PHY290 Modern Physics Laboratory ภาคการศึกษาที่ 1/2567 PDF

รายชื่ออาจารย์ผู้สอนวิชา PHY290 MODERN PHYSICS LABORATORY ประจำภาคการศึกษาที่ 1/2567 สถานที่ การทดลองที่ ชื่อการทดลอง อาจารย์ผู้สอน...

รายชื่ออาจารย์ผู้สอนวิชา PHY290 MODERN PHYSICS LABORATORY ประจำภาคการศึกษาที่ 1/2567 สถานที่ การทดลองที่ ชื่อการทดลอง อาจารย์ผู้สอน ทำการทดลอง 1 Photoelectric Effect ดร.จีรวุฒิ แก้วเสนีย์ 2 Heisenberg’s Uncertainty Principle 3 Electron Diffraction SCL306 ดร.ธนภัทร์ ดีสุวรรณ 4 Measurement e/m of Electron (ห้องมืด) 5 Zeeman Effect ดร.สมยศ เด่นจิตเจริญ 6 Faraday Effect 7 Thermionic Emission SCL303 ผศ. ดร.เขมฤทัย ถามะพัฒน์ 8 Franck-Hertz Experiment 9 Electron Spin Resonance (ห้องสว่าง) ดร.เอกภพ เกตุสมบูรณ์ 10 Hall Effect  ตารางเรียนประจำสัปดาห์ (Section 1: วันพุธ 8.30 – 11.20 น.) 28 ส.ค. 67 21 ส.ค. 67 18 ก.ย. 67 16 ต.ค. 67 13 พ.ย. 67 25 ก.ย. 67 7 ส.ค. 67 2 ต.ค. 67 9 ต.ค. 67 6 พ.ย. 67 4 ก.ย. 67 กลุ่ ม รหัสนักศึกษา ชื่อ - สกุล 64090501820 นาย อธิวฒ ั น์ พึงประเสริฐ 66090502203 นางสาวธนาวดี เจริญทรัพย์ Lab 10 Lab 1 Lab 2 Lab 3 Lab 4 Lab 5 Lab 6 Lab 7 Lab 8 Lab 9 1 66090502204 นายหัสดิน จันทราภิรมย์พร 66090502205 นายอภินันท์ จันที 66090502206 นายอัครพล ปักษี Lab 10 Lab 2 Lab 3 Lab 4 Lab 5 Lab 6 Lab 7 Lab 8 Lab 9 Lab 1 2 66090502207 นายกฤตภัค คุม้ ภัย 66090502231 นายภูบดินทร์ กฤติยาฤทธิ 66090502232 นายภูมิสทิ ธิ์ เกี่ยวศรีกลุ Lab 10 Lab 3 Lab 4 Lab 5 Lab 6 Lab 7 Lab 8 Lab 9 Lab 1 Lab 2 3 66090502259 นายเพชรัตน์ บุญพามี 66090502260 นายศิริศกั ดิ์ ใจเกลี้ยง 66090502262 นายสิรภพ มีสตั ย์ Lab 10 Lab 4 Lab 5 Lab 6 Lab 7 Lab 8 Lab 9 Lab 1 Lab 2 Lab 3 66090502264 นางสาวกรกนก พิศมัย ชีแ 4 ้ จงรายละเอีย ดของรายวิชาและการประเมินผล 66090502267 นางสาวชญานิน ลือดารา 66090502268 นางสาวธัญวรัตม์ กล้าคง Lab 10 Lab 5 Lab 6 Lab 7 Lab 8 Lab 9 Lab 1 Lab 2 Lab 3 Lab 4 5 66090502269 นางสาวปัทมวรรณ ทั่งพิมพ์ 66090502270 นางสาวภัทราวดี หมุนลี 66090502271 นางสาวโยษิตา เลาโม่ Lab 10 Lab 6 Lab 7 Lab 8 Lab 9 Lab 1 Lab 2 Lab 3 Lab 4 Lab 5 6 66090502272 นายวีระวุฒิ พรมงาม 66090502273 นางสาวสิรินดา จันทร์งาม 66090502274 นายสุนทร เติมศิลป์ Lab 10 Lab 7 Lab 8 Lab 9 Lab 1 Lab 2 Lab 3 Lab 4 Lab 5 Lab 6 7 66090502275 นายอนุพงษ์ จ่าอยู่ 66090502277 นางสาวกนกอร หุ่นดี 66090502279 นางสาวดลนภา ปิ่นประจักษ์ Lab 10 Lab 8 Lab 9 Lab 1 Lab 2 Lab 3 Lab 4 Lab 5 Lab 6 Lab 7 8 66090502283 นายเปรมพัฒณ์ ลีธนวัฒน์ 66090502285 นางสาวรุ้งลาวัลย์ เมืองนาง 66090502286 นางสาวช่อทิพย์ สิมมา Lab 10 Lab 9 66090502288 นายธีรสันต์ อยู่ไพศาล lab1 lab2 lab3 lab4 lab5 lab6 lab7 lab8 9 66090502289 นางสาวภาสินี พัดพรม 66090502290 นางสาววิมลณัฐ รักษ์หนู 66090502291 นายเอกภาพ ทองคา Lab10 Lab 1 Lab 2 Lab 3 Lab 4 Lab 5 Lab 6 Lab 7 Lab 8 Lab 9 10 66090502292 นางสาวณัฐมล สุขสุมิตร 66090502293 นางสาวธัญรดี จั่นแก้ว  ตารางเรียนประจำสัปดาห์ (Section 2: วันศุกร์ 8.30 – 11.20 น.) 15-พ.ย. 23-ส.ค. 30-ส.ค. 20-ก.ย. 27-ก.ย. 11-ต.ค. 18-ต.ค. 9-ส.ค. 4-ต.ค. 8-พ.ย. 6-ก.ย. กลุ่ม รหัสนักศึกษา ชื่อ - สกุล 65090502244 นางสาวพรปวีณ์ สามัคคี 66090502208 นางสาวกฤติกานต์ ศรีแดงลาด Lab 10 Lab 1 Lab 2 Lab 3 Lab 4 Lab 5 Lab 6 Lab 7 Lab 8 Lab 9 1 66090502209 นางสาวกัญชรส ชัยโย 66090502210 นางสาวกัญญารัตน์ จันทร์เทศ 66090502211 นายกันต์ธีร์ นาคเกี้ยว 66090502212 นางสาวกัลยา นิกุล 66090502213 นางสาวเก็จแก้ว ทะนุธารงศิลป์ Lab 10 Lab 2 Lab 3 Lab 4 Lab 5 Lab 6 Lab 7 Lab 8 Lab 9 Lab 1 2 66090502214 นางสาวเกษร ผาติบุญโรจน์ 66090502215 นางสาวชีรนี ทับอุไร 66090502216 นางสาวฐิตาภา ระนาดแก้ว 66090502218 นายติณณภพ สุขสวัสดิ์ 66090502219 นายธนโชติ วันบุตร Lab 10 Lab 3 Lab 4 Lab 5 Lab 6 Lab 7 Lab 8 Lab 9 Lab 1 Lab 2 3 66090502220 นางสาวธัญสุดา คาพันธ์ 66090502221 นางสาวนภสร ปัญญาวิภาสวงศ์ 66090502222 นางสาวปฑิตตา หมื่นทอง 66090502223 นางสาวปภาวดี หัสสะครบุรี 66090502224 นางสาวปุณณภา เต็มเปี่ยม Lab 10 Lab 4 Lab 5 Lab 6 Lab 7 Lab 8 Lab 9 Lab 1 Lab 2 Lab 3 4 66090502227 นางสาวพัชรธร ธารดารงค์ 66090502229 นางสาวพิชญาวี สินเธาว์ 66090502230 นางสาวภัสมน เปี่ยมบางบอน 66090502233 นางสาวมนสนันท์ ลี้ไพบูลย์ ชี้แจงรายละเอียดของรายวิชาและการประเมิ นผล 66090502234 นางสาวรตีลักษณ์ บัวขาว Lab 10 Lab 5 Lab 6 Lab 7 Lab 8 Lab 9 Lab 1 Lab 2 Lab 3 Lab 4 5 66090502236 นางสาววรัชยา ปิดตาละคะ 66090502237 นางสาววริศรา สุขล้อม 66090502238 นางสาววริษา บัวเรือง 66090502239 นางสาววันวิสาข์ มะคนมอญ 66090502240 นางสาววิมลพรรณ สุขีประเสริฐ Lab 10 Lab 6 Lab 7 Lab 8 Lab 9 Lab 1 Lab 2 Lab 3 Lab 4 Lab 5 6 66090502241 นายศุภวิชญ์ ผาลีพัฒน์ 66090502242 นายษัฑวัต อิทธิเมธีวุฒิ 66090502243 นายสิรวิชญ์ ถีนาภรณ์ 66090502244 นางสาวสิรกิ ัลยา สีเขียว 66090502245 นางสาวอภิญญา แก้วอนันต์ Lab 10 Lab 7 Lab 8 Lab 9 Lab 1 Lab 2 Lab 3 Lab 4 Lab 5 Lab 6 7 66090502246 นางสาวอภิญญา ไผ่พันธ์ 66090502247 นางสาวอิสริยาภรณ์ ดวดกระโทก 66090502249 นางสาวจิรนันท์ หารบุรษุ 66090502250 นางสาวจิรชั ญา พนาวงศ์ 66090502251 นางสาวชมพูนุช ธนะศรี Lab 10 Lab 8 Lab 9 Lab 1 Lab 2 Lab 3 Lab 4 Lab 5 Lab 6 Lab 7 8 66090502252 นางสาวณัฐมน นุชปาน 66090502253 นายณัฐวุฒิ ฐาปนภูมิพงศ์ 66090502254 นางสาวนวรัตน์ ฝางคา 66090502255 นายนันทพัทธ์ ลิ้มวงศ์พัชรกุล 66090502256 นางสาวนาตาชา สมศรี Lab 10 Lab 9 Lab 1 Lab 2 Lab 3 Lab 4 Lab 5 Lab 6 Lab 7 Lab 8 9 66090502257 นางสาวประพิมพรรณ การเกษตร์ 66090502261 นายสมาธิ แย้มพรชัย 66090502263 นางสาวอารียา อุไรรัมย์ 66090502265 นางสาวกรกนก วิดีสา 66090502280 นายไตรภพ มหิธิธรรมธร Lab 10 Lab 1 Lab 2 Lab 3 Lab 4 Lab 5 Lab 6 Lab 7 Lab 8 Lab 9 10 66090502281 นายธราธิป พืชผล 66090502282 นางสาวปาณิศา ทองหล่อ 66090502284 นางสาวพรหมพิรยิ า บุตรบุญ  การเข้าเรียนปฏิบัติการและการส่งรายงานผลการทดลอง Week Month SUN MON TUE WED THU FRI SAT การเข ้าเรียน การส่งรายงาน Aug 1 2 3 1 Aug 4 5 6 7 8 9 10 Introduction 2 Aug 11 12 13 14 15 16 17 เตรียมตัวก่อนการทดลอง 3 Aug 18 19 20 21 22 23 24 การทดลองครั ง้ ที่ 1 4 Aug 25 26 27 28 29 30 31 การทดลองครั ง้ ที่ 2 ส่งรายงานครังที่ 1 5 Sep 1 2 3 4 5 6 7 การทดลองครั ง้ ที่ 3 ส่งรายงานครังที่ 2 6 Sep 8 9 10 11 12 13 14 Module 1 ส่งรายงานครังที่ 3 7 Sep 15 16 17 18 19 20 21 การทดลองครั ง้ ที่ 4 8 Sep 22 23 24 25 26 27 28 การทดลองครั ง้ ที่ 5 ส่งรายงานครังที่ 4 9 Sep-Oct 29 30 1 2 3 4 5 การทดลองครั ง้ ที่ 6 ส่งรายงานครังที่ 5 10 Oct 6 7 8 9 10 11 12 การทดลองครั ง้ ที่ 7 ส่งรายงานครังที่ 6 11 Oct 13 14 15 16 17 18 19 การทดลองครั ง้ ที่ 8 ส่งรายงานครังที่ 7 12 Oct 20 21 22 23 24 25 26 Module 2 ส่งรายงานครังที่ 8 13 Oct-Nov 27 28 29 30 31 1 2 Module 2 14 Nov 3 4 5 6 7 8 9 การทดลองครั ง้ ที่ 9 15 Nov 10 11 12 13 14 15 16 การทดลองครั ง้ ที่ 10 ส่งรายงานครังที่ 9 16 Nov 17 18 19 20 21 22 23 สารอง ส่งรายงานครังที่ 10 17 Nov 24 25 26 27 28 29 30 สารอง 18 Dec 1 2 3 4 5 6 7 สอบปลายภาค 19 Dec 8 9 10 11 12 13 14  ระเบียบบังคับการเข้าเรียนปฏิบัติการ 1. นักศึกษาจะต้องเข้าเรียนตามเวลาที่กำหนด และแต่งกายให้เรียบร้อยตามระเบียบของมหาวิทยาลัย 2. นักศึกษาแต่ละคนจะต้องส่ง “รายงานก่อนการทดลอง” ก่อนเริ่มทำการทดลองในแต่ละแลป เป็นไฟล์สกุล.pdf ในระบบ LEB2 3. การปรับแต่งอุปกรณ์ต่างๆ ที่มีผลต่อความเสียหายต่ออุปกรณ์การทดลองนั้น นักศึกษาในกลุ่มการทดลอง จะต้องรับผิดชอบต่อการกระทำนั้น 4. ก่อนเปิดสวิทช์อุปกรณ์ต่างๆ ต้องแน่ใจว่าจะไม่เกิดการลัดวงจรไฟฟ้า ถ้าไม่แน่ใจควรผ่านการตรวจสอบจาก อาจารย์ผู้สอน 5. เมื่อทดลองเสร็จแล้วเก็บเครื่องมือและอุปกรณ์เข้าที่ให้เรียบร้อย 6. นักศึกษาแต่ละคนจะต้องส่ง “รายงานหลังการทดลอง” ของแต่ละแลป เป็นไฟล์สกุล.pdf ในระบบ LEB2 ภายหลังจากวันที่ทำการทดลองไม่เกิน 7 วัน 7. รายงานก่อนและหลังการทดลอง เป็นรายงานเดี่ยว ไม่ใช่รายงานกลุ่ม จะต้องเขียนรายงานด้วยลายมือของ ตนเอง คนละ 1 ฉบับ 8. หน้าปกรายงานต้องปรากฏ รายงาน...(ก่อน/หลัง)...การทดลอง ชื่อการทดลอง วันที่ทำการทดลอง ชื่อและ รหัสนักศึกษาของผู้ทำการทดลองและชื่อและรหัสนักศึกษาของผู้ร่วมทำการทดลองอย่างชัดเจนและ ครบถ้วน 9. การส่งรายงานในระบบ LEB2 เป็นไฟล์สกุล.pdf ให้ตั้งชื่อไฟล์ดังนี้ รายงาน...(ก่อน/หลัง)...การทดลอง-รหัสนักศึกษา-ชื่อ เช่น รายงานก่อนการทดลอง-66090502201-ไอน์สไตน์ 10. หากส่งรายงานก่อนและหลังการทดลอง ช้ากว่าวันที่กำหนดไว้ จะถูกหักวันละ 1 คะแนน การบ้านก่อนเข้าเรียนปฏิบัติการ 1. ค้นหาข้อมูลทฤษฎี องค์ความรู้ที่เกี่ยวข้องกับการทำปฏิบัติการจากตำรา (Text Book) ที่นอกเหนือจาก หนังสือคู่มือการทำปฏิบัติการและแหล่งข้อมูลสารสนเทศอื่นๆ ที่เชื่อถือได้ เพื่อใช้เป็นข้อมูลในการเขียน หลักการและทฤษฎีอย่างละเอียด 2. อ่านและทำความเข้าใจทั้งวัตถุประสงค์ ทฤษฎี และวิธีการทดลอง 3. ดูรายละเอียดของเครื่องมือและอุปกรณ์การทดลองมีหน้าที่การทำงานอย่างไร 4. เขียนรายงานก่อนการทดลองด้วยลายมือของตนเอง คนละ 1 ฉบับ  รายงานก่อนการทดลองประกอบด้วยหัวข้อต่อไปนี้ 1. วัตถุประสงค์การทดลอง 2. หลักการและทฤษฎีที่เกี่ยวข้อง 3. อุปกรณ์การทดลอง 4. ขั้นตอนการทดลอง 5. เอกสารอ้างอิง รายงานหลังการทดลองประกอบด้วยหัวข้อต่อไปนี้ 1. ข้อมูลผลการทดลอง และการคำนวณผลที่ได้จากการทดลอง 2. วิเคราะห์และอภิปรายผลการทดลอง โดยอธิบายเหตุผลทางวิชาการที่สนับสนุน หักล้าง หรือ โต้แย้งผลการ ทดลองที่ได้ ในการทดลองแต่ละตอน 3. สรุปผลการทดลอง 4. เอกสารอ้างอิง หมายเหตุ 1. ให้นักศึกษาเขียนทฤษฎี วิเคราะห์ผลการทดลอง และสรุปผลการทดลองด้วยตนเอง หากลอกกัน คะแนนที่จะได้คือ ผลจากหารตามจำนวนคนที่ลอกกันมาทั้งหมด 2. การเขียนบรรณานุกรม เอกสารอ้างอิง ให้ใช้หลักการตามแนวทาง “คู่มือการเขียนและพิมพ์ วิทยานิพนธ์ ระดับ บัณฑิตศึกษา มหาวิทาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี” https://regis.kmutt.ac.th/service/Thesis%20Preparation%20Manual%20TH.pdf การวัดผล 1. คะแนนสอบปลายภาค 40% 2. คะแนนเก็บ 60% - รายงานก่อนการทดลอง 15% - สอบวัดความรู้ความเข้าใจก่อนทำการทดลอง (Pretest) 10% - ทักษะการทดลอง 10% - รายงานหลังการทดลอง 25%  สารบัญ การทดลองเรื่ อง หน้ า 1 Photoelectric Effect 1 2 Heisenberg's Uncertainty Principle 8 3 Electron Diffraction 15 4 Measurement e/m of electron 21 5 Zeeman Effect 27 6 Faraday Effect 47 7 Thermionic Emission 61 8 Franck-Hertz Experiment 70 9 Electron Spin Resonance 82 10 Hall Effect 91  1 LAB 1 PHOTOELECTRIC EFFECT (PHY290) APPARATUS Photodiode with amplifier Batteries to operate amplifier and provide reverse voltage Digital voltmeter to read reverse voltage Source of monochromatic light beams to irradiate photocathode Neutral filter to vary light intensity BACKGROUND The experiment serves to demonstrate the photoelectric effect, for which Einstein was awarded a Nobel prize, and in the process determine Planck’s constant, ℎ. The photoelectric effect is the process whereby a photon of energy 𝐸=ℎ𝜈, incident on the surface of a conductor, transfers its energy to one of the electrons of an atom. If the energy is sufficient, the electron can not only escape from the material, but do so with a certain amount of kinetic energy. If the electron is in the highest available energy state within the conductor, the least amount of energy, 𝑊0, is needed to free it, and it will escape with the maximum kinetic energy. 𝑊0 is called the work function of the conducting material Figure 1: Schematic of the photo-electric effect experiment. A photon hits the conducting anode and knocks out an electron. All electrons that have sufficient kinetic energy to reach the cathode produce an electric current. The adjustable stopping voltage determines the minimal kinetic energy the electrons need.  2 If the conductor forms the anode of a phototube, as shown in Fig. 1, no electrons will reach the cathode if the potential difference (retarding potential) between the anode and cathode is adjusted to the minimum value necessary to stop the fastest electrons. The loss of kinetic energy is then balanced by the gain of potential energy, 𝑒𝑉𝑠, and the energy equation is given by ℎ𝜈 = 𝑒𝑉𝑠 + 𝑊0 (1) where 𝑉𝑠 is called the stopping potential. The threshold frequency, 𝜈0 , is the minimum photon frequency capable of eliciting the photoelectric effect. 𝑉𝑠 = (ℎ⁄𝑒)𝜈 − 𝑊0 ⁄𝑒 (2) Eq. (2) shows a linear relationship between the stopping potential 𝑉𝑠 and the light frequency 𝜈, with slope ℎ⁄𝑒 and vertical intercept -𝑊0⁄𝑒. If the value of the electron charge 𝑒 is known, then this equation provides a good method for determining Planck's constant ℎ. In this experiment, we will measure the stopping potential with modern electronics. THE MONOCHROMATIC LIGHT BEAMS This experiment requires the use of several different monochromatic light beams, which can be obtained from the spectral lines that make up the radiation produced by excited mercury atoms. The light is formed by an electrical discharge in a thin glass tube containing mercury vapor, and harmful ultraviolet components are filtered out by the glass envelope. Mercury light has five narrow spectral lines in the visible region — yellow, green, blue, violet, and ultraviolet — which can be separated spatially by the process of diffraction. For this purpose, we use a high-quality diffraction grating with 6000 lines per centimeter. The desired wavelength is selected with the aid of a collimator,  3 while the intensity can be varied with a set of neutral density filters. A color filter at the entrance of the photodiode is used to minimize room light. The equipment consists of a mercury vapor light housed in a sturdy metal box, which also holds the transformer for the high voltage. The transformer is fed by a 115-volt power source from an ordinary wall outlet. In order to prevent the possibility of getting an electric shock from the high voltage, do not remove the cover from the unit when it is plugged in. To facilitate mounting of the filters, the light box is equipped with rails on the front panel. The optical components include a fixed slit (called a light aperture) which is mounted over the output hole in the front cover of the light box. A lens focuses the aperture on the photodiode window. The diffraction grating is mounted on the same frame that holds the lens, which simplifies the setup somewhat. A “blazed” grating, which has a preferred orientation for maximal light transmission and is not fully symmetric, is used. Turn the grating around to verify that you have the optimal orientation.  4 The variable transmission filter consists of computer-generated patterns of dots and lines that vary the intensity of the incident light. The relative transmission percentages are 100%, 80%, 60%, 40%, and 20%. INITIAL SETUP 1. Your apparatus should be set up approximately like the figure above. Turn on the mercury lamp using the switch on the back of the light box. Swing the ℎ⁄𝑒 apparatus box around on its arm, and you should see at various positions, yellow green, and several blue spectral lines on its front reflective mask. Notice that on one side of the imaginary “front-on” perpendicular line from the mercury lamp, the spectral lines are brighter than the similar lines from the other side. This is because the grating is “blazed”. In you experiments, use the first order spectrum on the side with the brighter lines. 2. Make the following alignment checks. Ask you TA for assistance if necessary. a. Check the alignment of the mercury source and the aperture by looking at the light shining on the back of the grating. If necessary, adjust the back plate of the light-aperture assembly by loosening the two retaining screws and moving the plate to the left or right until the light shines directly on the center of the grating. b. With the bright colored lines on the front reflective mask, adjust the lens/grating assembly on the mercury lamp light box until the lines are focused as sharply as possible.  5 c. Roll the round light shield (between the white screen and the photodiode housing) out of the way to view the photodiode window inside the housing. The phototube has a small square window for light to enter. When a spectral line is centered on the front mask, it should also be centered on this window. If not, rotate the housing until the image of the aperture is centered on the window, and fasten the housing. Return the round shield back into position to block stray light. 3. Connect the digital voltmeter (DVM) to the “Output” terminals of the photodiode. Select the 2 V or 20 V range on the meter. 4. Press the “Push to Zero” button on the side panel of the photodiode housing to short out any accumulated charge on the electronics. Note that the output will shift in the absence of light on the photodiode. 5. Record the photodiode output voltage on the DVM. This voltage is a direct measure of the stopping potential. 6. Use the green and yellow filters for the green and yellow mercury light. These filters block higher frequencies and eliminate ambient room light. In higher diffraction orders, they also block the ultraviolet light that falls on top of the yellow and green lines.  6 PROCEDURE PART I: DEPENDENCE OF THE STOPPING POTENTIAL ON THE INTENSITY OF LIGHT 1. Adjust the angle of the photodiode-housing assembly so that the blue line falls on the window of the photodiode. 2. Install the round light shield. 3. Install the variable transmission filter on the collimator such that the light passes through the section marked 100%. Record the photodiode output voltage reading on the DVM. Also determine the approximate recharge time after the discharge button has been pressed and released. 4. Repeat steps 1 – 3 for the other four transmission percentages, as well as for the ultraviolet light. 5. Plot a graph of the stopping potential as a function of intensity. Color #1……………………….. % Transmission Stopping Potential 100 80 60 40 20 Color #2……………………….. % Transmission Stopping Potential 100 80 60 40 20 PROCEDURE PART II: DEPENDENCE OF THE STOPPING POTENTIAL ON THE FREQUENCY OF LIGHT You can see five colors in the mercury light spectrum. The diffraction grating has two usable orders for deflection on one side of the center. 1. Adjust the photodiode-housing assembly so that only one color from the first-order diffraction pattern on the left side of the center falls on the collimator. 2. For each color in the first order, record the photodiode output voltage reading on the DVM.  7 3. For each color in the first order on the right side of the center, record the photodiode output voltage reading on the DVM. 4. Plot a graph of the stopping potential as a function of frequency, and determine the slope and the y-intercept of the graph. From this data, calculate 𝑊0 and ℎ. Compare this value of ℎ with that provided in the “Background” section of this experiment. Color Wavelength Frequency Stopping Potential (nm) (×1014 Hz) (Volts) Yellow 578 5.18672 Green 546.074 5.48996 Blue 435.835 6.87858 Violet 404.656 7.40858 Ultraviolet 365.483 8.20264  8 LAB 2 HEISENBERG’S UNCERTAINTY PRINCIPLE (PHY290) APPARATUS Laser, He-Ne, =632.8 nm Diaphragm, 2 single slits, 0.1 mm, 0.2 mm Diaphragm holder Photoelement Universal measuring amplifier Optical profile-bench, 1500 mm Base opt. profile-bench, adjust. Slide mount opt. profile-bench, h 80 mm BACKGROUND POSITION AND MOMENTUM OF LIGHT A laser beam is a directed beam of light containing many photons. Each photon in the laser beam must obey the rules of quantum mechanics, including Heisenberg’s Uncertainty Principle, which states that it is impossible to know both the position and momentum of a photon at the same time. The photons in the laser beam have a very well-defined momentum. This is why a laser beam can remain fairly small over long distances: we know precisely where the photons are going. Fig. 1 Light passes through a slit of width d and travels a distance L. The diffraction pattern’s central peak has a width Y.  9 When a laser beam gets smaller, like at the focus of a lens, we can pinpoint objects more precisely, since we know the position of the photons much more accurately. However, the beam will expand much more quickly, as we lost accurate knowledge of their momentum. If we have a large laser beam and pass it through a slit, as shown on the image to the right, we restrict the possible positions of the photons, gaining information about where they were. By doing this, we must lose information about their momentum (where they were going). After the slit, the different possible directions (momenta) split up and form a diffraction pattern on a screen, following the distribution seen on the left. The central spot size Y can be related to the uncertainty in momentum. Before passing through the slit, the photons’ momentum was entirely perpendicular to the slit. After the slit, the photons may have a component both parallel and perpendicular to the slit. This change in the possible photon momenta is a result of the uncertainty principle. By passing through the slits, the photon position is known to be within ∆𝑦 = 𝑑. According to the uncertainty principle, this results in an increase in the photon momentum uncertainty as: ∆𝑦 ∙ ∆𝑃 ≥ ℎ (1) whereℎ = 6.626 × 10−34 𝐽𝑠 is Planck’s constant. Fig. 2 Graphical representation of Heisenberg’s uncertainty principle. As we gain certainty in the position “x” we lose it in momentum “p”.  10 By decreasing the uncertainty in the location of the photons within the slit, we’re increasing the uncertainty of the spread in their momenta. This results in the intensity pattern’s width spreading as Y gets smaller. This effect is only significant when the width of the slit is comparable to the wavelength of the light used. The momentum of a photon is given by its wavelength (color) as: ℎ 𝑃= 𝜆 (2) Therefore, blue photons have a much higher momentum than the red photons. If we change the color of the laser, we should see a change in the width of the pattern. OBSERVATION FROM THE WAVE PATTERN VIEWPOINT When a parallel, monochromatic and coherent light beam of wave-length 𝜆 passes through a single slit of width d, a diffraction pattern with a principal maximum and several secondary maxima appears on the screen (Fig. 3). Fig. 3 Diffraction (Fraunhofer) at great distance (Sp = aperture or slit, S = screen) The intensity, as a function of the angle of deviation 𝛼, in accordance with Kirchhoff’s diffraction formula, is sin 𝛽 2 𝐼(𝛼) = 𝐼(0)( 𝛽 ) (3) 𝜋𝑑 where 𝛽 = 𝜆 sin 𝛼 𝜆 The intensity minima are at 𝛼𝑛 = 𝑎𝑟𝑐 sin 𝑛 𝑑 where n = 1, 2, 3 …  11 The angle for the intensity maxima are 𝜆 𝜆 𝛼0 = 0 , 𝛼1 = 𝑎𝑟𝑐 sin 1.430 , 𝛼2 = 𝑎𝑟𝑐 sin 2.459 𝑑 𝑑 The relative heights of the secondary maxima are: 𝐼(𝛼1 ) = 0.0472 𝐼(0) , 𝐼(𝛼2 ) = 0.0165 𝐼(0) (4) QUANTUM MECHANICS TREATMENT The Heisenberg uncertainty principle states that two canonically conjugate quantities such as position and momentum cannot be determined accurately at the same time. Let us consider, for example, a totality of photons whose residence probability is described by the function ƒy and whose momentum by the function ƒp. The uncertainty of location y and of momentum p are defined by the standard deviations as follows eq. (1) the equals sign applying to variables with a Gaussian distribution. For a photon train passing through a slit of width d, the expression is ∆𝑦 = 𝑑 (5) Whereas the photons in front of the slit move only in the direction perpendicular to the plane of the slit (x-direction), after passing through the slit they have also a component in the y-direction. The probability density for the velocity component vy is given by the intensity distribution in the diffraction pattern. We use the first minimum to define the uncertainty of velocity (Figs. 3 and 4). ∆𝑣𝑦 = 𝑐 sin 𝛼1 (6) where 𝛼1 = angle of the first minimum. The uncertainty of momentum is therefore ∆𝑝𝑦 = 𝑚𝑐 sin 𝛼1 (7) where m is the mass of the photon and c is the velocity of light. The momentum and wavelength of a particle are linked through the de Broglie relationship: ℎ 𝜆 = 𝑝 = 𝑚𝑐 (8) Thus, ℎ ∆𝑝𝑦 = sin 𝛼1 𝜆 (9)  12 Fig. 4 Geometry of diffraction at a single slit a) path covered b) velocity compoment of a photon The angle 𝛼1 of the first minimum is thus 𝜆 sin 𝛼1 = 𝑑 (10) according to (3). If we substitute (10) in (9) and (5) we obtain the uncertainty relationship Δ𝑦∆𝑝𝑦 = ℎ (11) If the slit width ∆𝑦 is smaller, the first minimum of the diffraction pattern occurs at larger angles 𝛼1. In our experiment the angle 𝛼1 is obtained from the position of the first minimum (Fig. 4a): 𝑎 tan 𝛼1 = 𝑏 (12) If we substitute (12) in (9) we obtain ℎ 𝑎 ∆𝑝𝑦 = sin(arc tan ) 𝜆 𝑏 (13) Substituting (5) and (13) in (11) gives 𝑑 𝑎 𝜆 sin (arc tan ) = 1 𝑏 (14) after dividing by h.  13 SETUP AND PROCEDURE 1. Different screens with slits (0.1 mm and 0.2 mm) are placed in the laser beam one after the other. The distribution of the intesnity in the diffraction pattern is measured with the photo-cell as far behind the slit as possible. A slit (0.3 mm wide) is fitted in front of the photocell (Fig. 5). Fig. 5 Experimental set-up for measuring the distribution of intensity in diffraction patterns. 2. The voltage drop at the resistor attached parallel to the imput of the universal measuring amplifier is measured and is approximately proportional to the intensity of the incident light. 3. The principal maximum, and the first secondary maximum on one side, of the symmetrical diffraction pattern of a slit 0.1 mm wide (for example) are recorded. 4. The intensity in the diffraction pattern from the photocurrent is plotted as a function of the position. (Fig. 6) 5. For the other slits, it is sufficient to record the two minima to the right and left of the principal maximum, in order to determine a  14 Fig. 6 Intensity in the diffraction pattern of a 0.1 mm wide slit at a distance of 1140 mm. The photocurrent is plotted as a function of the position. PART I: THE FRAUNHOFER DIFFRACTION PATTERN To measure the intensity distribution of the Fraunhofer diffraction pattern of a single slit (0.1 mm and 0.2 mm). The heights (𝑰(𝜶𝒏 )) of the maxima (eq. 4) and the positions (𝜶𝒏 ) of the maxima and minima are calculated according to Kirchhoff’s diffraction formula and compared with the measured values. PART II: HEISENBERG’S UNCERTAINTY PRINCIPLE To calculate the uncertainty of momentum from the diffraction patterns of single slits of differing widths (0.1 mm and 0.2 mm) and to confirm Heisenberg’s uncertainty principle. (eq. 14) Important: In order to ensure that the intensity of the light from the laser is constant, the laser should be switched on about half an hour before the experiment is due to start. The measurements should be taken in a darkened room or in constant natural light. If this is not possible, a longish tube about 4 cm in diameter and blackened on the inside (such as a cardboard tube used to protect postal packages) can be placed in front of the photcell. Caution: Never look directly into a non attenuated laser beam  15 การทดลองที่ 3 Electron Diffraction 1. วัตถุประสงค์ 1) ศึกษาการเลี้ยวเบนของอนุภาคอิเล็กตรอนจากผลึกแกรไฟต์ 2) ศึกษาเพื่อหาค่าระยะห่างของระนาบแกรไฟต์( interplanar spacing of graphite) 2. อุปกรณ์ทใี่ ช้ในการทดลอง Electron diffraction tube a. mounting 1 หลอด High-voltage supply unit, 0-10 kV 1 เครื่อง High-value resistor, 10 MOhm 1 อัน Connecting cord, 50 KV, 500 mm 1 เส้น Power supply, 0…600 VDC 1 เครื่อง Vernier caliper, plastic 1 อัน Connecting cord, 250 mm, red 2 เส้น Connecting cord, 250 mm, blue 2 เส้น Connecting cord, 750 mm, red 2 เส้น Connecting cord, 750 mm, yellow 1 เส้น Connecting cord, 750 mm, blue 1 เส้น Connecting cord, 750 mm, black 2 เส้น 3. ทฤษฏี ควรมีการศึกษาหัวข้อเหล่านี้มาก่อนทำการทดลอง lattice planes, graphite structure, reciprocal lattice ทฤษฏีทเี่ กี่ยวข้อง จากแนวความคิดของเดอบรอยล์(de Broglie) ทีก่ ล่าวว่า อนุภาคสสารใดๆ เมื่อเคลื่อนทีโ่ ดยมี โมเมนตัม p คลื่นที่สัมพันธ์กับการเคลื่อนที่ของอนุภาค จะได้ตามสมการ (1)  h (1) p จากสมการ(1) เรียกความสัมพันธ์ของเดอบรอยล์ สรุปได้ว่า อนุภาคของสสารประพฤติตวั เป็น คลื่นได้ ซึ่งสามารถอธิบายได้โดยใช้ปรากฏการณ์การแทรกสอดและเลี้ยวเบน  16 จากการศึกษาการเลี้ยวเบนของคลื่นพบว่าเมื่อคลื่นเจอสิ่งกีดขวางจะเกิดการเลี้ยวเบน(diffraction) ปรากฏการณ์นี้จะเกิดขึ้นได้เมื่อ สิ่งกีดขวางมีขนาดใกล้เคียงกับความยาวคลื่นนั้น ดังในรูปที่ 1 รูปที่ 1 สำหรับสิ่งกีดขวางนั้นอาจเป็นวัตถุขนาดเล็กๆ เช่น เส้นผม, ลวด หรือ เป็นรูเปิดเล็กๆ เช่น สลิต เดี่ยว, เกรตติง เป็นต้น สำหรับการศึกษาการเลี้ยวเบนของอนุภาคเป็นการทดลองเพื่อสนับสนุนสมมุติฐาน ของเดอบรอยล์ โดยอนุภาคต่างๆ เช่น อิเล็กตรอน, โปรตรอน, นิวตรอน สามารถแสดงปรากฏการณ์การ เลี้ยวเบนได้ เช่น ในกรณีของอิเล็กตรอนที่ถูกเร่งด้วยความต่างศักย์ UA มีมวล m และ v เป็นความเร็วของ อิเล็กตรอน เราสามารถคำนวณหาโมเมนตัมได้จากความเร็วของอิเล็กตรอนทีถ่ กู เร่งด้วยความต่าง ศักย์ไฟฟ้า ตามสมการ(2) mv 2   eU A 1 p2 (2) 2 2m จากสมการของ de Broglie ในสมการ(1) แทนค่า p  2mev จะหาค่าความยาวคลื่นได้  h (3) 2meU A เมื่อ h = Planck’s constant มีค่าเท่ากับ 6.625 x 10-34 J.s e = ประจุของอิเล็กตรอน มีค่าเท่ากับ 1.602 x 10-19 C m = มวลของอิเล็กตรอน มีค่าเท่ากับ 9.109 x 10-31 kg. ในการศึกษาการเลี้ยวเบนของอนุภาคอิเล็กตรอนที่ถูกเร่งด้วยความต่างศักย์ต่างๆ และผ่านผลึก ของของแข็งที่อะตอมเรียงตัวในผลึกเป็นไปอย่างมีระเบียบ(crystal)ในการทดลองนี้จะใช้ผลึกของ แกรไฟต์ (ถ้าตัวอย่างทีว่ ัดเป็นอสัณฐานก็จะไม่เห็นริ้วการแทรกสอด) ให้ระยะห่างของระนาบเป็น d เรา สามารถกำหนดกลุ่มของอะตอมที่อยู่ในระนาบที่ขนานกัน เรียกว่าระนาบแบรกก์(Bragg plane) หลังจาก นั้นจะยิงอนุภาคอิเล็กตรอนที่ถูกเร่งด้วยความต่างศักย์ให้ตกกระทบบนผลึก(แกรไฟต์) ด้วยค่าความต่าง ศักย์ต่างๆกัน ดังรูปที่2 ซึ่งคลื่นอิเล็กตรอนทีก่ ระเจิงเหล่านี้จะรวมกันและเกิดการแทรกสอดได้ จาก สมการของแบรกก์ จะได้การแทรกสอดแบบเสริมกัน ดังสมการ(4) 2d sin   n : n = 1, 2,… (4)  17 เมื่อ d = ระยะห่างของระนาบ  = Bragg angle รูปที่ 2 จากรูปที่ 2 ภายใต้เงื่อนไขของแบรกก์ รังสี A และ B ทีม่ ีเฟสเดียวกัน และทำให้เกิดการแทรก สอดแบบเสริมกันได้ความเข้มสูงสุด ดังสมการ(4) จากสมการ(3) เราสามารถหาค่าความยาวคลื่นของอิเล็กตรอนได้ และนำมาแทนค่าในสมการ(4) จะสามารถคำนวณหาค่าระยะห่างของระนาบ(d) ของผลึกที่คลื่นอิเล็กตรอนตกกระทบได้มากที่สุดได้ โดยระยะห่างของระนาบจะมีเพียงค่าเดียว ถ้าตัวอย่างนั้นเป็นผลึกเดียว(single crystalline) แต่ถ้ามีค่า ระยะห่างของระนาบมากกว่า 1 สารตัวอย่างนั้นก็จะเป็น polycrystalline 4. วิธีการทดลอง 4.1 จัดวางและต่ออุปกรณ์ทั้งหมดดังรูปที่ 3 4.2 เปิดเครื่อง HV-power supply และ High value resistor ปรับค่าความต่างศักย์ของ HV-power supply ขึ้นมาที่ 3 kV เพื่อให้ electron diffraction tube ผลิตอิเล็กตรอนขึ้นมา 4.3 หลังจากนั้นปรับค่า High value resistor (มี 3 ปุ่ม) ตามค่าที่ปิดไว้บนเครื่องมือ และใช้ค่านี้ตลอด การทดลอง 4.4 วัดรัศมีของการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอน เมื่อจ่ายค่าความต่างศักย์,UA ทีค่ ่าต่างๆกันโดยวัดทุกวง ที่สังเกตเห็นได้ชัด และเปลี่ยนแปลงค่าความต่างศักย์ จาก 3 ถึง 7.5 kV โดยวัดเพิ่มที่ละ 0.5 kV (3.0, 3.5, 4.0, 4.5, …, 7.5 kV) 4.5 บันทึกค่าความยาวของรัศมีทวี่ ัดได้ในแต่ละค่าความต่างศักย์ 4.6 ทำการทดลองซ้ำตามข้อ 4.4 และ 4.5 โดยเริ่มวัดจากค่าความต่างศักย์มากไปหาน้อย (7.5, 7.0,..., 3.0 kV)  18 4.7 คำนวณหาค่าความยาวคลื่นของอิเล็กตรอน ที่แต่ละค่าความต่างศักย์ โดยอาศัยสมการของ   h h เดอบรอยล์ (5) p 2me.U A 4.8 นำค่ารัศมี, r ที่ได้จากข้อ 4.3 และ ค่าความยาวคลื่น,  จากข้อ 4.5 มาวาดกราฟและค่าความชัน  A  slope ของกราฟ (วิธีพิสูจน์สมการนี้ดูจากหมายเหตุ 1) r  4.9 นำค่าความชันของกราฟในข้อ4.6 มาคำนวณหาค่า ระยะห่างของระนาบ(interplanar spacing, d) di  2R แกรไฟต์ Ai เมื่อ R แทน รัศมีของแก้วทรงกลม (65 mm) di แทน ระยะห่างของระนาบใดๆ 4.10 สรุปและวิจารณ์ผลการทดลองที่ได้ พร้อมทั้งตอบคำถามท้ายการทดลองด้วย รูปที่ 3 แสดงอุปกรณ์และการจัดวาง คำแนะนำ : 1. ในการวัดรัศมีของการเลี้ยวเบนให้วัดทั้งวงในและวงนอกหลังจากนั้นนำมาบวกกันแล้วนำ ค่าเฉลี่ยมาใช้เป็นรัศมีของริ้วการเลี้ยวเบน 2. การเปิด-ปิดอุปกรณ์ ให้กระทำดังนี้ การเปิดเครื่อง ให้เปิดเครื่องปรับค่า HV-power supply ไปที่ 3 kV ก่อนแล้วค่อยปรับค่า High value resistor ตามที่ระบุไว้เครื่องมือ ส่วนการปิดเครื่อง ให้ปรับลดค่าที่เครื่อง High value resistor ให้เป็นศูนย์ก่อน แล้วค่อยลดค่าที่เครื่อง HV-power supply และปิดเครื่องได้  19 คำถามท้ายการทดลอง   h h 1. จงพิสูจน์พร้อมทั้งอธิบายที่มาของสมการ p 2me.U A 2. จงอธิบายความหมายของ ระยะห่างของระนาบ(interplanar spacing)แกรไฟต์ และจากการ ทดลองนี้ใช้แกรไฟต์เป็นสารตัวอย่าง อยากทราบว่า แกรไฟต์ในการทดลองนี้จัดเป็น Single crystal หรือ Polycrystalline พร้อมทั้งบอกเหตุผลด้วย di  2R หมายเหตุ 1 การพิสูจน์ Ai รูปที่ 4   20o sin 2  r จากรูปที่ 4 และ (1) R เมื่อ R แทน รัศมีของแก้วทรงกลม (มีค่าเท่ากับ 65 mm) r แทน รัศมีของวงแหวน sin 2  2 sin  cos  แต่เนื่องจาก  มีค่าน้อยมาก cos10o  0.985  1 จากตรีโกณมิติ ดังนั้น sin 2  2 sin  แต่ 2 sin   sin 2  2 sin  (2) เมื่อ  แทน มุมที่รังสีตกกระทบหรือรังสีสะท้อนทำกับระนาบของผลึก ดูรูปที่1 ประกอบ จากสมการของแบรกก์ d sin   n n sin   (3) d  20 sin 2  r จากสมการ(1) R 2 sin   r R 2 sin   r จากสมการ(2) จะได้ (4) R n  r จากสมการ(3) และ (4) 2R d d.n 2R r  A  slope r  ให้ d 2R ดังนั้น.n เมื่อ n = 1,2,… เป็นลำดับของริ้วการ A เลี้ยวเบน ในกรณีนี้ ให้ n = 1 จะได้สมการเป็น d 2R A เอกสารอ้างอิง 1. Stephen T. Thornton, Andrew Rex, Modern Physics for Scientists and Engineers, 2nd ed., Saunder College Publishing. 2. C. Kittel, 1996, Introduction to Solid State Physics, 7th ed, John Wiley and Son, Inc., New York.  21 6-1 การทดลองที่ 4 เรื่ อง การวัดค่าอัตราส่ วนของประจุต่อมวลของอิเล็กตรอน (Measurement e/m of electron) วัตถุประสงค์ 1. ศึกษาทางเดินของอิเล็กตรอนในสนามแม่เหล็ก 2. คานวณหาค่าประจุต่อมวลของอิเล็กตรอนได้จากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน ในสนามแม่เหล็ก 3. คานวณหาค่าความเข้มสนามแม่เหล็กโลกได้ จากการทดลอง อุปกรณ์ 1. ขดลวด Helmholtz สาหรับใช้สร้างสนามแม่เหล็ก 2. แหล่งจ่ายกระแสไฟฟ้าให้ขดลวด Helmholtz ขนาด 0-18 โวลท์ 3. หลอด narrow beam ภายในบรรจุ กาซอากอน ความดัน 10-1 Pa 4. แหล่งจ่ายกระแสไฟฟ้า ให้แก่ หลอด narrow beam ขนาด 0-600 โวลท์ 5. แอมมิเตอร์ วัดไฟฟ้ากระแสตรง (D.C.) สาหรับวัดค่ากระแสที่ไหลผ่านขดลวด Helmholtz ( I H.H ) วัดค่า กระแสที่ไหลผ่านขดลวดไม่เกิน 5 แอมแปร์ 6. โวลท์มิเตอร์ สาหรับวัดค่าความต่างศักย์ไฟฟ้า ที่ใช้เร่ งอิเล็กตรอน ในหลอด narrow beam ทฤษฎี ถ้าอิเล็กตรอนมวล m วิ่งทามุม  กับทิศของสนามแม่เหล็ก B ด้วย ความเร็วคงที่ v จะมีแรง F กระทาต่ออิเล็กตรอน ดังนี้ F = ev  B F = evBsin 