Về sơ đồ mạch điện để khảo sát đường đặc trưng và của tế bào quang điện chân không

Cường độ dòng quang điện bão hòa

Nội dung chính

• Video giả lập hiệu ứng quang điện
• Các định luật quang điện
• Công thức Einstein
• Phép đo hằng số Planck
• Quy trình thí nghiệm
• Xử lý dữ liệu
• Cách sử dụng chương trình
• Câu hỏi kiểm tra
• Video liên quan

Dòng quang điện đạt đến giá trị bão hòa khi :

Khi đã có dòng quang điện thì nhận định nào sau đây là sai?

Cường độ chùm sáng chiếu vào catốt tế bào quang điện tăng thì :Cường độ dòng quang điện bão hòa được xác lập bởi :Số photon của nguồn sáng phát ra trong thời hạn t là :Hiệu suất lượng tử hay hiệu suất quang điện được xác lập bởi :

“Hiệu ứng quang điện” là chương trình máy tính giúp mô phỏng lại thí nghiệm về hiệu ứng quang điện, gồm tế bào quang điện làm trung tâm và mạch điện khảo sát. Chương trình có thể được sử dụng như một thiết bị thí nghiệm ảo, khảo sát những tính chất đặc trưng của hiệu ứng quang điện.

Lưu ý : chương trình chạy trên nền java

Video giả lập hiệu ứng quang điện

Các định luật quang điện

Hiệu ứng quang điện là hiện tượng các electron bị bứt ra khỏi bề mặt kim loại dưới tác dụng của chùm sáng rọi vào.

Bạn đang đọc : Hiệu ứng quang điện – Hằng số Planck – Thí nghiệm vật lý ảo

Việc nghiên cứu và điều tra những đặc tính của hiệu ứng quang điện được triển khai nhờ một ống chân không hai cực như hình 1. Khi chiếu lên cathode \ ( K \ ) một chùm ánh sáng đơn sắc, từ cathode phát xạ những electron và tạo thành dòng điện. Ta gọi đó là dòng quang điện, ghi lại bởi điện kế. Khi biến hóa điện áp \ ( U \ ) giữa anode và cathode, dòng quang điện đổi khác theo quy luật như đồ thị hình 2, còn gọi là đặc tuyến Volt-Ampere của dòng quang điện .

3. Động năng cực lớn \ ( E_ { max } \ ) của electron bứt ra khỏi cathode phụ thuộc vào vào tuyến tính vào tần số \ ( \ omega \ ) của chùm sáng chiếu đến nhưng không nhờ vào vào cường độ chùm sáng .

Công thức Einstein

Để lý giải những định luật quang điện, Einstein đã đưa ra triết lý về lượng tử ánh sáng, theo đó chùm sáng tạo thành từ dòng những photon, nguồn nguồn năng lượng của mỗi hạt có giá trị bằng \ [ \ varepsilon = \ hbar \ omega, \ ] trong đó \ ( \ hbar \ ) – hằng số Planck, hằng số cơ bản bậc nhất trong vật lý lượng tử và trọn vẹn hoàn toàn có thể đo được giá trị nhờ thực thi thí nghiệm này. Khi đập vào mặt phẳng cathode sắt kẽm sắt kẽm kim loại, một tỉ lệ photon bị hấp thụ bởi electron nằm trên gần mặt phẳng. Nếu nguồn nguồn năng lượng hấp thụ từ photon đủ lớn, vượt quá một giá trị \ ( A \ ) tối thiểu nào đó, electron mới trọn vẹn hoàn toàn có thể thoát khỏi mặt phẳng cathode. Số nguồn nguồn năng lượng dư thừa sẽ trở thành động năng của electron. Theo định luật bảo toàn nguồn nguồn năng lượng : \ [ \ hbar \ omega = A + E_ { max }. \ tag { 1 } \ ]

Hệ số tự do \ ( A \ ) được gọi là công thoát của electron và chỉ phụ thuộc vào vào thực chất của chính sắt kẽm kim loại bị chiếu sáng. Bản thân công thức ( 1 ) gọi là công thức Einstein .

Phép đo hằng số Planck

Ta viết lại công thức Einstein dưới dạng hàm số nhờ vào giữa động năng cực lớn \ ( E_ { max } \ ) và tần số \ ( \ omega \ ) : \ [ E_ { max } = \ hbar \ omega-A. \ ] Đây là một hàm tuyến tính, trình diễn trên đồ thị dưới dạng một đường thẳng có thông số kỹ thuật góc bằng \ ( \ hbar \ ), cắt trục tung tại \ ( – A \ ) và cắt trục hoành tại \ ( \ omega_ { min } \ ). Như vậy chỉ cần đo \ ( E_ { max } \ ) theo một vài loại ánh sáng đơn sắc có tần số \ ( \ omega \ ) khác nhau, ta trọn vẹn hoàn toàn có thể dựng được đồ thị như hình 3 và tính được hằng số Planck theo thông số kỹ thuật góc .
Ở đây động năng cực lớn của electron hoàn toàn có thể tính theo điện áp nghịch cực lớn làm triệt tiêu được dòng quang điện : \ [ E_ { max } = eU_c. \ ]

Quy trình thí nghiệm

Dựng đặc tuyến Volt-Ampere với điện áp thuận

Tại phần này ta sẽ kiểm tra lại quy luật đổi khác của dòng quang điện khi đổi khác điện áp, thuộc nhánh bên phải trên đồ thị hình 2. Thiết lập mạch điện như sơ đồ hình 4 .

1. Đặt điện áp \(U_{AK}\) trên anode và cathode khoảng 60 V. Điều chỉnh cường độ nguồn sáng sao cho dòng điện chỉ trên ampere kế chỉ tầm 30 \(\mu\)A.
2. Chỉnh điện áp \(U_{AK}\) về lại 0 để bắt đầu khảo sát. Vặn từ từ núm xoay \(U_{AK}\) để số chỉ của volt kế tăng dần từ 0 – 80 V, mỗi lần tăng khoảng 2 – 4 V. Đọc và ghi các số chỉ cường độ \(I\) vào bảng 9.1.
3. Lặp lại các bước 1 và 2 với cường độ nguồn sáng khác.

[ bổ trợ bảng ]
Từ bảng số liệu trên vẽ những đặc tuyến Volt-Ampere của dòng quang điện với điện áp thuận .

Xác định hằng số Planck

Dựa trên phân tích và minh hoạ tại phần Nguyên lý phép đo, ta cần xác định động năng cực đại của electron tương ứng với các bước sóng khác nhau.

Thiết lập mạch điện như sơ đồ hình 5 .

Cân chỉnh thiết bị đo theo những bước sau : 1. Chuyển thang đo ampere kế về 1 \ ( \ mu \ ) A. Chuyển thang đo volt kế về 1 V, giữ ở mức 0.2. Tạm thời tắt nguồn sáng, che tế bào quang điện bằng tấm chắn đen .3. Cân chỉnh ampere kế về 0 .
Xây dựng đặc tuyến Volt-Ampere với điện áp nghịch theo những bước sau : 1. Thay tấm chắn bằng một kính lọc sắc tương ứng với một bước sóng nhất định. Bật đèn và kiểm soát và điều chỉnh cường độ nguồn sáng, sao cho kim ampere kế trỏ ở mức \ ( 80-90 \ % \ ) thang đo. 2. Tăng dần điện áp \ ( U_ { AK } \ ) từ 0-1 V theo từng bước 0.1 V, ghi lại giá trị dòng điện vào bảng 9.2 .3. Thay kính lọc sắc tương ứng với bước sóng khác. Lặp lại những bước 1-2 .
[ hỗ trợ bảng ]

Xử lý dữ liệu

Từ bảng số liệu 9.1 vẽ những đặc tuyến Volt-Ampere của dòng quang điện với điện áp thuận trên cùng một đồ thị. Nêu nhận xét về quy luật đổi khác của dòng quang điện khi biến hóa điện áp. Chỉ ra khu vực dòng quang điện bị bão hoà. Nêu nhận xét về giá trị của những dòng bão hoà khi cường độ chiếu sáng khác nhau .
Từ bảng số liệu vẽ những đặc tuyến Volt-Ampere của dòng quang điện với điện áp nghịch trên những trục đồ thị riêng không liên quan gì đến nhau. Căn cứ vào đồ thị, ta sẽ lấy được giá trị \ ( U_c \ ) của điện áp nghịch khiến cho dòng quang điện trọn vẹn bị triệt tiêu. Ghi giá trị \ ( U_c \ ) vào bảng 9.2 .

Từ số liệu trên bảng 9.2, ta có thể dựng đồ thị của hàm số \(E_{max}(\omega)\) như hướng dẫn tại phần Nguyên lý để tính ra hằng số Planck.

Cách sử dụng chương trình

Chương trình có giao diện như hình 3, với tế bào quang điện làm trung tâm, cấu tạo từ một bóng thuỷ tinh rút hết không khí bên trong, đặt vào hai điện cực: bản phẳng kim loại làm cathode (cực âm), quả cầu nhỏ làm anode (cực dương). Tế bào quang điện được chiếu sáng bởi một đèn dây tóc có khả năng điều khiển được cường độ sáng. Chùm sáng đi qua kính lọc sắc với dải bước sóng từ tử ngoại đến hồng ngoại. Điện áp trên hai điện cực có thể điều khiển thông qua biến trở chiết áp. Dòng điện đi qua tế bào quang điện quan sát được qua volt kế và amper kế.

Khi đổi khác kính lọc sắc, chương trình mô phỏng được màu của chùm sáng chiếu lên cathode. Bước sóng càng ngắn, nguồn năng lượng của photon càng lớn, electron trên mặt phẳng cathode càng dễ bị bật ra .
Xem thêm : Giá trị của chữ số 5 trong số 2 645 214 là : – Tài liệu text

Câu hỏi kiểm tra

1. Hiệu ứng quang điện là gì?
2. Vẽ sơ đồ mạch nghiên cứu hiện tượng quang điện. Dòng quang điện là gì?
3. Khái niệm về lượng tử ánh sáng. Năng lượng của lượng tử ánh sáng.
4. Viết công thức Einstein về hiện tượng quang điện.
5. Cách xác định động năng cực đại của electron thoát ra khỏi cathode trong bài thí nghiệm.
6. Kể ra các định luật quang điện tìm thấy bởi Hertz và Stoletov.
7. Căn cứ vào công thức Einstein để giải thích các định luật quang điện.
8. Tại sao khi điện áp giữa anod và cathod bằng không, trong mạch vẫn xuất hiện dòng điện?
9. Công dụng của kính lọc sắc.
10. Nguyên lý xác định hằng số Planck qua hiện tượng quang điện.