Giải bài tập SGK Vật lý 12 Bài 30: Hiện tượng quang điện. Thuyết lượng tử ánh sáng

Trình bày thí nghiệm Héc về hiện tượng quang điện.

Phương pháp giải

Thí nghiệm Héc chứng minh được rằng ánh sáng hồ quang đã làm bật eclectron khỏi mặt tấm kẽm với dụng cụ thí nghiệm gồm: nguồn sáng hồ quang, một tĩnh điện kế và một tấm kẽm tích điện âm.

Hướng dẫn giải

Thí nghiệm Héc:

- Gắn một tấm kẽm tích điện âm vào cần của một tĩnh điện kế, kim của tĩnh điện kế sẽ lệch đi một góc nào đó.

- Chiếu một chùm sáng do một nguồn hồ quang phát ra vào tấm kẽm thì góc lệch của kim tĩnh điện kế giảm đi.

- Thay tấm kẽm bằng tấm kim loại khác ta cũng thấy hiện tượng tương tự.

=> Chứng minh được rằng ánh sáng hồ quang đã làm bật eclectron khỏi mặt tấm kẽm.

Hiện tượng quang điện là gì?

Phương pháp giải

Để trả lời câu hỏi này cần nắm được khái niệm hiện tượng quang điện.

Hướng dẫn giải

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

Phát biểu định luật về giới hạn quang điện

Phương pháp giải

Nội dung định luật về giới hạn quang điện:

- Điều kiện: λ ≤ λ₀

- λ₀ là giới hạn quang điện, đặc trưng cho mỗi kim loại

Hướng dẫn giải

Định luật về giới hạn quang điện:

- 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 (λ ≤ λ₀ )

- Giới hạn quang điện (λ₀) của mỗi kim loại là đặc trưng riêng của kim loại đó.

Phát biểu nội dung của giả thuyết Plank.

Phương pháp giải

Nội dung giả thuyết Plank:

Lượng tử năng lượng được tính bằng công thức: ε = hf 

Hướng dẫn giải

Giả thuyết lượng tử năng lượng của Max-plank:

- 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 hf; trong đó f là tần số của ánh sáng bị hấp thụ hay phát xạ ra, còn h là một hằng số.

- Lượng tử năng lượng ε = hf trong đó (h = 6,625.10^-34Js).

Lượng tử năng lượng là gì?

Phương pháp giải

Để trả lời câu hỏi này cần nắm được định nghĩa lượng tử năng lượng.

Hướng dẫn 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

Phát biểu nội dung của thuyết lượng tử ánh sáng.

Phương pháp giải

Nội dung thuyết lượng tử ánh sáng:

- Hạt ánh sáng là hạt photon mang năng lượng

- Vận tốc photon trong chân không: c = 3.10⁸ m/s

Hướng dẫn giải

Thuyết lượng tử ánh sáng:

- Ánh sáng được tạo thành bởi các hạt gọi là hạt photon.

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

- Trong chân không, photon 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 photon.

Photon là gì?

Phương pháp giải

Phôtôn là hạt vật chất rất đặc biệt, mang những tính chất đặc trưng riêng mà không tồn tại kích thước, khối lượng nghỉ, điện tích, ... và chỉ tồn tại khi chuyển động với vận tốc ánh sáng.

Hướng dẫn giải

Phôtôn là hạt vật chất rất đặc biệt:

- Không có kích thước

- Không có khối lượng nghỉ (m₀ = 0)

- Không mang điện tích

- Có năng lượng (tỷ lệ với tần số ε = hf )

- Có khối lượng tương đối tính m = ε/c² 

- Có động lượng p (với p = m.c = h/λ)

- Chỉ tồn tại khi chuyển động với vận tốc ánh sáng (không có photon đứng yên).

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

Phương pháp giải

- Theo thuyết photon: 

+ Hạt ánh sáng là hạt photon mang năng lượng

+ Mỗi photon đều mang năng lượng

- Định luật giới hạn quang điện: 

+ \(hf \ge A\,\,\,hay\,\,\,h.\frac{c}{\lambda } \ge A \Rightarrow \lambda \le \frac{{h.c}}{A}\)

+ Đặt \({\lambda _0} = \frac{{h.c}}{A}\) được gọi là giới hạn quang điện của kim loại

⇒ λ ≤ λ₀

Hướng dẫn giải

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

- Hiện tượng quang điện xảy ra do sự hấp thụ photon và ánh sáng kích thích bởi electron trong kim loại.

- Muốn cho hiện tượng quang điện xảy ra thì năng lượng của photon ánh sáng kích thích phải lớn hơn hoặc bằng công thoát:

\(hf \ge A\,\,\,hay\,\,\,h.\frac{c}{\lambda } \ge A \Rightarrow \lambda \le \frac{{h.c}}{A}\)

- Đặt  \({\lambda _0} = \frac{{h.c}}{A}\) được gọi là giới hạn quang điện của kim loại

⇒ λ ≤ λ₀ (1)

- Hệ thức (1) phản ánh định luật giới hạn quang điện.

Hiện tượng nào dưới đây là hiện tượng quang điện?

A. Electron bứt ra khỏi kim loại bị nung nóng

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

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

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

Phương pháp giải

Hiện tượng electron bị bật ra khỏi mặt kim loại khi bị chiếu sáng được gọi là hiện tượng quang điện

Hướng dẫn giải

- Hiện tượng quang điện là hiện tượng Electron bị bật ra khỏi mặt kim loại khi bị chiếu sáng.

- Chọn đáp án: D

Dựa vào bảng 30.1 (SGK): 

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. 0,1μm

B. 0,2μm

C. 0,3 μm

D. 0,4 μm

Phương pháp giải

Áp dụng công thức λ ≤ λ₀  để suy ra giá trị phù hợp là 0,4 μm.

Hướng dẫn giải

- Giới hạn quang điện λ₀ của đồng thời là λ₀ = 0,3μm.

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

­ - Chọn đáp án: D

Dựa vào bảng 30.1 (SGK):

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

A. Canxi               B. Natri

C. Kali                  D. Xesi

Phương pháp giải

Áp dụng công thức λ ≤ λ₀  để suy ra không giá trị nào thỏa mãn yêu cầu.

Hướng dẫn giải

- Không gây ra hiện tượng quang điện ở chất nào.

- Dựa vào bảng 30.1, giới hạn quang điện của lần lượt là:

    λ_canxi = 0,43 μm

    λ_natri = 0,50 μm

    λ_kali = 0,55 μm

    λ_xesi = 0,58 μm

- Ta thấy: 0,60 μm đều lớn hơn cả 4 giới hạn quang điện trên nên ánh sáng có bước sóng là 0,60 μm sẽ không gây ra hiện tượng quang điện ở bất kì chất nào ở trên.

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

Phương pháp giải

Áp dụng công thức: ε = h.c/λ để tính lượng tử năng lượng cho λ_d và λ_v.

Hướng dẫn giải

- Lượng tử năng lượng của ánh sáng đỏ là: 

\({\varepsilon _{\rm{d}}} = \frac{{hc}}{{{\lambda _d}}} = \frac{{{{6,625.10}^{ - 34}}{{.3.10}^8}}}{{{{0,75.10}^{ - 6}}}} = {2,65.10^{ - 19}}J\)

- Lượng tử năng lượng của ánh sáng vàng là:

\({\varepsilon _V} = \frac{{hc}}{{{\lambda _V}}} = \frac{{{{6,625.10}^{ - 34}}{{.3.10}^8}}}{{{{0,55.10}^{ - 6}}}} = {3,61.10^{ - 19}}J\)

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

Phương pháp giải

Áp dụng công thức A = h.c/ λ₀ để tính công thoát.

Hướng dẫn giải

- Giới hạn quang điện của kẽm:

λ₀ = 0,35.10^-6 (m);  1eV = 1,6.10^-19 (J)

- Công thoát của electron khỏi kẽm là:

 \(\begin{array}{l} A = \frac{{hc}}{{{\lambda _0}}} = \frac{{{{6,625.10}^{ - 34}}{{.3.10}^8}}}{{{{0,35.10}^{ - 6}}}} = {5,68.10^{ - 19}}J\\ \Rightarrow A = \frac{{{{5,68.10}^{ - 19}}J}}{{{{1,6.10}^{ - 19}}J/eV}} = 3,55eV \end{array}\)