SKKN Phương pháp giải bài tập Vật lý phần Lượng tử ánh sáng

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP VẬT LÝ PHẦN “ LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG” Mục lục : Trang A. phần I: đặt vấn đề . 1. Lời nói đầu 2 2. Thực trạng nghiên cứu 2 B. Phần II: Giải quyết vấn đề 1. Kiến thức cơ bản 3 2. Bài tập ví dụ 4 3. Bài tập áp dụng 12 C. Phần III: Kết luận 1. Kết quả nghiên cứu 12 2. Kiến nghị - đề xuất 13 D. danh mục tài liệu tham khảo 14 đánh giá của hội đồng khoa học cơ sở 15 A .phần I : đặt vấn đề 1. lời mở đầu : Trong quá trình trực tiếp giảng dạy ở trường phổ thông qua 6 năm thực dạy tôi thấy rằng để giúp học sinh ôn luyện các bài tập vật lý sơ cấp, chuẩn bị tốt cho các kỳ thi cuối cấp và nhất là kỳ thi tuyển sinh vào các trường đại học, cao đẳng và th cn, trong quá trình giảng dạy tôi thấy rằng phần lượng tử ánh sáng là phần rất khó học nhưng rất quan trọng trong quá trình ôn tập và thi cử, tôi đã hệ thống và truyền đạt cho học sinh theo các chủ đề, mỗi chủ đề đều được trình bày lần lượt : Kiến thức cơ bản : Bài tập ví dụ (Nêu các ví dụ điển hình và bài tập mẫu ): Bài tập áp dụng (Nêu đầy đủ các bài tập cơ bản và nâng cao ). trong quá trình giảng dạy các bài tập được phân dạng theo chủ đề toán cơ bản, đặc biệt là các dạng bài tập của phần này tôi luôn cập nhật theo chương trình cải cách giáo dục và các vấn đề thường gặp trong các đề thi tốt nghiệp và các đề thi đại học cao đẳng của bộ giáo dục và đào tạo . Tất cả các bài tập áp dụng đều có hướng dẫn giải ngắn gọn, chủ yếu làm rõ các bước giải cơ bản các phép tính toán và lời giải chi tiết để học sinh có thể tự làm, có như vậy học sinh với tích cực tham gia vào quá trình giải toán được nhờ đó mà các em hiểu rõ và nhớ lâu hơn ,với cách làm như vậy trong quá trình giảng dạy tôi thấy hiệu quả . Mặc dù đã có nhiều cố gắng trong quá trình biên soạn bản sáng kiến kinh nghiệm này, nhưng thiếu sót là điều không thể tránh khỏi ,rất mong sự dóng góp ý kiến của các bạn đồng nghiệp và các em học sinh để bản sáng kiến ngày càng hoàn thiện hơn . 2. Thực trạng nghiên cứu : Khi giảng dạy tôi thấy rằng học sinh rất bế tắc trong khi học phần lượng tử ánh sáng và vật lý hạt nhân ,các em không hình dung các dang bài tập thường gặp và phương pháp giải các bài tập đó chính vì lẽ đó mà các em hiểu không rõ bản chất của vấn đề nên khi gặp các bài tập phần này các em rất luống cuống trong cách giải quyết bài toán .chính vì vậy tôi đã đổi mới phương pháp truyền thụ kiến thức cho học sinh để giúp các em học tốt hơn. Từ thực trạng trên nên tôi quyết định chọn đề tài này . b. Phần II : giải quyết vấn đề 1. Kiến thức cơ bản : a. Khi chiếu một chùm sáng thích hợp (Có bước sóng ngắn ) vào một tấm kim loại thì nó làm cho các êlectrôn ở tấm kim loại đó bị bật ra. Đó là hiện tượng quang điện. Các êlectrôn bị bật ra gọi là các êlectrôn quang điện ( Quang êlectrôn ). b. theo thuyết lượng tử, các nguyên tử hay phân tử vật chất không hấp thụ hay bức xạ ánh sáng một cách liên tục mà thành từng phần riêng rẽ và đứt quãng. Mỗi phần đó mang năng lượng hoàn toàn xác định hf = e , trong đó h là hằng số PLăng h = 6,625 .10 -34 (js), f là tần số của ánh sáng >Mỗi phần ánh sáng đó gọi là lượng tử ánh sáng, hay phôtôn >Như vậy ánh sáng được coi như một chùm hạt các phôtôn . c. Các định luật quang điện Định luật quang điện thứ nhất: Đối với mỗi kim loại hiện tượng quang điện chỉ sảy ra khi bước sóng l của ánh sáng kích thích chiếu vào nhỏ hơn giới hạn quang điện l 0 của kim loại đó . l <= l 0 với l 0 = A hc ( A là công thoát của êlectrôn , c là vận tốc ánh sáng ) Định luật quang điện thứ hai : Cường độ dòng quang điện bão hoà tỷ lệ thuận với cường độ chùm sáng kích thích . Định luật quang điện thứ ba: Động năng cực đại của các êlectrôn không phụ thuộc vào cường độ của chùm sáng kích thích, mà chỉ phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng kích thích và bản chất của kim loại dùng làm ca tốt d. Công thức Anhxtanh về hiện tượng quang điện 2 2 oMax mv A hc hf +== l Muốn cho dòng quang điện triệt tiêu hoàn toàn thì hiệu điện thế giữa anốt và ca tốt phải đạt đến một giá trị –U h nào đó : U h được gọi là hiệu điện thế hãm eU h = 2 2 max0 mv ( e = 1,6 .10 -19 (C) , m e = 9,1.10 -31 (kg) Hiệu suất của hiện tượng quang điện (Hiệu suất lượng tử ) H=số êlectrôn bật ra từ kim loại (ca tốt )/ số phôtôn tới kim loại Cường độ dòng quang điện bão hoà : I bh = n.e (Với n là êléc trôn bị bật ra khỏi catốt mỗi dây . e. Bước sóng nhỏ nhất của tia RơnGhen (Tia X) phát ra từ một ống RơnGhen : min ll ³ x với Ò = W hc ¦ min l W đ = 2 2 0 mv =e U h , U h là hiệu điện thế hãm giữa hai cực của ống Rơn Ghen g. Mẫu nguyên tử Bo : Hai tiên đề Bo *. Nguyên tử chỉ tồn tại trong những trạng thái có năng lượng hoàn toàn xác định E 1 ,E 2 , gọi là các trạng thái dừng.Trong các trạng thái rừng nguyên tử không bức xạ. Bình thường nguyên tử ở trạng thái cơ bản năng lượng thấp nhất . *. Khi nguyên tử chuyển từ trạng thái rừng có năng lượng E m sang trạng thái rừng E n (Với E m > E n thì nguyên tử phát ra một phôtôn có năng lượng đúng bằng hiệu E m – E n = mn hf= e : Với f mn là tần số của sóng ánh sáng ứng với phôtôn đó . Ngược lại nếu nguyên tử đang ở mức năng lượng E n thấp mà hấp thụ một phôtôn có năng lượng hf mn = E m – E n thì chuyển về mứ năng lượng E m cao hơn . * Quang phổ vạch của nguyên tử Hđrô: Gồm nhiều dãy vạch tách rời nhau hf mn hf mn E m E n Trong vùng tử ngoại có dãy laiman, kế tiếp là dãy Banme trong vùng ánh sáng nhìn thấy, dãy thứ ba trong vùng hồng ngoại là dãy Pasen . b. bài tập ví dụ 1.Ví dụ 1 : chiếu một bức xạ có bước sóng l = 0,18 m m vào bản âm cực của một tế bào quang điện. Kim loại dùng làm âm cực có giới hạn quang điện l 0 =0,3 m m . a. Tìm công thoát của điện tử khỏi tấm kim loại . b. tìm vận tốc ban đầu cực đại của quang điện tử . c. để cho tất cả các quang điện tử đều bị giữ lại ở đối âm cực thì hiệu điện thế hãm phải bằng bao nhiêu? cho h= 6,625.10 -34 (js) ; m e = 9,1.10 -31 (kg) ; e=1,6.10 -19 (C) c=3.10 8 (m/s) . Giải a. Công thoát của êlectrôn khỏi kim loại : A= 0 l hc = 6 834 10.30,0 10.3.10.625,6 - - = 6,625 .10 -19 (J) =4,14( eV) . b. áp dụng công thức anh xtanh : 2 · 0 2 m mv A hc hf +== l = 0 l hc + 2 2 max0 mv Þ v 0ma x = 0 11 ( 2 ll - m hc ) v 0 ma x = ) 10.3,0 1 10.18,0 1 ( 10.1,9 10.3.10.625,6.2 6631 834 - - ® U h = 619 834 10.18,0 1 ( 10.6,1 10.3.10.625,6 - - ) 10.30,0 1 6- ® U h =2,76 (V). Để tất cả các electrôn quang điện đều bị giữ lại ở âm cực thì hiệu điện thế hãm ít nhất phải bằng 2,76 (V) . 2.Ví dụ 2 : Chiếu một bức xạ điện từ có bước sóng l =0,546 m m lên mặt dùng làm catốt của một tế bào quang điện, thu được dòng bão hoà có cường độ i 0 =2 (mA). Công suất của bức xạ điện từ là P =1,515 (W) . 1/ tìm tỷ số giữa các êlectrôn quang điện thoát ra khỏi bề mặt kim loại và số phô tôn rọi đến . 2/ Giả sử các êlectrôn quang điện được tách ra bằng màn chắn để lấy một chùm hẹp hướng vào một từ trường đều có cảm ứng từ B=10 -4 (T) sao cho B r vuông góc với phương ban đầu của eléc trôn. Biết quỹ của êlectrôn có bán kính cực đại là r = 23,32 mm . a. Xác định vận tốc ban đầu. cực đại của êlectrôn quang điện theo các số liệu trên . b. tính giới hạn quang điện của kim loại làm catốt . Giải : 1/ Năng lượng của mỗi phô tôn trong chùm là: Do đó hiệu suất lượng tử là l e hc = = 19 834 10.546,0 10.3.10.625,6 - - =3,64 .10 -19 (J) Số phô tôn tới mặt kim loại trong một giây là : N = e P = 19 10.64,3 515,1 - = 4,5 .10 8 hạt /s. Kí hiệu n là số êlectrôn quang điện thoát ra khỏi mặt kim loại trong 1 giây, ta có : n = e i 0 = 19 3 10.6,1 10.2 - - = 1,25 .10 16 hạt /s. Do đó hiệu suất lượng tử là . H = n/N = 18 6 10.2,4 10.25,1 =0,3 .10 -2 . 2/ Electrôn chuyển động trong từ trường chịu tác dụng của lực Lo ren xơ F =evB (do vận tốc v r vuông góc với cảm ứng từ B r ), khi đó quỹ đạo của electrôn là đường tròn bán kính R và lực gây ra gia tốc hướng tâm là lực hướng tâm. áp dụng định luật hai Niutơn ta có : r mv 2 =evB . Suy ra v m eBr = . Biết bán kính cực đại r của êlectrôn, ta tìm được vận tốc ban đầu cực đại của êlectrôn: V 0 ma x = m eBr = 31 3419 10.1,9 10.32,2310.10.6,1 - =4,1.10 5 (m/s) . b/ áp dụng công thức Anh xtanh : 2 · 0 2 m mv A hc hf +== l . Ta được : A = e - 2 2 0 amx mv ® A = 3,64.10 -19 - 2 )10.1,4(10.1,9 531- = 2,88 .10 -19 =1,8( eV) . Giới hạn quang điện của kim loại làm ca tốt : l 0 = A hc = 19 834 10.88,2 10.3.10.625,6 - - » 0,690 m m . 3. Ví dụ 3 : Công thoát elec trôn khỏi đồng là 4,57 ( eV) . a. Tính giới hạn quang điện của đồng ? b. Khi chiếu bức xạ có bước sóng l =0,14 m m vào một quả cầu bằng đồng đặt xa các vật khác thì quả cầu được tích điện đến hiệu điện thế là bao nhiêu ? Vận tốc ban đầu cực đại của quang elec trôn là bao nhiêu ? c. Chiếu một bức xạ điện từ vào một quả cầu bằng đồng đặt xa các vật khác thì quả cầu đạt được điện thế cực đại là 3 V. Hãy tính bước sóng của bức xạ và vận tốc ban đầu cực đại của quang elec trôn ? cho h = 6,625.10 -34 (Js) ; c = 3.10 8 (m/s) ; m e 9,1.10 -31 (kg) ; e = 1,6.10 -19 ( C) . Giải : Giới hạn quang điện của đồng là : 0 l = A hc = nm278 10.6,1.47,4 10.3.10.625,6 19 834 » - - . b. áp dụng công thức Anh xtanh : 2 · 0 2 m mv A hc hf +== l ® 2 2 0 amx mv = )(10.044,7 19 CA hc - »- l ® v 0 = )( 2 A hc m - l sm/10.244,1 6 » . Ban đầu quả cầu chưa tích điện. Khi chiếu bức xạ có bước sóng l vào quả cầu thì êlectrôn ở mặt quả cầu bị bứt ra, và quả cầu tích điện dương, quả cầu có một điện thế .Số êlectrôn bị bứt ra khỏi quả cầu ngày càng nhiều, điện thế của quả cầu tăng dần và khi điện thế quả cầu đạt giá trị V ma x thì các êlectrôn vừa bị bứt ra thêm lại bị hút về quả cầu, và điện thế của quả cầu không tăng nữa vậy chính hiệu điện thế V ma x của quả cầu là hiệu điện thế hãm trong tế bào quang điện. Do đó ta có : eV ma x = eU h = 2 2 max mv ® V ma x = 40,4 10.6,1 .10.044,7 2 . 1 19 19 max 2 »= - - o mv e c. Theo trên ta có : eV ma x = 2 max 2 0 mv ,ở đây V ma x =3V từ đó : v 0 = )./(10.03,1 10.1,9 3.10.6,1.22 6 31 19 sm m eU »= - - áp dụng công thức Anh xtanh : 2 · 0 2 m mv A hc hf +== l = A + 2 max 2 0 mv =A + eV ma x ® 6 19 834 max 10.214,0 10).3.6,147,4( 10.3.10.625,6 - - - »® + = + = ll eVA hc (m). 4.Ví dụ 4: Bước sóng ứng với bốn vạch trong dãy Ban me của quang phổ Hiđrô là : Vạch đỏ ( a H ) 0,656 m m ; vạch lam ( b H ) 0,486 m m ; vạch chàm ( )( g H 0,434 m m ; vạch tím ( d H ) 0,410 m m . Tìm bước sóng ứng với ba vạch trong dãy Pasen nằm trong vùng hồng ngoại . Giải : Theo sơ đồ các mức năng lượng của nguyên tử Hiđ rôn ta có sơ đồ 4 vạch trong dãy Banme và 3 vạch trong dãy Pasen như sau . Đối với 4 vạch trong dãy Ban me theo tiên đề Bo ta có: )3( 14 EE hf -= g g l )2( 13 EE hf -= b b l )4( 15 EE hf -= d d l Đối với 3 vạch của dãy Pa sen ta có : )5( 23 1 EE hc -= l )6( 24 2 EE hc -= l Từ (1) ,(2) và (5) suy ra 11 231213 111 )()( llllll bbab =-®=-= =- hc EEEEEE hchc m m ll l l l ba ba 282,1 486,0656,0 486,0.656,0 1 » =® Tương tự từ (1), (3) và (6) ta tìm được m m ll l l l lll ga ga ga 282,1 434,0656,0 434,0.656,0 . 111 2 2 » - = - =®-= Tương tự từ (1) ,(4) và (7) ta có: da da da ll ll l lll - =®-= . 111 3 3 = m m 282,1 410,0656,0 410,0.656,0 » - 5. ví dụ 5 : Các mức năng lượng của nguyên tử hi đrô được tính theo công thức E n = 2 0 . n E - Với E 0 =13,6 eV ; n =1,2,3 )1( 12 EE hf -= a a l )7( 25 3 EE hc -= l [...]... nguyên tử và có đông năng là 4,4 eV c bài tập áp dụng : Sau khi đưa ra phương pháp giải và các bài tập ví dụ tôi cho học sinh làm các bài tập áp dụng nhưng trong khoảng thời lượng của bản sáng kiến kinh nghiệm nên tôi không ghi đề ở đây C: Phần III : Kết luận : 1 Kết quả nghiên cứu : Kết quả thống kê năm học 2006-2007 ; lớp 12A9 , lớp 12A10 theo phương pháp mới có 100% các em hiểu bài Lớp 12A6 theo phương. .. trên, do đó nguyên tử không hấp thụ năng lượng 6 eV đó mà nó vẫn ở trạng thái cơ bản Khi nguyên tử được cung cấp năng lượng 12,75 eV và chuyển lên mức E4 E4 = E1 +12,75 =-0,85 eV do đó nguyên tử sẽ hấp thụ năng lượng 12,75 và chuyển lên mức năng lượng E4 Khi nguyên tử được cung cấp năng lượng 18 eV ,nó sẽ có năng lượng tổng cộng E =E1+18 eV =4,4 eV >0, do đó nguyên tử sẽ hấp thụ năng lượng 18 eV và bị... 9 4,5.10 III bài tập áp dụng : Không ghi đề ở đây Phần C : Kết luận : 1 Kết quả nghiên cứu : Trong rất nhiều khoá giảng dậy đặc biệt tôi đã thí điểm trong hai năm qua khi tôi trực tiếp giảng dậy khối 12 Năm 2006-2007 tôi trực tiếp giảng dạy 2 lớp 12 A9 và 12A10 với sỹ số lớp 45 ,47 HS theo phương pháp đổi mới ,còn lớp 12 A6 tôi dạy theo phương pháp cũ Kết quả 2 lớp tôi dạy theo phương pháp cũ có tới... nu clôn tạo thành hạt nhân dố Đại lượng DE = Dm.c 2 ,( c là tốc độ ánh sáng trong chân không ) được gọi là năng lượng liên kết của hạt nhân , dó là năng lượng cần cung cấp cho hạt nhân (đứng yên ) để tách nó thành các nuclôn riêng biệt (cũng đứng yên ) Dm = 1u thì DE = 931MeV (1MeV = 1,6.10 -13 J ) Đại lượng DE được gọi là năng lượng liên kết riêng ,hạt nhân có năng lượng A liên kết riêng càng lớn thì... lượt các năng lượng là 6 eV , 12,75 eV; 18 eV để tạo điều kiện cho nó chuyển sang các trạng thái khác Trong trường hợp nào nguyên tử nguyên tử sẽ chuyển sang trạng thái mới và đó là trạng thái nào ? Giải : Theo công thức rn = r0 n 2 thì bán kính quỹ đạo dừng tăng lên 9 lần có nghĩa là n 2 = 9 ® n = 3 : Nghĩa là nguyên tử đã chuyển từ mức năng lượng E1 lên mức năng lượng E3.Sau đó nguyên tử sẽ chuyển... T =138 ngày a Viết phương trình phản ứng Xác định cấu tạo ,tên gọi của hạt nhân X b Một mẫu Pôlôni nguyên chất có khối lượng ban đầu 0,01 g Tính độ phóng xạ của mẫu chất trên sau 3 chu kỳ bán rã Cho biết số Avôga đrô NA = 6,023.10+23 nguyên tử / mol c Tính tỷ số khối lượng của Pôlôni và khối lượng của chất X trên sau 4 chu kỳ bán rã Giải ; Kí hiệu hạt nhân con X là ZA X ,phương trình phản ứng... năng lượng : E1 =-13,6 (eV) , với độ lớn của E1 =13,6 (eV ) là năng lượng cần thiết để làm bật elec trrôn ra khỏi nguyên tử Hiđ rô ; E2 =-3,4 (eV) ; E3 =-1,51 (eV ) ; E 4 = -0,85 (eV) Ta xét các trường hợp sau : Khi nguyên tử ở trạng thái cơ bản nó được cung cấp thêm năng lượng 6 eV thì nó sẽ có năng lượng tổng cộng là E =E1 + 6 =-7,6 eV Theo trên ta thấy trị số này không ứng với bất kỳ mức năng lượng. .. góp ý kiến chân thành của quý vị và các bạn đồng nghiệp để bản sáng kiến của tôi ngày càng hoàn thiện hơn và một điều quan trọng là giúp được các em học sinh nhiều hơn trong quá trình học tập và ôn thi Xin trân trọng cảm ơn ! Tác giả : hoàng thị thuỷ 2 vật lý hạt nhân 11 kiến thức cơ bản 1 Cấu tạo của hạt nhân nguyên tử a Hạt nhân nguyên tử được cấu tạo từ các hạt prô tôn (p) và nơ trôn (n) ,gọi chung... điện tích dương +e và có khối lượng mp =1,672 10-27 kg Nơ trôn là hạt không mang điện , có khối lượng mn = 1,674.10-27 kg b Số prôtôn trong hạt nhân bằng z ( nguyên tử số) Số nơ trôn là A-Z ,với A là số khối ( hay khối lượng số) c.Ký hiệu hạt nhân : 1 1 A Z X ,với X là kí hiệu hoá học của nguyên tử >thí dụ để cho gọn có khi chỉ ghi H1 , C12, H d Đồng vị : Là những nguyên tử mà hạt nhân của nó có cùng... khác nhau : e Đơn vị khối lượng nguyên tử , kí hiệu là u : 1u = 1,66055.10-27 kg Thí dụ mp = 1,007276 u ; mn =1,008665 u Khối lượng của hạt nhân còn được đo bằng đơn vị 1 MeV c2 MeV = 1,7827.10 -30 kg c2 F Độ hụt khối của hạt nhân ; A Z X ,kí hiệu Dm : Dm : =Zmp +(A- Z) mn –mhn , Với mhn là khối lượng của hạt nhân ,khối lượng của hạt nhân bao giờ cũng nhỏ hơn tổng khối lượng của các hạt nu clôn . SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP VẬT LÝ PHẦN “ LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG” Mục lục : Trang A. phần I: đặt vấn đề . 1. Lời nói đầu 2 2. Thực trạng nghiên cứu 2 B. Phần. học sinh rất bế tắc trong khi học phần lượng tử ánh sáng và vật lý hạt nhân ,các em không hình dung các dang bài tập thường gặp và phương pháp giải các bài tập đó chính vì lẽ đó mà các em hiểu. nguyên tử và có đông năng là 4,4 eV. c. bài tập áp dụng : Sau khi đưa ra phương pháp giải và các bài tập ví dụ tôi cho học sinh làm các bài tập áp dụng nhưng trong khoảng thời lượng của bản sáng