Lý 12 Bài 30: Hiện tượng quang điện và thuyết lượng tử ánh sáng

a. Thí nghiệm của Héc về hiện tượng quang điện

• Chiếu một chùm sáng do hồ quang phát ra vào tấm kim loại tích điện âm thì tấm kim loại bị mất điện tích âm.

• Các thí nghiệm cho thấy, ánh sáng hồ quang đã làm bật electron ra khỏi mặt tấm kẻm.

b. Định nghĩa

Hiện tượng ánh sáng làm bật các electron ra khỏi mặt kim loại gọi là hiện tượng quang điện ngoài.

c. Bức xạ tử ngoại gây ra hiện tượng quang điện ở kẽm

Nếu chắn chùm sáng hồ quang bằng bằng một tấm thủy tinh dày (thủy tinh hấp thụ mạnh các tia tử ngoại) thì hiện tượng quang điện không xảy ra. Điều đó chứng tỏ rằng các bức xạ tử ngoại có khả năng gây ra hiện tượng quang điện ở kẽm, còn ánh sáng nhìn thấy được thì không.

• 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: \(\lambda \leq \lambda _0\)

• Định luật về giới hạn quang điện chỉ có thể giải thích được bằng thuyết lượng tử ánh sáng.

a. Giả thuyết Plăng

• Lượng năng lượng mà mỗi lần nguyên tử hay phân tử hấp thụ hay phát xạ có giá trị hoàn toàn xác định và bằng hf. 

• Trong đó f là tần số của của ánh sáng bị hấp thụ hay được phát ra; còn h là một hằng số.

b. Lượng tử năng lượng.

Năng lượng mà nguyên tử hoặc phân tử hấp thụ hay phản xạ hoàn toàn xác định là h.f"

Trong đó: \(\varepsilon = h.f\) : lượng tử năng lượng
Với:  f: tần số của ánh sáng đơn sắc
       h = \(6,625.10^{-34}\) J: hằng số Plăng

c. Thuyết lượng tử ánh sáng 

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

• 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 = 3.10⁸m/s dọc theo các tia sáng.

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

• Phôtôn chỉ tồn tại trong trạng thái chuyển động. Không có phôtôn đứng yên

d. Giải thích định luật về giới hạn quang điện bằng thuyết lượng tử ánh sáng 

• Trong hiện tượng quang điện mỗi phôtôn bị hấp thụ sẽ truyền toàn bộ năng lượng cho một electron. Để bứt được electron ra khỏi bề mặt kim loại thì năng lượng của phôtôn phải lớn hơn công thoát A: 

\(hf=\frac{hc}{\lambda }\geq A=\frac{hc}{\lambda_0 }\)

→ \(\lambda \leq \lambda _0\)

Với \(\lambda _0=\frac{hc}{A}\)  chính là giới hạn quang điện của kim loại.

• Ánh sáng vừa có tính chất sóng lại vừa có tính chất hạt nên ta nói ánh sáng có lưỡng tính sóng – hạt.

• Ánh sáng có bản chất điện từ.

Chọn câu đúng.

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

A. \(0,1 \mu m\)                                   B. \(0,2 \mu m\)

C. \(0,3 \mu m\)                                   D. \(0,4 \mu m\) 

Hướng dẫn giải

Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra ⇔ \(\lambda \leq \lambda _0\)

Ta cần xem lại bảng 30.1 (SGK trang 155) để tìm hiểu về giới hạn quang điện của đồng là λ₀ = 0,3 μm.

• Với ánh sáng có bước sóng \(\lambda =0,1\mu m\),\(\lambda =0,2\mu m\), \(\lambda =0,3\mu m\) \(\leq \lambda _0\)  nên xảy ra hiện tượng quang điện.

• Với ánh sáng có bước sóng \(\lambda =0,4\mu m\) \(\geq \lambda _0\)  nên không xảy ra hiện tượng quang điện.

⇒ Chọn đáp án D

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

Hướng dẫn giải

Lượng tử năng lượng của ánh sáng đỏ là:

 \(\varepsilon _d = h.\frac{c }{\lambda_{d} }= 6,625.10^{-34}.\frac{3.10^{8}}{0,75.10^{-6}}= 26,5.10^{-20} J.\)   

Lượng tử năng lượng của ánh sáng vàng là:

 \(\varepsilon _v = h.\frac{c }{\lambda_{v} }= 6,625.10^{-34}.\frac{3.10^{8}}{0,55.10^{-6}}= 36,14.10^{-20} J.\)

Câu 1: Chiếu một bức xạ có bước sóng 0,48 µm lên một tấm kim loại có công thoát là 2,4.10^-19J. Dùng màn chắn tách ra một chùm hẹp các electron quang điện và cho chúng đi vào không gian có điện trường đều, theo hướng vectơ cường độ điện trường. Biết cường độ điện trường có giá trị 1000V/m. Quãng đường tối đa mà electron chuyển động được theo chiều vectơ cường độ điện trường là bao nhiêu?

Câu 2: Một nguồn phát ra ánh sáng đơn sắc bước sóng λ = 0,50 μm. Số photon mà nguồn phát ra trong 1 phút là N=2,5.10¹⁸. Công suất phát xạ của nguồn là bao nhiêu?

Câu 3: Chiếu ánh sáng có bước sóng λ = 0,542 μm vào catôt của một tế bào quang điện (một dụng cụ chân không có hai điện cực là catôt nối với cực âm và anôt nối với cực dương của nguồn điện) thì có hiện tượng quang điện. Công suất của chùm sáng chiếu tới là 0,625 W, biết rằng cứ 100 photon tới catôt thì có 1 êlectron bứt ra khỏi catôt. Khi đó cường độ dòng quang điện bão hòa có giá trị là bao nhiêu?

Câu 4: Cho hằng số Plăng h = 6,625.10^-34 J.s ; tốc độ ánh sáng trong chân không c=3.10⁸ m/s. Một nguồn phát ánh sáng đơn sắc có bước sóng 0,51 μm. Công suất bức xạ của nguồn là 2,65 W. Số photon mà nguồn phát ra trong 1 giây là bao nhiêu?

Câu 1: Lần lượt chiếu ánh sáng màu tím có bước sóng 0,39µm và ánh sáng màu lam có bước sóng vào một mẫu kim loại có công thoát là 2,48eV. Ánh sáng nào có thể gây ra hiện tượng quang điện?

A. Chỉ có màu lam.

B. Cả hai đều không.

C. Cả màu tím và màu lam.

D. Chỉ có màu tím.

Câu 2: Công thoát êlectron của kim loại phụ thuộc vào:

A. bước sóng của ánh sáng kích thích và bản chất của kim loại

B. bản chất của kim loại

C. cường độ của chùm sáng kích thích

D. bước sóng của ánh sáng kích thích

Câu 3: Kim loại làm catốt của tế bào quang điện có giới hạn quang điện λ₀. Chiếu lần lượt tới bề mặt catốt hai bức xạ có bước sóng λ₁ = 0,4 µm và λ₂ = 0,5 µm thì vận tốc ban đầu cực đại của các quang electron bắn ra khác nhau 1,5 lần.

- Cho biết năng lượng của một photon khi chiếu tới bề mặt catốt của tế bào quang điện thì bị hấp thụ hoàn toàn, năng lượng đó dùng để cung cấp cho electron ở bề mặt công thoát và cung cấp cho electron đó một động năng ban đầu cực đại. Giới hạn quang điện λ0 là:

A. 0,6 µm.        B. 0,625 µm.

C. 0,775 µm.      D. 0,25 µm.

Câu 4: Công thoát của kẽm là 3,5eV. Biết độ lớn điện tích nguyên tố là e = 1,6.10^-19C; hằng số Plang h = 6,625.10^-34 Js; vận tốc ánh sáng trong chân không c = 3.10⁸ m/s. Chiếu lần lượt vào bản kẽm ba bức xạ có bước sóng λ₁ = 0,38µm; λ₂ = 0,35µm; λ₃ = 0,30 µm. Bức xạ nào có thể gây ra hiện tượng quang điện trên bản kẽm?

A. không có bức xạ

B. hai bức xạ λ₂ và λ₃

C. cả ba bức xạ

D. chỉ một bức xạ λ₃

Câu 5: Giới hạn quang điện của canxi là λ₀ = 0,45µm . Tìm công thoát electron ra khỏi bề mặt canxi:

A. 3,12.10^-19 J.      B. 4,5.10^-19 J.

C. 4,42.10^-19 J.      D. 5,51.10^-19 J

Qua bài này, các em sẽ được làm quen với các kiến thức liên quan đến Hiện tượng quang điện và Thuyết lượng tử ánh sáng cùng với các bài tập liên quan theo nhiều cấp độ từ dễ đến khó…, các em cần phải nắm được : 

• Trình bài được thí nghiệm Héc về hiện tượng quang điện và nêu được định nghĩa hiện tượng quang điện .

• Phát biểu được định luật về giới hạn quang điện .

• Phát biểu được thuyết lượng tử ánh sáng và  vận dụng được thuyết Phôtôn để giải thích định luật về giới hạn quang điện .

• Nêu được lưỡng tính sóng – hạt của ánh sáng .