⚛️

Lab 88 — ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก: หาค่าคงตัวของพลังค์ (3D)

ฉายแสงจากหลอดปรอทผ่านฟิลเตอร์ลงบนหลอดโฟโต · หมุนปุ่มเพิ่มความต่างศักย์ต้านจนกระแสเป็นศูนย์ อ่านศักย์หยุดยั้ง V_s · กราฟ V_s – f ความชัน h/e → หาค่า h และฟังก์ชันงานของโลหะปริศนา · ทดสอบว่าความเข้มแสงไม่เปลี่ยน V_s

3D · three.js KP Science simulation
🎯 สิ่งที่ต้องวัด: ศักย์หยุดยั้ง Vs ของแต่ละฟิลเตอร์ (ค่าที่โวลต์มิเตอร์เมื่อกระแสเป็น 0.0 nA) และกระแสที่ V = 0 ของแต่ละความเข้มแสง — รายละเอียดวัตถุประสงค์อยู่ในแท็บ 📋 วิธีการทดลอง
🖐 จับ ปุ่มปรับความต่างศักย์ บนแผงวัดแล้วลากหมุน
🖱 ลากที่ว่าง = หมุนภาพ · ล้อ = ซูม · Shift+ลาก = เลื่อน
📱 1 นิ้ว = ลาก/หมุน · 2 นิ้ว = ซูม/เลื่อน
⚠️ โหลดไลบรารี 3D (three.js) ไม่สำเร็จ หรือเบราว์เซอร์นี้ไม่รองรับ WebGL
จึงอ่านหน้าปัดในภาพ 3D ไม่ได้ — เปลี่ยนเป็นโหมด ⚡ อัตโนมัติ ในแผงด้านข้างเพื่อให้ระบบอ่านค่าให้
📝 บันทึกผลการวัด
โหมดการทดลอง
ตารางบันทึกผลและโลหะปริศนาที่ซ่อนไว้ไม่เปลี่ยน
🧭 ตอนนี้ต้องทำอะไร
🎨 ฟิลเตอร์ (เส้นของหลอดปรอท)
🔆 ความเข้มแสง (รูรับแสง)
ฟิลเตอร์เลือกเส้นสเปกตรัมเส้นเดียวจากหลอดปรอท · ความเข้มเปลี่ยนจำนวนโฟตอนต่อวินาที ไม่เปลี่ยนพลังงานของโฟตอนแต่ละตัว
🎛 ความต่างศักย์ต้าน (retarding)
ลากปุ่มปรับในภาพ 3D หรือใช้ปุ่มด้านล่าง · เพิ่มขึ้นทีละ 0.01 V จนกระแสเป็น 0.0 nA แล้วอ่านโวลต์มิเตอร์ (ระบบไม่บอกตัวเลขให้)
กระแสที่อ่านได้
—
สถานะ
—
📊 ผลที่บันทึกล่าสุด
ยังไม่มีการบันทึก — ปรับ V จนกระแสเป็น 0 อ่านโวลต์มิเตอร์ แล้วกรอกในกรอบ “📝 บันทึกผลการวัด”
📋 ตารางบันทึกผล
① ศักย์หยุดยั้งของแต่ละความยาวคลื่น
② ผลของความเข้มแสง (ฟิลเตอร์เดียวกัน)
📈 กราฟจากข้อมูลที่บันทึก
🎯 ตรวจคำตอบ
ค่าคงตัวของพลังค์ h = ×10⁻³⁴ J·s
ฟังก์ชันงาน W = eV
โลหะแคโทดคือ
h: คลาดไม่เกิน 4% · W: คลาดไม่เกิน 0.12 eV · โหมดวัดเองไม่แสดงค่าจริง

วัตถุประสงค์

เมื่อจบการทดลองนี้ นักเรียนสามารถ

  1. วัดศักย์หยุดยั้ง Vs ของแสงความยาวคลื่นต่าง ๆ ด้วยวิธีเพิ่มความต่างศักย์ต้านจนกระแสโฟโตอิเล็กทริกเป็นศูนย์
  2. เขียนกราฟ Vs กับความถี่ f แล้วหาค่าคงตัวของพลังค์ h จากความชัน (h/e) และฟังก์ชันงาน W จากจุดตัดแกน
  3. หาความถี่ขีดเริ่ม f₀ และอธิบายว่าเหตุใดแสงที่ความถี่ต่ำกว่านี้จึงไม่ทำให้เกิดโฟโตอิเล็กตรอนแม้เพิ่มความเข้มแสง
  4. แสดงด้วยข้อมูลว่าความเข้มแสงมีผลต่อกระแส แต่ไม่มีผลต่อศักย์หยุดยั้ง และอธิบายว่าทำไมทฤษฎีคลื่นของแสงจึงอธิบายข้อนี้ไม่ได้
  5. ระบุชนิดของโลหะแคโทดปริศนา จากค่า W ที่วัดได้ โดยเทียบกับตารางฟังก์ชันงาน

อุปกรณ์ (เสมือนจริง)

ขั้นตอน

ตอน ก: ศักย์หยุดยั้งของแต่ละความยาวคลื่น

  1. เลือกฟิลเตอร์ 365.0 nm ความเข้ม 100% · กด 🎛 แผงวัด เพื่อเห็นหน้าปัด
  2. ตั้ง V = 0 อ่านกระแสสูงสุด (บันทึกในช่อง ③)
  3. เพิ่มความต่างศักย์ต้านทีละ 0.1 V จนกระแสใกล้ศูนย์ แล้วละเอียดทีละ 0.01 V จนแอมมิเตอร์อ่าน 0.0 nA พอดี · อ่านโวลต์มิเตอร์ = Vs · บันทึก
  4. ทำซ้ำกับฟิลเตอร์ 404.7 · 435.8 · 546.1 · 578.0 nm (ฟิลเตอร์ใดไม่มีกระแสเลยแม้ V = 0 ให้บันทึกไว้ว่าต่ำกว่าขีดเริ่ม)

ตอน ข: ผลของความเข้มแสง

  1. เลือกฟิลเตอร์เดิม (เช่น 404.7 nm) วัด Vs และกระแสที่ V = 0 ที่ความเข้ม 25% · 50% · 100%
  2. เทียบในตาราง ② ว่ากระแสเปลี่ยนตามความเข้มหรือไม่ และ Vs เปลี่ยนหรือไม่

ตอน ค: หา h · W · f₀

  1. กราฟ Vs – f ควรเป็นเส้นตรง ความชัน = h/e → h = e × ความชัน
  2. จุดตัดแกนตั้ง = −W/e → W (eV) · จุดตัดแกนนอน = f₀ = W/h
  3. เทียบ W กับตารางฟังก์ชันงานในแท็บทฤษฎี เพื่อระบุชนิดโลหะแคโทด แล้วกรอกคำตอบในกรอบ 🎯
⚠️ อ่านค่าจากหน้าปัดในภาพ 3D เสมอ (โหมดวัดค่าเองไม่บอกตัวเลข) · ที่ V สูงกว่า Vs กระแสยังเป็น 0 อยู่ จึงต้องหาค่าแรกสุดที่กระแสกลายเป็น 0 · ฟิลเตอร์ 650 nm ใช้ทดสอบว่าแสงความถี่ต่ำไม่ทำให้เกิดกระแสเลย

ตารางบันทึกผล (ตัวอย่างหัวตาราง)

ฟิลเตอร์ λ (nm) | f = c/λ (×10¹⁴ Hz) | ความเข้ม (%) | I ที่ V = 0 (nA) | V_s (V) | E_k สูงสุด = eV_s (eV)

คำถามท้ายการทดลอง

  1. ความชันของกราฟ Vs – f มีความหมายทางฟิสิกส์อย่างไร และให้ค่า h เท่าใด
  2. เหตุใดเพิ่มความเข้มแสงแล้วกระแสเพิ่มแต่ Vs ไม่เปลี่ยน ทฤษฎีคลื่นทำนายไว้ว่าอย่างไร
  3. ฟิลเตอร์ 650 nm ไม่ให้กระแสเลย บอกอะไรเกี่ยวกับความถี่ขีดเริ่ม
  4. พลังงานจลน์สูงสุดของโฟโตอิเล็กตรอนที่ 365 nm เป็นเท่าใด (eV) และสัมพันธ์กับ W อย่างไร
  5. ถ้าเปลี่ยนโลหะแคโทดเป็นโลหะที่ W มากขึ้น กราฟจะเลื่อนไปอย่างไร

1. สมการโฟโตอิเล็กทริกของไอน์สไตน์

แสงประพฤติเป็นก้อนพลังงาน (โฟตอน) พลังงาน E = hf ต่อโฟตอน เมื่อโฟตอนหนึ่งตัวถูกดูดกลืนโดยอิเล็กตรอนหนึ่งตัว อิเล็กตรอนต้องใช้พลังงานอย่างน้อย W (ฟังก์ชันงาน) เพื่อหลุดจากผิวโลหะ ส่วนที่เหลือกลายเป็นพลังงานจลน์

Ek,max = h f − W
วัดด้วยศักย์หยุดยั้ง: e Vs = Ek,max
→ Vs = (h/e) f − W/e

กราฟ Vs กับ f เป็นเส้นตรง ความชัน = h/e (เท่ากันทุกโลหะ) และ จุดตัดแกนตั้ง = −W/e (ขึ้นกับชนิดโลหะ)

ความถี่ขีดเริ่ม: f₀ = W / h · ความยาวคลื่นขีดเริ่ม: λ₀ = hc / W
เลขที่ใช้บ่อย: hc = 1240 eV·nm

2. สิ่งที่ทฤษฎีคลื่นอธิบายไม่ได้

3. ตารางฟังก์ชันงานของโลหะ

ซีเซียม Cs : 2.14 eV (λ₀ ≈ 579 nm)
รูบิเดียม Rb : 2.26 eV (λ₀ ≈ 549 nm)
โพแทสเซียม K : 2.30 eV (λ₀ ≈ 539 nm)
โซเดียม Na : 2.36 eV (λ₀ ≈ 525 nm)
แบเรียม Ba : 2.52 eV (λ₀ ≈ 492 nm)
🔬 กด 🔬 ระดับอะตอม ที่มุมล่างซ้ายของภาพ 3D เพื่อดูสิ่งที่เกิดขึ้นบนผิวโลหะตามค่าที่ตั้งอยู่จริง:
• โฟตอนของฟิลเตอร์ที่เลือกวิ่งมาชนอิเล็กตรอนในโลหะ — 1 โฟตอนต่อ 1 อิเล็กตรอน เท่านั้น
• ถ้า hf < W จะไม่มีอิเล็กตรอนหลุดออกมาเลย แม้เพิ่มความเข้มเป็น 100% (ได้แค่โฟตอนจำนวนมากขึ้น พลังงานต่อตัวเท่าเดิม) — ลองฟิลเตอร์ 650 nm ดู
• เพิ่ม ความต่างศักย์ต้าน V แล้วดูอิเล็กตรอนวิ่งไปได้สั้นลงเรื่อย ๆ จนไปไม่ถึงขั้ว = จุดที่กระแสเป็นศูนย์ (Vs)
• เพิ่มความเข้ม = จำนวนโฟตอนมากขึ้น → อิเล็กตรอนมากขึ้น (กระแสมากขึ้น) แต่ระยะที่วิ่งไปได้เท่าเดิม = KE ต่อตัวไม่เปลี่ยน
💡 แบบจำลอง: กระแสลดลงเป็นเชิงเส้นจนเป็นศูนย์ที่ V = Vs (I = I₀(1 − V/Vs)) · แอมมิเตอร์มีสัญญาณรบกวนเล็กน้อย ±0.2 nA · โลหะแคโทดสุ่มจาก 5 ชนิดในตารางต่อการเปิดหน้า · e = 1.602 × 10⁻¹⁹ C · c = 2.998 × 10⁸ m/s · ค่าจริงของ h = 6.626 × 10⁻³⁴ J·s