Lượng tử ánh sáng-Cấp tốc

LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG. 1. Hiện tượng quang điện: - Hiện tượng quang điện ngoài: Hiện tượng chiếu ánh sáng( bức xạ) vào kim loại làm bật các êlectron ra khỏi bề mặt kim loại gọi là hiện tượng quang điện.(quang điện bên ngoài) - Định luật về giới hạn quang điện: Đối với mỗi kim loại, ánh sáng kích thích phải có bước sóng λ ngắn hơn hoặc bằng giới hạn quang điện λ 0 của kim loại đó, mới gây ra được hiện tượng quang điện: 0 λλ ≤ Trong đó 0 λ = A ch. , A là công thoát electron của kim loại. Hay năng lượng photon: A ch fh ≥== λ ε . . 2. Thuyết lượng tử ánh sáng. - Giả thuyết của Planck: Lượng năng lượng mà mỗi lấn một nguyên tử hay phân tử hấp thụ hay phát xạ có giá trị hoàn toàn xác định và bằng h.f; trong đó f là tần số của ánh sáng bị hấp thụ hay phát xạ, h là một hằng số Planck . h = 6,625.10 -34 J.s. - Năng lượng một lượng tử ánh sáng (phôtôn): fh.= ε = λ ch. -Khi ánh sáng truyền đi các lượng tử ánh sáng không bị thay đổi, không phụ thuộc k /c tới nguồn sáng. - Thuyết lượng tử ánh sáng: + Ánh sáng được tạo thành bởi các hạt gọi là phôtôn. + Các photon trong một chùm sáng đơn sắc đều giống nhau, mỗi phôtôn mang năng lượng : ε =hf = λ ch. + Phôtôn bay đi với vận tốc c = 3.10 8 m/s dọc theo các tia sáng. + Mỗi lần 1 nguyên tử hay phân tử phát xạ hay hấp thụ ánh sáng thì chúng phát ra hay hấp thụ 1 phôtôn. Lưu ý: phôtôn chỉ tồn tại ở trạng thái chuyển động không có phôtôn đứng yên. 3. Hiện tượng quang điện trong (quang dẫn): Hiện tượng khi chiếu ánh sáng vào chất bán dẫn làm giải phóng các êlectron liên kết thành các êlectron dẫn đồng thời xuất hiện các lỗ trống cùng tham gia vào quá trình dẫn điện, gọi là hiện tượng quang điện trong. Chú ý: -Ánh sáng hồng ngoại cũng có thể gây hiện tượng quang điện bên trong. -Năng lượng giải phóng electron liên kết thành các êlectron dẫn trong chất bán dẫn nhỏ hơn nhiều so với năng lượng để bức electron ra khỏi kim loại trong hiện tượng quang điện. 4. Quang trở và pin quang điện: - Quang điện trở là 1 điện trở làm bằng chất quang dẫn. Điện trở của nó bị giảm mạnh khi được chiếu ánh sáng thích hợp. - Pin quang điện (còn gọi là pin mặt trời) là 1 nguồn điện chạy bằng năng lượng as. Nó biến đổi trực tiếp quang năng thành điện năng. Pin hoạt động dựa vào hiện tượng quang điện trong xảy ra bên cạnh 1 lớp chặn. 5. Sự phát quang: - Sự phát quang là một số chất có khả năng hấp thụ as có bước sóng này để phát ra as có bước sóng khác. - Đặc điểm của sự phát quang: là nó còn kéo dài 1 thời gian sau khi tắt as kích thích. - Huỳnh quang: Là sự phát quang của các chất lỏng và chất khí, có đặc điểm là as phát quang tắt rất nhanh sau khi tắt as kích thích. Ánh sáng huỳnh quang có bước sóng dài hơn bước sóng của as kích thích: λ hq > λ kt . - Lân quang: Là sự phát quang của các chất rắn, có đặc điểm là as phát quang có thể kéo dài 1 khoảng thời gian nào đó sau khi tắt as kích thích. 6. Tiên đề Bo - Quang phổ nguyên tử Hiđrô - Tiên đề về trạng thái dừng: Nguyên tử chỉ tồn tại trong những trạng thái có năng lượng xác định, gọi là các trạng thái dừng. Trong trạng thái dừng nguyên tử không bức xạ. Trong các trạng thái dừng của nguyên tử, êlectrôn chỉ chuyển động quanh hạt nhân trên các quĩ đạo có bán kính hoàn toàn xác định gọi là các quĩ đạo dừng. +Bình thường các electron chuyển động trên quĩ đạo có bán kính nhỏ nhất ứng với mức năng lượng thấp nhất gọi là trạng thái cơ bản. (nguyên tử bền vững nhất) +Khi hấp thụ năng lượng nguyên chuyển lên trạng thái dừng có năng lượng cao hơn gọi là trạng thái kích thích, các electron chuyển động trên quĩ đạo có bán kính lớn hơn.Quĩ đạo có bán kính càng lớn ứng với mức năng lượng càng cao. - Tiên đề về sự bức xạ và hấp thụ năng lượng của nguyên tử: + Khi nguyên tử chuyển từ trạng thái dừng có năng lượng E cao sang trạng thái dừng có mức năng lượng E thấp (với E cao > E thấp ) thì nguyên tử phát ra 1 phôtôn có năng lượng đúng bằng hiệu E cao - E thấp : ε = hf = = E cao - E thấp + Ngược lại, nếu 1 nguyên tử đang ở trạng thái dừng có năng lượng thấp E thấp mà hấp thu được 1 phôtôn có năng lượng hf đúng bằng hiệu E cao - E thấp thì nó chuyển lên trạng thái dừng có năng lượng E cao cao hơn. - Nguyên tử luôn có xu hướng chuyển từ mức năng lượng cao về mức năng lượng thấp hơn. * Bán kính quỹ đạo dừng thứ n của electron trong nguyên tử hiđrô: r n = n 2 .r 0 Với r 0 =5,3.10 -11 m là bán kính Bo (ở quỹ đạo K); n = 1, 2, 3, 4, 5, 6. * Sơ đồ chuyển mức năng lượng của nguyên tử Hidro. - Dãy Laiman: Ứng với e chuyển từ quỹ đạo bên ngoài về quỹ đạo K Lưu ý: -Vạch có bước sóng dài nhất λ max khi e chuyển từ L → K - Dãy Banme: Ứng với e chuyển từ quỹ đạo bên ngoài về quỹ đạo L Vùng ánh sáng nhìn thấy có 4 vạch: Vạch đỏ H α ứng với e: M → L Vạch lam H β ứng với e: N → L Vạch chàm H γ ứng với e: O → L Vạch tím H δ ứng với e: P → L Lưu ý: Vạch có bước sóng dài nhất λ α - Dãy Pasen: Ứng với e chuyển từ quỹ đạo bên ngoài về quỹ đạo M Vạch có bước sóng dài nhất λ NM khi e chuyển từ N → M. 7.Một số công thức liên quan: -Công suất chùm sáng: P = N p . ε = N p .hf =N p . λ ch. (N p :số photon đập vào trong1 giây) -Hiệu suất quang điện: H = p e N N x100% (N p , N e lần lượt là số photon đập vào và số electron bức ra trong cùng một thời gian) -Bước sóng ngắn nhất của tia X phát ra: e.U AK = min . λ ch = h.f max . (U AK : hđt đặt vào ống để phát ra tia X) nhận phôtôn phát phôtôn E cao E thấp Laiman K M N O L P Banme Pasen H α H β H γ H δ n=1 n=2 n=3 n=4 n=5 n=6 -Điện thế cực đại V max của tấm kim loại khi bị chiếu sáng gây ra hiện tượng quang điện: 2 . . 2 max max vm Ve e = Trong đó: m e = 9,1.10 -31 kg; v max : vận tốc ban đầu cực đại của electron quang điện; e=1,6.10 -19 C. 8. Sơ lược về laze: - Laze là 1 nguồn sáng phát ra 1 chùm sáng có cường độ lớn dựa trên ứng dụng của hện tượng phát xạ cảm ứng. -Hiện tượng phát xạ cảm ứng: là hiện tượng một nguyên tử đang ở trạng thái kích thích có khả năng phát ra photon có năng lượng ε bắt gặp một photon có năng lượng ε ’ = ε bay qua nó thì lập tức phát ra photon ε . - Đặc điểm của tia laze :có tính đơn sắc, tính định hướng, tính kết hợp rất cao và cường độ lớn. 9. Lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng: - Ánh sáng vừa có t/c sóng, vừa có t/c hạt vậy as có lưỡng tính sóng hạt. - Khi bước sóng của as càng ngắn (thì năng lượng của phôtôn càng lớn), thì t/c hạt thể hiện càng rõ: Tính đâm xuyên, td quang điện, td iôn hóa, td phát quang. -Ngược lại khi bước sóng của as càng dài (thì năng lượng của phôtôn càng nhỏ), thì t/c sóng thể hiện càng rõ: dễ quan sát thấy hiện tượng giao thoa, hiện tượng tán sắc của các as đó. BÀI TẬP Câu 1.Chọn câu đúng. Nếu chiếu một chùm tia hồng ngoại vào tấm kẽm tích điện âm, thì: A. tấm kẽm mất dần điện tích dương. B. Tấm kẽm mất dần điện tích âm. C. Tấm kẽm trở nên trung hoà về điện. D. điện tích âm của tấm kẽm không đổi. Câu 2. Giới hạn quang điện của một kim loại phụ thuộc vào A. bản chất của kim loại. B. Tần số ánh sáng kích thích. C. bước sóng của anh sáng chiếu vào catôt. D. Năng lượng của photon trong chùm sáng kích thích. Câu 3.Phát biểu nào sau đây là sai khi nói về thuyết lượng tử ánh sáng? A. Nguyên tử vật chất không hấp thụ hay bức xạ ánh sáng một cách liên tục mà thành từng phần riêng biệt, đứt quãng. B. Chùm sáng là dòng hạt, mỗi hạt là một phôtôn,mỗi photon mang một năng lượng hoàn toàn xác định. C. Năng lượng của phôtôn trong các ánh sáng đều giống nhau. D. Khi ánh sáng truyền đi, các lượng tử ánh sáng không bị thay đổi, không phụ thuộc khoảng cách tới nguồn sáng. Câu 4.Hiện tượng nào dưới đây không thể hiện tính chất hạt của ánh sáng: A. Hiện tượng phát quang C. Hiện tượng tạo thành quang phổ vạch của nguyên tử Hyđro B. Hiện tượng quang điện D. Hiện tượng giao thoa ánh sáng Câu 5.Một kim loại có giới hạn quang điện λ 0 = 0,5μm. Muốn có hiện tượng quang điện thì ánh sáng kích thích phải có tần số : A. f ≥ 2.10 14 Hz B. f ≥ 4,5.10 14 Hz C. f ≥ 5.10 14 Hz D. f ≥ 6.10 14 Hz Câu 6. Một đèn laze có công suất phát sáng 1W phát ánh sáng đơn sắc có bước sóng 0,7µm. Cho h = 6,625.10 -34 Js, c=3.10 8 m/s. Số phôtôn của nó phát ra trong 1 giây là: A. 3,52.10 19 . B. 3,52.10 20 . C. 3,52.10 18 . D. 3,52.10 16 . * Dùng chung cho câu 7, 8,9. Trong hiện tượng quang điện, năng lượng photon của ánh sáng kích thích, công thoát electron và động năng ban đầu cực đại của electron quang điện được tính theo công thức Anhxtanh : 2 . . 2 max vm A ch e += λ ; λ là bước sóng ánh sáng kích thích,h = 6,625.10 -34 Js, c=3.10 8 m/s. Câu 7.Công thoát electron khỏi đồng là 4,57eV. Khi chiếu bức xạ có bước sóng λ = 0,14µm vào một quả cầu bằng đồng đặt xa các vật khác thì quả cầu được tích điện đến điện thế cực đại là A. 0,43 V. B. 4,3V. C. 0,215V. D. 2,15V. Câu 8. Khi chiếu lần lượt hai bức xạ có tần số là f 1 , f 2 (với f 1 < f 2 ) vào một quả cầu kim loại đặt cô lập thì đều xảy ra hiện tượng quang điện với điện thế cực đại của quả cầu lần lượt là V 1 , V 2 . Nếu chiếu đồng thời hai bức xạ trên vào quả cầu này thì điện thế cực đại của nó là A. V 2 . B. (V 1 + V 2 ) C. V 1 . D. |V 1 -V 2 |. Câu 9.Chiếu một bức xạ vào một quả cầu kim loại đặt cô lập để hiện tượng quang điện, phát biểu nào sau đây không đúng. A.Ánh sáng chiếu vào có bước sóng nhỏ hơn giới hạn quang điện của kim loại làm quả cầu. B.Quả cầu tích điện dương và điện tích trên quả cầu tăng dần đến một giá trị cực đại và sau đó điện tích trên quả cầu không tăng nữa. C.Quả cầu tích điện âm và điện tích trên quả cầu liên tục tăng. D.Nếu thay đổi ánh sáng kích thích thì điện tích cực đại của quả cầu có giá trị khác Câu 10.Ống Rơnghen có hiệu điện thế giữa anôt và catôt là 12000V, phát ra tia X có bước sóng ngắn nhất là λ. Để có tia X cứng hơn, có bước sóng ngắn nhất là λ’ ngắn hơn bước sóng ngắn nhất λ 1,5 lần, thì hiệu điện thế giữa anôt và catôt phải là A. U = 18000V B. U = 16000V C. U = 21000V D. U = 12000V Câu 11.Tần số lớn nhất trong chùm tia Rơnghen là f max = 5.10 18 Hz. Coi động năng đầu của e rời catôt không đáng kể. Cho biết: h = 6,625.10 –34 J.s; c=3.10 8 m/s; e= 1,6.10 –19 C. Động năng của electron đập vào đối catốt là: A. 3,3125.10 -15 J B. 4.10 -15 J C. 6,25.10 -15 J D. 8,25.10 -15 J Câu 12.Khi nguyên tử Hidro đang ở mức năng lượng ứng với quĩ đạo L , truyền một photon có năng lượng ε , với E M – E L < ε < E N - E L . Nhận định nào sau đây là đúng. A. Nguyên tử hấp thụ photon và chuyển sang mức năng lượng ứng với quĩ đạo M B. Nguyên tử hấp thụ photon và chuyển sang mức năng lượng ứng với quĩ đạo N C. Nguyên tử không hấp thụ photon và vẫn ở mức năng lượng ứng với quĩ đạoL D. Phát xạ photon và chuyển xuống mức năng lượng cơ bản. Câu 13.Gọi α λ và β λ lần lượt là bước sóng của 2 vạch khi electron chuyển từ quĩ đạoM về quĩ đạo L và từ quĩ đạoN về quĩ đạo L (dãy Banme). Gọi 1 λ là bước sóng của vạch đầu tiên trong dãy Pasen(electron chuyển từ quĩ đạoN về quĩ đạo M). Hệ thức liên hệ : α λ , β λ , 1 λ là: A. 1 1 λ = α λ 1 + β λ 1 B. λ 1 = β λ - α λ C. 1 1 λ = β λ 1 - α λ 1 D. λ 1 = α λ + β λ Câu14. Bước sóng dài nhất khi e chuyển từ các quĩ đạo bên ngoài về quĩ đạo L của nguyên tử Hidrolà 0,6560 m µ . Bước sóng dài nhất khi e chuyển từ các quĩ đạo bên ngoài về quĩ đạo K là 0,1220 m µ . Bước sóng dài thứ hai khi e chuyển từ các quĩ đạo bên ngoài về quĩ đạo L là: A. 0,0528 m µ B. 0,1029 m µ C. 0,1112 m µ D. 0,1211 m µ Câu 15.Khi chiếu bức xạ vào một quả cầu bằng đồng đặt cô lập thì quả cầu được tích điện đến điện thế cực đại là 3V.Vận tốc cực đại của các electron quang điện là : A.1,03.10 6 m/s. B.1,15.10 6 m/s. C.5,3.10 6 m/s. D.8,12.10 6 m/s. . số của ánh sáng bị hấp thụ hay phát xạ, h là một hằng số Planck . h = 6,625.10 -34 J.s. - Năng lượng một lượng tử ánh sáng (phôtôn): fh.= ε = λ ch. -Khi ánh sáng truyền đi các lượng tử ánh sáng. của kim loại. Hay năng lượng photon: A ch fh ≥== λ ε . . 2. Thuyết lượng tử ánh sáng. - Giả thuyết của Planck: Lượng năng lượng mà mỗi lấn một nguyên tử hay phân tử hấp thụ hay phát xạ có. mức năng lượng càng cao. - Tiên đề về sự bức xạ và hấp thụ năng lượng của nguyên tử: + Khi nguyên tử chuyển từ trạng thái dừng có năng lượng E cao sang trạng thái dừng có mức năng lượng E thấp