Báo cáo thí nghiệm khảo sát hiện tượng quang điện ngoài. xác định hằng số planck môn Vật lý đại cương 2 | Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM
KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN NGOÀI. XÁC ĐỊNH HẰNG SỐ PLANCK
Họ và tên: Thái Khắc Tài Lớp: Cơ điện tử Bài số: 3 Nhóm: 9 I.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.
II.CƠ SỞ LÍ 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 = 3.108 m/s, có
năng lượng  hf= hc/, động lượng p  h/.
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 λ=A+mV0 2
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 thoát nhỏ (kim loại kiềm Cs,
K, Na hoặc hợp chất của chúng, như Cs3Sb) phủ lên nửa mặt phía trong của bóng
thuỷ tinh. Tất cả được đặt trong một hộp kín có cửa sổ nhỏ cho ánh sáng chiếu vào.
Anode A thường được nối với cực dương (+) và cathode K thường được nối với
cực âm (-) của nguồn điện một chiều U. Điện áp UAK giữa anode và cathode được
đo bằng vôn kế V và có thể thay đổi dễ dàng nhờ một biến trở R (Hình 12.1).
Khi chiếu chùm ánh sáng thích hợp vào cathode K, trong mạch xuất hiện dòng
quang điện I. Dòng điện I tăng theo điện áp UAK , khi UAK đạt đến giá trị Ubh thì
dòng quang điện không tăng nữa và đạt giá trị không đổi Ibh gọi là cường độ dòng
quang điện bão hoà. Đường đặc trưng Volt - Ampere của tế bào quang điện chân
không có dạng như Hình 12.2.
- 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 I0 
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:
ở đây e= 1,6.10−19C là điện tích electron.Ta được:
Chiếu lần lượt hai ánh sáng đơn sắc có tần số lần lượt là f1 và f2 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.
Từ đó suy ra giá trị của hằng số Planck:
III.KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM:
Bảng 12.1. Đo đặc trưng Volt - Ampere c a ủ TBQĐ.
-Vôn kế V: Um = 100 (V) ; δV = 2 %
-Micro-ampe: Im = 100 ; δI = 2 % Ua 0 2 4 6 8
10 12 14 16 18 20 30 40 50 60 70 8 9 k 0 0 I13 12 14 14, 15, 16 16,
16, 16, 16, 16, 17, 17, 17, 18, 19, 2 2 4 8 2 4 5 6 8 6 8 9 2 6 0 0 I25, 28, 31 33, 34 34,
34, 34, 35, 36, 36, 37, 38, 39 39, 40 4 4 6 6 2 3 5 7 8 2 4 6 2 5 0 0 I37, 41, 48, 48, 51, 52 52, 53 53, 53, 54 55 56 56, 57 60 6 6 6 8 2 8 6 4 5 8 5 0 0 70 60 50 40 I1 I2 30 I3 20 10 0 0 102030405060708090 100
Nhận xét: từ đồ thị thu được ta xác định được :
Ubh1 =80(V), Ubh2,3=70(V),Ibh1=20(A),Ibh2=40(A),Ibh3=60(A) .
Dựa vào đồ thị ta thấy giá trị Ubh phụ thuộc vào cường độ ánh sáng. Vì khi
tăng cường độ ánh sáng lên thì số electron bật ra khỏi cathode tăng lên giá trị
bảo hòa của dòng I tăng .
Bảng 12.2. Đo hiệu điện thế hãm đối với ánh sáng đơn sắc
-Vôn kế V: Um = 1 (V) ; δV=2 %
-Micro-ampe kế Im = 1 (μA) ; δA=2%
Kính lọc sắc 1: λ=0,48(μm) UAki ( V ) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Ii ( ) 0,50 0,32 0,17 0,12 0,08 0,00
Kính lọc sắc 2 : λ=0,54(μm) UAki ( V ) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Ii ( ) 0,50 0,28 0,06 0,00 0,00 0,00
- Đồ thị Volt- Ampere ứng với 2 bước sóng 1,2 : 0.6 0.5 0.4 0.3 I1 I2 0.2 0.1 0 0 0.10.20.30.40.50.6
Hiệu điện thế hãm tương ứng: Kính lọc sắc 1 Kính lọc sắc 2 Bước sóng 0,48 0,54 Tần số 6,25.1014 5,5.1014 Hiệu điện thế hãm 0,5 0,3
Hằng số Planck là h=4,27.10−34(J.s) Ta thấy hlt>h
Sai số tương đối là: Δh h=35%