xác định hằng số planck bằng tế bào quang điện và đèn led

Lời cảm ơn Để đạt kết ngày hôm tác giả xin chân thành cảm ơn cha mẹ, gia đình, thầy cô bạn bè giúp đỡ suốt trình học tập thực khóa luận Tác giả xin bày tỏ lòng trân trọng cảm ơn đến: Cô Nguyễn Thị Hảo giúp đỡ, hướng dẫn nhiều trình tìm hiểu thực khóa luận, hướng dẫn đề tài dành nhiều thời gian để đọc sửa chữa khóa luận cho Thầy Nguyễn Hoàng Long thầy Nguyễn Huỳnh Duy Khang hỗ trợ giúp đỡ nhiệt tình, tạo điều kiện để có thiết bị, dụng cụ để thực thí nghiệm Thầy Trần Tuấn Anh, giảng viên trường Đại học Sư phạm kĩ thuật tạo điều kiện tốt để tiếp cận thực thí nghiệm trường Cô Phan Thị Ngọc Loan nhiệt tình giải đáp vấn đề mà thắc mắc trình thực khóa luận Bên cạnh đó, xin gửi lời tri ân đến thầy cô khoa Lý giảng dạy, truyền đạt kiến thức kinh nghiệm cho suốt trình học tập Tôi xin gửi lời biết ơn đến Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chính Minh tạo cho có môi trường học tập rèn luyện cách thuận lợi tốt Cám ơn tất bạn thăm hỏi tôi, động viên hoàn thành đề tài i Mục lục Lời cảm ơn i Mục lục iii Danh mục bảng iv Danh mục hình vẽ, đồ thị vi Lời mở đầu I Đo số Planck dựa vào tượng quang điện Cơ 1.1 1.2 1.3 sở lý thuyết Tế bào quang điện Hiện tượng quang điện Thí nghiệm tượng quang điện 1.3.1 Thí nghiệm Hertz tượng quang 1.3.2 Thí nghiệm với tế bào quang điện 1.4 Các định luật tượng quang điện 1.5 Giải thích định luật quang điện 1.5.1 Sự bất lực lý thuyết sóng điện từ 1.5.2 Lý thuyết lượng tử ánh sáng Einstein 1.6 Khối lượng nghỉ động lượng photon Thực hành 2.1 Mục đích 2.2 Tóm tắt lý thuyết 2.3 Thực hành thí nghiệm 2.3.1 Dụng cụ 2.3.2 Thiết bị đo 2.3.3 Nguyên tắc hoạt động thiết bị 2.3.4 Phương pháp đo 2.4 Trình tự thực hành 2.4.1 Chuẩn bị thí nghiệm ii điện (1887) 4 5 9 10 12 13 13 13 14 14 15 16 16 16 16 2.5 II 2.4.2 Xử lý 2.5.1 2.5.2 Xác định số Planck số liệu kết Xác định giá trị Uh màu Xác định số Planck khác Đo số Planck đèn LED Cơ sở lý thuyết 3.1 Sự dẫn điện bán dẫn 3.1.1 Chất bán dẫn điện 3.1.2 Chất bán dẫn pha tạp 3.1.3 Tiếp xúc n - p Diode bán dẫn 3.2 Giới thiệu LED 3.3 Nguyên lý làm việc LED Thực hành 4.1 Mục đích 4.2 Tóm tắt lý thuyết 4.2.1 Giao thoa cho hệ vân tròn Newton 4.2.2 Xác định số Planck LED 4.3 Thực hành thí nghiệm 4.3.1 Dụng cụ 4.3.2 Trình tự thực hành 4.3.3 Xử lý số liệu kết thí nghiệm 17 18 18 19 23 24 24 24 26 28 30 31 33 33 33 33 34 36 36 39 40 Kết luận kiến nghị 52 Danh mục công trình tác giả 53 Tài liệu tham khảo 55 A Số liệu LED 56 B Tài liệu thực hành đo số Planck đèn LED 59 C Mẫu báo cáo thực hành đo số Planck đèn LED 68 iii Danh mục bảng Bảng 2.1 Bảng 2.2 Bảng 2.3 Hiệu điện hãm ứng với bước sóng 18 Giá trị số Planck 19 Số liệu tuyến tính hóa 21 Bảng 3.1 Điện ngưỡng số LED 32 Bảng Bảng Bảng Bảng 4.1 Số liệu đo từ LED đỏ 4.2 Số liệu đo từ LED màu lục 4.3 Số liệu đo từ LED màu lam 4.4 Hệ số a b sau khớp hàm phần tuyến tính đường đặc - Ampe Bảng 4.5 Giá trị Ung đèn LED Bảng 4.6 Số liệu tuyến tính hóa đèn LED màu đỏ Bảng 4.7 Số liệu tuyến tính hóa đèn LED màu lục Bảng 4.8 Số liệu tuyến tính hóa đèn LED màu lam Bảng 4.9 Giá trị Ung đèn LED tính cách lập bảng Bảng 4.10 Giá trị số Plack đo từ đèn LED tuyến Vôn 41 41 42 43 45 45 46 48 50 51 Bảng A.1 Số liệu đèn LED màu đỏ 56 Bảng A.2 Số liệu đèn LED màu lục 57 Bảng A.3 Số liệu đèn LED màu lam 58 Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng C.1 C.2 C.3 C.4 C.5 C.6 C.7 C.8 C.9 Số liệu đo từ LED màu đỏ Số liệu đo từ LED màu lục Số liệu đo từ LED màu lam Kết đo bước sóng ánh sáng đèn LED Số liệu đèn LED màu đỏ Số liệu đèn LED màu lục Số liệu đèn LED màu lam Giá trị Ung đèn LED Giá trị Ung đèn LED iv 69 69 69 69 70 70 70 70 71 Danh mục hình vẽ, đồ thị Hình 1.1 Hình 1.2 Hình 1.3 Thí nghiệm Hezt tượng quang điện Sơ đồ bố trí thí nghiệm khảo sát tượng quang điện Sự phụ thuộc dòng quang điện vào hiệu điện UAK Hình Hình Hình Hình 2.1 2.2 2.3 2.4 Các kính lọc màu có ghi sẵn giá trị bước sóng Thiết bị đo hiệu ứng quang điện Đồ thị biểu diễn độ lớn Uh theo tần số Các giá trị thu sau khớp hàm Uh theo ν Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình 3.1 Tinh thể chất bán dẫn nhiệt độ thấp (T = 0K) - bán dẫn 3.2 Tinh thể chất bán dẫn nhiệt độ cao (T =300K) 3.3 Sự dẫn điện tinh thể chất bán dẫn 3.4 Tinh thể bán dẫn pha tạp loại n 3.5 Tinh thể bán dẫn pha tạp loại p 3.6 Sơ đồ mắc thuận diode 3.7 Sơ đồ mắc nghịch diode 3.8 Đặc tuyến Vôn - Ampe lớp tiếp xúc p - n 3.9 Sự chuyển dời hạt mang điện lỗ trống qua lớp tiếp xúc p - n tạo LED Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 thiết bị đo 15 15 18 22 cấu 24 25 26 26 27 29 29 30 Sơ đồ giao thoa hệ vân tròn Newton Tiếp xúc p - n vùng điện tích không gian Sự dẫn điện bán dẫn p - n phân cực thuận Sự phát xạ lương LED Thiết bị đo bước sóng vân tròn Newton Đồng hồ vạn DT - 9205A+ số thông số kĩ thuật thiết bị Thiết bị thực hành thí nghiệm đo số Planck đèn LED Vị trí vân tối vân tròn Newton Mạch điện đo hiệu điện ngưỡng LED Bảng kết sau khớp hàm LED đỏ Kết thu sau khớp hàm LED màu đỏ LED màu đỏ LED màu lục LED màu lam v 6 31 33 35 35 35 36 37 38 39 40 42 43 44 44 44 Hình Hình Hình Hình B.1 Minh họa giao thoa vân tròn Newton B.2 B.3 Cấu tạo đèn LED B.4 Sự dẫn điện LED vi 60 61 62 62 Lời mở đầu Vật lý môn khoa học thực nghiệm Do đó, nét đặc trưng môn Vật lý gắn liền lý thuyết với thưc hành Lịch sử vật lý từ trước đến nay, định luật, định lý hay lý thuyết vật lý công bố kết nghiên cứu thực nghiệm phải thực nghiệm kiểm chứng Những lý cho thấy phương pháp thực nghiệm có vai trò quan trọng học tập nghiên cứu khoa học Trong thời gian qua, thân học nhiều môn thực hành sau hoàn thành môn đại cương Tất môn thực hành đem lại đam mê thích thú cho thân để lại nhiều ấn tượng sâu sắc.Từ rút kết luận phương pháp thực nghiệm có vai trò quan trọng trình giảng dạy Trong chương trình Vật lý phổ thông hành, tác giả đưa vào sách giáo khoa Vật lý 12 phần vật lý lượng tử, kể đến “Hiện tượng quang điện” hay “Quang phổ vạch Hydro” Hằng số Planck đề cập đến học sinh học tới phần Sâu nữa, tiếp cận đến vật lý lượng tử, số Planck xuất điều tất yếu, mô tả mối quan hệ lượng lượng tử xạ điện từ tần số xạ Hằng số Planck có vai trò quan trọng vật lý lượng tử Mặc dù giá trị số Planck có giá trị nhỏ, h = 6.62607 × 10−34 J.s ta thực thí nghiệm với phương pháp khác để kiểm chứng Tôi xin đề cập đến hai phương pháp: Dựa tượng quang điện Dựa phát photon đèn LED Hai phương pháp khác để thực hai thí nghiệm với mục đích Mỗi phương pháp có ưu điểm hạn chế Tùy vào mục đích mà ta đưa vào giảng dạy đối tượng khác nhau, với yêu cầu khác Dụng cụ quan trọng thực thí nghiệm phương pháp tế bào quang điện, phương pháp đèn LED Từ lý trên, định chọn đề tài: “XÁC ĐỊNH HẰNG SỐ PLANCK BẰNG TẾ BÀO QUANG ĐIỆN VÀ ĐÈN LED” Mục tiêu khóa luận xác định số Planck hai phương pháp khác Thông qua đó, đánh giá độ xác kết Từ đó, gợi ý phạm vi ứng dụng để phát huy điểm mạnh hạn chế điểm yếu phương pháp Để thực mục tiêu trên, công việc cụ thể cần thực khóa luận là: 1 Hệ thống hóa kiến thức “Hiện tượng quang điện” “Linh kiện bán dẫn”, cụ thể diode phát quang (LED) Từ kiến thức trên, tiến hành thực thí nghiệm để thu số liệu Tiến hành xử lý số liệu thí nghiệm thu kết Đánh giá kết phương pháp Nội dung khóa luận bao gồm phần với cấu trúc Phần I bao gồm chương chương 2, phần trình bày phương pháp đo số Planck dựa vào tượng quang điện Phần II bao gồm chương chương 4, phần trình bày phương pháp đo số Planck đèn LED Cụ thể là: ❼ Chương trình bày sở lý thuyết tượng quang điện Hiện tượng quang điện bao gồm tượng quang điện tượng quang điện Trong giới hạn đề tài, trình bày chủ tượng quang điện ngoài, phù hợp với phần thực nghiệm trình bày chương ❼ Chương trình bày phần thực nghiệm đo số Planck phương pháp tượng quang điện Tôi nêu mục đích thí nghiệm tóm tắt lý thuyết trước bắt đầu thực hành Tiếp theo, trình bày phần thực hành bao gồm trình tự thực hành, xử lý số liệu để dẫn đến kết đánh giá kết thu ❼ Chương trình bày sở lý thuyết linh kiện bán dẫn, chủ yếu dẫn điện bán dẫn, bao gồm bán dẫn thuần, bán dẫn loại n, bán dẫn loại p tiếp xúc n-p Ngoài ra, giới thiệu đèn LED nguyên tắc hoạt động đèn LED ❼ Chương trình bày phần thực nghiệm đo số Planck đèn LED Tôi nêu mục đích thí nghiệm tóm tắt lý thuyết trước bắt đầu thực hành Tiếp theo, trình bày phần thực hành bao gồm trình tự thực hành, xử lý số liệu để dẫn đến kết đánh giá kết thu Kết luận hướng phát triển phần cuối khóa luận Trong phần trình bày tóm tắt kết thu thực khóa luận đề hướng phát triển cho đề tài Phần I Đo số Planck dựa vào tượng quang điện Chương Cơ sở lý thuyết 1.1 Tế bào quang điện Tế bào quang điện dụng cụ dùng để khảo sát tượng quang điện Đó bóng suốt không cản tia tử ngoại, bên chân không gồm có: ❼ Một catod K (bản âm cực) lớp kim loại tinh chất mà ta muốn khảo sát ❼ Một anod A (bản dương cực) kim loại (có thể vòng kim loại) Anode A nối với điện cao điện cathode C Do đó, rọi chùm tia sáng thích hợp, làm bật electron electron bị hút phía anod tạo thành dòng electron dịch chuyển [7] 1.2 Hiện tượng quang điện Hiện tượng quang điện Hertz phát 1887, sau việc nghiên cứu chi tiết tượng Stoletov tiến hành vào năm 1888-1889, đến Lénard năm 1889 1902 nhiều nhà thực nghiệm khác vào năm 90 kỉ XIX [3][7] Trong thí nghiệm người ta thu dòng quang điện đến đầu kỉ XX định luật quang điện thiết lập Hiện tượng quang điện gồm có hai loại chính: Hiện tượng quang điện tượng quang điện Ngoài có tượng quang điện lớp chặn [3] ❼ Hiện tượng quang điện ngoài: tượng ánh sáng có bước sóng thích hợp, chiếu vào kim loại, làm bật electron khỏi bề mặt kim loại, gọi tượng quang điện ❼ Hiện tượng quang điện trong: tác dụng ánh sáng có bước sóng thích hợp, electron dẫn lỗ trống bán dẫn tạo thành, kết tính dẫn điện vật dẫn tăng lên ❼ Hiện tượng quang điện lớp chặn: thể xuất hiệu điện vật bán dẫn đặt tiếp xúc chiếu sáng Hiệu ứng giải thích chế dẫn Bảng A.2: Số liệu đèn LED màu lục U (V) 1.5 2.24 2.28 2.31 2.34 2.38 2.41 2.45 2.46 2.47 2.5 2.51 2.52 2.53 2.54 2.56 2.57 2.58 2.61 2.62 2.63 2.64 2.65 ∆U (V) 0.0175 0.02 0.0212 0.0214 0.02155 0.0217 0.0219 0.02205 0.02225 0.0223 0.02235 0.0225 0.02255 0.0226 0.02265 0.0227 0.0228 0.02285 0.0229 0.02305 0.0231 0.02315 0.0232 0.02325 I (mA) 0 1.5 1.8 2.4 4.9 6.1 6.4 6.8 7.8 8.1 8.4 8.8 9.2 10 10.3 10.9 12.2 12.7 13.1 13.5 14 ∆I (mA) 0.1 0.1 0.118 0.1216 0.1288 0.136 0.148 0.1588 0.1732 0.1768 0.1816 0.1936 0.1972 0.2008 0.2056 0.2104 0.22 0.2236 0.2308 0.2464 0.2524 0.2572 0.262 0.268 U (V) 2.66 2.67 2.68 2.69 2.7 2.71 2.72 2.73 2.74 2.76 2.79 2.8 2.81 2.82 2.83 2.84 2.85 2.86 2.87 2.88 2.89 2.9 2.91 2.92 57 ∆U (V) 0.0233 0.02335 0.0234 0.02345 0.0235 0.02355 0.0236 0.02365 0.0237 0.0238 0.02395 0.024 0.02405 0.0241 0.02415 0.0242 0.02425 0.0243 0.02435 0.0244 0.02445 0.0245 0.02455 0.0246 I (mA) 14.6 15.1 15.6 16 16.4 17 17.4 18.1 18.5 19.2 20.6 21.1 21.6 22.1 22.6 23.2 23.8 24.5 25.2 25.8 26.4 27 27.4 28 ∆I (mA) 0.2752 0.2812 0.2872 0.292 0.2968 0.304 0.3088 0.3172 0.322 0.3304 0.3472 0.3532 0.3592 0.3652 0.3712 0.3784 0.3856 0.394 0.4024 0.4096 0.4168 0.424 0.4288 0.4372 Bảng A.3: Số liệu đèn LED màu lam U (V) 2.3 2.4 2.5 2.55 2.56 2.57 2.58 2.59 2.6 2.61 2.62 2.63 2.64 2.65 2.66 2.67 2.68 2.69 2.7 2.71 2.72 2.73 2.74 2.75 2.76 2.77 2.78 2.79 2.8 2.81 2.82 2.83 2.84 ∆U (V) 0.02 0.0215 0.022 0.0225 0.02275 0.0228 0.02285 0.0229 0.02295 0.023 0.02305 0.0231 0.02315 0.0232 0.02325 0.0233 0.02335 0.0234 0.02345 0.0235 0.02355 0.0236 0.02365 0.0237 0.02375 0.0238 0.02385 0.0239 0.02395 0.024 0.02405 0.0241 0.02415 0.0242 I (mA) 0 0.5 1.1 1.2 1.4 1.5 1.7 1.9 2.1 2.3 2.4 2.5 2.8 3.3 3.5 3.6 3.8 4.1 4.3 4.7 4.9 5.2 5.7 5.9 6.2 6.5 6.9 7.2 7.5 8.2 ∆I (mA) 0.1 0.1 0.1 0.106 0.112 0.1132 0.1144 0.1168 0.118 0.1204 0.1228 0.1252 0.1276 0.1288 0.13 0.1336 0.136 0.1396 0.142 0.1432 0.1456 0.1492 0.1516 0.1564 0.1588 0.1624 0.1684 0.1708 0.1744 0.178 0.1828 0.1864 0.19 0.1984 U (V) 2.85 2.86 2.87 2.88 2.89 2.9 2.91 2.92 2.93 2.94 2.95 2.96 2.97 2.98 2.99 3.01 3.02 3.03 3.04 3.05 3.06 3.07 3.08 3.09 3.1 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 3.18 58 ∆U (V) 0.02425 0.0243 0.02435 0.0244 0.02445 0.0245 0.02455 0.0246 0.02465 0.0247 0.02475 0.0248 0.02485 0.0249 0.02495 0.025 0.02505 0.0251 0.02515 0.0252 0.02525 0.0253 0.02535 0.0254 0.02545 0.0255 0.02555 0.0256 0.02565 0.0257 0.02575 0.0258 0.02585 0.0259 I (mA) 8.7 9.1 9.3 9.5 10 10.5 10.8 11.1 11.8 12.3 12.9 13.4 13.8 14.7 15.2 15.5 16.3 16.8 18 18.2 19 19.5 20.6 21.1 21.6 22.9 23.1 24.1 25.1 25.5 26.5 27.4 28.7 29.9 ∆I (mA) 0.2044 0.2092 0.2116 0.214 0.22 0.226 0.2296 0.2332 0.2416 0.2476 0.2548 0.2608 0.2656 0.2764 0.2824 0.286 0.2956 0.3016 0.316 0.3184 0.328 0.334 0.3472 0.3532 0.3592 0.3748 0.3772 0.3892 0.4012 0.406 0.418 0.4288 0.4444 0.4588 Phụ lục B Tài liệu thực hành đo số Planck đèn LED BÀI: ĐO HẰNG SỐ PLANCK BẰNG ĐÈN LED Mục đích thí nghiệm ❼ Xác định bước sóng λ đèn LED ❼ Vẽ đường đặc tuyến Vôn - Ampe đèn LED ❼ Xác định Ung đèn LED ❼ Xác định số Planck dựa vào Ung λ Cơ sở lý thuyết 2.1 Khảo sát giao thoa cho hệ vân tròn Newton xác định bước sóng ánh sáng 2.1.1 Giao thoa cho hệ vân tròn Newton Giao thoa cho hệ vân tròn Newton tượng giao thoa sóng sáng truyền qua nêm không khí nằm giới hạn mặt lồi thấu kính phẳng-lồi L đặt tiếp xúc với thuỷ tinh phẳng P (Hình B.1) Nếu chiếu chùm sáng song song đơn sắc có bước sóng λ vuông góc với mặt phẳng phẳng thuỷ tinh P tia sáng phản xạ từ mặt mặt nêm không khí giao thoa với nhau, tạo thành hệ vân sáng vân tối hình tròn đồng tâm nằm xen kẽ - gọi hệ vân tròn Newton 59 Hình B.1: Minh họa giao thoa vân tròn Newton Trong trường hợp này, hiệu quang lộ tia sáng phản xạ hai mặt nêm không khí vị trí ứng với độ dày dk bằng: δ = 2dk + λ (B.1) Đại lượng λ/2 xuất ánh sáng truyền qua nêm không khí tới mặt bản, bị phản xạ mặt phẳng thuỷ tinh P λ Khi δ = (2k + 1) với k = 0, 1, 2, ta có cực tiểu giao thoa ứng với độ dày: dk = k λ (B.2) Gọi R bán kính mặt lồi thấu kính L Vì dk R, nên áp dụng hệ thức lượng tam giác vuông hình B.1, ta tính bán kính rk vân tối thứ k: rk2 = (2R − dk ) dk ≈ 2Rdk (B.3) Thay (B.2) vào (B.3), ta suy ra: λ= rk2 k.R (B.4) Thực tế đạt tiếp xúc điểm mặt thấu kính phẳng-lồi L mặt phẳng thuỷ tinh P, nên vân tối hệ vân tròn Newton điểm mà hình tròn Vì thế, để xác định xác bước sóng ánh sáng đơn sắc, người ta áp dụng 60 công thức (B.4) hai vân tối thứ k thứ i : rk2 = k.λ.R ri2 = i.λ.R Từ suy ra: rk2 − ri2 = (k − i) λ.R Hay: λ= B.b (k − i) R (B.5) với B = rk + ri b = rk − ri đo thước trắc vi kính hiển vi 2.1.2 Quan sát vân Newton qua kính hiển vi Thấu kính phẳng-lồi L đặt phẳng thuỷ tinh P 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 Newton đồng thời quan sát đo bán kính vân, ta dùng gương bán mạ phản xạ- truyền qua G đặt trước vật kính kính hiển vi (Hình B.2.a) Thước trắc vi gồm vạch dấu chữ thập đặt trước thị kính (Hình B.2.b) cấu dịch chuyển ngang ống kính, khoảng - 50mm, xác 0.01mm trống quay kính hiển vi Hình B.2 Sơ đồ quang học quan sát hệ vân tròn Newton bố trí hình B.2.b: hệ thống chiếu sáng phản xạ-truyền qua gồm nguồn sáng Đ phát ánh sáng đơn sắc truyền qua thấu kính tụ quang Q, chiếu vào mặt gương bán mạ G đặt nghiêng góc 45◦ Sau vừa phản xạ vừa truyền qua kính bán mạ G, tia sáng dọi theo phương thẳng đứng vào nêm không khí giới hạn thấu kính phẳng-lồi L mặt phẳng thuỷ tinh P Các tia sáng phản xạ hai mặt nêm không khí giao thoa với tạo thành hệ vân giao thoa gồm vòng tròn đồng tâm sáng tối nằm xen kẽ mặt nêm không khí Hệ vân giao thoa gọi hệ vân tròn Newton 61 Có thể nhìn thấy rõ hệ vân tròn Newton đặt mắt quan sát chúng qua ống ngắm kính hiển vi 2.2 Xác định số Planck đèn LED 2.2.1 Cấu tạo LED LED cấu tạo từ hai loại bán dẫn: bán dẫn p bán dẫn n Bán dẫn loại có hạt electron chiếm đa số bán dẫn loại p có lỗ trống chiếm đa số Tại vị trí tiếp xúc hai loại bán dẫn, electron bán dẫn n tái hợp với lỗ trống bán dẫn p tạo lớp nghèo Lớp tích điện âm bán dẫn p tích điện dương bán dẫn n Việc tái tổ hợp gây điện trường tiếp xúc Điện trường tiếp xúc ngăn cản di chuyển electron lỗ trống qua lớp nghèo Hình B.3: Cấu tạo đèn LED Nếu LED mắc vào nguồn điện với cực dương nối vào bán dẫn p cực âm nối vào bán dẫn n (mắc thuận) điện trường qua lớp tiếp xúc n – p hướng từ p sang n, ngược chiều điện trường tiếp xúc, làm triệt tiêu điện trường tiếp xúc Khi đó, electron dẫn bán dẫn n dễ dàng qua miền tiếp xúc cực dương nguồn lỗ trống cùa bán dẫn p dễ dàng cho dòng điện chạy qua Trong trường hợp này, có dẫn điện electron dẫn lỗ trống (hìnhB.4) Hình B.4: Sự dẫn điện LED Khi tái hợp, hạt mang điện từ mức lượng cao (vùng dẫn) mức 62 lượng thấp (vùng hóa trị) chênh lệch mức lượng phát photo dạng ánh sáng LED sáng Điện tối thiểu cho điều gọi điện ngưỡng 2.2.2 Xác định số Planck đèn LED Hằng số Planck số Vật lý quan trọng, thể tính chất lượng tử ánh sáng, nhỏ khó đo xác Tuy nhiên với linh kiện dễ kiếm diode phát quang LED (đèn LED) ta xác định sốPlanck, độ xác không cao có thểsửdụng cho số trường hợp thực tiễn Khi đặt hiệu điện thuận lớn giá trị gọi hiệu điện ngưỡng Ung , dòng electron gặp lỗ trống chúng tái hợp với Khi tái hợp, chúng phát photon có bước sóng λ tức photon có lượng hc (B.6) ε= λ Theo định luật bảo toàn chuyển hóa lượng, lượng điện trường cung cấp eUng chuyển hóa thành lượng photon eUng = hc eUng λ ⇒h= λ c (B.7) Trong c = × 108 m/s vận tốc ánh sáng truyền chân không e = 1.6 × 10−19 C điện tích nguyên tố Nếu ta đo Ung bước sóng λ ta tính h Thiết bị thí nghiệm 3.1 Đo bước sóng phương pháp giao thoa vân tròn Newton Kính hiển vi đo lường, có cấu dịch chuyển ngang đo thước trắc vi ÷ 50 mm, xác 0.01mm Vật kính x3 Trắc vi thị kính x10 Giá cặp vật bàn đặt mẫu Gương bán mạ phản xạ-truyền qua, điều chỉnh nghiêng 45◦ Hệ thấu kính phẳng-lồi cho vân tròn Newton, mặt lồi có bán kính cong R = 855mm 63 Đèn chiếu ánh sáng đơn sắc: đỏ, lục, lam, điều chỉnh cường độ sáng Trụ thép inôc D10/150 mm Khớp đa 10 Nguồn điện AC220/DC3-4.5 V 11 Hộp kính đựng kính hiển vi 3.2 Đo số Planck LED Bảng mạnh điện có lỗ cắm chân linh kiện, có đường nối ngầm Biến trở − kΩ 3 đèn LED: LED đỏ, LED xanh lam, LED xanh lục điện trở 100 Ω pin V đồng hồ vạn Dây nối 64 Trình tự thực hành thí nghiệm 4.1 Đo bước sóng đèn LED 4.1.1 Quan sát ảnh hệ vân tròn Newton qua kính hiển vi Điều chỉnh máy Bật đèn LED đỏ Nhìn vào kính ngắm Điều chỉnh vị trí đặt nguồn sáng góc nghiêng gương G để quan sát thấy hệ vân tròn đồng tâm Nếu quầng sáng không đều, di chuyển đèn chút Điều chỉnh hệ vân rõ nét Vặn từ từ núm để nâng dần ống ngắm N lên nhìn thấy hệ vân tròn Newton rõ nét Chú ý: Khâu điều chỉnh rõ nét tiến hành lần trước tiến hành đo đạc LED Điều chỉnh núm xoay dịch chuyển ngang ống kính cho giao điểm X vạch chữ thập trắc vi thị kính trùng với tâm hệ vân tròn Newton Nếu hệ thống điều chỉnh xoay núm 3, giao điểm X chạy ngang theo đường kính hệ vân Nếu giao điểm X chạy chệch đường kính hệ vân, ta điều chỉnh cách nới vít xoay nhẹ ống kính trắc vi thị kính T đồng thời phối hợp điều chỉnh vị trí hộp H bàn đặt mẫu Hướng dẫn cách đọc thước: Thước thước trắc vi ÷ 50 mm, du xích có độ xác 0.01mm 4.1.2 Thực hành 65 Xoay núm cho giao điểm X nằm trùng với vị trí K vân tối thứ k (k = với quy ước hình tròn tối vân tối số 0) Đọc ghi toạ độ xk vân tối thứ k thước thẳng phần lẻ du xích Xoay núm cho giao điểm X chạy đến vị trí I vân tối thứ (i =1) Đọc ghi toạ độ xi điểm I Tiếp tục xoay núm cho giao điểm X chạy đến vị trí I’ K’ Đọc ghi toạ độ điểm Thực lại động tác lần Tính bước sóng ánh sáng đỏ Thực tương tự cho LED xanh dương xanh lục 4.2.1 Vẽ đường đặc tuyến Vôn - Ampe đèn LED Mắc mạch điện hình vẽ: Điều chỉnh đồng đồng hồ thang đo thích hợp (a) Đối với đồng hồ làm chức Vôn kế: Chọn chế độ DCV, thang đo 20 V (b) Đối với đồng hồ làm chức Ampe kế: Chọn chế độ DCA, thang đo 200 mA Thay đổi hiệu điện đặt vào LED từ ÷ V cách điều chỉnh biến trở Mỗi lần tăng khoảng 0.01 ÷ 0.03 V Ghi số liệu điện cường độ dòng điện vào bảng số liệu Dùng phần mềm Excel Origin vẽ đường đặc tuyến Vôn - Ampe Tiến hành cho đèn LED 66 4.2 Đo hiệu điện ngưỡng LED 4.2.1 Xác định giá trị hiệu điện ngưỡng LED đèn LED bắt đầu phát sáng Sinh viên thực hai sau: Điều chỉnh biến trở để hiệu điện đặt vào LED trở Từ từ tăng hiệu điện đặt LED thấy đèn LED phát sáng Hạ hiệu điện đèn tắt Tăng hiệu hiệu điện đèn phát phát sáng Đó hiệu điện ngưỡng LED Ghi nhận giá trị Ung vào bảng số liệu Tiến hành cho đèn LED 4.2.2 Xác định giá trị hiệu điện ngưỡng LED dựa vào đường đặc tuyến Vôn - Ampe Xác định vùng tuyến tính đường đặc tuyến Vôn - Ampe đèn LED Tiến hành khớp hàm dạng tuyến tính cho vùng vừa chọn Đường kéo dài đoạn tuyến tính đường đặc tuyến Vôn - Ampe giá trị Ung đèn LED Ghi nhận giá trị Ung vào bảng số liệu Tiến hành cho đèn LED 4.3 Xác định số Planck Từ thí nghiệm trên, giá trị bước sóng hiệu điện ngưỡng đèn LED xác đính Áp dụng công thức (B.7) để xác định giá trị số Planck 67 Phụ lục C Mẫu báo cáo thực hành đo số Planck đèn LED BÀI: ĐO HẰNG SỐ PLANCK BẰNG ĐÈN LED Mục đích thí nghiệm Kết thí nghiệm 2.1 Xác định bước sóng ánh sáng đèn LED ❼ Bán kính mặt lồi thấu kính: R = 855 ± mm ❼ Dùng vân tối thứ i =1 thứ k = LED màu đỏ; i =1 thứ k = LED màu lục; i =1 thứ k = LED màu lam ❼ Đơn vị tính: mm ❼ Bước sóng: ¯= λ ¯ ¯b B (k − i) R (C.1) ❼ Sai số tương đối: ¯ ∆λ ε= ¯ = λ ¯ ∆B ¯ B 68 + ¯ ∆b ¯ b + ¯ ∆R ¯ R (C.2) ❼ Sai số bước sóng: ¯ = ελ ¯ ∆λ (C.3) Bảng C.1: Số liệu đo từ LED màu đỏ Lần Trung bình xk xi xi xk rk ri B b ∆B ∆b Bảng C.2: Số liệu đo từ LED màu lục Lần Trung bình xk xi xi xk rk ri B b ∆B ∆b Bảng C.3: Số liệu đo từ LED màu lam Lần Trung bình xk xi xi xk rk ri B b ∆B ∆b Bảng C.4: Kết đo bước sóng ánh sáng đèn LED Đèn LED Màu đỏ Màu lục Màu lam Bước sóng λ (µm) Sai số ∆λ (µm) 2.2 Đường đặc tuyến Vôn - Ampe đèn LED Đường đặc tuyến Vôn - Ampe đèn LED màu đỏ: Đính kèm Đường đặc tuyến Vôn - Ampe đèn LED màu lục: Đính kèm Đường đặc tuyến Vôn - Ampe đèn LED màu lam: Đính kèm 69 Bảng C.5: Số liệu đèn LED màu đỏ Giá trị Hiệu điện U (V) Cường độ dòng điện I (mA) Bảng C.6: Số liệu đèn LED màu lục Giá trị Hiệu điện U (V) Cường độ dòng điện I (mA) Bảng C.7: Số liệu đèn LED màu lam Giá trị Hiệu điện U (V) Cường độ dòng điện I (mA) 2.3 Xác định hiệu điện ngưỡng đèn LED Bảng C.8: Giá trị Ung đèn LED Đèn LED Màu đỏ Màu lục Màu Lam Ung (V) Năng lượng: E = eUng (J) 2.4 Xác định số Planck Sử dụng công thức: h= E E.λ = f c với c = × 108 m/s vận tốc ánh sáng truyền chân không Giá trị lý thuyết số Planck:hLT = 6.62606 × 10−34 J.s 70 Tính ∆h sai số tương đối σ ∆h = h − hLT ⇒ σ = ∆h hLT Bảng C.9: Giá trị Ung đèn LED Đèn LED Màu đỏ Màu lục Màu Lam Bước sóng λ (m) Năng lượng E (J) Giá trị trung bình số Planck: h= Sai số so với giá trị lý thuyết: ∆h = Sai số tương đối: σ= Kết quả: h = h ± ∆h = 71 Hằng số Planck h (J.s) [...]... yếu) và có thể trượt dọc theo ray để thay đổi khoảng cách đến tế bào quang điện 2.3.3 Nguyên tắc hoạt động của thiết bị Khi đèn chiếu vào tế bào quang điện thông qua kính lọc màu Electron ở bề mặt kim loại của cathod tế bào quang điện sẽ bứt ra và di chuyển từ cathod sang anod tạo thành dòng quang điện Dòng quang điện ban đầu được đo bằng cách áp một hiệu điện thế thuận vào tế bào quang điện và điều... (STRONG) ❼ Vị trí ngắt điện đèn chiếu sáng (OFF) 15 ❼ Vị trí đèn sáng yếu (WEAK) 5 Núm điều chỉnh hiệu điện thế một chiều cung cấp cho mạch điện của tế bào quang điện, thay đổi từ 0 đến ± 15 V 6 Chuyển mạch thay đổi chiều điện áp đặt vào mạch điện của tế bào quang điện 7 Công tắc nguồn, có 2 vị trí : bật điện (ON) và tắt điện (OFF) 8 Đèn báo hiệu 9 Hộp kín, bên trong có tế bào quang điện 10 Đèn chiếu sáng,... nhau chiếu vào tế bào quang điện (bằng cách thay các kính lọc màu khác nhau) và sử dụng biểu thức (2.5) để xác định hằng số Planck 2.4 Trình tự thực hành 2.4.1 Chuẩn bị thí nghiệm ❼ Chuyển mạch (4) bật về vị trí WEAK (đèn sáng yếu) 16 ❼ Nới lỏng ốc giữ đèn chiếu sao cho có thể dịch chuyển đèn chiếu nhẹ nhàng giữa đường ray để thay đổi khoảng cách giữa đèn chiếu và tế bào quang điện Đặt đèn chiếu ở... và sai số tương đối σ = 0.899% Ta thấy, sai số tuyệt đối ∆h khá nhỏ Do đó, kết quả thí nghiệm có thể chấp nhận được Ngoài việc xác định hằng số Planck theo hiệu điện thế hãm và tần số ánh sáng tương ứng như trên, ta cũng có thể xác định giá trị hằng số Planck theo đồ thị đường thực nghiệm của hiệu điện thế hãm theo tần số từ hình 2.3 Công thức (2.4) mô tả sự phụ thuộc của hiệu điện hãm vào tần số và. .. công thức (2.5), ta có thể xác định hằng số Planck bằng cách xác định giá trị của từng cặp hiệu điện thế hãm và tần số ánh sáng tương ứng từ bảng 2.1 Khi đó, ta thu được bảng giá trị của hằng số Planck ứng với từng cặp tương ứng (bảng 2.2) Bảng 2.2: Giá trị hằng số Planck STT Cặp màu 1 Đỏ - Vàng 2 Đỏ - Cam 3 Đỏ - Lục 4 Đỏ - Lam 5 Cam - Vàng 6 Cam - Lục 7 Cam - Lam 8 Vàng - Lục 9 Vàng - Lam 10 Lục - Lam... số lần lượt là ν1 và ν2 , hiệu điện hãm có giá trị tương ứng là Uh1 và Uh2 Khi đó, theo (2.3), ta có: eUh1 = h.ν1 − A eUh2 = h.ν2 − A Từ đó suy ra giá trị của hằng số Planck: h = e 2.3 2.3.1 Uh1 − Uh2 ν1 − ν2 (2.5) Thực hành thí nghiệm Dụng cụ Thiết bị nghiên cứu hiệu ứng quang điện và xác định hằng số Planck, với các thông số [11]: ❼ Tế bào quang điện chân không loại Cs-Sb, dòng điện tối không lớn... thuộc vào tần số (hình 2.3) với sai số hiệu điện thế hãm là 0.01 V Hình 2.3: Đồ thị của biểu diễn độ lớn Uh theo tần số Đồ thị hình 2.3 khảo sát hiệu điện thế hãm Uh theo từng bước sóng λ khác nhau Từ đồ thị ta nhận thấy độ lớn của hiệu điện thế hãm tăng tỉ lệ theo tần số Cụ thể là hiệu điện thế hãm tăng tuyến tính với tần số của ánh sáng chiếu vào tế bào quang điện 18 2.5.2 Xác định hằng số Planck. .. [4] [7] ❼ Định luật thứ nhất (định luật về giới hạn quang điện) : Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi ánh sáng kích thích có bước sóng nhỏ hơn hay bằng giới hạn quang điện (λ ≤ λ0 ) ❼ Định luật thứ hai (định luật về cường độ dòng quang điện bão hòa): Khi xảy ra hiện tượng quang điện, cường độ dòng quang điện bão hòa tỉ lệ thuận với cường độ chùm sáng kích thích (I0 ∼ Ias ) ❼ Định luật thứ ba (định luật... đo dòng điện (3) đặt ở vị trí x0.01 hoặc x0.001 ❼ Lắp kính lọc sắc màu đỏ (bước sóng λ = 635 nm) vào cửa sổ của tế bào quang điện ❼ Xoay nhẹ núm điều chỉnh điện áp (5) về vị trí tận cùng trái (hiệu điện thế đặt vào hai cực của tế bào quang điện bằng 0 V) ❼ Gạt chuyển mạch (2) về vị trí CURRENT để đo dòng quang điện ban đầu ❼ Gạt chuyển mạch chiều dòng điện (6) về vị trí có dấu - (đảo chiều điện áp... phích lấy điện vào ổ điện 220V Bật công tắc nguồn (7) sang vị trí ON : đèn chiếu (10) phát sáng, báo hiệu máy đã sẵn sàng hoạt động Quan sát bóng đèn chiếu được thắp sáng (yếu) ❼ Tháo nắp che tế bào quang điện và thay nó bằng kính lọc sắc màu đỏ ❼ Bật công tắc, cường độ sáng (4) về các vị trí OFF, WEAK, STRONG để kiểm tra các chế độ hoạt động của đèn chiếu 2.4.2 Xác định hằng số Planck ❼ Đặt đèn chiếu