microampekế mA không chỉ đúng số 0, ta phải thực hiện động tác " qui 0 " bằng cách vặn từ từ núm xoay "0" ở bên trái phía dưới nó để đưa kim của microampekế mA quay trở về đúng 0. a. Thay miếng nhựa chắn sáng bằng kính lọc sắc màu vằng: Vôn kế V chỉ số 0 và microampekế mA chỉ giá trị Io của cường độ dòng quang điện. Vặn từ từ núm xoay UAk để số chỉ của Vôn kế V tăng dần, đồng thời chỉ số của microampekế mA giảm dần tới giá trị Io=0. Đọc và ghi số chỉ tương ứng của UAK và Io vào bảng 2. Sau đó, lại vặn núm xoay UAK trở về vị trí 0. Dựa vào số liệu trong bảng 2,vẽ đồ thị Io=f(UAK) để xác định giá trị UC1. Giả sử đồ thị có dạng như hình 4. Chọn đoạn dốc nhất của đường cong và vẽ tiếp tuyến ab. Khi đó giá trị hiệu điện thế cản Uc đối với quang Electron được xác định tại giao điểm của tiếp tuyến ab với trục hoành UAK. Hình 4 b. Thay kính lọc sắc màu vàng bằng kính lọc sắc màu tím. Thực hiện lại động tác ( 4-a) nêu trên. Đọc và ghi chỉ số UAK và IO tương ứng trên Vôn kế V và microampekế mA vào bảng 2. Dựa vào số liệu trong bảng 2, vẽ đồ thị Io=f(UAK) để xác định giá trị UC2. 6. Vặn núm chuyển thang đo của Vôn kế V về 0. Bấm công tắc K1 và K để ngắt điện: các đèn LED và đèn chiếu sáng Đ đều tắt. Rút phích cắm điện của bộ MC-959 ra khỏi nguồn điện ~220V. Tháo các dây dẫn nối các mạch điện trên mặt máy và sắp xếp gọn gàng. 7. Ghi các số liệu sau đây vào các bảng 1 và 2: - Giá trị cực đại Um và cấp chính xác dv của vôn kế V ứng với mỗi thang đo. - Giá trị cực đại Im và cấp chính xác dA của microampekế A ứng với mỗi thang đo. - Bước sóng ánh sáng l1 và l2 của kính lọc sắc màu màu vàng và màu tím. III. Câu hỏi kiểm tra. 1. Định nghĩa hiệu ứng quang điện ngoài? Vẽ sơ đồ và mô tả mạch điện dùng để nghiên cứu hiệu ứng này. 2. Phát biểu thuyết lượng tử ánh sáng của Anhxtanh. ứng dụng thuyết này giải thích dạng của đường đặc trưng Vôn Ampe I=f(UAK) đối với tế bào quang điện chân không. 3. Trình bày phương pháp xác định hằng số Planck h dùng tế bào quang điện chân không. Tại sao phải vẽ đồ thị Io=f(UAK) để chọn giá trị hiệu điện thế UC? Báo cáo thí nghiệm Khảo sát hiện tượng quang điện- xác định hằng số Planck Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2 Xác nhận của thấy giáo Lớp:Tổ Họ tên:... I. Mục đích thí nghiệm. .... II. Kết quả thí nghiệm. 1. Vẽ đường đặc trưng Vôn Ampe của tế bào quang điện chân không: a. Bảng 1. Um=..(V); dV=.% Im=..(mA) ; dA=..% UAK (V) I(mA) b. Đường đặc trưng Vôn- Ampe I=f(UAK) 2. Xác định hằng số Planck a. Bảng 2. Um=..(V); dV=.% Im=..(mA) ; dA=..% Kính lọc sắc màu tím: l2=.(mm ) U(V) Io(m A) Kính lọc sắc màu vàng: l2=.(mm ) U(V) Io(m A) Kính lọc sắc màu vàng Kính lọc sắc màu đỏ b. Đồ thị Io=f(UAK). UC1=.± .(V); UC2=.± .(V) c.Tính toán kết quả đo của hằng số Planck h: - Tính giá trị đo theo thực nghiệm: - Tính sai số tương đối bằng cách so sánh giá trị đo h' với giá trị lý thuyết h = 6.625.10-34 J.s : - tính sai số tuyệt đối : - Viết kết quả đo: