THỰC TẬP VẬT LÝ HIỆN ĐẠI MODERN PHYSICS LABORATORY

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ MỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ THỰC TẬP VẬT LÝ HIỆN ĐẠI MODERN PHYSICS LABORATORY (Dành cho sinh viên thuộc nhiệm vụ chiến lược) Hà Nội - 2012 MỤC LỤC STT Tên Trang Bức xạ vật đen tuyệt đối Hiệu ứng Hall 10 Đo từ độ 16 Xác định thông số xạ phổ kế nối ghép máy tính 20 Nhiễu xạ tia X mẫu bột 23 Quan sát phân tích bề mặt vật rắn sử dụng hiển vi điện tử 30 Phụ lục 1: Tài tiệu tiếng Anh BLACKBODY RADIATION 37 ON A NEW ACTION OF THE MAGNET ON ELECTRIC CURENT 49 P-N JUNCTION CHARACTERISTICS 55 10 MAGNETIZATION MEASUREMENT 60 11 POWDER X-RAY DIFFACTION 66 12 SURFACE OBSERVATIONS AND ANALYSIS OF SOLID MATERIALS BY ELECTRON BEAM 70 TIME COINCIDENCE TECHNIQUES ACTIVITY MAESUREMENTS 76 13 14 AND ABSOLUTE ATOMIC EMISSION SPECTROSCOPY WITH SPARK/ ARC EMISSION SOURCES AND CCD DETECTOR 87 Phụ lục 2: Ảnh thực tập 15 Bài Bức xạ vật đen tuyệt đối 94 16 Bài Hiệu ứng Hall 95 17 Bài Đo từ độ 96 18 Bài Xác định thông số xạ phổ kế nối ghép máy tính 97 19 Bài Nhiễu xạ tia X mẫu bột 98 20 Bài Quan sát phân tích bề mặt vật rắn sử dụng hiển vi điện tử 99 21 P-N JUNCTION CHARACTERISTICS 100 22 ATOMIC EMISSION SPECTROSCOPY WITH SPARK/ ARC EMISSION SOURCES AND CCD DETECTOR 101 BỨC XẠ CỦA VẬT ĐEN TUYỆT ĐỐI I Mục đích: Khảo sát xạ nhiệt vật đen Xác định phụ thuộc suất xạ vào nhiệt độ vật II Cơ sở lý thuyết Cường độ xạ vật xác định từ định luật xạ Planck: Trong c vận tốc ánh sáng chân khơng, h số Planck, k số Boltzmann, T nhiệt độ tuyệt đối vật  bước sóng xạ Bước sóng tương ứng với cường độ sáng cực đại là: III Dụng cụ thí nghiệm: Trong thí nghiệm này, quang phổ bóng đèn sợi đốt quét quang phổ kế lăng kính cầm tay nhằm xác định phụ thuộc cường độ xạ vào góc quét Một sensor ánh sáng phổ rộng sử dụng với lăng kính qt tồn phổ cách riêng rẽ vùng bước sóng từ 400 nm đến 2500 nm Các bước sóng tương ứng với góc qt tính tốn dựa vào cơng thức lăng kính Cường độ ánh sáng xạ biểu diễn dạng hàm bước sóng quét phổ xạ, kết ta thu đường đặc trưng vật đen Khi cường độ ánh sáng bóng đèn giảm nhiệt độ giảm, trình quét lặp lại để tìm dịch chuyển đỉnh bước sóng đường cong Nhiệt độ dây tóc bóng đèn tính cách gián tiếp thơng qua việc xác định điện trở đèn từ hiệu điện cường độ dòng điện chạy qua đèn Từ nhiệt độ đèn ta tính bước sóng cực đại theo lý thuyết so sánh với bước sóng cực đại đo Số TT Tên thiết bị Bộ quang phổ kế lăng kính Ray quang học 60 cm Bộ phụ kiện máy quang phổ Giá đỡ Sensor ánh sáng phổ rộng Sensor chuyển động quay Sensor điện áp Bộ nguồn khuếch đại Số lượng 1 1 1 1 10 11 12 Bóng đèn thay Dây nối Bộ kết nối máy tính X- plorer Phần mềm DataStudio 1 IV Thực hành: Lắp đặt thiết bị thí nghiệm: a Thiết bị thí nghiệm lắp đặt hình Thí nghiệm sử dụng sensor ánh sáng phổ rộng Hình Hình b Đặt lăng kính vị trí hình cho đỉnh lăng kính đối diện với nguồn sáng c Đặt khoảng cách từ ống chuẩn trực đến khe chuẩn trực 10 cm (tiêu cự thấu kính) d Lắp bóng đèn vào nguồn khuếch đại e Nối sensor chuyển động quay, sensor điện áp sensor ánh sáng phổ rộng vào cổng ghép nối máy tính Xplorer Kết nối Xplorer với máy tính f Mở tệp “Blackbody.ds” DataStudio Thực hành: 2.1 Chuẩn bị máy tính: b Khởi động phần mềm Data Studio Chọn mục Create Experiment Vào mục Set up góc trái bên hình Kích chuột vào mục Add Sensor or Instrument, thấy cửa sổ Choose sensor or instrument, chọn Broad Spectrum Light Sensor (sensor ánh sáng phổ rộng) Trong cửa sổ Broad Spectrum Light Sensor đánh dấu vào khung Rel Intensity, mục Sample Rate chọn 20 Hz Tiếp tục chọn Rotary Motion Sensor Trong cửa sổ Rotary Motion Sensor đánh dấu chọn vào khung Angular Position chọn 20 Hz khung Sample Rate Đóng cửa sổ Experiment Setup c Tạo đồ thị Rel Intensity vs Angular Position cách kích chuột vào mục Graph trục tọa độ Ox Oy tương ứng với Angular Position (rad) Rel Intensity (%) 2.2 Tiến hành thí nghiệm: a Đặt khe chuẩn trực Slit Chọn “Slit 4” thay đổi độ b Bật nguồn điện để đèn sáng, xoay nút Coarse để tăng hiệu điện đèn lên 3V Quan sát thay đổi độ xem quang phổ có đầy đủ màu từ đỏ đến tím hay chưa c Xoay cần quét đến chạm vào điểm dừng đối diện với kim thị góc bàn chia độ Đây vị trí cho tất lần quét d Hiệu chỉnh sensor ánh sáng: Dùng tay che khuất ánh sáng phát từ đèn đến lăng kính để ánh sáng không chiếu vào sensor ánh sáng Khi ánh sáng hoàn toàn bị che khuất, nhấn nút Tare sensor để hiệu chỉnh Lưu ý: Để đạt kết tốt thực phép đo cần hiệu chỉnh sensor trước quét phổ trước lặp lại thí nghiệm e Xác định góc ban đầu: Kích chuột vào nút Start bên góc trái hình Từ từ xoay cần qt để sensor ánh sáng quét qua hết quang phổ tiếp tục kể góc quét đến 00 (đây vị trí mà sensor ánh sáng đối diện với nguồn sáng) Khi sensor ánh sáng quét qua hết vị trí số kích vào nút Stop để dừng việc ghi số liệu Lúc đồ thị ta quan sát thấy cực đại, cực đạị thứ cường độ chùm ánh sáng trắng sau qua lăng kính, cịn cực đại thứ hai tương ứng với cường độ chùm sáng truyền vng góc với đáy lăng kính Đỉnh cực đại giúp ta xác định cách xác góc qt ban đầu Dùng cơng cụ Smart Tool Data Studio để xác định tọa độ góc cực đại thứ hai ghi lại giá trị đại lượng f Quét phổ: Điều chỉnh hiệu điện đèn 1V Xoay cần quét vị trí ban đầu, thực q trình qt phổ giống khơng cần qt qua vị trí số 0, cần sensor ánh sáng quét hết phổ dừng lại Tăng dần hiệu điện đèn lên 2V, 3V, …, 7V lặp lại trình quét Kết thúc trình quét ta thu tổ hợp đường cong tương ứng với hiệu điện khác Xử lý số liệu: 3.1 Xác dịnh bước sóng xạ từ góc quét: a Mở cửa sổ Calculator Data Studio Trong mục Definition, nhập phương trình “Angle = x”, mục Variables chọn “x = Angular Position” nhấn Accept b Tiếp tục nhập phương trình sau vào mục Definition: Và khai báo giá trị sau: - Ở mục Init nhập giá trị góc quét ban đầu xác định phần - Ở mục Angle, nhập Angle = Angle - Ở mục Ratio nhập 59.50 c Nhập phương trình xác dịnh bước sóng vào Definition: 3.2 Chuyển đồ thị Rel.Intensity vs Angular Position thành đồ thị Rel Intensity vs wavelength Khi ta thu đồ thị biểu diễn thay đổi cường độ xạ theo bước sóng đồng thời quan sát dịch chuyển cực đại xạ 3.3 Nhiệt độ bóng đèn thay đổi thay đổi hiệu điện cung cấp cho đèn Ta xác định nhiệt độ dây tóc bóng đèn dựa vào phương trình sau: Temp.(K) = 300 + ((voltage/current)/0.84 – 1/0.0045) Với nhiệt độ, dùng Smart Tool Data Studio xác định bước sóng cực đại λmax Sử dụng định luật dịch chuyển Wien để tính λmax lý thuyết sau so sánh với giá trị đo từ thực nghiệm V Xử lý số liệu: Khi nhiệt độ giảm, cực đại dịch chuyển phía bước sóng dài hay phía bước sóng ngắn hơn? Cường độ xạ thay đổi nhiệt độ thay đổi? Sử dụng Smart Tool để xác định nhiệt độ dây tóc bóng đèn Tính bước sóng cực đại tương ứng với nhiệt độ dựa vào cơng thức (2) Các giá trị lý thuyết có phù hợp với bước sóng cực đại xác định đồ thị không? Công thức Planck cài đặt phần mềm DataStudio Kích chuột kéo bảng tính từ Data List bên trái đồ thị cường độ bước sóng Thay đổi biên độ máy tính để khớp với đường cong Dạng đường cong thực nghiệm có phù hợp với đường cong lý thuyết khơng? Liệu bóng đèn dây tóc xem vật đen không? Màu sắc bóng đèn thay đổi theo nhiệt độ? Các màu quang phổ thay đổi thay đổi nhiệt độ? Dựa vào bước sóng thu được, giải thích bóng đèn lại có màu đỏ nhiệt độ thấp có màu trắng nhiệt độ cao hơn? Bước sóng cực đại quang phổ Mặt trời bước sóng nào? Mặt trời có màu gì? Tại sao? Khi nhiệt độ cao nhất, phổ phân bố phía ánh sáng nhìn thấy hay phía ánh sáng hồng ngoại? Giải thích Phụ lục: Cách tính bước sóng: Chiết suất thuỷ tinh làm lăng kính nhận giá trị khác phụ thuộc vào bước sóng sáng chiếu tới lăng kính Để xác định bước sóng hàm góc, mối quan hệ chiết suất góc khúc xạ xác định từ định luật Snell bề mặt lăng kính θ θ2 θ3 60o 60o Phương trình Cauchy mô tả mối liên hệ chiết suất bước sóng: A B hệ số xác định từ thực nghiệm có giá trị khác tuỳ vào loại thuỷ tinh làm lăng kính Từ phương trình ta rút được: Tuy nhiên, phương trình mang tính gần Bảng số liệu sau tóm tắt cho phụ thuộc chiết suất lăng kính vào bước sóng: Chiết suất Bước sóng (nm) 1.68 1.69 1.69 1.70 1.70 1.71 1.72 1.72 1.72 1.72 1.73 1.73 1.75 1.76 1.78 2325.40 1970.10 1529.60 1060.00 1014.00 852.10 706.50 656.30 643.00 632.80 589.30 546.10 486.10 435.80 404.70 Bước sóng tính cách sử dụng phương trình suy từ đường cong phù hợp cho lăng kính hệ số xác định từ thực nghiệm cho loại thuỷ tinh làm lăng kính Các kết khơng cần thiết phải thay đổi trừ sử dụng lăng kính khác thí nghiệm  103 A  Bn  Cn  Dn3  Jn  Fn  Gn6  Hn7  In8 n: chiết suất lăng kính Phương trình định luật Snell mô tả file cài đặt dạng: Góc ban đầu xác định cách đo góc từ cực đại trung tâm: góc ban đầu = 72.4 Cách tính cường độ ánh sáng: Cường độ ánh sáng xác định từ hàm: Trong v = Voltage, ChA; Vo = 0; trường hợp quên nhấn nút Tare sensor ánh sáng trước ghi số liệu giá trị Vo chọn tuỳ ý Cách tính cường độ ánh sáng lý thuyết: Cường độ ánh sáng tính theo phương trình: Trong file cài đặt phương trình biểu diễn hàm: Với x bước sóng tính đơn vị nanomet, nhận giá trị khoảng từ 300 nm đến 2800 nm A = 0.018 số tuỳ ý để điều chỉnh biên độ sensor ánh sáng chưa hiệu chỉnh T = 2500 K, nhiệt độ tuyệt đối dây tóc bóng đèn Xác định nhiệt độ: Nhiệt độ dây tóc bóng đèn tính theo phương trình: ρ = ρo[1+ α(T-To)] Tuy nhiên hệ số α số nhiệt độ thay đổi từ nhiệt độ phòng đến nhiệt độ đèn Bảng sau cho biết điện trở suất ứng với nhiệt độ khác nhau: H L Andrews, Radiation Biophysics, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey (1974) P Quittner, Gamma Ray Spectroscopy, Halsted Press, New York (1972) W Mann and S Garfinkel, Radioactivity and Its Measurement, Van NostrandReinhold, New York (1966) Radiological Health Handbook, U.S Dept Of Health, Education, and Welfare, PHS Publication 2016 Available from National Technical Information Service, U.S Dept Of Commerce, Springfield, Virginia A C Melissinos, Experiments in Modern Physics, Academic Press, New York (1966) K Siegbahn, Ed., Alpha-, Beta-, and Gamma-Ray Spectroscopy and 2, North Holland Publishing Co., Amsterdam (1965) 10 A H Wapstra, et al., Nuclear Spectroscopy Tables, North Holland Publishing Co., Amsterdam (1959) 87 ATOMIC EMISSION SPECTROSCOPY WITH SPARK/ ARC EMISSION SOURCES AND CCD DETECTOR Introduction Atomic emission spectroscopy (AES or OES [optical emission spectroscopy]) uses quantitative measurement of the optical emission from excited atoms to determine analyte concentration Analyte atoms in solution are aspirated into the excitation region where they are desolvated, vaporized, and atomized by a flame, discharge, or plasma These high-temperature atomization sources provide sufficient energy to promote the atoms into high energy levels The atoms decay back to lower levels by emitting light Since the transitions are between distinct atomic energy levels, the emission lines in the spectra are narrow The spectra of samples containing many elements can be very congested, and spectral separation of nearby atomic transitions requires a high-resolution spectrometer Since all atoms in a sample are excited simultaneously, they can be detected simultaneously using a polychromator with multiple detectors This ability to simultaneously measure multiple elements is a major advantage of AES compared to atomic-absorption (AA) spectroscopy Fig Schematic of an AES experiment Theoretical Background Atomic (or optical) emission spectrometry (AES, OES) is an important technique for the multielement analysis of a wide range of materials Many elements have been discovered using emission spectrometry and it is the most commonly used procedure for the measurement of trace elements in rocks, water, soil, manufactured goods, and biological specimens The technique is used to monitor the levels of different chemicals and trace elements in the environment and to determine the com-positions of solids, liquids, and gases In geoanalysis, emission spectrometry has been instrumental in the 88 exploration of economic mineral deposits In metal-lurgy and in the semiconductor industry, emission spectrometry is of prominent importance in the production control of both raw materials and finished products Finally, emission spectrometry allows the elements present in the sun and stars to be identified, helping us to understand better the nature of the universe These are only a few examples of scientific and technical disciplines in which the technique of emission spectrometry has made a significant contribution AES involves the measurement of electromagnetic radiation emitted from atoms Both qualitative and quantitative data can be obtained from this type of analysis In the former case, the identity of different elements reflects the spectral wavelengths that are produced, while in the latter case, the intensity of the emitted radiation is related to the concentration of each element Atomic spectra are derived from the transition of electrons from one discrete electron orbital in an atom to another These spectra can be understood in terms of the Bohr atomic model In the Bohr model, the atom is depicted as a nucleus surrounded by discrete electron orbits, each associated with energy of the order hν Every atom has a certain number of electron orbitals, and each electron orbital has a particular energy level When all the electrons are present in the orbitals, the atoms are in the most stable form (the ground state) When energy (either thermal, resulting from collision, or radiational, resulting from the absorption of electromagnetic radiation) is applied to an atom and is sufficient to lift an electron from a shell with energy Ei to one with Ej, the atom is said to be in the excited state The state of excitation is unstable and decays rapidly The residence time of the unstable excited state is very short, in the order of 10-8s When electrons return to the stable ground state, energy is emitted and that energy is equal to the difference in the energies between the ground and excited states The energy is released in the form of electromagnetic radiation and defines the wavelength of the transition The relationship between the energy and wavelength is described by the Planck equation: where Ej-Ei is the energy difference between the two levels (and Ej>Ei); h is Planck’s constant, 6.624x10-34 Js-1; ν is the frequency of the radiation; c is the velocity of light in a vacuum, 2.9979x108ms-1; and λ is the wavelength of the radiation in meters If enough energy is absorbed by the atom, electrons may escape completely, leaving the atom in the ionized 89 state The energy required for ionization is called the ionization potential Ions also possess ground and excited states, through which they can absorb and emit energy by the same processes described for an atom Figure illustrates the electron shell configuration in terms of energy levels Horizontal lines represent energy levels and vertical lines depict permissible transitions between them The arrows show the direction of energy input or output (ascending arrows show the absorption of energy while descending arrows show energy radiation) When an electron in a quantum level j is captured by an ionized atom, energy is liberated according to the following equation: Fig Electron shell configurations in term of energy levels The wavelength for the emitted radiation due to a transition Ej-Ei is where E is the energy difference and λ is the wavelength of the emitted radiation Spectra of neutral excited atoms are denoted as I, and correspond to those deexciting to the ground state (resonance lines) or close to the ground state (near-resonance lines) They are observed in low-energy sources such as flames Spectra of singly ionized atoms are denoted as II, and they are observed in high-energy sources such as electrical sparks, inductively coupled plasmas (ICPs), and glow discharges Every element has a characteristic emission spectrum, which is the basis of spectrochemical analysis 90 Apparatus Fig Experimental Setup diagram of AES practice for students at Quantum Optics Department Spark and arc excitation sources use a current pulse (spark) or a continuous electrical discharge (arc) between two electrodes to vaporize and excite analyte atoms The electrodes are either metal or graphite If the sample to be analyzed is a metal, it can be used as one electrode Non-conducting samples are ground with graphite powder and placed into a cup-shaped lower electrode Arc and spark sources can be used to excite atoms for atomic-emission spectroscopy or to ionize atoms for mass spectrometry Arc and spark excitation sources have been replaced in many applications with plasma or laser sources, but are still widely used in the metals industry Fig An arc excitation source 91 Experimental Procedure Initial Setup  First of all: Check all ground connections for safety and for reducing EMI noises  Check the USB connection from the PC to the CCD module Be gentle with this connection because the CCD is a sensitive module  Start the PC and run pySpectra software  Set the number of scan to 20 times Start scan while the entrance slit of the monochromator is shut You will obtain the dark noise Save this datum of the dark noise to an ASCII/.txt file in your specific folder Experiment 1: Measure emission spectra of Fe electrodes  Insert a Fe electrode into the arc chamber Check that the separation between two electrodes is about 5mm  Plug the AC power of the HV power supply Push the start button to produce an electrical discharge current in the arc-chamber Maintain the discharge current about 2.5A  Tune the height of the two electrodes and position the lens in order to obtain a circular light spot at the entrance slit of the monochromator  Open the entrance slit Set the number of line scan on the software and start scan your spectrum  Repeat the experiment three times to check the reproducibility Save the measured data Experiment 2: Measure emission spectra of an unknown electrode  Repeat the steps in the experiment with an unknown electrode Data Analysis and Report Compare your measured emission spectra of Fe electrodes to a reference standard emission spectrum of Fe Find the positions of characteristic peaks of Fe on the measured spectra Mark these relative positions on the CCD length unit to find an interpolation function from the CCD’s relative length to wavelength Find composition of the unknown electrode used in experiment Note: ignore carbon’s peaks 92 Write an experiment report that includes theoretical background, experimental procedure, and results of your analysis This report will be used as a 60% of the final evaluation References: http://www.files.chem.vt.edu/chem-ed/spec/atomic/aes.html R M Twyman, "Atomic Emission Spectroscopy - Principles and Instrumentation", p190198, Elsevier 2005 93 Bài Bức xạ vật đen tuyệt đối 94 Bài Hiệu ứng Hall 95 Bài Đo Từ độ 96 Bài Xác định thông số xạ phổ kế nối ghép máy tính 97 Bài Nhiễu xạ tia X mẫu bột 98 Bài Quan sát phân tích bề mặt vật rắn sử dụng hiển vi điện tử 99 P-N JUNCTION CHARACTERISTICS 100 ATOMIC EMISSION SPECTROSCOPY WITH SPARK/ ARC EMISSION SOURCES AND CCD DETECTOR 101 ... mẫu tính theo cơng thức: 15 Độ linh động hạt tải bản: IV Nội dung thực tập, dụng cụ thí nghiệm bước thực hành Nội dung thực tập Trong thực tập này, sinh viên phải nắm vững kiến thức hiệu ứng Hall,... 2: Ảnh thực tập 15 Bài Bức xạ vật đen tuyệt đối 94 16 Bài Hiệu ứng Hall 95 17 Bài Đo từ độ 96 18 Bài Xác định thông số xạ phổ kế nối ghép máy tính 97 19 Bài Nhiễu xạ tia X mẫu bột 98 20 Bài Quan... quan chặt chẽ với đường cong từ hóa III Nội dung thực hành - phương pháp van der Pawn để khảo sát hiệu ứng Hall Mẫu đo: Hình 3.1: Dạng mẫu đo sử dụng thực hành Để đảm bảo phép đo đáng tin cậy,