NHIỄU XẠ CHÙM ĐIỆN TỬ TRÊN TINH THỂ

MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆMNghiên cứu hiện tượng nhiễu xạ của chùm điện tử trên tinh thể, qua đó xác định bước sóng của chùm điện tử chiếu tới.Nghiệm lại giả thuyết của De Broglie về lưỡng tính sóng hạt của vật chất.II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT1. Giả thuyết của De Broglie về lưỡng tính sóng hạt của vật chất Trên cơ sở lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng, nhà Vật lý De Broglie đã suy rộng tính chất đó đối với mọi vi hạt khác. De Broglie phát biểu giả thuyết: Một vi hạt tự do có năng lượng, động lượng xác định tương ứng với một sóng phẳng đơn sắc xác định. Năng lượng của vi hạt liên hệ với tần số dao động của sóng tương ứng theo hệ thức W=hf , động lượng của vi hạt liên hệ với bước sóng của sóng tương ứng theo hệ thức   hp (h là hằng số Planck) Giả thuyết của De Broglie đã được nhiều thực nghiệm xác nhận, trong đó điển hình là nhiễu xác của chùm điện tử trên tinh thể hoặc khe hẹp.2. Nhiễu xạ của chùm điện tử trên tinh thể Để nghiên cứu hiện tượng nhiễu xạ nói chung, ban đầu người ta nghiên cứu hiện tượng nhiễu xạ của ánh sáng. Đó là hiện tượng tia sáng bị lệch khỏi phương truyền thẳng khi đi gần các chướng ngại vật. Tuy nhiên, khi nghiên cứu hiện tượng nhiễu xạ thì người ta thấy rằng chỉ cần lý thuyết sóng ánh sáng (coi ánh sáng như một sóng) thì có thể giải thích rõ ràng hiện tượng nhiễu xạ. Như vậy, nhiễu xạ là hiện tượng không của riêng ánh sáng mà là của một sóng nói chung. Sau khi De Broglie đưa ra giả thuyết lưỡng tính sóng hạt về vật chất, đã có nhiều thực nghiệm chứng tỏ điều này. Năm 1927, Đêvitsơn Gecmơ đã nghiên cứu hiện tượng nhiễu xạ của chùm electron trên tinh thể Ni, chùm electron sẽ tán xạ trên mặt tinh thể dưới những góc khác nhau. Các cực đại nhiễu xạ được xác định theo công thức của Vulf Gragg (Vunfơ Brêgơ): 2d sin⁡θ=kλ (1)trong đó d là khoảng cách giữa hai lớp ion liên tiếp của tinh thể,  là góc tán xạ. Trong bài thí nghiệm này ta nghiên cứu nhiễu xạ của chùm điện tử trên tinh thể than chì. Cấu trúc tinh thể của than chì gồm các nguyên tử Cacbon nằm tại các đỉnh của hình lục giác đều, các hình này sắp xếp nối tiếp nhau trên mặt phẳng, các mặt phẳng lại song song cách đều nhau tạo thành mạng không gian Khi chùm điện tử đập vào mạng tinh thể than chì, chúng sẽ tán xạ theo các phương khác nhau. Phương lệch góc  cho nhiễu xạ cực đại tuân theo công thức Vulf Bragg. Như vậy các tia điện tử nhiễu xạ cực đại sẽ nằm trên một mặt nón có góc ở đỉnh là 4 . Đối với mạng tinh thể than chì, xét theo hai phương sẽ có hai khoảng cách d (d_1=2,13Ao,d_2=1,23Ao). Chính vì vậy mà ta có đồng thời hai hệ nhiễu xạ. Xét một màn chắn ở khoảng cách L, xét vân nhiễu xạ bậc k = 1 có bán kính R, với góc  nhỏ, ta có: tan⁡2θ≈RL≈sin⁡2θ≈2 sin⁡θMặt khác theo công thức Vulf Bragg, ta có: 2d sin⁡θ=λ (do xét k=1)Vậy: λ=dRL (2). Công thức này cho phép ta xác định bước sóng chùm điện tử bằng thực nghiệm.III. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

BẢNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Bài thí nghiệm số 15 NHIỄU XẠ CHÙM ĐIỆN TỬ TRÊN TINH THỂ I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM - Nghiên cứu tượng nhiễu xạ chùm điện tử tinh thể, qua xác định bước sóng chùm điện tử chiếu tới - Nghiệm lại giả thuyết De Broglie lưỡng tính sóng hạt vật chất II CƠ SỞ LÝ THUYẾT Giả thuyết De Broglie lưỡng tính sóng hạt vật chất - Trên sở lưỡng tính sóng hạt ánh sáng, nhà Vật lý De Broglie suy rộng tính chất vi hạt khác De Broglie phát biểu giả thuyết: Một vi hạt tự có lượng, động lượng xác định tương ứng với sóng phẳng đơn sắc xác định Năng lượng vi hạt liên hệ với tần số dao động sóng tương ứng theo hệ thức W=hf , động lượng vi hạt liên hệ với bước sóng sóng tương ứng theo hệ thức   (h số Planck) - Giả thuyết De Broglie nhiều thực nghiệm xác nhận, điển hình nhiễu xác chùm điện tử tinh thể khe hẹp Nhiễu xạ chùm điện tử tinh thể - Để nghiên cứu tượng nhiễu xạ nói chung, ban đầu người ta nghiên cứu tượng nhiễu xạ ánh sáng Đó tượng tia sáng bị lệch khỏi phương truyền thẳng gần chướng ngại vật - Tuy nhiên, nghiên cứu tượng nhiễu xạ người ta thấy cần lý thuyết sóng ánh sáng (coi ánh sáng sóng) giải thích rõ ràng tượng nhiễu xạ Như vậy, nhiễu xạ tượng không riêng ánh sáng mà sóng nói chung - Sau De Broglie đưa giả thuyết lưỡng tính sóng hạt vật chất, có nhiều thực nghiệm chứng tỏ điều Năm 1927, Đêvitsơn - Gecmơ nghiên cứu tượng nhiễu xạ chùm electron tinh thể Ni, chùm electron tán xạ mặt tinh thể góc khác Các cực đại nhiễu xạ xác định theo công thức Vulf - Gragg (Vunfơ - Brêgơ): 2𝑑 sin 𝜃 = 𝑘𝜆 (1) d khoảng cách hai lớp ion liên tiếp tinh thể,  góc tán xạ - Trong thí nghiệm ta nghiên cứu nhiễu xạ chùm điện tử tinh thể than chì Cấu trúc tinh thể than chì gồm nguyên tử Cacbon nằm đỉnh hình lục giác đều, hình xếp nối tiếp mặt phẳng, mặt phẳng lại song song cách tạo thành mạng không gian - Khi chùm điện tử đập vào mạng tinh thể than chì, chúng tán xạ theo phương khác Phương lệch góc  cho nhiễu xạ cực đại tuân theo công thức Vulf - Bragg Như tia điện tử nhiễu xạ cực đại nằm mặt nón có góc đỉnh 4 Đối với mạng tinh thể than chì, xét theo hai phương có hai khoảng cách d (𝑑 = 2,13𝐴 , 𝑑 = 1,23𝐴 ) Chính mà ta có đồng thời hai hệ nhiễu xạ - Xét chắn khoảng cách L, xét vân nhiễu xạ bậc k = có bán kính R, với góc  nhỏ, ta có: tan 2𝜃 ≈ 𝑅 ≈ sin 2𝜃 ≈ sin 𝜃 𝐿 - Mặt khác theo cơng thức Vulf - Bragg, ta có: 2𝑑 sin 𝜃 = 𝜆 - Vậy: 𝜆 = (𝑑𝑜 𝑥é𝑡 𝑘 = 1) (2) Công thức cho phép ta xác định bước sóng chùm điện tử thực nghiệm III KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Kết đo bán kính cực đại nhiễu xạ bậc ứng với khoảng cách d1, d2 R2 (mm)(ứng với d2 = 1,23 Ao) Lần đo R1 (mm)(ứng với d1 = 2,13 Ao) 16.00 26.85 14.70 26.00 15.00 26.30 15.80 15.80 𝑅 = 12.50 ± 0.60 𝑅 = 𝑅 ± ∆𝑅 25.85 26.55 𝑅 = 21.60 ± 0.52 Hiệu điện gia tốc: U  5kV  Với 𝑅 = 12,50 : 𝑑 𝑅 2,13.10 12.5.10 = = 2,05.10 𝐿 13.10 ∆𝜆̅ ∆𝑅 0,60 𝛿 = 100% = 100% = = 4,8% 12,50 𝑅 𝜆̅ 𝜆 = → ∆𝜆 = 𝛿 𝜆̅ = 4,8% 2,05.10 → 𝜆 = (2,05.10 )𝑚 ± 9,84.10 = 9,84.10 ℎ𝑜ặ𝑐 𝜆 = 2,05.10 𝑚 ± 4,8%  Với 𝑅 = 21,60 : 𝑑 𝑅 1,23.10 12.5.10 = = 2,04.10 𝑚 𝐿 13.10 ∆𝜆̅ ∆𝑅 0,52 𝛿 = 100% = 100% = = 2,41% 21,60 𝑅 𝜆̅ 𝜆 = → ∆𝜆 = 𝛿 𝜆̅ = 2,41% 2,04.10 → 𝜆 = (2,04.10 )𝑚 ± 9,84.10 ℎ𝑜ặ𝑐 𝜆 = 2,04.10 𝜆 +𝜆 = 2,05.10 𝑚 ∆𝜆 + ∆𝜆 = 0,5.10 𝑚 → 𝜆̅ = ∆𝜆̅ = = 4,92.10 → 𝜆 = 2,05.10 ± 0,5.10 𝑚 𝑚 ± 2,41% 𝑚 - Giá trị  theo lý thuyết De Broglie: 𝑚𝑣 = 𝑒𝑈 → 𝑣 = →𝜆= 2𝑒𝑈 = 41931393,47𝑚/𝑠 𝑚 ℎ = 1,74.10 𝑚𝑣 𝑚 - Nhận xét: 𝜆 lý thuyết 𝜆 thực nghiệm có độ chênh lệch ∆𝜆 = 3,1.10 𝑚 Ngày 24 tháng năm 2021 Xác nhận giáo viên hướng dẫn thí nghiệm IV NHẬN XÉT Nguyên nhân sai số: - Do máy móc dụng cụ đo thiếu xác Do người đo với trình độ tay nghề chưa cao, khả giác quan bị hạn chế Do điều kiện ngoại cảnh bên tác động tới Do người thực hành không thao tác đúng, quan sát khơng xác  ... khoảng cách hai lớp ion liên tiếp tinh thể,  góc tán xạ - Trong thí nghiệm ta nghiên cứu nhiễu xạ chùm điện tử tinh thể than chì Cấu trúc tinh thể than chì gồm nguyên tử Cacbon nằm đỉnh hình lục giác... gian - Khi chùm điện tử đập vào mạng tinh thể than chì, chúng tán xạ theo phương khác Phương lệch góc  cho nhiễu xạ cực đại tuân theo công thức Vulf - Bragg Như tia điện tử nhiễu xạ cực đại... Đối với mạng tinh thể than chì, xét theo hai phương có hai khoảng cách d (