HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN - THUYẾT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG

BÀI 30. HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN - THUYẾT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG

I. LÍ THUYẾT TRỌNG TÂM

1. Thí nghiệm Hertz về hiện tượng quang điện

+ Chiếu chùm ánh sáng do một hồ quang (gồm ánh sáng nhìn thấy và tia tử ngoại) phát ra vào tấm kẽm tích điện âm (tấm kẽm đang thừa êlectron) gắn trên điện nghiệm ta thấy hai lá của điện nghiệm cụp lại, tấm kẽm mất điện tích âm. Chứng tỏ có êlectron bật ra từ tấm kẽm.

+ Chắn chùm sáng hồ quang bằng một tấm kính thủy tinh dày thì hiện tượng trên không xảy ra (tấm kính hấp thụ tia tử ngoại).

→ Bức xạ tử ngoại có khả năng gây ra hiện tượng bật êlectron ra khỏi tấm kẽm khi chiếu vào còn ánh sáng nhìn thấy được thì không.

Chú ý: Thay tấm kẽm tích điện âm bằng tấm kẽm tích điện dương thì các êletron bật ra bị hút ngược lại ngay tấm kẽm tích điện dương nên điện tích trên tấm kẽm không đổi và kim điện kế không lệch.

+ Kết luận: Khi chiếu chùm ánh sáng thích hợp có bước sóng ngắn vào bề mặt một tấm kim loại thì nó làm cho các êlectron ở bề mặt tấm kim loại bị bật ra. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng quang điện. Các êlectron bị bật ra gọi là các êlectron quang điện.

2. Định luật về giới hạn quang điện

+ Phát biểu: Đối với mỗi kim loại, ánh sáng kích thích phải có bước sóng λ ngắn hơn hay bằng giới hạn quang điện λ0 của kim loại đó, mới gây ra được hiện tượng quang điện.

Biểu thức: λ ≤ λ0

+ Đặc điểm

• Giới hạn quang điện của mỗi kim loại (kí hiệu λo) là đặc trưng riêng cho kim loại đó.
• Giới hạn kim loại của một số kim loại:

Chú ý: Quan sát bảng giá trị giới hạn quang điện của các kim loại điển hình hay dùng ta thấy rằng các kim loại kiềm có giới hạn quang điện vùng ánh sáng nhìn thấy, còn các kim loại bạc, đồng, kẽm, nhôm có giới hạn quang điện vùng tử ngoại.

3. Thuyết lượng tử ánh sáng

a) Giả thuyết của Plăng về lượng tử năng lượng

Năm 1900, Plăng đề ra giả thuyết sau: Lượng năng lượng mà mỗi lần một nguyên tử hay phân tử hấp thụ hay phát xạ có giá trị hoàn toàn xác định và bằng ε = hf; trong đó f là tần số của ánh sáng bị hấp thụ hay phát ra; còn h là hằng số được xác định bằng thực nghiệm h = 6,625.10-34 J.s.

b) Thuyết lượng tử ánh sáng

+ Ánh sáng được tạo thành bởi các hạt gọi là phôtôn, mỗi phôtôn còn gọi là các lượng tử có năng lượng xác định ε = h.f, cường độ của chùm sáng tỉ lệ với số phôtôn phát ra trong 1 giây.

+ Với mỗi ánh sáng đơn sắc có tần số f, các phôtôn đều giống nhau, mỗi phôtôn mang năng lượng bằng hf.

+ Trong chân không, phôtôn bay với tốc độ c = 3.108 m/s dọc theo các tia sáng.

+ Mỗi lần một nguyên tử hay phân tử phát xạ hay hấp thụ ánh sáng thì chúng phát ra hay hấp thụ một phôtôn.

c) Giải thích hiện tượng quang điện ngoài dựa vào thuyết lượng tử ánh sáng

Anhxtanh coi chùm sáng là chùm hạt, mỗi hạt là một phôtôn mang một năng lượng xác định ε = h.f. Trong hiện tượng quang điện có sự hấp thụ hoàn toàn phôtôn chiếu tới. Mỗi phôtôn bị hấp thụ sẽ truyền toàn bộ năng lượng của nó cho một êlectron. Đối với các êlectron trên bề mặt năng lượng e này dùng làm hai việc:

- Cung cấp cho êlectron một công thoát A để thắng lực liên kết trong tinh thể và thoát ra ngoài.

- Cung cấp cho êlectron một động năng khi êlectron bật ra.

4. Lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng

+ Ánh sáng vừa có tính chất sóng vừa có tính chất hạt.

+ Vậy ánh sáng có lưỡng tính sóng hạt.

II. PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP

Dạng 1: Tính công suất nguồn sáng

+ Công suất nguồn sáng (hoặc chùm sáng) phát ra ánh sáng đơn sắc có tần số f :

\(P=n.\varepsilon =n.hf=n.\frac{hc}{\lambda }\)

Trong đó, n là số hạt phôtôn phát ra từ nguồn trong một đơn vị thời gian (trong 1 giây).

Dạng 2. Hiện tượng quang điện ngoài.

+ Để xảy ra hiện tượng quang điện, ánh sáng đơn sắc có bước sóng λ chiếu tới phải thoả mãn:

\(\varepsilon =\frac{hc}{\lambda }\ge A\) hay \(\lambda \le \frac{hc}{A}={{\lambda }_{0}}\); λ0 được gọi là giới hạn quang điện.

Giới hạn quang điện λ0 phụ thuộc vào công thoát A hay chỉ phụ thuộc vào bản chất kim loại.

III. GIẢI BÀI TẬP SÁCH GIÁO KHOA

Câu C1 (trang 154 SGK Vật lí 12):

Nếu làm thí nghiệm với tấm kẽm tích điện dương thì góc lệch của kim tĩnh điện kế sẽ không bị thay đổi khi chiếu vào tấm kẽm bằng ánh sáng hồ quang. Tại sao?

Trả lời:

Nếu làm thí nghiệm với tấm kẽm tích điện dương thì góc lệch của kim tĩnh điện kế sẽ không bị thay đổi khi chiếu vào tấm kẽm bằng ánh sáng hồ quang vì: khi êlectron bức ra khỏi tấm kim loại kẽm sẽ bị điện tích dương hút lại, do đó điện tích trên tấm kẽm không thay đổi, nên góc lệch của kim điện kế không đổi.

Câu C2 (trang 156 SGK Vật lí 12):

Nêu sự khác biệt giữa giả thuyết Plăng với quan niệm thông thường về sự phát xạ và hấp thụ năng lượng.

Trả lời:

Sự khác biệt giữa giả thuyết Plăng với quan niệm thông thường về sự phát xạ và hấp thụ năng lượng.

Theo quan niệm thông thường: năng lượng được hấp thụ và bức xạ liên tục. Sự phát xạ và hấp thụ năng lượng trao đổi có thể nhỏ bao nhiêu cũng được.

Còn theo giả thuyết của Plăng: Năng lượng mà một nguyên tử hay phân tử hấp thụ hay phát xạ có giá trị xác định bằng hf. Lượng năng lượng trao đổi phải là một bội số của hf.

Bài 1 (trang 158 SGK Vật Lí 12):

Trình bày thí nghiệm Héc về hiện tượng quang điện.

Lời giải:

+ Chiếu chùm ánh sáng do một hồ quang (gồm ánh sáng nhìn thấy và tia tử ngoại) phát ra vào tấm kẽm tích điện âm (tấm kẽm đang thừa êlectron) gắn trên điện nghiệm ta thấy hai lá của điện nghiệm cụp lại, tấm kẽm mất điện tích âm. Chứng tỏ có êlectron bật ra từ tấm kẽm!

+ Chắn chùm sáng hồ quang bằng một tấm kính thủy tinh dày thì hiện tượng trên không xảy ra (tấm kính hấp thụ tia tử ngoại).

Bài 2 (trang 158 SGK Vật Lí 12):

Hiện tượng quang điện là gì?

Lời giải:

Hiện tượng quang điện là hiện tượng khi chiếu chùm ánh sáng thích hợp có bước sóng ngắn vào bề mặt một tấm kim loại thì nó làm cho các êlectron ở bề mặt tấm kim loại bị bật ra.

Bài 3 (trang 158 SGK Vật Lí 12):

Phát biểu định luật về giới hạn quang điện

Lời giải:

Đối với mỗi kim loại, ánh sáng kích thích phải có bước sóng λ ngắn hơn hay bằng giới hạn quang điện λ0 của kim loại đó, mới gây ra được hiện tượng quang điện.

Bài 4 (trang 158 SGK Vật Lí 12):

Phát biểu nội dung của giả thuyết Plăng.

Lời giải:

Lượng năng lượng mà mỗi lần một nguyên tử hay phân tử hấp thụ hay phát xạ có giá trị hoàn toàn xác định và bằng ε = hf; trong đó f là tần số của ánh sáng bị hấp thụ hay phát ra; còn h là hằng số được xác định bằng thực nghiệm h = 6,625.10-34 J.s.

Bài 5 (trang 158 SGK Vật Lí 12):

Lượng tử năng lượng là gì?

Lời giải:

Lượng tử năng lượng là lượng năng lượng mà mỗi nguyên tử hay phân tử hấp thụ hay bức xạ. Lượng tử năng lượng kí hiệu là ε và được tính bằng công thức: ε = hf.

Bài 6 (trang 158 SGK Vật Lí 12):

Phát biểu nội dung của thuyết lượng tử ánh sáng.

Lời giải:

Thuyết lượng tử ánh sáng:

– Ánh sáng được tạo thành bởi các hạt gọi là hạt phôtôn.

– Với mỗi ánh sáng đơn sắc có tần số f, các phôtôn đều giống nhau, mỗi phôtôn mang năng lượng là hf.

– Trong chân không, phôtôn bay với tốc độ c = 3.108 m/s dọc theo các tia sáng.

– Mỗi lần một nguyên tử hay phân tử phát xạ hoặc hấp thụ ánh sáng thì chúng hay phát ra hay hấp thụ một phôtôn.

Bài 7 (trang 158 SGK Vật Lí 12):

Phôtôn là gì?

Lời giải:

Phôtôn là hạt vật chất rất đặc biệt, nó không có kích thước, không có khối lượng nghỉ (m0 = 0), không mang điện tích nhưng nó có năng lượng (tí lệ với tần số ε = hf ) có khối lượng tương đối tính \(m=\frac{\varepsilon }{{{c}^{2}}}\) và có động lượng \(p \left( p=mc=\frac{h}{\lambda } \right)\), và nó chỉ tồn tại khi chuyển động với vận tốc ánh sáng (không có phôtôn đứng yên).

Bài 8 (trang 158 SGK Vật Lí 12):

Giải thích định luật về giới hạn quang điện bằng thuyết phôtôn.

Lời giải:

Hiện tượng quang điện xảy ra do sự hấp thụ phôtôn và ánh sáng kích thích bởi êlectron trong kim loại. Muốn cho hiện tượng quang điện xảy ra thì năng lượng của phôtôn ánh sáng kích thích phải lớn hơn hoặc bằng công thoát: \(\varepsilon =\frac{hc}{\lambda }\ge A\) hay \(\lambda \le \frac{hc}{A}={{\lambda }_{0}}\).

Bài 9 (trang 158 SGK Vật Lí 12):

Hiện tượng nào dưới đây là hiện tượng quang điện?

A. Êlectron bứt ra khỏi kim loại bị nung nóng.

B. Êectron bật ra khỏi kim loại khi có ion đập vào.

C. Êlectron bị bật ra khỏi một nguyên tử khi va chạm với một nguyên tử khác.

D. Êlectron bị bật ra khỏi mặt kim loại khi bị chiếu sáng.

Lời giải: Chọn D.

Hiện tượng quang điện là hiện tượng êlectron bị bật ra khỏi mặt kim loại khi bị chiếu sáng thích hợp.

Bài 10 (trang 158 SGK Vật Lí 12):

Chiếu một ánh sáng đơn sắc vào mặt một tấm đồng. Hiện tượng quang điện sẽ không xảy ra nếu ánh sáng có bước sóng.

A. 0,1 μm. B. 0,2 μm. C. 0,3 μm. D. 0,4 μm.

Lời giải: Chọn D.

Theo định luật giới hạn quang điện thì λ ≤ λ0 mới gây ra hiện tượng quang điện nên ánh sáng có bước sóng λ = 0,4 μm > λ0 thì không gây ra hiện tượng quang điện.

Bài 11 (trang 158 SGK Vật Lí 12):

Ánh sáng có bước sóng 0,60 μm có thể gây ra hiện tượng quang điện ở chất nào dưới đây?

A. Xesi. B. Kali. C. Natri. D. Canxi.

Lời giải:

Giới hạn quang điện của Canxi; Natri; Kali; Xesi lần lượt là:

λcanxi = 0,43 μm; λnatri = 0,50 μm; λkali = 0,55 μm; λxesi = 0,58 μm.

Do λ = 0,60 μm > λ0 của tất cả các kim loại trên nên không gây ra hiện tượng quang điện.

Bài 12 (trang 158 SGK Vật Lí 12):

Tính lượng tử năng lượng của các ánh sáng đỏ (0,75 μm) và vàng (0,55 μm).

Lời giải:

Lượng tử năng lượng của ánh sáng đỏ là: \({{\varepsilon }_{đ}}=\frac{hc}{{{\lambda }_{đ}}}=\frac{6,625\cdot {{10}^{-34}}{{.3.10}^{8}}}{0,{{75.10}^{-6}}}=2,{{65.10}^{-19}}~\text{J}\text{.}\)

Lượng tử năng lượng của ánh sáng vàng là: \({{\varepsilon }_{v}}=\frac{hc}{{{\lambda }_{v}}}=\frac{6,625\cdot {{10}^{-34}}{{.3.10}^{8}}}{0,{{55.10}^{-6}}}=3,{{61.10}^{-19}}~\text{J}\text{.}\)

Bài 13 (trang 158 SGK Vật Lí 12):

Giới hạn quang điện của kẽm là 0,35 μm. Tính công thức thoát của êlectron khỏi kẽm theo đơn vị jun và eV. Cho 1 eV = 1,6.10-19 J.

Lời giải:

Giới hạn quang điện của kẽm: λ0 = 0,35.10-6 m.

Công thoát của êlectron khỏi kẽm là: \(A=\frac{hc}{{{\lambda }_{0}}}=\frac{6,625\cdot {{10}^{-34}}{{.3.10}^{8}}}{0,{{35.10}^{-6}}}=5,{{68.10}^{-19}}~\text{J}\,\text{=}\,\text{3,55}\,\text{eV}\text{.}\)

Hy vọng bài "Hiện tượng quang điện - Thuyết lượng tử ánh sáng" đã giúp các em nắm vững những nội dung nền tảng quan trọng trong nội dung chương trình Vật lí lớp 12.