Trang 1 trên 6 E-I Q Hình 2: Các dụng cụ cho E-I Hình 1: Photo 51 Nhiễu xạ gây ra bởi cấu trúc xoắn (Tổng điểm: 10) Giới thiệu Ảnh nhiễu xạ tia X của DNA (Hình 1) chụp ở phòng thí nghiệm của Rosalind Franklin, được biết đến với tên “Photo 51”, đã trở thành cơ sở cho việc phát hiện ra cấu trúc xoắn kép của DNA bởi Watson và Crick vào năm 1952. Thí nghiệm này sẽ giúp em hiểu hình ảnh nhiễu xạ của ánh sáng khả kiến gây ra bởi cấu trúc xoắn. Mục tiêu Xác định các tham số hình học của cấu trúc xoắn thông qua hiện tượng nhiễu xạ. Danh sách các dụng cụ [1] Bệ gỗ [11] Kẹp nhựa [2] Laze với giá đỡ và đế [12] Tấm dán hình tròn màu đen [3] Nguồn một chiều có thể điều chỉnh được dùng cho laze [13] Bút chì bấm [4] Giá đỡ mẫu và đế [14] Thước kẹp hiện số và giá đỡ [5] Tấm phản xạ trái (tráng gương ở mặt trước) [15] Thước nhựa (30 cm) [6] Tấm phản xạ phải (tráng gương ở mặt trước) [16] Thước dây (1.5 m) [7] Màn hứng ảnh (10 cm x 30 cm) với giá đỡ và chân đế [17] Tờ giấy để đánh dấu hình ảnh [8] Gương phẳng (10 cm x 10 cm) [18] Kính bảo vệ mắt ngăn ánh sáng laze [9] Mẫu I (Lò so xoắn) [19] Đèn pin [10] Mẫu II (ảnh dạng xoắn kép được in trên tấm thuỷ tinh trong suốt) Trang 2 trên 6 E-I Q Chú ý: Các dụng cụ [1], [3], [14], [15], [16] và [18] cũng sẽ được sử dụng trong bài thí nghiệm E-II. Mô tả các dụng cụ Bệ gỗ [1]: Hai thanh ray dẫn đường, laze, các tấm phản xạ, màn hứng ảnh và giá đỡ mẫu được gắn cố định trên bệ gỗ. Laze với giá đỡ và đế [2]: laze có bước sóng  = 635 nm (1 nm = 10  m) được cố định vào giá đỡ, rồi cắm vào bệ đỡ thông qua một khớp bi ([20] trong Hình 3) cho phép điều chỉnh theo cả ba phương X-Y-Z. Thân laze có thể được điều chỉnh quay và hãm bằng núm vặn phía trên. Sự hội tụ của chùm sáng có thể được điều khiển bằng cách xoay vòng đỡ thấu kính ở phía trước thân laze (mũi tên màu đỏ trong Hình 3) để thu được ảnh nhiễu xạ rõ và sắc nét. Nguồn điện một chiều có thể điều chỉnh được [3]: Mặt trước của nguồn có một công tắc để chuyển cường độ cao và thấp (high/low), ổ cắm dây nối với laze và 3 ổ cắm USB. Mặt sau của nguồn có công tắc bật tắt nguồn và dây nối vào mạng điện (xem hình chèn trong Hình 4). Giá đỡ mẫu và đế [4]: Dùng núm vặn phía trên để hãm mẫu (Hình 3). Giá đỡ mẫu có thể điều chỉnh theo chiều dọc, ngang, hoặc quay. Tấm phản xạ bên trái [5]: Tấm phản xạ này được cố định trên bệ gỗ (Hình 5). Không được dùng mặt có đánh dấu bằng chữ X. Tấm phản xạ bên phải [6]: Tấm phản xạ này được cố định vào bệ gỗ và có thể tháo ra được (Nó sẽ được tháo ra và không dùng trong thí nghiệm E-II). Không được dùng mặt có đánh dấu bằng chữ X. Hình 3: Laze và giá đỡ. [20] khớp bi. Hình 5: Tấm phản xạ trái và màn hứng ảnh Hình 4: Nguồn một chiều DC có thể điều chỉnh Trang 3 trên 6 E-I Q Màn hứng ảnh cùng với giá đỡ [7]: Màn hứng ảnh được lắp vào khớp bi và đế, do vậy có thể được điều chỉnh quay theo mọi hướng (Hình 5). Màn hứng ảnh có thể được lắp như được thấy trên Hình 2 hoặc Hình 6 khi cần thiết. Mẫu I [9]: Lò xo soắn được gắn cố định vào giá đỡ hình tròn bằng tấm nhựa màu trắng. Mẫu II [10]: Ảnh của một hình soắn kép được in trên một tấm thuỷ tinh trong suốt và gắn vào giá đỡ hình tròn. Thước kẹp hiện số với giá đỡ [14]: Thước kẹp hiện số được gắn vào giá đỡ (giá đỡ này cần dùng trong thí nghiệm E-II). Trên thước có công tắc On/Off, nút để chỉnh số không, bộ chuyển đơn vị đo mm/inch (cần đặt ở thang mm), Chốt hãm và núm để dịch chuyển hàm bên phải của thước kẹp. Thước kẹp hiện số có thể được dùng để đo các khoảng cách trên tờ giấy đánh dấu hình ảnh nhiễu xạ. Tờ giấy đánh dấu hình ảnh [17]: Tờ giấy đánh dấu hình ảnh có thể được gập đôi dọc theo đường kẻ và gắn vào màn hứng ảnh bằng các kẹp nhựa. Em cần đánh dấu ảnh nhiễu xạ trong phạm vi ô hình chữ nhật của tờ giấy. Lý thuyết Chùm tia laze có bước sóng , khi chiếu vuông góc với sợi dây hình trụ có đường kính  sẽ bị nhiễu xạ theo phương vuông góc với sợi dây. Hình ảnh cường độ ánh sáng quan sát được trên màn hứng ảnh được thấy trên Hình 7. Hình7 : Sơ đồ của hình ảnh nhiễu xạ gây ra bởi một sợi dây hình trụ có đường kính  . Hình 8: Sơ đồ hình ảnh nhiễu xạ gây ra bởi hai sợi dây hình trụ Sự phân bố cường độ sáng theo phương lập một góc  với phương của ánh sáng tới là  (  ) =  ( 0 )      với,  =    Vân trung tâm là vân sáng. Với các góc khác, khi sin ( ≠ 0) bằng 0 thì có các vân tối. Như vậy, cường độ sáng có cực tiểu thứ n tại góc   được cho bởi công thức sau sin  = ±     = 1,2,3,4,5…. Dấu ± dùng để chỉ các vân ở hai phía của vân trung tâm ( = 0). Hình ảnh nhiễu xạ gây ra bởi hai sợi dây giống nhau đặt song song và cách nhau một khoảng d (Hình. 8) là tổ hợp của hai hình ảnh (hình ảnh nhiễu xạ gây ra bởi một sợi dây và hình ảnh giao thoa gây ra bởi hai sợi dây). Sự phân bố cường độ sáng tổng hợp được cho bởi:  (  ) =  ( 0 ) cos    sin    Hình 6: Cách lắp khác của màn hứng ảnh so với ở Hình 2 Trang 4 trên 6 E-I Q với  =     à  =    Trong trường hợp màn hứng ảnh được đặt ở khoảng cách D xa sợi dây, trên màn hứng ảnh, ta thấy vị trí của các cực tiểu gây ra bởi nhiễu xạ tại  ± = ±   , và các cực tiểu gây ra bởi giao thoa tại  ± = ±   −      (với , = 1,2,3,4,5…). Tương tự cho trường hợp có bốn sợi dây giống nhau (Hình 9), hình ảnh phân bố cường độ sáng là tổ hợp ảnh nhiễu xạ của một sợi dây và ảnh giao thoa của hai cặp dây; do vậy nó sẽ phụ thuộc vào các giá trị ,  và . Nói cách khác, ta quan sát thấy sự tổ hợp của ba hình ảnh phân bố cường độ sáng. Điều chỉnh ban đầu 1. Bật laze và điều chỉnh hai tấm phản xạ sao cho vệt sáng của laze nằm trên màn hứng ảnh. 2. Dùng thước nhựa, điều chỉnh giá đỡ laze và hai tấm phản xạ sao cho tia laze song song với bệ gỗ. 3. Chỉnh cho vệt sáng của laze ở gần giữa của màn hứng ảnh. 4. Tắt laze. Kẹp tờ giấy đánh dấu hình ảnh lên màn hứng ảnh. 5. Kẹp gương phẳng đã cho lên màn hứng ảnh bằng các kẹp nhựa và bật laze. 6. Điều chỉnh màn hứng ảnh sao cho chùm sáng quay ngược trở lại laze. Tháo gương ra sau khi chỉnh xong. 7. Ánh sáng trong cabin có thể được bật hoặc tắt tùy yêu cầu. Thí nghiệm Phần A. Xác định các tham số hình học của lò xo xoắn Mẫu I là một lò xo xoắn có bán kính  và bước xoắn  làm bằng sợi dây có đường kính đồng đều bằng   như được thấy trên Hình 10(a). Khi được nhìn theo phương vuông góc, hình chiếu của lò xo tương đương với hai hệ dây song song gồm các dây cùng đường kính, khoảng cách giữa hai dây trong mỗi hệ là   và các sợi dây của hai hệ lập với nhau một góc 2  (Hình 10 b). Hình 10: (a) Lò xo xoắn (b) Hình của lò xo xoắn khi được nhìn theo phương vuông góc  Gắn mẫu I vào giá đỡ mẫu sao cho lò xo được nằm theo phương thẳng đứng. Hình 9: Hệ gồm bốn sợi dây Trang 5 trên 6 E-I Q  Điều chỉnh để thu được hình ảnh nhiễu xạ có dạng chữ X rõ và sắc nét trên tờ giấy đánh dấu hình ảnh.  Để được như vậy, em cần làm như sau: - chỉnh sự hội tụ của chùm tia laze (bằng cách xoay vòng đỡ thấu kính ở phía trước thân laze) - xoay thân laze sao cho chỉ hai vòng của lò xo được chiếu sáng. - điều chỉnh cường độ laze (bật công tắc high/low ở nguồn cấp cho laze) - thay đổi ánh sáng xung quanh (bật hoặc tắt ánh sáng của cabin) Nếu vân trung tâm quá sáng, em có thể dán tấm nhựa tròn màu đen vào tờ giấy đánh dấu hình ảnh để làm giảm ánh sáng tán xạ. Nhiệm vụ Mô tả Điểm A1 Đánh dấu các vị trí thích hợp (dùng bút chì bấm được cấp [13]) của các vân tối (cực tiểu ánh sáng) để xác định   và   ở cả hai phía của vân sáng trung tâm trên tờ giấy đánh dấu hình ảnh. Đặt tên cho các tờ giấy đánh dấu hình ảnh là P-1, P-2 v.v… 0.7 A2 Đo các khoảng cách thích hợp bằng cách dùng thước kẹp hiện số và ghi chúng vào Bảng A1 để xác định   . 0.5 A3 Vẽ đồ thị thích hợp, đặt tên là đồ thị A1 và xác định   từ độ dốc của đường biểu diễn. 0.7 A4 Đo các khoảng cách thích hợp và ghi chúng vào Bảng A2 để xác định   . 0.8 A5 Vẽ đồ thị thích hợp, đặt tên là đồ thị A2 và xác định   từ độ dốc của đường biểu diễn. 0.6 A6 Xác định góc   từ hình ảnh có dạng chữ X trên màn hứng ảnh. 0.2 A7 Biểu thị  theo   và   rồi tính  . 0.2 A8 Biểu thị  theo  và   rồi tính  (bỏ qua   ). 0.2 Phần B. Xác định các tham số hình học của ảnh dạng xoắn kép Hình 11 (a) trình bày hai vòng của xoắn kép. Hình 11(b) là hình chiếu hai chiều của xoắn kép này khi được nhìn theo phương vuông góc. Mỗi xoắn có đường kính   và góc 2  và khoảng cách vuông góc giữa hai vòng trong một xoắn là   . Khoảng cách giữa hai xoắn là . Mẫu II là ảnh dạng xoắn kép được in trên tấm thuỷ tinh (Hình 12), nó sẽ cho ảnh nhiễu xạ tương tự như của lò xo xoắn kép. Trong phần này, em sẽ xác định các tham số hình học của mẫu II. Hình 11: (a) Hình ảnh của lò xo xoắn kép (b) Sơ đồ của xoắn kép khi nhìn theo phương vuông góc. Trang 6 trên 6 E-I Q Hình 12: Ảnh dạng xoắn kép của mẫu II  Gắn mẫu II vào giá mẫu.  Kẹp tờ giấy đánh dấu ảnh mới lên màn hứng ảnh.  Hãy chỉnh để thu được ảnh nhiễu xạ hình chữ X rõ và sắc nét trên tờ giấy đánh dấu ảnh. Nhiệm vụ Mô tả Điểm B1 Đánh dấu các vị trí thích hợp của các vân tối (cực tiểu ánh sáng) về hai phía của vân sáng trung tâm để xác định   , và   . Em có thể sử dụng nhiều hơn một tờ giấy đánh dấu ảnh. 1.1 B2 Đo các khoảng cách thích hợp và ghi chúng vào Bảng B1 để xác định   . 0.5 B3 Vẽ đồ thị thích hợp, đặt tên là đồ thị B1 và xác định   từ độ dốc của đường biểu diễn. 0.5 B4 Đo các khoảng cách thích hợp và ghi chúng vào Bảng B2 để xác định  . 1.2 B5 Vẽ đồ thị thích hợp, đặt tên là đồ thị B2 và xác định  từ độ dốc của đường biểu diễn. 0.5 B6 Đo các khoảng cách thích hợp và ghi chúng vào Bảng B3 để xác định   . 1.6 B7 Vẽ đồ thị thích hợp, đặt tên là đồ thị B3 và xác định   từ độ dốc của đường biểu diễn. 0.5 B8 Hãy xác định góc   từ hình ảnh có dạng chữ X. 0.2 . trên 6 E-I Q Chú ý: Các dụng cụ [1] , [3], [14 ], [15 ], [16 ] và [18 ] cũng sẽ được sử dụng trong bài thí nghiệm E-II. Mô tả các dụng cụ Bệ gỗ [1] : Hai thanh ray dẫn đường, laze, các. [1] Bệ gỗ [11 ] Kẹp nhựa [2] Laze với giá đỡ và đế [12 ] Tấm dán hình tròn màu đen [3] Nguồn một chiều có thể điều chỉnh được dùng cho laze [13 ] Bút chì bấm [4] Giá đỡ mẫu và đế [14 ] . Trang 1 trên 6 E-I Q Hình 2: Các dụng cụ cho E-I Hình 1: Photo 51 Nhiễu xạ gây ra bởi cấu trúc xoắn (Tổng điểm: 10 ) Giới thi u Ảnh nhiễu xạ tia X của DNA (Hình 1) chụp