Xây dựng thí nghiệm xác định hằng số planck và phương pháp tiến hành giảng dạy ở trường học

Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Phạm Thu Huyền
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC

PHẠM THU HUYỀN

XÂY DỰNG THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH HẰNG SỐ PLANCK
VÀ PHƯƠNG PHÁP TIẾN HÀNH GIẢNG DẠY Ở TRƯỜNG HỌC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÝ

Hà Nội – 2020

1


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Phạm Thu Huyền
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC

XÂY DỰNG THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH HẰNG SỐ PLANCK
VÀ PHƯƠNG PHÁP TIẾN HÀNH GIẢNG DẠY Ở TRƯỜNG HỌC

Người hướng dẫn khoa học: Th.S Trần Vĩnh Thắng
Sinh viên thực hiện khóa luận: Phạm Thu Huyền

Hà Nội – 2020
2


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Phạm Thu Huyền
LỜI CẢM ƠN

Khóa luận này được thực hiện tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học
Quốc Gia Hà Nội, dưới sự hướng dẫn khoa học trực tiếp của ThS. Trần Vĩnh Thắng.
Trước hết tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới ThS. Trần Vĩnh Thắng, người thầy
đã trực tiếp hướng dẫn tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành khóa
luận này.
Tơi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô Khoa Vật lý – trường Đại học Khoa
học Tự nhiên – Đại học Quốc Gia Hà Nội, đặc biệt là các thầy cô trong bộ môn Vật lý
Vô tuyến và Điện tử đã dạy dỗ, hướng dẫn tận tình trong quá trình học tại trường và
thực hiện khóa luận.
Tơi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô Khoa Sư phạm – Trường Đại học
Giáo dục – Đại học Quốc Gia Hà Nội đã cung cấp cho tơi kiến thức, kỹ năng chun
ngành, dìu dắt tôi suốt những năm tháng Đại học để tôi có một nền tảng vững chắc khi
bước ra trường.
Nhân dịp này tôi cũng xin gửi lời chân thành tới gia đình và bạn bè đã giúp đỡ tơi
trong thời gian học tập cũng như trong thời gian làm khóa luận.
Tuy nhiên vì kiến thức chun mơn cịn hạn chế và bản thân còn thiếu nhiều kinh
nghiệm thực tiễn nên trong nội dung khơng thể tránh khỏi những thiếu xót, tơi rất
mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo thêm của quý thầy cô cùng bạn bè.
Hà Nội, ngày 16 tháng 6 năm 2020
Sinh viên thực hiện

Phạm Thu Huyền

3


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Phạm Thu Huyền

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Bước sóng ánh sáng của các đèn Led……...……………………..….10
Bảng 2.2. Dụng cụ thí nghiệm………………….……………………………....23
Bảng 2.3. Giá trị bước sóng ánh sáng của các đèn Led.…………...…………...25
Bảng 2.4. Đặc trưng V-A của Led đỏ……………………...……………..…….27
Bảng 2.5. Đặc trưng V-A của Led vàng…………………….…………...….......28
Bảng 2.6. Đặc trưng V-A của Led xanh lá………………….……….……….…29
Bảng 2.7. Đặc trưng V-A của Led xanh blue……………..…….………….…...30
Bảng 2.8. Đặc trưng V-A của Led tím………………………………………….31
Bảng 2.9. Bảng kết quả và thế ngưỡng của Led………………………………...32

4


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Phạm Thu Huyền

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2.1. Sóng điện từ lan truyền trong khơng gian……………………..……..9
Hình 2.2. Màu sắc và bước sóng của ánh sáng…………………...…...………..10

Hình 2.3. Tinh thể chất bán dẫn ở nhiệt độ thấp (T = 0°K ) – bán dẫn thuần.…14
Hình 2.4. Tinh thể chất bán dẫn ở nhiệt độ cao (T = 300°K)………...….....….15
Hình 2.5. Sự dẫn điện của tinh thễ chất bán dẫn………………………………..16
Hình 2.6. Tinh thể chất bán dẫn pha tạp loại n…………………………………16
Hình 2.7. Tinh thể chất bán dẫn pha tạp loại p…………………..……………..17
Hình 2.8. Cấu tạo của đèn Led……………………………….…………………19

5


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Phạm Thu Huyền

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ...............................................................................................................................................7
CHƯƠNG I. LỊCH SỬ VẬT LÝ VÀ SỰ RA ĐỜI CỦA
THUYẾT LƯỢNG TỬ ....................................................................................................................8
Sơ lược về lịch sử vật lý ....................................................................................8

I.

1. Vật lý học cổ điển ...........................................................................................9
2. Vật lý học hiện đại..........................................................................................9
II.

Sự ra đời của thuyết lượng tử. ......................................................................10

1. Nhà vật lý học Max Karl Ernst Ludwig Planck . .........................................10
2. Sự ra đời của thuyết lượng tử ......................................................................11

3. Sự ra đời hằng số Planck .............................................................................12
4. Một số phương pháp thí nghiệm xác định hằng số Planck ..........................13
CHƯƠNG II: XÂY DỰNG THỰC NGHIỆM
XÁC ĐỊNH HẰNG SỐ PLANCK ............................................................................................ 14
Cơ sở lý thuyết ................................................................................................14

I.

1. Hiệu ứng quang điện ....................................................................................14
2. Chất bán dẫn. ................................................................................................19
II.

Thí nghiệm xác định hằng số Planck dựa trên đi-ốt phát quang (Led) ........24

1. Cơ sở lý thuyết .............................................................................................24
2. Thực hành .....................................................................................................28
3. Xử lý số liệu .................................................................................................30
CHƯƠNG III. PHƯƠNG PHÁP TIẾN HÀNH GIẢNG DẠY Ở TRƯỜNG
TRUNG HỌC PHỔ THÔNG ...................................................................................................... 39
1. Phương pháp áp dụng giảng dạy .....................................................................39
1.1. Về nội dung lý thuyết bài luận ..................................................................39
1.2. Về phương pháp thực hành thí nghiệm. ....................................................39
2. Một số phương pháp áp dụng trong dạy học ...................................................40
3. Một số lưu ý khi tiến hành giảng dạy ..............................................................41
KẾT LUẬN ....................................................................................................................................... 42
Tài liệu tham khảo ........................................................................................................................... 43

6

Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Phạm Thu Huyền

MỞ ĐẦU
Thuyết lượng tử ánh sáng là một chủ đề hiện đại và thú vị của vật lý học, lý
thuyết này góp phần lý giải nhiều hiện tượng vật lý mà cơ học cổ điển trước đo
khơng giải thích được. Một trong số những hằng số quan trọng của thuyết lượng
tử là hằng số Planck và đây cũng là một hằng số cơ bản của vật lý mà các nhà vật
lý thường đề cập đến.
Đối với học sinh trung học phổ thông cũng như đại học, khi học về lý
thuyết lượng tử học sinh thường khó hình dung về các hiện tượng liên quan như
hiện tượng quang điện trong và quang điện ngoài, cùng với việc áp dụng thuyết
lượng tử ánh sáng vào làm bài tập.
Là một sinh viên Sư phạm em thấy tầm quan trọng của vấn đề nêu trên, vì
vậy em đã tiến hành thực hiện khóa luận với đề tài “Xây dựng thí nghiệm xác
định hằng số Planck và phương pháp tiến hành giảng dạy ở trường học”
nhằm góp phần giúp người dạy và người học có thể sử dụng những dụng cụ, linh
kiện dễ kiếm trong phịng thí nghiệm để xây dựng nên những thí nghiệm trực
quan trong việc thu nhận kiến thức vật lý ở cấp độ phổ thông.
Phương pháp nghiên cứu là phương pháp thực nghiệm bao gồm xây dựng
thí nghiệm, đo đạc và xử lý số liệu thống kê.
Cấu trúc khóa luận bao gồm 3 chương:
• Chương I: Tìm hiểu về lịch sử Vật lý và sự ra đời của thuyết lượng tử.
• Chương II: Xây dựng thí nghiệm xác định hằng số Planck. Trình bày
các cơ sở lý thuyết; phương pháp, quy trình tiến hành thí nghiệm; xử lý số
liệu thu được từ thực nghiệm.
• Chương III: Phương pháp tiến hành giảng dạy trong trường học. Từ thí
nghiệm trên chúng ta sẽ áp dụng kiến thức cũng như thực nghiệm như thế
nào vào trong giảng dạy dưới phổ thông.

7


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Phạm Thu Huyền

CHƯƠNG I. LỊCH SỬ VẬT LÝ VÀ SỰ RA ĐỜI CỦA
I.

THUYẾT LƯỢNG TỬ
Sơ lược về lịch sử vật lý

Vật lý có tên tiếng Anh là Physics [5], tiếng Hy Lạp cổ đại φύσις có nghĩa
là "tự nhiên" là một nhánh cơ bản của khoa học, phát triển từ những nghiên cứu
về tự nhiên và triết học nổi tiếng và cho đến cuối thế kỷ thứ 19 Vật lý vẫn được
coi là "triết học tự nhiên" (natural philosophy). Ngày nay, vật lý là một môn
khoa học tự nhiên tập trung vào nghiên cứu vật chất và chuyển động của nó
trong khơng gian và thời gian, cùng với những khái niệm liên quan như năng
lượng và lực. Vật lý học là một trong những bộ môn khoa học lâu đời nhất, với
mục đích tìm hiểu sự vận động của vũ trụ, tự nhiên.
Vật lý là một trong những ngành khoa học hàn lâm sớm nhất, và có lẽ là
sớm nhất khi tính chung với thiên văn học. Trong hai thiên niên kỷ vừa qua, vật
lý là một phần của triết học tự nhiên cùng với hóa học, vài nhánh cụ thể của toán
học và sinh học. Tuy nhiên trong cuộc cách mạng khoa học từ đầu thế kỉ XVII,
các môn khoa học tự nhiên nổi lên như các ngành nghiên cứu riêng độc lập với
nhau. Bộ môn Vật lý học là sự liên quan của nhiều lĩnh vực khác nhau như vật lý
sinh học, hóa học lượng tử và giới hạn của vật lý cũng không rõ ràng. Các phát
hiện mới trong vật lý thường giải thích những cơ chế cơ bản của các mơn khoa
học khác đồng thời mở ra những hướng nghiên cứu mới trong các lĩnh vực

như toán học hoặc triết học.
Vật lý cũng có những đóng góp quan trọng qua sự tiến bộ công nghệ mới
đạt được do những phát kiến lý thuyết trong vật lý. Ví dụ, sự tiến bộ trong hiểu
biết về điện từ học hoặc vật lý hạt nhân đã trực tiếp dẫn đến sự phát minh và phát
triển những sản phẩm mới, thay đổi đáng kể bộ mặt xã hội ngày nay như ti
vi, máy vi tính, laser, internet, các thiết bị gia dụng, hay là vũ khí hạt nhân,…;
8


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Phạm Thu Huyền

những tiến bộ trong nhiệt động lực học dẫn tới sự phát triển cách mạng công
nghiệp; và sự phát triển của ngành cơ học thúc đẩy sự phát triển phép tính vi tích
phân [5].
1.

Vật lý học cổ điển

Vật lý cổ điển đề cập đến các lý thuyết của vật lý hiện đại có trước, hoàn
thiện hơn các lý thuyết được áp dụng rộng rãi hơn trước đó. Nếu có một lý
thuyết chấp nhận hiện nay được coi là “hiện đại”, và việc giới thiệu của nó đại
diện cho một sựu thay đổi lớn mơ hình, thì các lý thuyết trước đó, hoăc lý thuyết
mới dựa trên các mơ hình cũ, sẽ thường được gọi là thuộc lĩnh vực vật lý học “cổ
điển”. Khái niệm vật lý cổ điển được sử dụng khi lý thuyết hiện đại là khơng cần
thiết phức tạp cho một tình huống cụ thể.
Các nhánh của lý thuyết vật lý cổ điển là [5]:
- Cơ học cổ điển.
- Các định luật về chuyển động của Newton.

- Các hình thức cơ học Lagrange cổ điển và cơ học Hamilton.
- Điện động lực học cổ điển (phương trình Maxwell).
- Nhiệt động lực học cổ điển.
- Thuyết tương đối hẹp và thuyết tương đối tổng quát.
- Lý thuyết hỗn loạn cổ điển và động lực học phi tuyến.
2.

Vật lý học hiện đại

Thuật ngữ vật lý hiện đại ám chỉ những khái niệm vật lý hậu Newton [5].
Vật lý Newton khơng giải thích được rất nhiều hiện tượng trong tự nhiên từ cấp
độ vi mô đến vĩ mô, và do vậy sự ra đời của vật lý hiện đại nhằm giải thích một
số hiện tượng mà vật lý cổ điển chưa làm được đồng thời vật lý hiện đại đã mang
lại một cái nhìn sâu sắc của con người về tự nhiên, đồng thời thúc đẩy sự tiến bộ
của loài người.
9


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Phạm Thu Huyền

Vật lý hiện đại bao gồm thuyết lượng tử do Max Planck khai sinh và Albert
Einstein với thuyết tương đối, và những người tiên phong trong cơ học lượng tử
như Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Paul Dirac và rất nhiều các nhà
khoa học lớn khác.
II. Sự ra đời của thuyết lượng tử.
1.

Nhà vật lý học Max Karl Ernst Ludwig Planck [5].

Max Karl Ernst Ludwig Planck (23/4/1858 –
4/10/1947) là nhà vật lý học người Đức, được xem là
cha đẻ của cơ học lượng tử và do đó là một trong những
nhà vật lý quan trọng nhất của thế kỷ 20. Ông đạt giải
Nobel vật lý năm 1918.

Planck đến Berlin học một năm (1877-1878). Tháng 10 năm 1878, ơng kết
thúc chương trình cao học (Lehramtsexamen), và trình luận án tiến sĩ tháng 3
năm 1879 mang tên "Luận về nguyên tắc thứ hai của nhiệt động lực học" (Uber
den zweiten Hauptsatz der mechanischen Wärmetheorie). Tháng 6 năm 1880,
ông trình luận án hậu tiến sĩ (Habilitationsschrift) với tựa đề "Trạng thái quân
bình của các vật đẳng hướng ở các nhiệt độ khác nhau" (Gleichgewichtszustände
isotroper Körper in verschiedenen Temperaturen).
Cách diễn giảng cơ học lượng tử theo trường phái Kopnenhagen của Bohr,
Heisenberg và Pauli trong những năm cuối thập niên 1920 không được Planck
tán thành. Planck quan niệm thuyết cơ học ma trận của Heisenberg là một học
thuyết kinh dị và đón chào phương trình Schrưdinger như một sự giải thốt. Ông
cho rằng, cơ học sóng sẽ thế chỗ cơ học lượng tử, đứa con của ông. Tuy nhiên,
khoa học đã vượt qua những nghi vấn của Planck. Và định luật Planck vốn là

10


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Phạm Thu Huyền

phát kiến trong thời nghiên cứu trẻ tuổi của Planck giờ đây có giá trị cho chính
ơng khi nhìn nhận các phát kiến khác của giới trẻ.
2.

Sự ra đời của thuyết lượng tử

❖

Vật lý lượng tử

Vật lý lượng tử là chuyên ngành vật lý giải thích các hiện tượng ở quy mơ
ngun tử hay nhỏ hơn (hạ nguyên tử).
Vật lý lượng tử không bao gồm các ngành như cơ học lượng tử, thuyết
trường lượng tử, … Nó sẽ bao gồm như quang tử, quang điện, …
❖

Thuyết lượng tử năng lượng

Sự xuất hiện của vật lý lượng tử và thuyết tương đối là một cuộc cách mạng
của vật lý học vào cuối thế kỷ XIX đầu thế kỷ XX và là cơ sở khoa học của
nhiều lĩnh vực công nghệ cao như công nghệ điện tử và vi điện tử, công nghệ
viễn thông, công nghệ quang tử, cơng nghệ tự động hóa, cơng nghệ thơng tin,….
Vật lý lượng tử ra đời vào năm 1900 khi Max Planck đề xuất giả thuyết về tính
giai đoạn của bức xạ điện từ phát ra từ các vật thuyết lượng tử năng lượng để
giải thích những kết quả thực nghiệm về bức xạ nhiệt của các vật đen.
Năm 1905 để giải thích hiện tượng quang điện, nhà bác học Anh-xtanh đã
phát triển giả thuyết của Planck lên một bước và đề xuẩt thuyết lượng tử ánh
sáng (thuyết photon) có nội dung cơ bản sau [5]:
1. Chùm ánh sáng là một chùm các photon (các lượng tử ánh sáng). Mỗi
photon có năng lượng xác định ε(v, n) = nℎv. Cường độ của một chùm
sáng tỉ lệ với photon phát ra trong một giây.
2. Phân tử, nguyên tử, phát xạ hay hấp thụ ánh sáng, cũng có nghĩa là
chúng hấp thụ hay phát xạ photon.

11


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Phạm Thu Huyền

3. Các photon bay dọc theo tia sáng với tốc độ c = 3.108 m/s trong chân
không.
3.
❖

Sự ra đời hằng số Planck
Hằng số Planck đặt tên theo nhà vật lý Max Planck, ký hiệu là h, là

một hằng số cơ bản của vật lý xuất hiện trong các bài toán của vật lý lượng tử:
ℎ = 6,626069057(29). 10−34 (𝐽. 𝑠)
trong đó: J: Joule; s: giây
Một hằng số liên quan thường gặp trong lý thuyết lượng tử là hằng số
Planck đơn giản hay hằng số Planck rút gọn, còn gọi là hằng số Planck - Dirac,
ký hiệu là ħ (đọc là "hát ngang"), được định nghĩa là:
ħ=

ℎ

( 𝑣ớ𝑖 𝜋 𝑙à 𝑠ố 𝑝𝑖)

2𝜋

(1.1)

Hằng số Planck được dùng trong các miêu tả về các hạt cơ bản như electron
hay photon với tính chất vật lý có các giá trị gián đoạn chứ khơng liên tục.
Ví dụ: năng lượng của một hạt photon có tần số v là: E = ℎv do vậy năng
lượng của chùm ánh sáng (chùm hạt photon) có tần số ν chỉ có thể có giá trị bằng
số nguyên lần một năng lượng nhỏ nhất (số nguyên này chính là số hạt photon
trong chùm, và năng lượng nhỏ nhất là năng lượng của 1 hạt photon):
𝐸 = 𝑛ℎ𝑣
❖

(1.2)

Định luật Planck miêu tả bức xạ điện từ phát ra từ vật đen trong

trạng thái cân bằng nhiệt ở một nhiệt độ xác định. Định luật đặt tên theo Max
Planck, nhà vật lý đã nêu ra nó vào năm 1900. Định luật này là bước đi tiên
phong đầu tiên của vật lý hiện đại và cơ học lượng tử.
Đối với tần số ν, hoặc bước sóng λ, định luật Planck viết dưới dạng:
𝐵𝑣 (𝑇) =

2ℎ𝑣 3

1

𝑐2

ℎ𝑣
𝑒 𝑘𝐵 𝑇 −1

12

(1.3)


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Phạm Thu Huyền

trong đó: B ký hiệu của cường độ bức xạ
T: là nhiệt độ tuyệt đối
kB :là hằng số boltzmann
h: là hằng số planck
c: là tốc độ ánh sáng trong môi trường hoặc trong chân không
Max Planck đưa ra định luật vào năm 1900, với mục đích ban đầu để đo các
hằng số bằng thực nghiệm, và sau đó ơng chứng minh rằng, như định luật biểu
diễn sự phân bố năng lượng, nó miêu tả duy nhất sự phân bố ổn định của bức xạ
trong trạng thái cân bằng nhiệt.
4.

Một số phương pháp thí nghiệm xác định hằng số Planck

Hằng số Planck (h) có tầm quan trọng cơ bản trong cơ học lượng tử. Như ta
thấy hầu như mọi phương trình trong cơ học lượng tử đều liên quan đến hằng số
Planck. Do đó, giá trị của hằng số Planck trong đơn vị SI có tầm quan trọng cơ
bản đối với cơ học lượng tử. Để có thể kiểm chứng hằng số Planck chúng ta có
thể đề cập đến hai phương pháp đó là đo dựa trên hiện tượng quang điện hoặc
dựa vào sự phát photon của đèn LED. Hai phương pháp này là khác nhau nhưng
cùng một mục đích là để kiểm tra hằng số planck. Mỗi phương pháp sẽ có những
ưu điểm và hạn chế.

Tuy nhiên trong bài khóa luận này tơi sẽ đi xây dựng thí nghiệm xác định
hằng số Planck bằng đèn Led.

13


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Phạm Thu Huyền

CHƯƠNG II: XÂY DỰNG THỰC NGHIỆM
I.

XÁC ĐỊNH HẰNG SỐ PLANCK
Cơ sở lý thuyết

1.

Hiệu ứng quang điện

1.1. Tính chất vật lý của ánh sáng.
Bằng phương pháp toán học Maxwell đã chứng minh điện từ trường do một
điện tích điểm dao động theo phương thẳng đứng sẽ lan truyền trong khơng gian
dưới dạng sóng.

Hình 2.1. Sóng điện từ lan truyền trong không gian
Nếu xét theo một phương truyền Ox, sóng điện từ là sóng ngang có thành
phần điện dao động theo phương thẳng đứng và thành phần từ dao động theo
phương nằm ngang.
Tần số sóng điện từ bằng tần số điện tích dao động và vận tốc lan truyền

của nó trong chân khơng bằng vận tốc của ánh sáng trong chân khơng.
Năng lượng sóng điện từ tỉ lệ với lũy thừa bậc bốn của tần số.
Sóng điện từ có đầy đủ tính chất như sóng cơ học, nhưng sóng cơ học
truyền đi trong những mơi trường đàn hồi, cịn sóng điện từ thì nó tự truyền đi
không cần đến sự biến dạng của một môi trường đàn hồi nào cả, vì vậy nó truyền
được cả trong chân không.
14


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Phạm Thu Huyền

Đo bước sóng của những ánh sáng đơn sắc khác nhau bằng phương pháp
giao thoa, người ta thấy mỗi ánh sáng đơn sắc có một bước sóng hồn tồn xác
định.
Ánh sáng đơn sắc là ánh sáng có bước sóng xác định. Màu ứng với ánh
sáng đó gọi là màu đơn sắc hay màu quang phổ.

Màu sắc

Bước sóng
(nm)

Đỏ

629

Cam

605

Vàng

588

Xanh lá

539

Xanh da trời

462

Trắng

454

Hồng

450

Tím

404

Hình 2.2. Màu sắc và bước sóng
của ánh sáng

Bảng 2.1. Bước sóng ánh sáng

của các đèn Led
1.2. Hiện tượng quang điện
Thuyết sóng ánh sáng giải thích được hiện tượng liên quan với sự truyền
sóng như giao thoa và nhiễu xạ nhưng khơng giải thích được những dữ kiện thực
nghiệm về sự hấp thụ và sự phát ra ánh sáng khi đi qua môi trường vật chất.
Năm 1900, M. Planck đưa ra giả thuyết “năng lượng của ánh sáng khơng có
tính chất liên tục mà bao gồm từng lượng riêng biệt nhỏ nhất gọi là lượng tử”.
Một lượng tử của ánh sáng (photon) có năng lượng là:

15

E = ℎ𝑣

(2.1)


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Phạm Thu Huyền

(trong đó E: là năng lượng của photon; 𝑣: tần số bức xạ; h = 6,626.10−34 J. s)
Năm 1905, Einstein đã dựa vào thuyết lượng tử giải thích thỏa đáng hiện
tượng quang điện. Bản chất của hiện tượng quang điện là các kim loại kiềm khi
bị chiếu sáng sẽ phát ra các electron, năng lượng của các electron đó khơng phụ
thuộc vào cường độ của ánh sáng chiều vào mà phụ thuộc vào tần số ánh sáng.
Einstein cho rằng khi được chiếu tới bề mặt kim loại, mỗi photon với năng
lượng sẽ truyền năng lượng cho kim loại. Mỗi phần năng lượng 𝐸0 được dùng để
làm bật electron ra khỏi nguyên tử kim loại, phần còn lại sẽ trở thành động năng
1

ℎ𝑣 = 𝐸0 + 𝑚v 2

của electron:

2

trong đó: 𝑣0 =

𝐸0
ℎ

(2.2)

: tần số giới hạn

Những bức xạ có tần số bé hơn tần số giới hạn sẽ không gây ra hiện tượng
quang điện.
1.2.1. Tế bào quang điện
Tế bào quang điện là dụng cụ chính dùng để khảo sát hiện tượng quang
điện. Đó là một bóng trong suốt khơng cản tia tử ngoại, bên trong hầu như là
chân khơng và gồm có:
• Một cathode K (bản cực âm) là một lớp kim loại tinh chất mà ta muốn
khảo sát.
• Một anode A (bản cực dương) là một thanh kim loại (có thể là một
vịng kim loại).
1.2.2. Hiện tượng quang điện
Hiện tượng quang điện là hiện tượng bật ra các electron từ một tấm kim
loại khi chiếu vào tấm kim loại đó một chùm sáng có bước sóng thích hợp. Các
electron bắn ra được gọi là các quang electron.
16

Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Phạm Thu Huyền

Hiện tượng quang điện gồm hai loại chính:
•

Hiện tượng quang điện ngồi: dưới tác dụng của ánh sáng có bước
sóng thích hợp, khi chiếu vào kim loại, làm bật các electron ra khỏi bề
mặt kim loại.

•

Hiện tượng quang điện trong: khi được chiếu sáng với tần số vượt trên
tần số ngưỡng, các điện tử khơng bật ra khỏi bề mặt, mà thốt ra khỏi
liên kết với nguyên tử, trở thành điện tử tự do chuyển động trong lòng
của khối vật dẫn gọi là hiện tượng quang điện trong.

•

Ngồi ra cịn có hiện tượng quang điện của lớp chặn: thể hiện ở sự
xuất hiện hiệu điện thế trên các vật bán dẫn đặt tiếp xúc nhau được
chiếu sáng. Hiệu ứng này được giải thích bởi cơ chế dẫn điện trong các
vật bán dẫn.

1.2.3. Các định luật quang điện
Từ các kết quả thí nghiệm về hiện tương quang điện, người ta rút ra được
ba định luật quang điện như sau:

•

Định luật về giới hạn quang điện: “Mỗi kim loại sẽ có một tần số 𝑓0
xác định hay 𝜆0 đặc trưng cho kim loại đó. Miền tương quan điện chỉ
xảy ra khi ánh sáng chiếu vào kim loại phải có tần số 𝑓 lớn hơn tần số
𝑓0 (hay bước sóng λ lớn hơn bước sóng 𝜆0 )”.
𝑓 > 𝑓0 ℎ𝑎𝑦 𝜆 < 𝜆0

(2.3)

𝑓0 ℎ𝑎𝑦 𝜆0 được gọi là giới hạn của hiệu ứng quang điện
•

Định luật về cường độ dòng 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 )".

17


Khóa luận tốt nghiệp
•

SVTH: Phạm Thu Huyền

Định luật về động năng ban đầu cực đại: “Khi xảy ra hiện tượng
quang điện, động năng ban đầu cực đại của các quang electron khơng
phụ thuộc vào cường độ của ánh sáng kích thích mà chỉ phụ thuộc vào
bước sóng ánh sáng kích thích và bản chất của kim loại dùng làm
catod”.

1.2.4. Giải thích hiện tượng quang điện.
❖

Lý thuyết lượng tử năng lượng của Planck.

Năm 1900, Planck đưa ra giả thuyết: Lượng năng lượng mà mỗi lần một
nguyên tử hay phân tử hấp thụ hay phát xạ có giá trị hồn tồn xác định và bằng
hv; trong đó v là tần số của ánh sáng bị hấp thụ hay được phát ra; còn h là hằng
số.
❖

Lý thuyết lượng tử năng lượng của Einstein.

Năm 1905, để giải thích các kết quả thử nghiệm về hiện tượng quang điện,
Einstien đã đẩy mạnh ý tưởng lượng tử hóa năng lượng. Ơng đã hình dung một
chùm sáng như một chùm các hạt nhỏ li ti. Năng lượng của mỗi hạt tỉ lệ với tần
số của ánh sáng, E = hv. Khi đó, năng lượng của chùm ánh sáng gửi qua một đơn
vị diện tích đặt vng góc với phương truyền trong một giây (cường độ ánh
sáng) sẽ bằng số hạt đi qua diện tích tỏng một giây (N) nhân với năng lượng của
mỗi hạt (hv). Nghĩa là:
Cường độ sáng = N hv

(2.4)

Khi nhận photon có năng lượng là hv, một electron bị bứt khỏi bề mặt kim
loại, đồng năng của nó là:

𝐾0 = ℎ𝑣 − 𝑊

(2.5)

trong đó, W là công cần thiết để bứt một electron khỏi nguyên tử bề mặt kim
loại. Các electron trong nguyên tử ở các mức khác nhau thì có cơng bứt electron
W khác nhau.
18


Khóa luận tốt nghiệp

2.

SVTH: Phạm Thu Huyền

Chất bán dẫn.

2.1. Chất bán dẫn điện thuần

Hình 2.3. Tinh thể chất bán dẫn ở nhiệt độ thấp (T = 0°K) – bán dẫn thuần
Hầu hết các chất bán dẫn đều có các nguyên tử sắp xếp theo chiều cấu tạo
tinh thể. Hai chất bán dẫn được dùng nhiều nhất trong kỹ thuật chết tạo linh kiện
điện tử là Silicium và Germanium. Mỗi nguyên tử của hai chất này đều có bốn
điện tử ở ngoài cùng kết hợp với bốn điện tử cấu tạo thành bốn liên kết hóa trị.
Vì vậy, tinh thể Ge và Si ở nhiệt độ thấp là các chất cách điện.
Cũng giống như chất điện môi, miền được phép cao nhất do các electron
hóa trị chiếm giữ gọi là “miền hóa trị”. Miền được phép cao hơn bị bỏ trống
hồn toàn được goi là “miền dẫn”, bề rộng của “miền cấm”, giữa miền hóa trị và
miền cấm là khá nhỏ chỉ từ 0,7 eV – 1,1 eV.
Ở điều kiện bình thường và khơng được chiếu sáng thì các electron miền
hóa trị không thể nào nhận đủ năng lượng để vượt qua miền cấm lên miền dẫn.

Các electron hóa trị của ngn tử nào thì ở ngun tại ngun tử đó.

19


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Phạm Thu Huyền

Hình 2.4. Tinh thể chất bán dẫn ở nhiệt độ cao (T = 300°K)
Nếu cung cấp cho electron hóa trị thêm một năng lượng bằng cách: chiếu
sáng hoặc nung ở nhiệt độ lớn hơn 80℃. Khi đó electron nhận đủ năng lượng, dễ
dàng vượt qua miền cấm lên miền dẫn trở thành các electron dẫn [8]. Trên miền
dẫn cịn rất nhiều vị trí bị bỏ trống, nên ở nhiệt độ phịng bình thường, các
electron trong miền dẫn dễ dàng di chuyển từ mức năng lượng này sang vị trí của
các mức năng lượng bị bỏ trống, có nghĩa là chúng có thể di chuyển từ ngun tử
này sang ngun tử khác.
•

Khi chưa có điện trường ngoài, các ekectron dẫn chuyển động nhiệt
hỗn loạn theo các phương khác nhau, khơng tạo thành dịng điện.

•

Khi có điện trường ngoài tác dụng lên electron dẫn nên ngoài chuyển
động nhiệt chúng cịn tham gia các chuyển động có hướng, ngược
chiều điện trường ngồi tạo thành dịng điện.

Ở miền hóa trị, tại các vị trí mà các electron chuyển lên vùng dẫn để lại các
lỗ trống mang điện dương, gọi tắt là lỗ trống. Ở điều kiện thường, các electron

khác trong miền hóa trị dễ dàng nhận đủ năng lượng chuyển đến chiếm lỗ trống.
Tại vị trí nó vừa rời khỏi sẽ để lại một lỗ trống mới. Như vậy, ta thấy các lỗ

20


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Phạm Thu Huyền

trống dễ dàng di chuyển từ nguyên tử này sang nguyên tử khác trong mạng tinh
thể của bán dẫn.
•

Khi chưa có điện trường, các lỗ trống chuyển động nhiệt hỗn loạn theo
các phương khác nhau nên khơng tạo thành dịng điện.

•

Khi có điện trường, ngồi chuyển động nhiệt thì lỗ trống cịn tham gia
chuyển động có hướng, cùng chiều điện trường ngồi tạo thành dịng
điện.

Hình 2.5. Sự dẫn điện của tinh thể chất bán dẫn
2.2. Chất bán dẫn pha tạp
2.2.1. Bán dẫn loại n

Hình 2.6. Tinh thể bán dẫn pha tạp loại n

21

Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Phạm Thu Huyền

Bán dẫn loại n là bán dẫn thuần có hóa trị IV pha thêm 0,15% một chất có
hóa trị V. Giả sử ta pha vào Si thuần những nguyên tử thuộc nhóm V trong bảng
phân loại tuần hoàn như Arsenis (As), Photpho (P), Antimony (Sb). Ở nhiệt độ
thường, bán dẫn trở thành chất dẫn điện tốt.
Ở nhiệt độ thường, các electron ở miền tạp chất dễ dàng nhận đủ năng
lượng chuyển lên miền dẫn tạo thành electron dẫn. Các electron dẫn này dễ dàng
di chuyển đến các mức năng lượng còn trống ở miền dẫn, có nghĩa là các
electron dễ dàng di chuyển từ nguyên tử này sang nguyên tử khác.
Điều kiện thường, bán dẫn loại n là chất dẫn điện tốt. Bản chất dòng điện
trong chất bán dẫn loại n là dòng chuyển dời có hướng của các electron dẫn dưới
tác dụng điện trường ngoài.
2.2.2. Bán dẫn loại p
Bán dẫn loại p là bán dẫn tinh khiết có hóa trị IV pha thêm 0,15% một chất
hóa trị III (B). Ở nhiệt độ thường bán dẫn p trở thành dẫn điện tốt.

Hình 2.7. Tinh thể bán dẫn pha tạp loại p
Ở nhiệt độ thường, các electron hóa trị dễ dàng chuyển lên chiếm chỗ tạp
chất. Tại vị trí mà chúng vừa rời khỏi sẽ để lại chỗ trống. Các electron khác
22


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Phạm Thu Huyền

trong miền hóa trị lại chuyển lên chiếm chỗ lỗ trống để lại các lỗ trống mới. Các
lỗ trống di chuyển trong mạng tinh thể của chất bán dẫn.
Tóm lại ở điều kiện thường, bán dẫn p là chất dẫn điện tốt. Bản chất của
dòng điện trong chất bán dẫn loại p là dòng chuyển dời có hướng của các lỗ
trống dưới tác dụng của điện trường ngoài.
2.2.3. Tiếp xúc p-n. Diode bán dẫn
Khi cho chất bán dẫn n tiếp xúc bán dẫn p thì electron dẫn trong miền dẫn
của bán dẫn loại n dễ dàng khuếch tán sang bán dẫn p. Dòng khuếch tán này
được gọi là dòng cơ bản. Sau một thời gian, có một số electron dẫn di chuyển
ngược từ bán dẫn p sang bán dẫn n gọi là không cơ bản.
Đối với bán dẫn loại p thì lỗ trống từ bán dẫn p ở miền hóa trị cũng dễ bị
khuếch tán sang bán dẫn n gọi là dòng cơ bản. Sau một thời gian, có một số lỗ
trống di chuyển ngược từ bán dẫn n sang bán dẫn p gọi là dịng khơng cơ bản.
Khi đặt điện trường ngồi vào tiếp xúc p-n, có hai cách mắc:
•

Mắc thuận: Khi đó, điện trường ngoài qua tiếp xúc p-n hướng từ p
sang n, ngược chiều điện trường tiếp xúc, làm triệt tiêu điện trường
tiếp xúc. Trong trường hợp này, có sự dẫn điện bằng electron và lỗ
trống.

•

Mắc ngược: Khi đó điện trường ngồi cùng chiều với điện trường tiếp
xúc. Hình thành một lớp điện tích âm ở bán dẫn p và một lớp lỗ trống
ở bán dẫn n ngay tại miền tiếp xúc. Lớp điện tích này hồn tồn ngăn
cản khơng cho dịng cơ bản qua miền tiếp xúc. Do đó, bán dẫn p khơng
có electron vượt quan miền tiếp xúc, bán dẫn n khơng có lỗ trống vượt
qua miền tiếp xúc. Vì vậy, tiếp xúc n-p khơng cho dịng điện đi qua.

23


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Phạm Thu Huyền

Tóm lại tiếp xúc p-n chỉ cho dòng điện một chiều đi qua từ bán dẫn p sang
bán dẫn n.
II. Thí nghiệm xác định hằng số Planck dựa trên đi-ốt phát quang
(Led)
1.

Cơ sở lý thuyết

Led (Light Emitting Didode) hay còn được gọi là didode phát quang là linh
kiện bán dẫn quang điện tử. Nó có khả năng phát ra ánh sáng khi có hiện tượng
tái hợp xảy ra trong tiếp xúc p – n. Tùy theo vật liệu chế tạo mà ta có bước sóng
bức xạ ra ở các vùng bước sóng khác nhau.
1.1. Cấu tạo của Led

Hình 2.8. Cấu tạo của đèn led

24


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Phạm Thu Huyền

Chất bán dẫn của Led được làm từ một miếng tinh thể cực mỏng. Vỏ bao
bọc chất bán dẫn được làm trong suốt. Hai chân bọc chì được kéo ra khỏi lớp bao
bọc epoxy. Chất bán dẫn có hai cực p và n được chia bởi một mối nối. Cực p
mang điện tích dương, cực n mang điện tích âm (electron). Mối nối p – n nằm
giữa cực p và n.
Loại bức xạ ánh sáng nhìn thấy gọi là Led chỉ thị. Led chỉ thị có ưu điểm là
tần số hoạt động cao, kích thích nhỏ, cơng suất tiêu hao nhỏ, khơng sụt áp khi bắt
đầu làm việc. Led khơng cần kính lọc mà vẫn cho ra màu sắc. Led chỉ thị rất rõ
khi trời tối. Tuổi thọ của Led khoảng 100 ngàn giờ.
Vật liệu chế tạo Led là các nguyên tử nhóm III và V: GaAs, GaP, GaAsP…
đây là những vật liệu tái hợp trực tiếp. Nồng độ hạt dẫn của P và N rất cao nên
điện trở của chúng rất nhỏ. Do đó khi mắc Led phải mắc nối tiếp với một điện
trở hạn dòng.
1.2. Nguyên lý làm việc của Led
Led hoạt động dựa trên nguyên lý phát sáng khi có hiện tượng tái hợp
electron và lỗ trống ở vùng chuyển tiếp p – n. Led sẽ phát quang khi được phân
cực thuận, nghĩa là biến đổi năng lượng quang. Cường độ phát quang tỉ lệ với
dòng qua Led. Khi phân cực thuận các hạt dẫn đa số sẽ di chuyển về phía bán
dẫn bên kia.
Led được cấu tạo từ một mối nối bán dẫn p-n, khi chất bán dẫn Silicon cho
pha Indium (có 3 nối hóa trị, khi gắn nó vào mạng Silicon cần 4 nối, sẽ có một
nối thiếu điện tử và cho ra 1 lỗ trống) chúng ta sẽ có chân bán dẫn loại p và khi
cho pha với photpho (có 5 nối hóa trị, khi gắn nó vào mạng Silicon cần 4 nối, sẽ
dư ra 1 hạt điện tử), chúng ta có chân bán dẫn loại n [6]. Khi được phân cực
thuận, khối bán dẫn loại p chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương nên
khi ghép với khối bán dẫn n (chứa các electron tự do) thì các lỗ trống này có xu
25