Bài giảng Môn Vật lý lớp 12 - Thí nghiệm biểu diễn khảo sát hiện tượng quang điện ngoài

Thí nghiệm biểu diễn
KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN NGOÀI
I. Mục đích thí nghiệm
- Khảo sát bản chất của dòng quang điện và định luật về giới hạn quang điện.
- Khảo sát định luật về cường độ dòng quang điện bão hoà. 
- Khảo sát định luật về động năng ban đầu cực đại của quang electron. Xác định hiệu điện thế hãm đối với quang electron.
II. Dụng cụ thí nghiệm
 	1. Tế bào quang điện chân không đặt trong hộp che sáng.
	2. Đèn chiếu loại 220V-30W.
	3. Núm xoay điều chỉnh cường độ sáng dùng TRIAC.
	4. Nguồn điện một chiều 0÷50V/50mA có núm vặn điều chỉnh liên tục.
	5. Hộp chân đế, trên mặt có sơ đồ mạch điện.
	6. Điện kế chứng minh G một chiều, có thang đo dòng 0÷ ±100µA.
	7. Vôn kế chứng minh V một chiều, có thang đo 2,5V và 10V.
	- Bộ khuếch đại dòng điện dùng tranzito (đặt trong hộp chân đế).
	- Bộ 3 kính lọc sắc (đỏ, lục, lam) và một miếng nhựa màu đen (dùng che sáng).
	- Điện trở phụ Rp≈20kΩ gắn trên mạch in, một đầu có dây dẫn và phích cắm.
	- Bộ 4 dây dẫn nối mạch điện, có một đầu phích và một đầu cốt.
III. Tiến hành thí nghiệm
1. Khảo sát hiện tượng quan điện và định luật về giới hạn quang điện.
a. Có thể khảo sát hiện tượng quang điện ngoài nhờ sử dụng TBQĐ. Đó là một bong thuỷ tinh được hút chân không tới 10-6÷10-8mmHg, bên trong có hai điện cực: anốt A là một vòng dây kim loại đặt ở giữa; Catốt K là một lớp chất nhạy quang phủ kín một nữa mặt phía trong của bong thuỷ tinh. TBQĐ được lắp ở bên trong một một che sáng có nắp đậy kính sao cho a nốt A và ca tốt K của nó đều hướng về của sổ có dạng một lỗ tròn khoét ở mặt trước của hộp che sáng (hình 2).
b. Mắc các dụng cụ thí nghiệm theo sơ đồ mạch điện trên mặt hộp chân đế (hình 3).
trong đó:
- Microampe kế µA là một điện kế chứng minh G có thang đo dòng 0÷ ±100µA dùng đo cường độ dòng điện một chiều chạy qua TBQĐ. Điều chỉnh kim µA chỉ đúng vị trí số 0 nằm ở chính giữa thang đo của nó.
- Vôn kế chứng minh V một chiều có thang đo 2,5V và 50V dùng đo hiệu điện thế U giữa a nốt A và ca tốt K của TBQĐ. Đặt vôn kế V ở vị trí thang đo 2,5V. Điều chỉnh kim vôn kế V chỉ đúng vị trí 0 ở đầu tận cùng bên trái thanh đo của nó.
- Núm xoay N1 dùng điểu chỉnh điện áp cấp cho đèn chiếu sáng Đ. Núm xoay N2 dùng điểu chỉnh hiệu điện thế U giữa a nốt A và ca tốt K của TBQĐ. Vặn hai núm xoay này về vị trí số 0 nằm ở tận cùng bên trái của chúng.
c. Cắm phích lấy điện của hộp chân đế vào nguồn điện ~220V. Gạ công tắc C về phía “Thuận” để nối a nốt A của TBQĐ với cực dương và ca tốt K với cực âm của nguồn điện U. Khi đó vôn kế V chỉ hiệu điện thế U=0.
d. Cài miếng nhựa đen che kín của sổ hộp che sáng của TBQĐ. Vặn núm xoay N1 về tận cùng bên phải để đèn Đ phát sáng mạnh nhất. Quan sát thấy kim của µA vẫn chỉ số 0. Điều này chứng tỏ không có dòng điện chạy qua TBQĐ khi chưa có ánh sáng dọi vào ca tốt K của nó.
e. Rút miếng nhự đen ra khỏi cửa sổ hộp che sáng của TBQĐ. Quan sát thấy kim của µA bị dịch chuyển và lệch mạnh về bên phải vị trí số 0. Điều này chứng tỏ đã có dòng điện chạy qua TBQĐ theo chiều từ A đến K khi có ánh sáng dọi vào K. Dòng điện này được gọi là dòng quang điện.
- Vặn núm xoay N1 để điều chỉnh độ sáng của đèn Đ sao cho kim của µA chỉ giá trị cường độ dòng điện I0 ≈20µA (nếu cài miếng nhựa đen vào cửa sổ hộp che sáng của TBQĐ, thì kim của µA lại chỉ số 0).
f. Giữ nguyên hiệu điện thế U=0 và độ sáng của đèn Đ ứng với cường độ dòng quang điện I0≈20µA. Gạt công tắc C về phia “Nghịch” để nối A của TBQĐ với cực – và K với cực + của nguồn điện U.
- Vặn núm N2 để tăng dần độ lớn của hiệu điện thế giữa A và K của TBQĐ theo chiều âm. Khi đó ta quan sát thấy kim của µA bij dịch chuyển dần về vị trí 0 của nó, tức là cường độ dòng quang điện bị triệt tiêu (I0=0), mặc dù K của TBQĐ vẫn được dọi sáng.
g. Nhận xét và kết luận: Các thí nghiệm nêu trên chứng tỏ:
-Ánh sáng chiếu vào TBQĐ đã có tác dụng bức các hạt tải điện ra khỏi mạt kim loại dùng làm ca tốt và truyền cho các hạt tải điện này động năng đủ lớn để chúng có thể chuyển động từ ca tốt sang a nốt tạo thành dòng quang điện.
- Bản chất dòng quang điện là dòng các hạt tải điện mang điện tích âm, tức là dòng các electron bị ánh sáng bứt ra khỏi mặt kim loại dùng làm ca tốt.
2. Khảo sát định luật về giới hạn quang điện
a. Giữ nguyên hiệu điện thế U=0 và độ sáng của đèn Đ ứng với cường độ dòng quang điện I0≈20µA. Gạt công tắc C về phía “Thuận” để nối A của TBQĐ ới cực + và K với cực – của nguồn điện U.
b. Lần lượt dùng các kính lọc sắc màu lam, lục, đỏ cài vào cửa sổ hộp che sáng của TBQĐ. Quan sát cường độ dòng quang điện I0 trên µA, ta ghi được các giá trị:
	- Kính màu lam (λ≈0,45µm): I0≈8,5µA
	- Kính màu lục (λ≈0,50µm): I0≈7,5µA
	- Kính màu đỏ (λ≈0,65µm): I0≈0÷3µA
c.Nhận xét và kết luận: Các thí nghiệm nêu trên chứng tỏ:
	Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi ánh sáng kích thích chiếu vào kim loại dùng làm ca tốt của TBQĐ có bước sóng λ nhỏ hơn hoặc bằng giá trị λ0 nào đó. Giá trị λ0 gọi là giới hạn quang điện của kim loại dùng làm ca tốt.
	Trong thí nghiệm này, giới hạn quang điện λ0 nằm trong vùng ánh sáng của kính lọc sắc màu đỏ.
3. Khảo sát định luật về cường độ dòng quang điện bão hoà.
a. Cài kính lọc sắc màu lam vào của sổ hộp che sáng của TBQĐ. Chuyển vôn kế V sang thang đo 50V. Gạt công tắc C về phía “Thuận”.
- Vặn núm xoay N2 điều chỉnh hiệu điện thế đặt vào hai cực của TBQĐ để vôn kế V Chỉ giá trị hiệu điện thế U≈50V (tận cùng bên phải thang đo).
- Vặn núm xoay N1 điều chỉnh độ sáng của đèn Đ để trên µA kế chỉ giá trị cường độ dòng quang điện I≈50µA.
b. Giữ nguyên vị trí của núm xoay N1. Vặn núm xoay N2 về tận cùng bên trái để hiệu điện thế chỉ trên vôn kế V giảm tới giá trị U=0. Khi đó cường độ dòng quang điện chỉ trên µA kế có giá trị I0.
c. Vặn núm N2 theo chiều kim đồng hồ để tăng dần giá trị hiệu điện thế U chỉ trên vôn kế V, mỗi lần tăng khoảng 2V, cho tới khi cường độ dòng quang điện I chỉ trên µA kế không tiếp tục tăng thêm nữa và đạt giá trị không đổi Ibh ứng với giá trị hiệu điện thế Ubh. Giá trị không đổi Ibh được gọi là cường độ dòng quang điện bão hoà.
- Ghi giá trị tương ứng của U và I trong mỗi lần đo vào Bảng 1 để vẽ đặc tuyến vôn-ampe U=f(I) của TBQĐ (hình 4) và xác định giá trị của cường độ dòng quang điện bão hoà Ibh.
d. Giữ nguyên giá trị hiệu điện thế U>Ubh. Vặn núm xoay N1 để tăng dần độ sáng của đèn Đ. Quan sát thấy giá trị của cường độ dòng quang điện bảo hoà Ibh tăng theo.
Bảng 1. Kính lọc sắc màu lam (λ=0.45µm)
U (V)
I (µA)
e. Cài kính lộc sắc màu lục vào của sổ hộp che sáng của TBQĐ thay cho kính màu lam. Thực hiện lại các động tác nêu trên thí nghiệm 3. Ghi các giá trị tương ứng của U và I trong mỗi lần đo vào Bảng 2.
Bảng 2. Kính lọc sắc màu lục (λ=0.50µm)
U (V)
I (µA)
f. Nhận xét và kết luận: Các thí nghiệm nêu trên chứng tỏ:
	Đối với mỗi ánh sáng thích hợp (có λ≤λ0), cường độ dòng quang điện bão hoà tăng tỉ lệ với cường độ chùm ánh sáng kích thích.
4. Khảo sát định luật về động năng ban đầu cực đại của quang electron. Xác định hiệu điện thế hãm đối với quang electron.
a. Văn núm xoay N2 về vị trí 0 ở tận cùng bên trái của nó để vôn kế V chỉ giá trị hiệu điện thế U=0. Gạt công tắc C về phía “Nghịch” để nối a nốt A với cực – và ca tốt K với cực + của nguồn điện U.
b. Dùng kính lọc sắc màu lam cài vào cửa sổ hộp che sáng của TBQĐ. Chuyển vôn kế V sang thang đo 2,5V. Vặn núm xoay N1 về tận cùng bên phải để đèn Đ có cường độ sáng lớn nhất. Quan sát thấy µA chỉ cường độ dòng quang điện I0≈15µA ứng với hiệu điện thế U=0.
c. Văn núm xoay N2 để tăng dần giá trị âm của hiệu điện thế U đặt vào giữa hai cực của TBQĐ cho tới khi kim của µA kế dịch chuyển về tới đúng vị trí 0 của nó. Quan sát thấy khi hiệu điện thế U=Uh≈-0.65V, thì cường độ dòng quang điện I=0. Giá trị Uh≈-0,65V được gọi là hiệu điện thế hãm đối với quang electron khi ánh sáng kích thích có màu lam (λ≈0,45µm).
d. Giảm bớt độ sáng của đèn Đ và thực hiện lại thí nghiệm này, ta thấy hiệu điện thế hãm vẫn giữ nguyên giá trị Uh≈-0.65V.
e. Cài kính lọc sắc màu lục vào của sổ hộp che sáng của TBQĐ thay kính màu lam. Thực hiện lại các động tác nêu trong thí nghiệm 5. Quan sát thấy:
- Khi U=0 thì I0≈10µA.
- Khi U=Uh≈-0,40V, dòng I=0. Giá trị Uh≈-0.40V được gọi là hiệu điện thế hãm đối với quang el;ectron khi ánh sáng kích thích có màu lục (λ≈0,50µm).
- Khi giảm độ sáng của đèn Đ, hiệu điện thế hãm vẫn giữ giá trị không đổi.
f. Nhận xét và kết luận: Các thí nghiệm trên chứng tỏ:
	Động năng ban đầu cực đại của electron quang điện không phụ thuộc vào cường độ của chùm sáng kích thích, chỉ phụ thuộc bước sóng của ánh sáng kích thích và chất liệu của kim loại làm catot.