Øvelse i kvantemekanik Måling af Plancks konstant



Relaterede dokumenter
Diodespektra og bestemmelse af Plancks konstant

Spektralanalyse. Jan Scholtyßek Indledning 1. 2 Formål. 3 Forsøgsopbygning 2. 4 Teori 2. 5 Resultater 3. 6 Databehandling 3

Øvelse i kvantemekanik Måling af Plancks konstant

Tallene angivet i rapporten som kronologiske punkter refererer til de i opgaven stillede spørgsmål.

Røntgenspektrum fra anode

Forsøg del 1: Beregning af lysets bølgelængde

Indledning 2. 1 Lysets energi undersøgt med lysdioder (LED) Udstyr Udførelse... 3

Optisk gitter og emissionsspektret

Preben Holm - Copyright 2002

Formålet med dette forsøg er at lave en karakteristik af et 4,5 V batteri og undersøge dets effektforhold.

Dopplereffekt. Rødforskydning. Erik Vestergaard

En sumformel eller to - om interferens

Transienter og RC-kredsløb

Undersøgelse af lyskilder

Elektron- og lysdiffraktion

6 Plasmadiagnostik 6.1 Tætheds- og temperaturmålinger ved Thomsonspredning

Beskrivelse af det enkelte undervisningsforløb

GEOMETRI-TØ, UGE 11. Opvarmningsopgave 2, [P] (i,ii,iv). Udregn første fundamentalform af følgende flader

Løsninger til udvalgte opgaver i opgavehæftet

Protoner med magnetfelter i alle mulige retninger.

Strålingsintensitet I = Hvor I = intensiteten PS = effekten hvormed strålingen rammer en given flade S AS = arealet af fladen

Løsningsforslag til fysik A eksamenssæt, 23. maj 2008

1 Lysets energi undersøgt med lysdioder (LED)

Rapport Bjælken. Derefter lavede vi en oversigt, som viste alle løsningerne og forklarede, hvad der gør, at de er forskellige/ens.

Begge bølgetyper er transport af energi.

Indhold En statistisk beskrivelse... 3 Bølgefunktionen... 4 Eksempel... 4 Opgave Tidsafhængig og tidsuafhængig... 5 Opgave 2...

Lysets fysik Optiske fibre P0 projekt

Øvelsesvejledninger til laboratoriekursus

Matematik C. Cirkler. Skrevet af Jacob Larsen 3.år HTX Slagelse Udgivet i samarbejde med Martin Gyde Poulsen 3.år HTX Slagelse.

FYSIK I DET 21. ÅRHUNDREDE Laseren den moderne lyskilde

Matematik A studentereksamen

Formelsamling til Fysik B

Undervisningsbeskrivelse

Massefylden af tør luft ved normalt atmosfærisk tryk ved havets overade ved 15 C bruges som standard i vindkraftindustrien og er lig med 1, 225 kg

Rygtespredning: Et logistisk eksperiment

MODUL 3 OG 4: UDFORSKNING AF RUMMET

Eksperimentelle øvelser, øvelse nummer 3 : Røntgenstråling målt med Ge-detektor

Dobbeltspalte-eksperimentet. Lad os først se lidt nærmere på elektroner, som skydes imod en skærm med en smal spalte:

LYS I FOTONISKE KRYSTALLER 2006/1 29

Atomure og deres anvendelser

Skriftlig Eksamen i Moderne Fysik

Stx matematik B december Delprøven med hjælpemidler

Enkelt og dobbeltspalte

MODUL 1-2: ELEKTROMAGNETISK STRÅLING

Lodret belastet muret væg efter EC6

Øvelse i kvantemekanik Elektron- og lysdiffraktion

Når strømstyrken ikke er for stor, kan batteriet holde spændingsforskellen konstant på 12 V.

Laboratorieøvelse Kvantefysik

Note til styrkefunktionen

Observationelle Værktøjer

Kasteparabler i din idræt øvelse 1

STUDENTEREKSAMEN MAJ 2007 Vejledende opgavesæt nr. 2 FYSIK A-NIVEAU. Xxxxdag den xx. måned åååå. Kl STX072-FKA V

Digitale periodiske signaler

Dansk Fysikolympiade 2015 Udtagelsesprøve søndag den 19. april Teoretisk prøve. Prøvetid: 3 timer

Undervisningsbeskrivelse

Mikroskopet. Sebastian Frische

MATEMATIK A-NIVEAU-Net

Brydningsindeks af vand

Undervisningsbeskrivelse

Kvantefysik. Objektivitetens sammenbrud efter 1900

Fasedrejning. Fasedrejning i en kondensator og betragtninger vedrørende RC-led.

Introduktion. Arbejdsspørgsmål til film

Optimale konstruktioner - når naturen former. Opgaver. Opgaver og links, der knytter sig til artiklen om topologioptimering

i x-aksens retning, så fås ). Forskriften for g fås altså ved i forskriften for f at udskifte alle forekomster af x med x x 0

Øvelse i kvantemekanik Kvantiseret konduktivitet

Vejledende besvarelse

Opgaver til Maple kursus 2012

Program. Modelkontrol og prædiktion. Multiple sammenligninger. Opgave 5.2: fosforkoncentration

Øvelse 1.5: Spændingsdeler med belastning Udført af: Kari Bjerke Sørensen, Hjalte Sylvest Jacobsen og Toke Lynæs Larsen.

Rapport uge 48: Skråplan

Måling af spor-afstand på cd med en lineal

Faldmaskine. , får vi da sammenhængen mellem registreringen af hullerne : t = 2 r 6 v

Øvelsesvejledning RG Stående bølge. Individuel rapport. At undersøge bølgens hastighed ved forskellige resonanser.

Solens energi kan tæmmes af nanoteknologi Side i hæftet

Kulstofnanorør - småt gør stærk Side i hæftet

Kom i gang-opgaver til differentialregning

Mørkt stof og mørk energi

Resonans 'modes' på en streng

fra venstre: Philip Trøst Kristensen, Peter Lodahl og Søren Stobbe

sammenhänge for C-niveau i stx 2013 Karsten Juul

Naturkræfter Man skelner traditionelt set mellem fire forskellige naturkræfter: 1) Tyngdekraften Den svageste af de fire naturkræfter.

Naturvidenskabelig ekskursion med Aarhus Universitet

Fysik 3 Frie Øvelser Titel: Egenskaber af sæbefilm

Øvelser 10. KlasseCenter Vesthimmerland Kaj Mikkelsen

Den ideelle operationsforstærker.

Av min arm! Røntgenstråling til diagnostik

A KURSUS 2014 ATTENUATION AF RØNTGENSTRÅLING. Diagnostisk Radiologi : Fysik og Radiobiologi

Øvelser 10. KlasseCenter Vesthimmerland Kaj Mikkelsen

Fysikøvelse Erik Vestergaard Musik og bølger

Lærervejledning Modellering (3): Funktioner (1):

Det er tydeligt, at det er meget forskellige historier, som billederne fortæller. Se de orange ringe med forklaringer på billedet.

Matematisk Modellering 1 Hjælpeark

Til at beregne varmelegemets resistans. Kan ohms lov bruges. Hvor R er modstanden/resistansen, U er spændingsfaldet og I er strømstyrken.

Figur 1: Kraftpåvirkning af vingeprol

Dronninglund Gymnasium Fysik skriftlig eksamen 27. maj 2011

Skråplan. Esben Bork Hansen Amanda Larssen Martin Sven Qvistgaard Christensen. 2. december 2008

FYSIK C. Videooversigt. Intro video... 2 Bølger... 2 Den nære astronomi... 3 Energi... 3 Kosmologi videoer.

I. Deskriptiv analyse af kroppens proportioner

Transkript:

Øvelse i kvantemekanik Måling af Plancks konstant Tim Jensen og Thomas Jensen 2. oktober 2009 Indhold Formål 2 2 Teoriafsnit 2 3 Forsøgsresultater 4 4 Databehandling 4 5 Fejlkilder 7 6 Konklusion 7

Formål Formålet med denne rapport er at bestemme Plancks konstant h ved at. Bestemme eksiterede elektroners kinetiske energi E e og derved benytte ligning () til at bestemme Plancks konstant, ved at undersøge udviklingen af den kinetiske energi som funktion af frekvensen ν af den anvendte lyskilde 2. Bestemme Rydberg konstanten R ved at benytte gitterspektrometri og derefter bestemme Plancks konstant ved at benytte ligning 3 2 Teoriafsnit Første del af vores øvelse går ud på at måle den kinetiske energi af elektroner frigjort fra en LDR-modstand (fotocelle), der er en lysfølsom modstand. Fotocellen besidder i sig selv en ringe ledningsevne, men når denne rammes af fotoner, kan elektroner i fotocellen eksitere, forudsat at fotonen besidder en tilstrækkelig energimængde. Den frie elektron vil nu bevæge sig med en kinetisk energi E e tilsvarende E e = E Φ = hν Φ () Hvor E = hν er fotonens energi og Φ er den energi hvormed elektronen er bundet. Heraf fremgår det at elektronernes kinetiske energi afhænger af lysets energi og dermed også fotonens frekvens ν / bølgelængde λ, men ikke af lysets intensitet. De frie elektroner vil nu frigøres fra en katode i fotocellen og modtages af en anode, hvorpå der er pålagt en variabel modspænding. Ved at variere modspændingen og nde nøjagtig den spænding som modsvarer elektronernes kinetiske energi, vil vi kunne stoppe transporten af elektroner fra katoden til anoden. Lige netop denne spænding vil tilsvarere elektronernes kinetiske energi, målt i elektronvolt (ev). Dette eksperiment foretages gennem to øvelser:. Den selvstabiliserende modstand I denne øvelse lader vi lys ved forskellige frekvenser falde på en fotocelle, som er forbundet til en selvstabiliserende resistor mellem katode og anode. Elektronerne vil ophobes på anoden indtil de skaber et tilstrækkeligt potentiale til, at elektronvandring fra katoden til anoden forhindres. 2. Den manuelt variable modstand I denne øvelse vil modstanden mellem katoden og anoden kunne varieres manuelt. Ved at tilslutte et amperemeter til kredsløbet vil vi kunne måle strømstyrken før fotocellen belyses (hvilken burde være omkring I = 0A). Når fotocellen belyses vil en strøm løbe gennem kredsløbet. Ved at øge modstanden vil strømmen kunne bremses og lige netop som strømmen bremses, vil den tilhørende spænding tilsvare elektronernes kinetiske energi. Til disse to øvelser anvendes 5 forskellige LED dioder til at variere frekvensen af det udsendte lys (boksen udsender 5 forskellige farver lys). Frekvensen af hver af disse dioder kan måles ved at anvende en computer og en CCD-array. Plottes den kinetiske energi nu som funktion af frenkvensen burde vi kunne observere en lineær udvikling ifølge ligning (). Heraf vil det være muligt at bestemme Plancks konstant h, som vil være hældningen på grafen, samt den energi Φ hvormed elektronen er bundet til materialet. 2

Den anden del af vores øvelse går ud på at bestemme bølgelængderne af den synlige del af hydrogenspektret, hvilket vi kan gøre ved at sende lys fra en hydrogenkilde gennem et optisk gitter og derefter, ved at observere linjerne fra diraktionen, kan vi anvende Rydbergs formel til at bestemme bølgelængden ( λ = R m 2 ) n 2 (2) Hvor R =, 0 7 /m (= 3, 6eV) er Rydberg konstanten. Her er m og n positive naturlige tal med n > m. I vores tilfælde vil vi anvende den specielle udgave af Rydbergs formel kaldet Balmer serien, hvilken fremkommer ved at lade m = 2. Rydbergs formel beskriver energien af en foton der bliver udsendt når elektronerne i et hydrogen molekyle eksiterer fra en energitilstand n til en anden energitilstand m. Figur : En elektron eksiterer fra 3 2 Ved at lade m = 2 betragter vi altså overgange fra et energiniveau n > m, til et energiniveau m = 2. Gennem et gitterspektrometer burde det være muligt at observere spektrallinjer fra fotoner der har energier i det synlige område (ca. 400-700 nm). Bølgelængderne af disse sprektrallinjer har tabelværdierne. R/odt lys 656, 3nm n = 3 Tyrkis lys 486, nm n = 4 Blåt lys 434, nm n = 5 Violet lys 40, 2nm n = 6 Bemærk at energien af en emission kan ndes ved at multiplicere med hc i Rydbergs formel. Ved at måle vinklen θ mellem lysets indfaldsvinkel og spektrallinjen (kan gøres ved hjælp af et goniometer) er det muligt at bestemme bølgelængderne eksperimentielt. Derved kan der konstrueres en graf hvor λ plottes som funktion af den tilhørende værdi ( ) m 2 n, hvorved hældningen af 2 graften vil tilsvare Rydberg konstanten R. Herfra vil det da være muligt at bestemme Planck's konstant ved at benytte relationen R = m ec 2 α 2 2hc h = m ec 2 α 2 2Rc (3) Hvor m e c 2 er elektronens hvilemasse, α nstruktur-konstanten og c lysets hastighed. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hyde.html#c4 3

Sammenhængen mellem lysets indfaldsvinkel på gitteret og spektrallinjen er givet ved mλ = d sin θ (4) Hvor m repræsenterer et helt tal (m tilsvarer antallet af bølgelængder og dette må være et helt tal for at skabe konstruktiv inteferens, udledningen er fremført i vejledningen) og tilsvarer linjerne af nule, første, anden osv. orden. Gitterkonstanten d er afstanden mellem to nabostreger i gitteret. Gitterkonstanten kan bestemmes ved at benytte gitterspektrometri på en natriumkilde. Det oplyses i vejledningen at den første ordens gule linje i natriumspektret har en bølgelængde λ = 589nm. Ved at bestemme vinkelafvigelsen θ fra indfaldvinklen for denne første gule linje, ved at benytte et goniometer, kan vi bestemme gitterkonstanten d ud fra ligning (4). 3 Forsøgsresultater Fra den første del af øvelsen k vi følgende resultater Figur 2: Modstand på fotocelle Herover er desuden anført bølgelængden af lyset fra vores 5 LED dioder. Fra den anden del af øvelsen k vi resultaterne Figur 3: Gitterspektrometri 4 Databehandling På gur 4 ses udviklingen af elektron-energien, som funktion af lysets bølgelængde, fra øvelsen med den selvstabiliserende modstand. Den målte spændingsforskel (se gur 2) vil repræsentere elektronens kinetiske energi i forholdet V ev =, 6027653 0 9 J. 4

Figur 4: Den selvstabiliserende modstand. Blå er høj intensitet. Rød er lav intensitet. For blå fås f(x) = 6, 5 0 34 x 2, 28 0 9. For rød fås f(x) = 6, 44 0 34 x 2, 28 0 9 Plancks konstant h vil da være hældningen på ovenstående graf. Da vi har to lineære t med hver sin hældning, vil vores bedste bud på Plancks konstant være et gennemsnit af disse h = 6, 48 0 34 J s ± 3, 5 0 36 J s Hvor ±3, 5 0 36 J s er den systematiske måleusikkerhed. På samme måde som i gur 4 er elektron-energien herunder plottet som funktion af det anvendte lys' bølgelængde, i tilfældet med den manuelt variable modstand. Figur 5: Den manuelt variable modstand. Blå er høj intensitet. Rød er lav intensitet. For blå fås f(x) = 5, 27 0 34 x 2, 48 0 9. For rød fås f(x) = 4, 94 0 34 x 2, 22 0 9 5

Og på samme måde kan en værdi af Plancks konstant med en systematisk måleusikkerhed bestemmes h 2 = 5, 0 34 J s ±, 7 0 36 J s Fra gur 3 kan vi starte med at anvende observationerne fra gitterspektrometri med en natriumkilde, til at bestemme vores gitterkonstant d. Som tabelværdi anvender vi at den gule linje i spektret har bølgelængden λ = 589nm. Da kan vi anvende ligning 3 og sætte m = (første ordens gule linje) til at bestemme d d = λ sin θ = 589nm = 632, 56257nm sin (2) ± 7, 456793366nm Hvor usikkerheden kommer fra en måleusikkerhed på ±0, 25. Imidlertid målte vi også på 2. og 3. orden af det gule lys og kunne således bestemme gitterkonstanten meget præcist med lineær regression af følgende plot: Værdien af gitterkonstanten fås således til at være 665.84 nm ±3. nm hvilket stort set er i fuldstændig overensstemmelse med oplysningen på gitteret om, at der er 600 linier pr. mm. Da vi nu kender gitterkonstanten kan vi omregne alle vores målte vinkler, i tilfældet ved hydrogenkilden, til bølgelængder (igen sættes m = ), ved at benytte ligning 3. Figur 6: Bølgelængder for spektrallinjerne i hydrogenspektret Plotter vi nu den reciprokke værdi af bølgelængderne som funktion af størrelsen ( ) m 2 n vil vi 2 ifølge ligning 2, kunne konstruere en graf hvor hældning repræsenterer Rydberg konstanten R. 6

Algorithm Grask repræsentiv for Rydberg konstanten Hvoraf vi får Rydbergkonstanten R = 0, 947859 0 7 m ± 8, 24 0 5 m Hvorfra vi kan bestemme Plancks konstant ud fra ligning 3. h 3 = 0, 50999 0 6 ev, 6028 0 9 J ev 2 9, 47859 0 6 m 299792458 m s 37, 03598962 = 7, 67 0 34 J s ± 6, 4 0 35 J s 5 Fejlkilder Vi foretog kun hver måleserie en enkelt gang, hvilket har gjort os ude af stand til at anslå den tilfældige måleusikkerhed. 6 Konklusion Af databehandlingen fremgår det at vi har bestemt følgende værdier af Plancks konstant h = 6, 48 0 34 J s h 2 = 5, 0 34 J s ± 3, 5 0 36 J s ±, 7 0 36 J s h 3 = 7, 67 0 34 J s ± 6, 4 0 35 J s Hvilken har tabelværdien h = 6, 63 0 34 J s. 7

Den vægtede middelværdi af vores resultater bliver således hi /σ 2 i /σ 2 j = 6,48 0 34 (3,5 0 36 ) 2 + 5, 0 34 + 7,67 0 34 (,7 0 36 ) 2 (6,4 0 35 ) 2 = 7.35 0 34 J s + + (3,5 0 36 ) 2 (,7 0 36 ) 2 (6,4 0 35 ) 2 8