He Thuc Bat Dinh Heisenbergbc

thÝ nghiÖm vËt lý

kh¶o s¸t nhiÔu x¹ tia laser qua mét khe hÑp nghiÖm hÖ thøc bÊt ®Þnh heisenberg Dông cô : 1. Nguån ph¸t tia laser b¸n dÉn (5mW- 4V) 2. C¸c khe hÑp cã ®é réng 0,05-0,10-0,20mm vµ hép b¶o vÖ cã nóm ®iÒu chØnh 3. C¶m biÕn quang ®iÖn photodiode silicon 4. Bé khuÕch ®¹i vµ chØ thÞ c−êng ®é phæ nhiÔu x¹ 5. Th−íc tr¾c vi, chÝnh x¸c 0,01mm 6. èng che s¸ng dµi 50 cm 7. Gi¸ ®ì thÝ nghiÖm .

E

x

p b

ϕ

0

a a′

L H×nh 1

I . c¬ së lý thuyÕt 1. L−ìng tÝnh sãng-h¹t cña photon vµ hÖ thøc bÊt ®Þnh Heisenberg LÞch sö nghiªn cøu tÝnh chÊt cña ¸nh s¸ng ®· thõa nhËn : ¸nh s¸ng võa cã tÝnh chÊt sãng (sãng ®iÖn-tõ) võa cã tÝnh chÊt h¹t (photon), nãi c¸ch kh¸c : ¸nh s¸ng cã l−ìng tÝnh sãng-h¹t. L−ìng tÝnh sãng-h¹t cña ¸nh s¸ng ®· ®−îc nªu lªn trong thuyÕt l−îng tö ¸nh s¸ng hay thuyÕt photon cña Einstein (Anhstanh) : ¸nh s¸ng cÊu t¹o bëi v« sè c¸c photon. Mçi photon cã n¨ng l−îng W vµ ®éng l−îng p x¸c ®Þnh liªn hÖ víi tÇn sè ν vµ b−íc sãng λ cña ¸nh s¸ng theo c¸c hÖ thøc : W = h. ν

;

p = h.

c

ν

=

h

λ

trªn mµn E ®Æt song song víi mÆt ph¼ng cña khe b. Thùc nghiÖm chøng tá ¶nh nhiÔu x¹ cña chïm photon trªn mµn E trong tr−êng hîp nµy gåm mét sè ®iÓm s¸ng c¸ch nhau bëi nh÷ng ®iÓm tèi. §iÓm s¸ng gäi lµ cùc ®¹i nhiÔu x¹, cßn ®iÓm tèi gäi lµ cùc tiÓu nhiÔu x¹. §iÓm s¸ng n»m ë chÝnh gi÷a ¶nh nhiÔu x¹ trªn mµn E gäi lµ cùc ®¹i nhiÔu x¹ gi÷a (hay cùc ®¹i nhiÔu x¹ trung t©m). Theo quan ®iÓm sãng, sù ph©n bè c−êng ®é s¸ng trªn mµn E lµ kÕt qu¶ cña sù giao thoa c¸c sãng s¸ng bÞ nhiÔu x¹ qua khe hÑp b : - Nh÷ng cùc tiÓu nhiÔu x¹ øng víi vÞ trÝ t¹i ®ã c¸c sãng s¸ng giao nhau dao ®éng ng−îc pha vµ ®−îc x¸c ®Þnh bëi ®iÒu kiÖn :

sin ϕ = ± k .λ / b (1)

víi h = 6,625. 10-34J.s lµ h»ng sè Planck vµ c = 3.108 m/s lµ vËn tèc ¸nh s¸ng trong ch©n kh«ng . Dùa trªn c¬ së l−ìng tÝnh sãng-h¹t cña photon, De Broglie ®· suy réng tÝnh chÊt nµy cho mäi vi h¹t kh¸c ( electron, proton, ....) : Mçi vi h¹t tù do cã n¨ng l−îng vµ ®éng l−îng x¸c ®Þnh øng víi mét sãng ph¼ng ®¬n s¾c cã tÇn sè vµ b−íc sãng x¸c ®Þnh.N¨ng l−îng W vµ ®éng l−îng p cña vi h¹t liªn hÖ víi tÇn sè ν vµ b−íc sãng λ cña sãng ph¼ng ®¬n s¾c theo hÖ thøc (1). Do l−ìng tÝnh sãng-h¹t nªn qui luËt chuyÓn ®éng cña c¸c vi h¹t mang ®Æc ®iÓm kh¸c víi qui luËt chuyÓn ®éng cña h¹t vÜ m« ( kÝch th−íc lín h¬n nguyªn tö ). §Ó hiÓu ®iÒu nµy, ta h·y xÐt hiÖn t−îng nhiÔu x¹ ¸nh s¸ng hay nhiÔu x¹ c¸c photon ( H.1 ). Khi truyÒn qua khe hÑp cã ®é réng b, c¸c photon bÞ nhiÔu x¹ theo c¸c ph−¬ng øng víi c¸c gãc lÖch ϕ kh¸c nhau vµ truyÒn tíi c¸c vÞ trÝ kh¸c nhau

(2)

víi k = 1,2 ,3 ,.... - Nh÷ng cùc ®¹i nhiÔu x¹ øng víi vÞ trÝ t¹i ®ã c¸c sãng s¸ng giao nhau dao ®éng cïng pha vµ ®−îc x¸c ®Þnh bëi ®iÒu kiÖn :

sin ϕ = ± (2 k + 1).λ / 2 b

(3)

víi k = 1,2 ,3 ,.... Riªng cùc ®¹i nhiÔu x¹ chÝnh gi÷a O øng víi ϕ = 0 vµ cã ®é réng giíi h¹n gi÷a hai cùc tiÓu nhiÔu x¹ bËc 1 øng víi gi¸ trÞ sin ϕ 1 = ± λ / b . Theo quan ®iÓm h¹t, sù ph©n bè c−êng ®é s¸ng trªn mµn E lµ kÕt qu¶ cña sù ph©n bè mang tÝnh x¸c suÊt ®èi víi c¸c photon bÞ nhiÔu x¹ qua khe hÑp b truyÒn tíi ®Ëp vµo mµn E : - Nh÷ng cùc tiÓu nhiÔu x¹ x¸c ®Þnh theo ®iÒu kiÖn (2) øng víi vÞ trÞ t¹i ®ã mËt ®é x¸c suÊt t×m thÊy photon cã gi¸ trÞ b»ng kh«ng (tøc lµ c¸c photon kh«ng truyÒn tíi ®ã ). - Nh÷ng cùc ®¹i nhiÔu x¹ x¸c ®Þnh theo ®iÒu kiÖn (3) øng víi vÞ trÞ t¹i ®ã mËt ®é x¸c suÊt t×m thÊy photon cã gi¸ trÞ lín nhÊt .

NÕu chän trôc täa ®é Ox n»m trong mÆt ph¼ng cña khe hÑp b vµ h−íng vu«ng gãc víi chiÒu dµi khe hÑp, th× vÞ trÝ cña photon khi truyÒn qua khe hÑp cã to¹ ®é thay ®æi trong kho¶ng 0 ≤ x ≤ b , tøc lµ cã ®é bÊt ®Þnh : (4) ∆x ≈ b cßn ®éng l−îng p cña photon sau khi bÞ nhiÔu x¹ qua khe hÑp sÏ thay ®æi ph−¬ng truyÒn nªn h×nh chiÕu cña ®éng l−îng p trªn trôc Ox khi ®ã

V× khã x¸c ®Þnh chÝnh x¸c vÞ trÝ cña cùc tiÓu nhiÔu x¹ bËc 1, nªn ng−êi ta th−êng thay ®o kho¶ng c¸ch a b»ng phÐp ®o kho¶ng c¸ch a ′ tÝnh tõ ®Ønh cùc ®¹i nhiÔu x¹ chÝnh gi÷a ®Õn ®Ønh cùc ®¹i nhiÔu x¹ bËc 1 . VÞ trÝ ®Ønh cùc ®¹i nhiÔu x¹ bËc 1 øng víi gãc

cã thÓ thay ®æi trong kho¶ng 0 ≤ p x ≤ p.sin ϕ ,

hoÆc tõ ®iÒu kiÖn (3) :

lÖch ϕ 1′ cã thÓ x¸c ®Þnh tõ h×nh 1:

tgϕ 1′ =

tøc lµ cã ®é bÊt ®Þnh :

∆p x ≈ p.sin ϕ

(5)

V× ®a sè photon r¬i vµo cùc ®¹i nhiÔu x¹ chÝnh gi÷a trªn mµn E cã ®é réng a ®óng b»ng kho¶ng c¸ch gi÷a hai cùc tiÓu nhiÔu x¹ bËc 1 øng víi gi¸ trÞ sin ϕ 1 = ± λ / b , nªn ®é bÊt ®Þnh

sin ϕ 1′ =

KÕt hîp (4) víi (6) vµ thay sin ϕ 1 =

(6)

λ b

, ®ång

thêi chó ý ®Õn (1), ta nhËn ®−îc :

∆x . ∆p x ≈ h

(7)

HÖ thøc (7) gäi lµ hÖ thøc bÊt ®Þnh Heisenberg, nã cho biÕt vÞ trÝ vµ ®éng l−îng cña photon kh«ng ®−îc x¸c ®Þnh ®ång thêi, nghÜa lµ vÞ trÝ cña photon cµng x¸c ®Þnh ( ∆x cµng nhá) th× ®éng l−îng cña nã cµng kh«ng x¸c ®Þnh ( ∆p x cµng lín) vµ ng−îc l¹i . Trong thÝ nghiÖm nµy, ta sÏ kh¶o s¸t sù ph©n bè c−êng ®é s¸ng trªn ¶nh nhiÔu x¹ qua khe hÑp cña chïm photon trong chïm s¸ng laser, tõ ®ã x¸c ®Þnh vÞ trÝ c¸c cùc ®¹i vµ cùc tiÓu nhiÔu x¹. §ång thêi, nghiÖm l¹i hÖ thøc bÊt ®Þnh Heisenberg b»ng c¸ch x¸c ®Þnh gi¸ trÞ cña gãc ϕ 1 øng víi vÞ trÝ cña cùc tiÓu thø nhÊt. Tõ h×nh 1, ta dÔ dµng nhËn thÊy :

a tgϕ 1 = L

a  ∆p x ≈ ⋅ sin arctg   λ L

a  ⋅ sin arctg  ≈ 1  λ L

(12)

theo a ′ theo c¸ch sau :

a′ 3 λ ≈ L 2. b a λ tgϕ 1 ≈ sin ϕ 1 ⇒ ≈ L b

tgϕ 1′ ≈ sin ϕ 1′ ⇒

suy ra :

tgϕ 1 =

a λ 2 a′ ≈ = ⋅ L b 3 L

(13)

Khi ®ã hÖ thøc ( 10 ) ®−îc viÕt l¹i thµnh :

b

λ

2 a′   ⋅ sin arctg ⋅  ≈ 1  3 L

(14)

Nh− vËy sau khi x¸c ®Þnh ®−îc ®é réng a ′ vµ kho¶ng c¸ch L, ta cã thÓ nghiÖm l¹i hÖ thøc bÊt ®Þnh Heisenberg gi¸n tiÕp th«ng qua hÖ thøc (14), nÕu biÕt ®é réng b cña khe hÑp vµ b−íc sãng λ cña chïm laser . 2. S¬ l−îc vÒ nguån s¸ng laser : Laser lµ c¸c bøc x¹ ®iÖn tõ cã ®é ®¬n s¾c cao, cã c−êng ®é lín, cã tÝnh kÕt hîp vµ ®Þnh h−íng cao (ch÷ viÕt t¾t cña côm tõ tiÕng Anh "Light Amplification by Stimulated Emisson of Radiation" nghÜa lµ "KhuÕch ®¹i ¸nh s¸ng b»ng ph¸t x¹ c¶m øng")

(8)

(9)

Thay tiÕp (4)(9) vµo (7) vµ sau khi chia cho h, ta nhËn ®−îc :

b

3λ 2. b

E2

víi a lµ kho¶ng c¸ch tõ ®Ønh cùc ®¹i nhiÔu x¹ chÝnh gi÷a ®Õn cùc tiÓu nhiÔu x¹ bËc 1 vµ L lµ kho¶ng c¸ch tõ mµn ¶nh E ®Õn mÆt ph¼ng cña khe hÑp b . NÕu thay (8) vµo (6) vµ chó ý ®Õn (1), ta cã :

h

(11)

Nh−ng v× ϕ 1 vµ ϕ 1′ nhá, nªn cã thÓ tÝnh a

cña h×nh chiÕu p x cã thÓ coi gÇn ®óng b»ng :

∆p x ≈ p.sin ϕ 1

a′ L

(10)

hÊp thô

ph¸t x¹ E1 H×nh 2

Khi chiÕu bøc x¹ ®iÖn tõ ®¬n s¾c cã tÇn sè

v

vµo mét chÊt,

electron ho¸ trÞ cña c¸c nguyªn tö ë møc n¨ng l−îng c¬ b¶n E1 hÊp thô bøc x¹ vµ chuyÓn lªn møc n¨ng l−îng kÝch thÝch E2 cao h¬n ( E2 > E1 ). Nh−ng c¸c electron chØ tån t¹i ë møc n¨ng l−îng bÞ kÝch thÝch E2 trong kho¶ng thêi gian ng¾n (cì 10-3 s ÷ 10-8 s ) - gäi lµ thêi gian sèng

τ , sau ®ã chóng l¹i

chuyÓn vÒ møc n¨ng l−îng c¬ b¶n E1 vµ ph¸t x¹ bøc x¹ ( H. 2).

Sù chuyÓn møc n¨ng l−îng khi hÊp thô hoÆc ph¸t x¹®Òu tu©n theo hÖ thøc Einstein :

ε = h. ν = E 2 − E1 víi h = 6,625.10

-34

E2

(15)

J.s lµ h»ng sè Planck vµ

ε = hv

lµ

photon cña bøc x¹ ®iÖn tõ . Nh− vËy, nÕu sè electron ë møc n¨ng l−îng c¬ b¶n E1 cµng nhiÒu th× kh¶ n¨ng ®Ó nguyªn tö hÊp thô bøc x¹ cµng lín; cßn nÕu sè electron ë møc n¨ng l−îng kÝch thÝch E2 cµng nhiÒu th× kh¶ n¨ng ®Ó nguyªn tö ph¸t x¹ cµng lín. Nãi c¸ch kh¸c lµ : x¸c suÊt x¶y ra hÊp thô tû lÖ víi mËt ®é N1 cña electron ë møc n¨ng l−îng c¬ b¶n E1 vµ x¸c suÊt x¶y ra ph¸t x¹ tû lÖ víi mËt ®é N2 cña electron ë møc n¨ng l−îng kÝch thÝch E2 . Th«ng th−êng, mËt ®é electron N2 < N1 , nªn x¸c suÊt x¶y ra ph¸t x¹ nhá h¬n x¸c suÊt x¶y ra hÊp thô . Trong ®iÒu kiÖn nµy , qu¸ tr×nh ph¸t x¹ kh«ng cã tÝnh kÕt hîp vµ ®−îc gäi lµ ph¸t x¹ tù ph¸t , trong ®ã c¸c bøc x¹ tù ph¸t hoµn toµn ®éc lËp víi nhau, kh«ng cã liªn hÖ vÒ pha vµ h−íng. Nh−ng, nÕu b»ng c¸ch nµo ®ã t¹o ra ®−îc mËt ®é electron N2 > N1, th× x¸c suÊt x¶y ra ph¸t x¹ lín h¬n x¸c suÊt x¶y ra hÊp thô. Khi ®ã qu¸ tr×nh ph¸t x¹ cã tÝnh kÕt hîp vµ ®−îc gäi lµ ph¸t x¹ c¶m øng, trong ®ã c¸c bøc x¹ c¶m øng cã cïng tÇn sè, cïng pha, cïng h−íng vµ cïng ®é ph©n cùc víi bøc x¹ kÝch thÝch. Nh− vËy, ®iÒu kiÖn cÇn ®Ó cã thÓ x¶y ra ph¸t x¹ c¶m øng lµ cã sù ®¶o mËt ®é h¹t, nghÜa lµ mËt ®é nguyªn tö ë tr¹ng th¸i n¨ng l−îng bÞ kÝch thÝch ph¶i lín h¬n mËt ®é nguyªn tö ë tr¹ng th¸i n¨ng l−îng c¬ b¶n. M«i tr−êng chÊt ë tr¹ng th¸i cã sù ®¶o mËt ®é h¹t ®−îc gäi lµ m«i tr−êng kÝch ho¹t. Cã thÓ t¹o ra sù ®¶o mËt ®é h¹t trong m«i tr−êng kÝch ho¹t nhê ph−¬ng ph¸p kÝch thÝch kiÓu "b¬m ®iÖn" (phãng ®iÖn qua m«i tr−êng kÝch ho¹t), hoÆc kiÓu "b¬m quang" (dïng nguån s¸ng thÝch hîp cã c−êng ®é m¹nh chiÕu vµo m«i tr−êng kÝch ho¹t ) theo nguyªn t¾c sau (H. 3) : Gi¶ sö hai møc n¨ng l−îng E1 , E2 (víi E2 > E1 ) cã mËt ®é nguyªn tö t−¬ng øng lµ N1 ,N2 vµ lóc ®Çu N1 > N2 . ChiÕu bøc x¹ kÝch thÝch cã tÇn sè v tho¶ m·n hÖ thøc (15) vµo m«i tr−êng chÊt, mét sè nguyªn tö ®−îc "b¬m" tõ møc E1 lªn møc E2, nªn N1 gi¶m vµ N2 t¨ng. Nh−ng khi N2 t¨ng, x¸c suÊt x¶y ra ph¸t x¹ (nghÜa lµ qu¸ tr×nh nguyªn tö chuyÓn tõ møc E2 vÒ møc E1) còng t¨ng lªn. Do ®ã, N2 l¹i gi¶m vµ N1 t¨ng. KÕt qu¶ lµ kh«ng thÓ ®¹t tíi tr¹ng th¸i ®¶o mËt ®é h¹t trong m«i tr−êng kÝch ho¹t. §Ó t¹o ra tr¹ng th¸i ®¶o mËt ®é h¹t, ng−êi ta dïng m«i tr−êng kÝch ho¹t trong ®ã nguyªn tö cã ba (hoÆc bèn) møc n¨ng l−îng E1 , E2 , E3 sao cho thêi gian sèng gian sèng

E3

τ 3 cña nguyªn tö ë møc E3 rÊt nhá so víi thêi τ 2 ë møc E2 . B»ng ph−¬ng ph¸p "b¬m" sao cho

c¸c nguyªn tö bÞ kÝch thÝch sÏ chuyÓn tõ møc E1 lªn møc E3 .

E1 H×nh 3 V×

τ 3 < τ 2 , nªn c¸c nguyªn tö ë møc E3 nhanh chãng

chuyÓn vÒ møc E2 ®Ó t¹o ra tr¹ng th¸i ®¶o mËt ®é h¹t N2 > N1 vµ dÉn tíi hiÖn t−îng ph¸t x¹ c¶m øng . HiÖn nay cã nhiÒu lo¹i nguån ph¸t laser, trong ®ã m«i tr−êng kÝch ho¹t cã thÓ lµ chÊt khÝ, láng, r¾n, b¸n dÉn. Laser khÝ He-Ne sö dông chÊt kÝch ho¹t lµ hçn hîp khÝ Heli (90%) vµ khÝ Neon (10%) ë ¸p suÊt thÊp. Laser hång ngäc sö dông chÊt kÝch ho¹t lµ thanh hång ngäc Rubi ( tinh thÓ Al203 ) cã pha ion Cr+3 víi tû lÖ 0,05% . Trong thÝ nghiÖm nµy, ta dïng diode laser - th−êng gäi lµ laser b¸n dÉn. Cho mét dßng ®iÖn mét chiÒu cã c−êng ®é thÝch hîp ch¹y qua líp tiÕp xóc p-n t¹o ra tõ chÊt b¸n dÉn c¬ b¶n GaAs, tia laser hång ngo¹i sÏ ®−îc ph¸t ra do qu¸ tr×nh t¸i hîp p-n. §©y lµ qu¸ tr×nh biÕn ®æi trùc tiÕp kh¸ hiÖu qu¶ tõ ®iÖn n¨ng thµnh quang n¨ng laser. Nguyªn t¾c t¹o ra tr¹ng th¸i ®¶o mËt ®é trong diode laser nh− sau : C¸c electron trong vïng ho¸ trÞ nhê mét qu¸ tr×nh "b¬m" (®iÖn hoÆc quang) sÏ chuyÓn lªn vïng dÉn. KÕt qu¶ lµ gi÷a c¸c møc n¨ng l−îng thÊp cña vïng dÉn vµ c¸c møc n¨ng l−îng cao cña vïng ho¸ trÞ cã hiÖn t−îng ®¶o mËt ®é electron : ®ã lµ tr¹ng th¸i kh«ng c©n b»ng vµ nã chØ tån t¹i trong kho¶ng thêi gian rÊt ng¾n 10-13 s ®ñ ®Ó g©y ra hiÖuøng laser .

II. Tr×nh tù thÝ nghiÖm 1. Bé thiÕt bÞ kh¶o s¸t nhiÔu x¹ cña tia laser Bé thiÕt bÞ gåm mét diode laser DL (3,8V-5 mW) ph¸t ra chïm tia laser mµu ®á chiÕu vu«ng gãc vµo mÆt ph¼ng cña khe hÑp (dïng khe hÑp cã ®é réng b = 0,10 mm). Chïm tia laser bÞ nhiÔu x¹ truyÒn qua khe hÑp vµ cho ¶nh nhiÔu x¹ trªn mµn E. §Ó kh¶o s¸t vÞ trÝ c¸c cùc ®¹i nhiÔu x¹ vµ sù ph©n bè c−êng ®é s¸ng cña chóng, ta dïng mét c¶m biÕn quang ®iÖn silicon Q§ cã thÓ di chuyÓn ®−îc nhê mét th−íc panme P g¾n liÒn víi nã trªn mÆt cña mµn ¶nh E (b»ng kim lo¹i) ®Æt th¼ng ®øng .

E K1

µA

b P Q§

DL

R

"0" 1 10 100

B

K C + K§

G H×nh 4

-

Toµn bé thiÕt bÞ ®Æt trªn gi¸ quang häc G. TÝn hiÖu laser räi vµo c¶m biÕn quang ®iÖn Q§ ®−îc ®−a vµo bé khuÕch ®¹i vµ chØ thÞ phæ nhiÔu x¹ K§ b»ng mét chèt c¾m nhiÒu ®Çu C .

3. §iÒu chØnh bé khuÕch ®¹i vµ chØ thÞ phæ

2. T×m ¶nh nhiÔu x¹ cña chïm tia laser qua

ë vÞ trÝ 10 vµ vÆn nóm biÕn trë R cña nã vÒ vÞ trÝ tËn cïng bªn ph¶i. BÊm kho¸ ®ãng ®iÖn K trªn mÆt cña bé khuÕch ®¹i K§. Chê kho¶ng 5 phót ®Ó bé khuÕch ®¹i K§ æn ®Þnh vµ tiÕn hµnh kiÓm tra sè 0 cña micr«ampekÕ µA b»ng c¸ch : che s¸ng

c¸ch tö ph¼ng : a. C¾m phÝch lÊy ®iÖn cña nguån diode laser DL vµo nguån ®iÖn xoay chiÒu ~220V. BËt c«ngt¾c K1 cña diode laser DL, ta nhËn ®−îc chïm tia laser mµu ®á . VÆn c¸n th−íc panme P ®Ó sè ®o cña nã ë vÞ trÝ kho¶ng 12mm. VÆn nhÑ c¸c vÝt h·m thÝch hîp trªn hÖ thèng gi¸ ®ì G ®Ó : - §Æt hép b¶o vÖ khe hÑp ë vÞ trÝ n»m nghiªng, kh«ng ch¾n chïm tia laser . - §iÒu chØnh vÞ trÝ cña diode laser DL sao cho cöa sæ cña nã n»m ë cïng ®é cao víi khe hë cña mÆt c¶m biÕn quang ®iÖn Q§ (®o b»ng th−íc milimÐt ) vµ chïm tia laser chiÕu ®óng vµo gi÷a khe hë cña c¶m biÕn quang ®iÖn Q§ . b. Thùc hiÖn "chuÈn trùc" hÖ quang häc : - §Æt bµn tr−ît B c¸ch diode laser DL kho¶ng 10cm. §iÒu chØnh vÞ trÝ cña khe hÑp trong mÆt ph¼ng th¼ng ®øng ®Ó vÖt s¸ng cña chïm tia laser räi vu«ng gãc vµo gi÷a mÆt khe hÑp. Khi ®ã chïm tia laser ph¶n x¹ trªn mÐp khe hÑp sÏ cho ¶nh trïng ®óng víi cöa sæ cña diode laser DL . - ¸p s¸t mét c¹nh cña bµn tr−ît B víi c¹nh cña gi¸ ®ì G vµ dÞch chuyÓn tõ tõ bµn tr−ît B ra xa dÇn diode laser DL tíi gÇn s¸t c¶m biÕn quang ®iÖn Q§, ®ång thêi quan s¸t vÞ trÝ vÖt s¸ng cña chïm tia laser trªn mÆt khe hÑp. NÕu vÖt s¸ng nµy bÞ lÖch dÇn vÒ mét phÝa (bªn ph¶i hoÆc bªn tr¸i, lªn cao hoÆc xuèng thÊp), th× cÇn ph¶i vÆn láng vÝt h·m diode laser DL vµ xoay nhÑ nã vÒ phÝa ng−îc l¹i ®Ó ®iÒu chØnh sao cho khi tiÕp tôc dÞch chuyÓn bµn tr−ît B l¹i gÇn hoÆc ra xa diode laser DL däc theo gi¸ ®ì G mµ vÖt s¸ng cña chïm tia laser vÉn gi÷ nguyªn vÞ trÝ cña nã trªn mÆt khe hÑp vµ ¶nh nhiÔu x¹ (gåm mét sè cùc ®¹i s¸ng) hiÖn râ trªn mÆt c¶m biÕn quang ®iÖn Q§ . - Sau ®ã, dÞch chuyÓn bµn tr−ît B tíi vÞ trÝ sao cho mÆt khe hÑp n»m c¸ch mÆt c¶m biÕn quang ®iÖn Q§ mét kho¶ng L = 500mm (®äc trªn mÆt bµn tr−ît B vµ trªn th−íc th¼ng milimÐt T b»ng kim lo¹i g¾n víi mÆt cña gi¸ ®ì G). Gi÷ cè ®Þnh kho¶ng c¸ch nµy trong suèt qu¸ tr×nh thùc hiÖn phÐp ®o .

nhiÔu x¹ K§ : a. C¾m phÝch lÊy ®iÖn cña bé khuÕch ®¹i vµ chØ thÞ phæ nhiÔu x¹ K§ vµo nguån ~220V. §Æt nóm chän thang ®o cña micr«ampekÕ ®iÖn tö µA

hoµn toµn khe hë cña c¶m biÕn quang ®iÖn Q§, nÕu kim cña micr«ampekÕ µA lÖch khái sè 0 th× ph¶i vÆn tõ tõ nóm "qui 0" ®Ó ®iÒu chØnh cho kim chØ thÞ cña nã quay vÒ ®óng sè 0 . b. VÆn tõ tõ c¸n cña panme P sao cho cùc ®¹i s¸ng gi÷a (cã c−êng ®é s¸ng lín nhÊt) cña ¶nh nhiÔu x¹ lät vµo ®óng gi÷a khe hë cña c¶m biÕn quang ®iÖn Q§ . Khi ®ã kim cña micr«ampekÕ µA lÖch m¹nh nhÊt. VÆn nóm xoay cña biÕn trë R cña bé khuÕch ®¹i K§ ng−îc chiÒu kim ®ång hå sao cho kim cña micr«ampekÕ µA lÖch tíi v¹ch 80 hoÆc 90. (NÕu kh«ng ®¹t ®−îc ®é lÖch nµy, ta ph¶i vÆn nóm chuyÓn m¹ch thang ®o cña micr«ampekÕ sang vÞ trÝ 1 øng víi ®é nh¹y lín nhÊt cu¶ nã). 4. Kh¶o s¸t sù ph©n bè c−êng ®é s¸ng trong ¶nh nhiÔu x¹ laser : V× c−êng ®é s¸ng trong ¶nh nhiÔu x¹ laser tû lÖ víi c−êng ®é I cña dßng quang ®iÖn trªn micr«anpekÕ µ A , nªn ta cã thÓ kh¶o s¸t sù ph©n bè c−êng ®é s¸ng trong ¶nh nhiÔu x¹ laser trªn mµn E b»ng c¸ch kh¶o s¸t sù biÕn thiªn c−êng ®é I cña dßng quang ®iÖn phô thuéc vµo vÞ trÝ x cña c¸c cùc ®¹i chÝnh trong ¶nh nhiÔu x¹ . Muèn vËy, ta vÆn tõ tõ panme P ®Ó dÞch chuyÓn khe hë cña c¶m biÕn quang ®iÖn Q§ trong kho¶ng tõ vÞ trÝ gÇn phÝa bªn tr¸i cña ®Ønh cùc ®¹i nhiÔu x¹ chÝnh gi÷a ®Õn vÞ trÝ gÇn phÝa bªn ph¶i cña ®Ønh cùc ®¹i nhiÔu x¹ bËc 1 trong ¶nh nhiÔu x¹ trªn mµn E . Mçi lÇn chØ dÞch chuyÓn mét kho¶ng nhá b»ng 0,05mm. §äc vµ ghi gi¸ trÞ c−êng ®é I cña dßng quang ®iÖn trªn micr«anpekÕ µ A t−¬ng øng mçi vÞ trÝ x trªn panme P vµo b¶ng 1. C¨n cø vµo c¸c sè liÖu nµy, vÏ ®å thÞ I = f ( x ) . CÇn chó ý c¸c ®iÓm sau ®©y ®Ó thùc hiÖn tèt phÐp ®o :

a. §Ó x¸c ®Þnh ®óng vÞ trÝ ®Ønh cña c¸c cùc ®¹i nhiÔu x¹, ta ph¶i kiÓm tra c−êng ®é I cña dßng quang ®iÖn b»ng c¸ch dÞch chuyÓn panme P tõng 0,01mm t¹i nh÷ng vÞ trÝ n»m l©n cËn vÒ hai phÝa c¸c ®Ønh cùc ®¹i nhiÔu x¹ nµy . b. Khi quay c¸n trôc vÝt cña th−íc panme ®óng mét vßng th× mÐp cña du xÝch trßn trªn panme dÞch chuyÓn ngang mét ®o¹n ®óng b»ng 0,50mm däc theo v¹ch chuÈn ngang cña mét th−íc kÐp th¼ng h×nh trô bao ngoµi trôc vÝt. Du xÝch trßn cã 50 ®é chia b»ng nhau, nªn mçi ®é chia cña nã b»ng

0,50mm = 0,01mm . Gi¸ trÞ nµy gäi lµ ®é 50

chÝnh x¸c cña panme. Th−íc kÐp th¼ng cña panme gåm hai th−íc milimÐt kh¾c ë hai bªn v¹ch chuÈn ngang vµ cã c¸c ®é chia lÖch nhau tõng 0,50 mm. Nh− vËy vÞ trÝ x bÊt kú cña trôc vÝt panme ®−îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc : - NÕu du xÝch trßn n»m bªn ph¶i gÇn s¸t v¹ch chia cña th−íc milimÐt phÝa trªn th× : x = N + 0,01.n ( mm ) - NÕu du xÝch trßn n»m bªn ph¶i gÇn s¸t v¹ch chia cña th−íc milimÐt phÝa d−íi th× : x = N + 0,50 + 0,01.n ( mm ) trong ®ã N lµ sè milinÐt, cßn n lµ sè thø tù cña v¹ch chia trªn du xÝch trßn n»m trïng víi v¹ch chuÈn ngang cña th−íc kÐp th¼ng trªn panme . 5. NghiÖm hÖ thøc bÊt ®Þnh Heisenberg : a. C¨n cø vµo c¸c sè liÖu trong b¶ng 1 ( khi dïng khe hÑp cã ®é réng b = 0,10 mm ) kÕt hùop víi ®å thÞ I = f ( x ) ®Ó x¸c ®Þnh kho¶ng c¸ch a ′ tÝnh tõ ®Ønh cùc ®¹i nhiÔu x¹ chÝnh gi÷a ®Õn ®Ønh cùc ®¹i nhiÔu x¹ bËc 1. Ghi gi¸ trÞ cña a ′ vµo b¶ng 2 . b. DÞch chuyÓn nhÑ nóm ®iÒu chØnh ë mÆt bªn cña hép b¶o vÖ khe hÑp ®Ó lÇn l−ît thay thÕ khe hÑp b = 0 ,10 mm b»ng c¸c khe hÑp kh¸c cã ®é réng b = 0 ,05 mm vµ b = 0 ,20 mm .

Víi mçi khe hÑp cã ®é réng nãi trªn, thùc hiÖn phÐp ®o kho¶ng c¸ch a ′ trong ¶nh nhiÔu x¹ ( kh«ng cÇn kh¶o s¸t sù ph©n bè c−êng ®é s¸ng ) trªn mµn E . Ghi gi¸ trÞ cña a ′ t−¬ng øng víi mçi khe hÑp vµo b¶ng 2 . c. §äc vµ ghi c¸c sè liÖu sau ®©y vµo b¶ng 2 : - B−íc sãng λ cña chïm tia laser . - Kho¶ng c¸ch L tõ mµn ¶nh E (mÆt c¶m biÕn quang ®iÖn Q§ ) ®Õn mÆt khe hÑp . - §é chÝnh x¸c cña th−íc panme dïng ®o kho¶ng c¸ch a ′ . - §é chÝnh x¸c cña th−íc th−íc th¼ng milimÐt dïng ®o kho¶ng c¸ch L . III. C©u hái kiÓm tra 1. Ph¸t biÓu thuyÕt photon cña Einstein vÒ b¶n chÊt cña ¸nh s¸ng . 2. Ph¸t biÓu gi¶ thuyÕt cña De Broglie vÒ l−âng tÝnh sãng -h¹t cña c¸c vi h¹t . 3. §Þnh nghÜa hiÖn t−îng nhiÔu x¹ photon (nhiÔu x¹ ¸nh s¸ng) truyÒn qua mét khe hÑp vµ m« t¶ ¶nh nhiÔu x¹ thu ®−îc trªn mµn E ®Æt song song víi mÆt khe hÑp . 4. Gi¶i thich ®Þnh tÝnh kÕt qu¶ cña hiÖn t−îng nhiÔu x¹ photon theo quan ®iÓm sãng vµ quan ®iÓm h¹t . 5. ThiÕt lËp hÖ thøc bÊt ®Þnh Heisenberg ®èi víi photon. Nªu râ ý nghÜa vËt lý cña hÖ thøc nµy . 6. §Þnh nghÜa laser . Nªu nguyªn t¾c t¹o ra tr¹ng th¸i®¶o mËt ®é h¹t. Ph©n biÖt sù ph¸t x¹ tù ph¸t vµ sù ph¸t x¹ c¶m øng cña c¸c nguyªn tö . M« t¶ nguyªn t¾c ho¹t ®én cña diode laser . 7. M« t¶ thiÕt bÞ thÝ nghiÖm vµ ph−¬ng ph¸p kh¶o s¸t sù ph©n bè c−êng ®é s¸ng trong ¶nh nhiÔu x¹ cña chïm photon.

B¸o c¸o thÝ nghiÖm

Kh¶o s¸t nhiÔu x¹ tia laser qua khe hÑp NghiÖm hÖ thøc bÊt ®Þnh heisenberg X¸c nhËn cña thµy gi¸o Tr−êng §¹i häc B¸ch khoa Hµnéi Líp ...................Tæ ..................... Hä tªn ......................................... I. Môc ®Ých thÝ nghiÖm ......................................................................................................................................................................... ................................................................................................................................................................. ..................................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................................... II. kÕt qu¶ thÝ nghiÖm 1. Kh¶o s¸t sù ph©n bè c−êng ®é s¸ng trªn ¶nh nhiÔu x¹ cña chïm laser : B¶ng 1 - §é réng cña khe hÑp : b = ..........................(mm) - B−íc sãng cña chïm tia laser : λ = ......................... ( µm) - Kho¶ng c¸ch tõ mµn E ®Õn mÆt khe hÑp : L = ..............( mm ) - §é chÝnh x¸c cña th−íc panme : ............................... ..... - §é chÝnh x¸c cña th−íc th−íc milimÐt : ...............................

x (mm)

I ( µA )

x (mm)

I ( µA )

x (mm)

I ( µA )

x (mm)

I ( µA )

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

VÏ ®å thÞ I = f ( x )

2. NghiÖm hÖ thøc bÊt ®Þnh Heisenberg : B¶ng 2 - B−íc sãng cña chïm tia laser : λ = ......................... ( µm) - Kho¶ng c¸ch tõ mµn E ®Õn mÆt khe hÑp : L = ..............( mm ) - §é chÝnh x¸c cña th−íc panme : ............................... ..... - §é chÝnh x¸c cña th−íc th−íc milimÐt ...............................

b (mm)

a′ (mm)

b

λ

2 a′   ⋅ sin arctg   3 L

0,10 0,05 0,20

So s¸nh kÕt qu¶ tÝnh biÓu thøc

2 a′   ⋅ sin arctg  trong b¶ng 2 víi hÖ thøc ( 14 ). Tõ ®ã kÕt luËn :  λ 3 L b

HÖ thøc Heisenberg ............................................... ( ®−îc nghiÖm ®óng hoÆc kh«ng nghiÖm ®óng )