Giáo trình Thực hành môn Vật lý đại cương (Phần 2)

như hình 3.33, đoạn dốc nhất (ab) của nó ứng với trường hợp đa số các electron không tới được anôt A. Khi đó tiếp tuyến của đường cong này tại đoạn (ab) sẽ cắt trục hoành tại điểm có cường độ dòng điện bằng I1. 3. Trình tự thí nghiệm 3.1. Dụng cụ (hình 3.34) 1. Bộ thí nghiệm vật lý MC - 95.11; 2. Đèn Manhêtrôn (Magneton); 3. Ống dây sôlênôit (solenoid) dùng tạo ra từ trường; 4. Các dây dẫn dùng nối mạch điện (9 dây). Hình 3.34. Bộ thí nghiệm xác định điện tích riêng của electron 100 3.2. Trình tự thí nghiệm 3.2.1. Bộ thí nghiệm MC - 95.11 a. Chưa cắm phích lấy điện MC - 95.11 vào nguồn điện ~ 220 V. b. Quan sát cách bố trí dụng cụ trên mặt máy của bộ MC - 95.11 (hình 3.35). Hình 3.35. Bộ thí nghiệm MC – 95.11 3.2.2. Kiểm tra mạch điện trên mặt máy MC-95.11 a. Nối sợi nung FF vào nguồn điện một chiều U2 (0 – 6 V – 5 A). b. Nối vôn kế V giữa lưới G và catôt K của đèn manhêtrôn M với nguồn một chiều U3 = U (0 – 12 V - 100 mA). c. Mắc nối tiếp ống dây sôlênôit D và Ampe kế A1 với nguồn một chiều U1 (0 – 6 V – 5 A). d. Gạt các núm chuyển mạch để đặt đúng: Vôn kế V ở thang 10 V, Ampe kế A1 ở thang 5 A, miliAmpe kế A2 ở thang đo 1 mA. e. Vặn núm xoay của các nguồn điện một chiều U1, U2, U3 về vị trí 0 (vặn ngược chiều kim đồng hồ về vị trí cuối cùng). f. Đặt các công tắc K1, K2, K3 đều đặt ở trạng thái ngắt mạch. Chú ý: Trước khi cắm phích lấy điện của bộ MC - 95.11 vào nguồn điện  220 V mời giáo viên hướng dẫn tới kiểm tra mạch điện vừa mắc trên mặt máy và hướng dẫn cách sử dụng để tránh làm hỏng máy. XÁC ĐỊNH ĐIỆN TÍCH RIÊNG CỦA ELECTRON BẰNG PHƯƠNG PHÁP MAGNETON Viện Vật lý Kỹ thuật - Đại học Bách khoa Hà nội A2 1A 3A V 3V 10 V A1 3V 5 V K D E F G A K1 0 U1 K2 0 U2 K 0 U3 101 3.2.3. Khảo sát sự phụ thuộc của dòng điện anôt I2 vào dòng điện I chạy trong ống dây sôlênôit D Bước 1. Bấm các công tắc K1, K2: các đèn LED phát sáng báo hiệu các nguồn U1, U2, U3 sẵn sàng hoạt động. Vặn núm xoay của nguồn U2 đến vị trí khoảng 4  5 V để đốt nóng sợi dây tóc FF của đèn Manhetron. Bước 2. Sau 4  5 phút, vặn núm xoay của nguồn U3 để tăng hiệu điện thế giữa lưới G và katốt K (đo bằng Vôn kế V) đạt giá trị không đổi U = 6 V. Khi đó, miliAmpe kế A chỉ thị cường độ dòng anốt I2. Đọc và ghi giá trị I2 vào bảng 3.13. Bước 3. Vặn từ từ núm xoay của nguồn U1 để tăng dần cường độ dòng điện I (đo bằng Ampe kế A1) chạy qua ống dây sôlênôit D. Đọc và ghi giá trị tương ứng của các cường độ dòng điện I và I2 vào bảng 3.13 cho tới khi cường độ dòng điện anôt I2 = 0. Vặn các núm xoay của nguồn U1, U2, U3 theo đúng thứ tự về vị trí 0. Sau đó, bấm các khoá K, K2, K3 để tắt máy. 4. Câu hỏi kiểm tra 4.1. Nêu định nghĩa và đơn vị đo điện tích riêng của electron. 4.2. Trình bày phương pháp xác định điện tích riêng của electron bằng dùng đèn Manhetron. Giải thích rõ chuyển động của electron trong điện trường và từ trường. 4.3. Tại sao phải giữ giá trị hiệu điện thế của nguồn điện U2 không thay đổi trong suốt thời gian tiến hành thí nghiệm? 4.4. Giải thích rõ cách xác định giá trị I1 khi cường độ dòng anôt triệt tiêu (I2 = 0) bằng phương pháp đồ thị như trên hình 3.33. 5. Báo cáo thí nghiệm Điểm Thời gian lấy số liệu: Ngày tháng năm Chữ ký của giáo viên hướng dẫn: 5.1. Mục đích thí nghiệm ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. 102 5.2. Kết quả thí nghiệm Bảng 3.13. Cường độ dòng điện I và I2 Vôn kế V: Um = 10 (V); v = 1,5% Ampe kế A1: I1m = 2,5 (A), 1A = 1,5% Ampe kế A2: I2m =......(A), 2A = 1,5% Số vòng dây: n = (6000  5) vòng/m Hệ số của ống dây: = 0,2000  0,0010 Khoảng cách anôt - lưới: d = (7,000  0,010).10-3 m Hiệu điện thế giữa lưới G và catôt K: U = (6,00  0,10) V 0 = 4.10-7 H/m I(A) I2(mA) I(A) I2(mA) 5.3. Vẽ đồ thị I2 = f(I) và xác định giá trị dòng điện I1. 5.4. Tính và biểu diễn kết quả điện tích riêng của electron m e X  Căn cứ vào đồ thị I2 = f(I) vẽ được ở trên, xác định giá trị dòng điện I1: 103 mA II 111 .  111 III  2 0 2 1 22 0 2 .... 2 RIn U X đo                    0 0 1 1 0 02 R R I I n n U U X đo       đođođo XXX .   đođođo đođođo XXX XXX  5.5. So sánh giá trị đo Xđo với giá trị lý thuyết Xlt = e/m Cho biết )/(10.7,1 1010,9 10.60,1 11 31 19 kgCX lt     . Tính độ lệch tỷ đối:    lt đolt X XX * 5.6. Nhận xét và đánh giá kết quả (Trình bày ý nghĩa vật lý của bài thí nghiệm, nhận xét và đánh giá kết quả đo được, kiến nghị) 104 BÀI 10 XÁC ĐỊNH BƯỚC SÓNG ÁNH SÁNG BẰNG GIAO THOA CHO HỆ VÂN TRÒN NIUTƠN 1. Mục đích yêu cầu 1.1. Mục đích Mục đích của bài thí nghiệm này là tạo điều kiện để sinh viên được quan sát các vân tròn Niutơn trên thực tế và trang bị cho sinh viên kỹ năng thực nghiệm để đo bước sóng của ánh sáng bằng phương pháp vân tròn Niutơn. 1.2. Yêu cầu i. Nắm được cơ sở lý thuyết của phép đo, cách tính bán kính các vân tròn Niutơn; ii. Nắm được cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị thí nghiệm. Biết cách sử dụng kính hiển vi, trắc vi thị kính và trắc vi vật kính để đo các kích thước rất nhỏ; iii. Biết cách tiến hành thí nghiệm đo bước sóng của ánh sáng đơn sắc dựa trên việc khảo sát các vân tròn Niutơn; iv. Viết được báo cáo thí nghiệm, tính được sai số theo yêu cầu. 2. Cơ sở lý thuyết 2.1. Hiện tượng giao thoa Giao thoa ánh sáng là hiện tượng giao nhau của hai hay nhiều sóng ánh sáng kết hợp, kết quả là trong vùng giao thoa sẽ xuất hiện những miền sáng tối khác nhau - gọi là các vân sáng, tối. Các vân này nằm xen kẽ nhau tạo thành hệ vân giao thoa. Lý thuyết đã cho thấy rằng vị trí của các vân sáng hoặc tối hoàn toàn phụ thuộc vào hiệu quang lộ của hai tia sáng gây ra giao thoa. Nếu vị trí nào đó trong vùng giao thoa, hiệu quang lộ bằng số nguyên lần bước sóng:  kLLL 12 thì vị trí đó có vân sáng. Ngược lại, nếu hiệu quang lộ bằng số lẻ lần nửa bước sóng: 2 )1k2(LLL 12   thì tại đó có vân tối. Trong công thức trên k = 0;  1;  2; ... 105 2.2. Giao thoa cho hệ vân tròn Niutơn Giao thoa cho hệ vân tròn Niutơn là hiện tượng giao thoa của các sóng sáng truyền qua bản nêm không khí nằm giới hạn giữa mặt lồi của một thấu kính phẳng lồi L đặt tiếp xúc với một bản thủy tinh phẳng P . Vân tròn Niutơn được tạo ra nhờ hiện tượng giao thoa gây bởi bản mỏng có bề dày thay đổi. Dụng cụ để tạo nên vân tròn Niutơn gồm một thấu kính phẳng lồi (hoặc hai mặt cùng lồi), đặt tiếp xúc với mặt kính thuỷ tinh phẳng A (hình 3.36). Giữa thấu kính và bản thuỷ tinh mờ A là một lớp không khí có dạng hình nêm. Gọi 0 là đỉnh của nêm, e là bề dày của nêm tại vị trí đang xét. Nếu chiếu chùm sáng song song đơn sắc có bước sóng  vuông góc với mặt phẳng của bản thuỷ tinh A thì các tia sáng phản xạ từ các mặt trên và mặt dưới của bản nêm không khí sẽ giao thoa với nhau, tạo thành một hệ các vân sáng và vân tối hình tròn đồng tâm xen kẽ nhau - gọi là hệ vân tròn Niutơn (hình 3.37). Trong trường hợp này, hiệu đường đi của các tia sáng phản xạ trên hai mặt của bản nêm không khí tại vị trí ứng với độ dày dk (hình 3.38) của bản bằng: 2 .2   kd (3.79) e R2 R1 I K Hình 3.37. Giao thoa gây bởi nêm không khí 0 Hình 3.36. Nêm không khí e 0 A 106 Đại lượng 2  xuất hiện là do ánh sáng truyền qua bản nêm không khí tới mặt dưới của bản rồi bị phản xạ tại mặt phẳng của bản thủy tinh P, chiết quang hơn không khí. Khi 2 ).12(   k với k = 0, 1, 2, 3 ta có cực tiểu giao thoa, ứng với độ dày: 2 .  kdk  (3.80) Gọi R là bán kính mặt lồi của thấu kính L. Vì dk << R, nên áp dụng hệ thức lượng trong tam giác vuông trên hình 3.38, ta tính được bán kính rk của vân tối thứ k: kkkk dRddRr .2).2(2  (3.81) Thay (3.80) vào (3.81), ta suy ra: Rk rk . 2  (3.82) Thực tế không thể đạt được sự tiếp xúc điểm giữa mặt thấu kính phẳng lồi L và mặt bản phẳng thủy tinh P, nên vân tối chính giữa của hệ vân tròn Niutơn không phải là một điểm mà là một hình tròn. Vì thế, để xác định chính xác bước sóng  của ánh sáng đơn sắc, ta phải áp dụng công thức (3.82) đối với hai vân tối thứ k và thứ i: RirRkr ik ..;.. 22   Từ đó suy ra: Rkirr ki .).( 22  Hay: Rki bB ).( .   (3.83) Trong đó đại lượng B = rk + ri ; b = ri – rk có thể đo được bằng thước trắc vi của kính hiển vi. L R ri P dk rk Hình 3.38. Giao thoa cho hệ vân tròn Niutơn 107 2.3. Quan sát vân Niutơn qua kính hiển vi Thấu kính phẳng lồi L được đặt trên bản thủy tinh P và giữ cố định trong hộp nhỏ H có ba vít điều chỉnh. Để có ánh sáng chiếu thẳng góc lên hệ thấu kính phẳng lồi tạo vân tròn Niutơn đồng thời quan sát và đo được bán kính của các vân, ta dùng một gương bán mạ phản xạ truyền qua đặt trước vật kính của kính hiển vi. Thước trắc vi gồm một vạch dấu chữ thập đặt trước thị kính và cơ cấu dịch chuyển ngang cho toàn bộ ống kính trong khoảng 0 – 50 mm, điều chỉnh bằng cách xoay trống quay (4) và đọc giá trị mm trên thước T (0 – 50 mm) với phần lẻ đọc trên trống (4) với độ chính xác tới 0,01mm (cơ cấu tương tự như panme, bài số 1). Sơ đồ quang học quan sát hệ vân tròn Niutơn bố trí (hình 3.39). Một hệ thống chiếu sáng phản xạ truyền qua gồm một đèn Đ phát ra ánh sáng đơn sắc truyền qua một kính tụ quang Q, rồi chiếu vào mặt gương bán mạ G đặt nghiêng một góc 450. Sau khi phản xạ trên gương G, các tia sáng đi theo phương thẳng đứng vào nêm không khí của bản vân tròn Niutơn. Khi đó các tia sáng phản xạ trên hai mặt của bản nêm không khí giao thoa với nhau tạo thành một hệ vân gồm các vòng tròn sáng và tối nằm xen kẽ nhau ở mặt trên của nêm không khí. Hệ vân giao thoa này được gọi là hệ vân tròn Niutơn. Có thể nhìn thấy rõ hệ vân tròn Niutơn khi đặt mắt quan sát chúng qua hệ thống thị kính T và vật kính V trong ống ngắm của kính hiển vi. 3. Dụng cụ thí nghiệm 3.1. Dụng cụ 1. Kính hiển vi đo lường đọc số có cơ cấu dịch chuyển ngang đo bằng thước trắc vi 0 – 50 mm chính xác 0,01 mm; 2. Vật kính x3.; Thị kính x10; 3. Giá cặp vật và bàn đặt mẫu; V G Đ Q Hình 3.39. Sơ đồ quang học quan sát hệ vân tròn Niutơn (a) T L P (b) 108 4. Gương bán mạ phản xạ - truyền qua, nghiêng 450; 5. Hệ thấu kính phẳng – lồi cho vân tròn Niutơn, có đường kính 35 mm và có bán kính cong mặt lồi R = 855 mm; 6. Nguồn ánh sáng đơn sắc có ba màu (đỏ, lục, lam); 7. Bộ nguồn điện 3 V hoặc adapter AC220/DC3-4,5 V. 3.2. Trình tự thí nghiệm 3.2.1. Quan sát ảnh của hệ vân tròn Niutơn qua kính hiển vi a. Xoay trống quay (4) để đặt ống kính vào vị trí giữa thước T (vị trí 25mm). Đặt hộp H chứa thấu kính phẳng – lồi L và bản thủy tinh P lên mâm cặp vật 1. Quan sát, kiểm tra gương bán mạ G nghiêng 450 so với phương ngang (hình 3.40). Cắm phích lấy điện của bộ nguồn cấp điện 3V cho đèn chiếu vào lưới điện 220 V. Bật công tắc để đèn Đ phát sáng màu đỏ. Đặt đèn chiếu trước gương bán mạ sao cho chùm tia phản xạ từ gương chiếu thẳng góc vào hệ kính phẳng lồi tạo vân tròn Niutơn (có thể quan sát bằng mắt thường một chấm đen nhỏ có các vòng tròn đồng tâm, nằm ở vùng tâm của hệ thấu kính phẳng lồi, chính là hệ vân cần tìm). b. Nhìn từ phía ngoài kính hiển vi và vặn vít 2 để hạ thấp dần vật kính V xuống gần mặt hộp H. Đặt mắt sát thị kính T quan sát thị trường trong ống ngắm N của kính hiển vi. Vặn từ từ vít 2 để nâng dần ống ngắm N lên cao, cho tới khi nhìn thấy hệ vân tròn Niutơn. Vặn tiếp vít 2 (lên hoặc xuống) cho tới khi nhìn thấy hệ 2 4 L T Đ Hình 3.40. Bộ thí nghiệm xác định bước sóng ánh sáng 109 vân tròn Niutơn rõ nét nhất. Dịch chuyển hộp thấu kính phẳng lồi, sao cho giao điểm của dây chữ thập trong trắc vi thị kính nằm trùng với tâm của hệ vân tròn Niutơn. 3.2.2. Đo các đại lượng B và b a. Xoay trống (4) để cho giao điểm của dây chữ thập dịch chuyển ngang theo đường kính của hệ vân tròn Niutơn tới vị trí các vân tối I, K, K’, I’ (hình 3.41). b. Chọn vân thứ k là vân tối có đường kính nhỏ nhất ứng với k = 1 và vân thứ i là vân tối thứ 5 hoặc thứ 6 Từ (hình 3.41), ta nhận thấy: B = rk + ri = IO + OK’ = IK’ b = ri – rk = IO - OK = IK Trong đó các điểm I, K, K’, I’ đọc được trên thước trắc vi. Đọc và ghi giá trị của I, K, K’, I’ vào bảng 3.14. c. Cách đọc như sau: - Phần nguyên (mm): đọc trên cơ cấu dịch chuyển ngang. Nếu vạch chỉ nằm trong khoảng hai số 25 và 26 thì đọc phần nguyên là 25 mm. - Phần lẻ (mm): đọc trên du xích tròn của trống xoay 4. Nếu vạch chỉ đặt vào số 56 thì đọc 56 x 0,01 = 0,56 mm. c. Thực hiện lại các động tác trên 5 lần để tìm giá trị trung bình của B và b. Ghi kết quả vào bảng số liệu 3.14. d. Lặp lại các bước a, b, c đối với hai ánh sáng đơn sắc còn lại là mầu lục và lam. Ghi kết quả tương ứng vào bảng 3.15 và bảng 3.16. 4. Câu hỏi kiểm tra 4.1. Trình bày hiện tượng giao thoa cho hệ vân tròn Niutơn. Nêu đặc điểm hệ vân tròn Niutơn. b B I K 0 K’ I’ Hình 3.41. Hệ vân tròn Niutơn 110 4.2. Mô tả thiết bị thí nghiệm để xác định bước sóng ánh sáng đơn sắc bằng phương pháp giao thoa cho hệ vân tròn Niutơn. 4.3. Khi tiến hành tính toán xác đinh bước sóng ánh sáng tại sao lạị không sử dụng công thức (3.82)? 4.4. Trong bài thí nghiệm này, sai số nào là chủ yếu. Giải thích rõ tại sao? 5. Báo cáo thí nghiệm Điểm Thời gian lấy số liệu: Ngày tháng năm Chữ ký của giáo viên hướng dẫn: 5.1. Mục đích thí nghiệm ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. 5.2. Kết quả thí nghiệm Bảng số liệu - Bán kính mặt lồi của thấu kính: mmR )5,00,855(  Bảng 3.14. Ánh sáng màu đỏ Lần đo Tọa độ (mm) 2 )'()'( IKKI B   2 )''()( IKKI b   I K K’ I’ 1 2 3 4 5 GTTB 111 Bảng 3.15. Ánh sáng màu lục Lần đo Tọa độ (mm) 2 )'()'( IKKI B   2 )''()( IKKI b   I K K’ I’ 1 2 3 4 5 GTTB Bảng 3.16. Ánh sáng màu lam Lần đo Tọa độ (mm) 2 )'()'( IKKI B   2 )''()( IKKI b   I K K’ I’ 1 2 3 4 5 GTTB 5.3. Tính và biểu diễn kết quả đại lượng đo B và b Ánh sáng màu đỏ (mm) Ánh sáng màu lục (mm) Ánh sáng màu lam (mm)     bbb BBB b B     bbb BBB b B     bbb BBB b B 112 5.4. Tính và biểu diễn kết quả bước sóng ánh sáng  Ánh sáng màu đỏ    Rki bB )( .         R R b b B B    .     Ánh sáng màu lục    Rki bB )( .         R R b b B B    .     Ánh sáng màu lam    Rki bB )( .         R R b b B B    .     5.5. Nhận xét và đánh giá kết quả (Trình bày ý nghĩa vật lý của bài thí nghiệm, nhận xét và đánh giá kết quả đo được, kiến nghị 113 BÀI 11 KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN NGOÀI VÀ XÁC ĐỊNH HẰNG SỐ PLĂNG 1. Mục đích yêu cầu 1.1. Mục đích Mục đích của bài thí nghiệm này là tạo điều kiện để sinh viên được quan sát hiện tượng quang điện ngoài và trang bị cho sinh viên kỹ năng thực nghiệm để khảo sát về hiện tượng quang điện ngoài, dựa trên kết quả khảo sát, xác định một trong những hằng số cơ bản của vật lý lượng tử là hằng số Plăng. 1.2. Yêu cầu i. Nắm được cơ sở lý thuyết về hiện tượng quang điện ngoài; ii. 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; iii. Biết cách tiến hành thí nghiệm để xây dựng đường đặc trưng Vôn – Ampe của tế bào quang điện chân không. Biết cách xác định hiệu điện thế hãm Uc bằng phương pháp thực nghiệm; iv. Viết được báo cáo thí nghiệm, tính được sai số theo yêu cầu. 2. Cơ sở lý thuyết Khi chiếu vào mặt bản kim loại một chùm ánh sáng thích hợp, có bước sóng  nhỏ hơn giá trị 0 xác định, người ta thấy có các êlectrôn thoát ra khỏi bản đó. Hiện tượng trên được gọi là hiệu ứng quang điện ngoài. Giá trị 0 gọi là giới hạn quang điện, phụ thuộc vào bản chất của mỗi kim loại. Các êlectrôn thoát khỏi bản kim loại gọi là các quang êlectrôn. Để nghiên cứu hiện tượng này, ta dùng một tế bào quang điện chân không. Cấu tạo của nó gồm một bóng thủy tinh đã hút chân không (10-6  10-8 mmHg), bên trong có hai điện cực: anôt A là một vòng dây kim loại đặt ở giữa, catôt K là một lớp chất nhạy quang (thí dụ như hợp chất ăngtimônit xêzi SbCs,...) phủ lên nửa mặt phía trong của bóng thủy tinh. Tất cả được đặt trong một hộp kín có cửa sổ nhỏ cho ánh sáng chiếu vào. Anôt A nối với cực dương (+) và catôt K nối với cực âm (-) của nguồn điện một chiều U. Hiệu điện thế 114 UAK giữa anôt và catôt được đo bằng Vôn kế V và có thể thay đổi dễ dàng nhờ một biến trở R (hình 3.42). Khi chiếu chùm ánh sáng thích hợp ( < 0) vào catôt K, trong mạch điện của tế bào quang điện xuất hiện dòng quang điện có cường độ I đo bằng micrôAmpe kế µA. Cường độ I tăng theo hiệu điện thế UAK, tới khi UAK ≥ Ubh thì cường độ I không tăng nữa và đạt giá trị không đổi Ibh gọi là cường độ dòng quang điện bão hòa. Cường độ dòng quang điện bão hòa tăng tỷ lệ với cường độ của chùm sáng chiếu vào catôt. Đồ thị I = f(UAK) biểu diễn sự phụ thuộc của I vào UAK gọi là đường đặc trưng Vôn - Ampe của tế bào quang điện chân không (hình 3.43). Có thể giải thích hiện tượng quang điện ngoài bằng thuyết lượng tử ánh sáng của Anhxtanh. Theo thuyết này, ánh sáng cấu tạo bởi vô số các phôtôn (lượng tử ánh sáng). Mỗi phôtôn mang một năng lượng xác định bằng:   c hh  (3.84) Với h là hằng số Plăng, c = 3.108 m/s là vận tốc ánh sáng trong chân không,  là tần số của ánh sáng đơn sắc có bước sóng . Như đã biết, êlectrôn tự do trong kim loại muốn thoát ra khỏi mặt bản kim loại thì cần phải nhận được một năng lượng tối thiểu bằng công thoát A0 của nó đối với kim loại đó. Nếu chiếu ánh sáng thích hợp vào mặt bản kim loại, êlectrôn nằm ở gần sát mặt bản này sẽ hấp thụ hoàn toàn năng lượng  = h. của Hình 3.43. Đường đặc trưng Vôn - Ampe Hình 3.42. Đo đặc trưng Vôn - Ampe của tế bào quang điện K A F E P Q A U V h U Ubh Ibh I0 Uc I 115 phôtôn để chuyển một phần thành công thoát A0 của nó và phần còn lại chuyển thành động năng ban đầu cực đại 2 2 maxmv khi vừa thoát khỏi mặt bản kim loại. Áp dụng định luật bảo toàn năng lượng đối với các quang êlectrôn, ta nhận được phương trình Anhxtanh: 2 2 max 0 mv Ah   (3.85) Vì 0 2 2 max  mv , nên h. ≥ A0. Thay   c  , ta suy ra điều kiện xảy ra hiện tượng quang điện: 0 0     A h (3.86) Với chùm ánh sáng thích hợp (  0) chiếu vào catôt, ta nhận thấy: Khi UAK > 0 và càng tăng thì số quang electron chuyển động từ catôt K về anôt A trong mỗi đơn vị thời gian càng nhiều và cường độ I của dòng quang điện càng tăng; Khi UAK ≥ Ubh thì toàn bộ số quang electron thoát khỏi catôt K trong mỗi đơn vị thời gian đều bị hút hết về anôt A, do đó cường độ I của dòng quang điện không tăng nữa và đạt giá trị bão hòa Ibh. Nếu cường độ chùm ánh sáng thích hợp chiếu vào catôt K càng mạnh thì số phôtôn đến đập vào catôt K trong mỗi đơn vị thời gian càng nhiều. Do đó, số quang êlectrôn thoát khỏi catôt K và chuyển động về anôt A trong mỗi đơn vị thời gian càng nhiều và cường độ dòng quang điện bão hòa Ibh càng lớn; Rõ ràng là ngay cả khi UAK = 0, một số quang êlectrôn có động năng cực đại 2 2 maxmv đủ lớn vẫn có thể bay từ catôt K sang anôt A để tạo thành dòng quang điện có cường độ nhỏ I0 ≠ 0 như trên hình 3.43. Muốn triệt tiêu dòng quang điện (I0 = 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 anôt A và catôt K có trị số bằng động năng cực đại của quang êlectrôn: 2 2 maxmveU c  (3.87) 116 ở đây e = - 1,6.10-19C là điện tích của quang êlectrôn. So sánh (3.85) với (3.87), ta tìm được: 0AheU c   (3.88) Với các ánh sáng đơn sắc có tần số lần lượt là 1 và 2, hiệu điện thế cản có giá trị tương ứng là Uc1 và Uc2. Khi đó, theo (3.88) ta có: 022 011 AheU AheU c c     Từ đó suy ra giá trị của hằng số Plăng: 21 21     cc UU eh (3.89) 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 (3.89). 3. Trình tự thí nghiệm 3.1. Dụng cụ 1. Bộ thí nghiệm vật lý MC – 959; 2. Tế bào quang điện chân không; 3. Đèn chiếu sáng; 4. Các kính lọc sắc (lục và xanh tím); 5. Nguồn điện một chiều ổn áp 0 – 100 V. 3.2. Trình tự thí nghiệm 3.2.1. Bộ thí nghiệm MC - 959 (hình 3.44) E F Q P UAK Hình 3.44. Sơ đồ bố trí mặt máy bộ thí nghiệm MC - 959 K A U1 K1 Bộ nguồn 8V2A “0” o A A V V K Đ 117 1. Tế bào quang điện chân không đặt trong hộp kín, có hai điện cực anôt A và catôt K. 2. Đèn Đ có Diaphram dùng để thay đổi cường độ sáng chiếu vào tế bào quang điện. 3. Nguồn điện U1 cung cấp cho đèn chiếu. 4. Nguồn điện một chiều UAK đó được nối vào hai chốt P, Q có thể điều chỉnh liên tục từ 0 - 100 V khi đo đặc trưng Von - Ampe và từ 0 - 2,5 V khi đo hiệu điện thế cản, 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 1V để tăng độ phân giải. Khi vặn chuyển mạch đổi thang đo thì nguồn cung cấp một chiều cũng tự động thay đổi theo. 6. MicroAmpe kế µA có hai thang đo 100 µA (để đo đặc trưng Von-Ampe) và 1µA (để đo hiệu điện thế cản). Thang đo 1 µA có qua bộ khuếch đại 100 lần, cần chuẩn quy “0” cẩn thận trước khi đo. 7. Các chốt P, Q, E, F để nối mạch điện. 3.2.2. Đo đặc trưng Von-Ampe của tế bào quang điện  Mắc mạch điện như trên sơ đồ hình 3.42. + Vôn kế V chọn thang 100 V; + MicroAmpe kế A chọn thang 100 µA; + Nguồn một chiều UAK đặt ở vị trí 0. (Núm xoay UAK vặn về vị trí tận cùng trái); + Gạt chuyển mạch (nếu có) của nguồn điện một chiều sang vị trí 100 V. Đặt đèn chiếu Đ cách tế bào quang điện từ 6 ÷ 8 cm và nối nó với nguồn điện U1; các công tắc K và K1 ở vị trí ngắt điện. Sau khi thiết lập xong, mời giáo viên hướng dẫn tới kiểm tra mạch điện để được phép cắm phích điện của thiết bị MC - 959 vào ổ điện xoay chiều ~ 220 V.  Tiến hành đo: a. 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. b. Thiết lập dòng quang điện bão hòa Ibh = 20 A: Vặn từ từ núm xoay UAK sao cho Vôn kế V chỉ 60 V. Quan sát đồng hồ microAmpe kế µA, điều chỉnh tay gạt 118 thay đổi độ mở Diaphram cho tới khi Ibh = 20 A. Thay đổi các giá trị UAK như trong bảng 3.17 và ghi lại các giá trị tương ứng của dòng quang điện. Lặp lại phép đo 3 lần. 3.2.3. Đo hiệu điện thế cản Uc ứng với các ánh sáng đơn sắc màu lục và màu tím  Mắc lại mạch điện theo sơ đồ bằng cách đổi nối chéo hai dây giữa các cọc nối dây P - F, Q – E (hình 3.45). + Vôn kế V chọn thang 1V (hoặc 2,5 V); + MicrôAmpe kế chọn thang 1 A; + Nguồn 1 chiều UAK đặt ở vị trí 0 (núm xoay UAK vặn về vị trí tận cùng trái); + Gạt chuyển mạch (nếu có) của nguồn điện một chiều sang vị trí + 2,5 V; + Các công tắc K và K1 ở vị trí ngắt điện. Sau khi thiết lập xong, mời giáo viên hướng dẫn tới kiểm tra mạch điện để được phép cắm phích điện của thiết bị MC - 959 vào ổ điện xoay chiều ~ 220 V.  Tiến hành đo: a. Bấm các công tắc K trên mặt máy: Các đèn LED phát sáng báo hiệu máy đó sẵn sàng hoạt động. Đèn chiếu Đ vẫn chưa được đóng điện. b. Nguồn 1 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 microAmpe kế chỉ về đúng số 0. c. Thay miếng nhựa đen bằng tấm kính lục, cho qua ánh sáng có bước sóng K A F E P Q  A U V h Hình 3.45. Đo hiệu điện thế cản Uc 119  = 0,5 m. Bật công tắc đèn chiếu K1. Điều chỉnh Diaphram để cho dòng I0 = 0,4  0,8 A. d. Vặn núm xoay UAK để tăng dần hiệu điện thế ngược đặt vào catốt và anốt. Ta thấy dòng I0 giảm dần đến triệt tiêu. Để đo được chính xác hiệu điện thế cản Uc, ta tăng dần từng 0,02 hoặc 0,04 V