🔆

Lab 89 — การทดลองฟรังก์–เฮิรตซ์: ระดับพลังงานไม่ต่อเนื่อง (3D)

เร่งอิเล็กตรอนผ่านไอของธาตุในหลอด · เพิ่มความต่างศักย์เร่งทีละ 0.1 V แล้วอ่านกระแสที่แผ่นเก็บ · หาตำแหน่งที่กระแสตกลงเป็นชุด ๆ · ระยะห่างของจุดตก = พลังงานกระตุ้นของอะตอม (eV) · หาความยาวคลื่นที่อะตอมคายออกมา และระบุธาตุปริศนา

3D · three.js KP Science simulation
🎯 สิ่งที่ต้องวัด: กระแสที่แผ่นเก็บ I ที่ความต่างศักย์เร่ง U ต่าง ๆ (เพื่อเขียนกราฟ I–U) และ ตำแหน่ง U ที่กระแสต่ำสุดแต่ละจุด — รายละเอียดวัตถุประสงค์อยู่ในแท็บ 📋 วิธีการทดลอง
🖐 จับ ปุ่มปรับความต่างศักย์เร่ง 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
ตารางบันทึกผลและธาตุปริศนาที่ซ่อนไว้ไม่เปลี่ยน
🧭 ตอนนี้ต้องทำอะไร
🧪 หลอดฟรังก์–เฮิรตซ์
🔥 อุณหภูมิเตาอบ
อุณหภูมิสูง = ไอของธาตุหนาแน่นขึ้น อิเล็กตรอนชนบ่อยขึ้น กระแสรวมลดลงแต่จุดตกของกระแสชัดขึ้น · ความต่างศักย์ต้านที่แผ่นเก็บตั้งไว้คงที่ 1.5 V
🎛 ความต่างศักย์เร่ง U
ลากปุ่มปรับในภาพ 3D หรือใช้ปุ่มด้านล่าง (0.0 – 30.0 V ทีละ 0.1 V) แล้วอ่านหน้าปัดบนแผงวัด
กระแสที่อ่านได้
—
จุดที่บันทึกแล้ว
0
📊 ผลที่บันทึกล่าสุด
ยังไม่มีการบันทึก — ปรับ U อ่านกระแส แล้วกรอกในกรอบ “📝 บันทึกผลการวัด”
📋 ตารางบันทึกผล
① จุดข้อมูล I – U
② ตำแหน่งที่กระแสต่ำสุด → พลังงานกระตุ้น
📈 กราฟจากข้อมูลที่บันทึก
🎯 ตรวจคำตอบ
พลังงานกระตุ้นของหลอด X = eV
λ ของโฟตอนที่อะตอม X คายออกมา = nm
ธาตุในหลอด X คือ
พลังงาน: คลาดไม่เกิน 3% · λ: คลาดไม่เกิน 3% · โหมดวัดเองไม่แสดงค่าจริง

วัตถุประสงค์

เมื่อจบการทดลองนี้ นักเรียนสามารถ

  1. เขียนกราฟกระแสที่แผ่นเก็บกับความต่างศักย์เร่ง ของหลอดฟรังก์–เฮิรตซ์ และอธิบายว่าทำไมกระแสจึงขึ้น ๆ ลง ๆ เป็นชุด
  2. หาตำแหน่ง U ที่กระแสต่ำสุดหลายจุด แล้วใช้ระยะห่างเฉลี่ยหาพลังงานกระตุ้นของอะตอม (หน่วย eV)
  3. อธิบายว่าผลการทดลองนี้เป็นหลักฐานว่าอะตอมมีระดับพลังงานไม่ต่อเนื่อง และการชนแบบไม่ยืดหยุ่นเกิดได้เฉพาะเมื่ออิเล็กตรอนมีพลังงานถึงค่าที่กำหนด
  4. คำนวณความยาวคลื่นของโฟตอนที่อะตอมคายออกมาเมื่อกลับสู่สถานะพื้น (λ = hc/E)
  5. ระบุธาตุปริศนาในหลอด X จากค่าพลังงานกระตุ้นที่วัดได้

อุปกรณ์ (เสมือนจริง)

ขั้นตอน

ตอน ก: กราฟ I – U ของหลอดปรอท

  1. เลือก หลอดปรอท อุณหภูมิ 180 °C · กด 🎛 แผงวัด
  2. เพิ่ม U ทีละ 1 V จาก 0 ถึง 30 V บันทึกคู่ (U, I) ไปเรื่อย ๆ (อย่างน้อย 15 จุด) เพื่อเขียนกราฟ
  3. ดูกราฟ I – U ในแผงด้านข้าง จะเห็นกระแสตกลงเป็นชุดอย่างสม่ำเสมอ

ตอน ข: หาตำแหน่งกระแสต่ำสุด

  1. ใกล้จุดที่กระแสตก ให้ปรับ U ทีละ 0.1 V จนพบค่าที่กระแสต่ำที่สุด แล้วบันทึก — ระบบจะทำเครื่องหมายว่าเป็นจุดต่ำสุดลำดับที่เท่าใด
  2. ทำให้ครบอย่างน้อย 4 จุด ตาราง ② จะคำนวณระยะห่าง ΔU ของจุดต่อเนื่องและค่าเฉลี่ยให้
  3. ΔU เฉลี่ย (หน่วย V) = พลังงานกระตุ้น (หน่วย eV) · เทียบกับค่าจริงของปรอท 4.9 eV

ตอน ค: หลอดปริศนา X

  1. เปลี่ยนเป็น หลอด X ทำซ้ำตอน ก และ ข
  2. หาพลังงานกระตุ้นของ X · คำนวณ λ = hc/E = 1240/E(eV) nm · เทียบกับตารางในแท็บทฤษฎีเพื่อระบุธาตุ
  3. ลองเปลี่ยนอุณหภูมิเตาอบ ดูว่ากระแสรวมและความลึกของจุดตกเปลี่ยนอย่างไร แต่ระยะห่าง ΔU เปลี่ยนหรือไม่
⚠️ จุดต่ำสุดจุดแรกไม่ได้อยู่ที่ U = ΔU พอดี เพราะมีความต่างศักย์สัมผัส (contact potential) ของขั้วโลหะบวกอยู่ — จึงต้องใช้ผลต่างระหว่างจุด ไม่ใช่ตำแหน่งจุดแรก

ตารางบันทึกผล (ตัวอย่างหัวตาราง)

U (V) | I (nA) | เป็นจุดต่ำสุดลำดับที่ n | ΔU = U_n − U_(n−1) (V) | พลังงานกระตุ้น = ΔU (eV) | λ = 1240/E (nm)

คำถามท้ายการทดลอง

  1. ทำไมกระแสจึงเพิ่มขึ้นก่อนแล้วตกลงอย่างฉับพลันเป็นชุด ๆ
  2. ระยะห่างระหว่างจุดต่ำสุดบอกอะไร และเหตุใดจึงเท่ากันทุกช่วง
  3. ถ้าอิเล็กตรอนมีพลังงานน้อยกว่าพลังงานกระตุ้น การชนกับอะตอมเป็นแบบใด
  4. โฟตอนที่อะตอมคายออกมามีความยาวคลื่นเท่าใด อยู่ในช่วงใดของสเปกตรัม
  5. เปลี่ยนอุณหภูมิแล้วอะไรเปลี่ยน อะไรไม่เปลี่ยน เพราะเหตุใด

1. หลักการของการทดลองฟรังก์–เฮิรตซ์

อิเล็กตรอนจากไส้หลอดถูกเร่งด้วยความต่างศักย์ U ไปยังกริด ระหว่างทางชนกับอะตอมของไอโลหะ

ระยะห่างของจุดที่กระแสตก: e ΔU = E₁ → E₁ (eV) = ΔU (V)
โฟตอนที่คายออกมา: λ = hc / E₁ = 1240 / E₁(eV) nm

2. ความต่างศักย์สัมผัส

ตำแหน่งของจุดต่ำสุดจุดแรกคือ U₁ = E₁/e + Vcontact โดย Vcontact เกิดจากฟังก์ชันงานของขั้วที่ต่างกัน จึงต้องใช้ผลต่างระหว่างจุดต่ำสุด ซึ่งกำจัด Vcontact ออกไป

U_n = n ΔU + V_contact → กราฟ U_n กับ n เป็นเส้นตรง ความชัน = ΔU

3. ตารางพลังงานกระตุ้นระดับแรก

ปรอท Hg : 4.90 eV (λ ≈ 254 nm · อัลตราไวโอเลต)
แคดเมียม Cd : 3.80 eV (λ ≈ 326 nm)
โซเดียม Na : 2.10 eV (λ ≈ 590 nm · เหลือง)
โพแทสเซียม K : 1.61 eV (λ ≈ 770 nm · แดง/อินฟราเรดใกล้)
🔬 กด 🔬 ระดับอะตอม ที่มุมล่างซ้ายของภาพ 3D เพื่อเทียบการชน 2 แบบที่ค่า U ที่ตั้งอยู่จริง:
• ชนแบบยืดหยุ่น — อะตอมปรอทหนักกว่าอิเล็กตรอนราว 370,000 เท่า พลังงานที่ถ่ายเทได้สูงสุดคือ 4m/M ≈ 0.001% อิเล็กตรอนจึงแค่เปลี่ยนทิศ ความเร็วเกือบเท่าเดิม
• ชนแบบไม่ยืดหยุ่น — เกิดได้ต่อเมื่อพลังงานถึง 4.90 eV อะตอมดูดไปเต็มก้อนพอดี อิเล็กตรอนช้าลงฮวบจนผ่านความต่างศักย์ต้านไม่ได้ → กระแสตกเป็นหลุม
⚠️ การชนยืดหยุ่นไม่ได้ทำให้ค่าที่วัดได้เล็กลง — มันเปลี่ยนแค่ขนาดกระแสและความลึกของหลุม (ซึ่งคือสิ่งที่ปุ่ม 🔥 อุณหภูมิทำ) ส่วนระยะห่างระหว่างหลุม เท่ากับพลังงานกระตุ้นเสมอ
💡 แบบจำลอง: I(U) เพิ่มตาม U แล้วมีหลุมลึกที่ U = n·ΔU + V_contact (V_contact สุ่มต่อการเปิดหน้า) · หลุมลึกขึ้นเมื่อ n มากขึ้นและเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น · แอมมิเตอร์มีสัญญาณรบกวน ±0.25 nA · ธาตุในหลอด X สุ่มจากตารางข้างบน (ไม่ใช่ปรอท)