Hiện tượng quang điện ngoài - Tài liệu Vật lý 12

Khóa h ọ c V ậ t l í 12 – Th ầ y ð ặ ng Vi ệ t Hùng Hiện tượng quang ñiện ngoài. Hocmai.vn – Ngôi trường chung của học trò Việt Tổng ñài tư vấn: 1900 58-58-12 - Trang | 1 - I. HIỆN TƯỢNG QUANG ðIỆN NGOÀI 1) Thí nghiệm Hertz về hiện tượng quang ñiện a) Thí nghiệm  Chiếu chùm ánh sáng tử ngoại phát ra từ hồ quang vào tấm kẽm tích ñiện âm (tấm kẽm ñang thừa electron) gắn trên diện nghiệm ta thấy hai lá của ñiện nghiệm cụp lại, tấm kẽm mất ñiện tích âm.  Chắn chùm tia từ ngoại từ hồ quang bằng một tấm kính thì hiện tượng không xảy ra.  Thay tấm kẽm tích ñiện âm bằng tấm kẽm tích ñiện dương, hiện tượng cũng không xảy ra. Thay tấm kẽm bằng các kim loại khác tích ñiện âm hiện tượng xảy ra bình thường. 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 electron ở bề mặt tấm kim loai bị bật ra. Hiện tượng ñó gọi là hiện tượng quang ñiện. Các e bị bật ra gọi là các e quang ñiện. b) Khái niệm hiện tượng quang ñiện ngoài Hiện tượng electron bị bật ra khi chiếu ánh sáng có bước sóng thích hợp vào một tấm kim loại ñược gọi là hiện tượng quang ñiện ngoài, hay gọi tắt là hiện tượng quang ñiện. 2) Thí nghiệm với tế bào quang ñiện a) Khái niệm về tế bào quang ñiện Tế bào quang ñiện là một bình chân không (ñã ñược hút hết không khí bên trong), gồm có hai ñiện cực:  Anot là một vòng dây kim loại.  Catot có dạng chỏm cầu bằng kim loại.  Khi chiếu vào catốt của tế bào quang ñiện ánh sáng ñơn sắc có bước sóng thích hợp thì trong mạch xuất hiện một dòng ñiện gọi là dòng quang ñiện. b) Kết quả thí nghiệm  V ớ i m ỗ i kim lo ạ i dùng làm catot, ánh sáng kích thích ph ả i có bước sóng λ nhỏ hơn một giới hạn λ 0 nào ñó thì hiện tượng mới xảy ra.  Cường ñộ dòng quang ñiện phụ thuộc vào U AK theo ñồ thị sau: + U AK > 0: Khi U AK tăng thì I tăng, ñến giá trị nào ñó, I ñạt ñến giá trị bão hòa. Lúc ñó U AK tăng thì I vẫn không tăng. + U AK < 0: I không triệt tiêu ngay mà phải ñến giá trị U AK = U h < 0 nào ñó.  Chú ý:  Muốn cho dòng quang ñiện triệt tiêu thì phải ñặt giữa AK một hiệu ñiện thế hãm U h < 0, trị số của U h phụ thuộc vào bước sóng λ của chùm sáng kích thích. Zn - - - HIỆN TƯỢNG QUANG ðIỆN NGOÀI (TÀI LIỆU BÀI GIẢNG) Giáo viên: ð ặ ng Vi ệ t Hùng Khóa h ọ c V ậ t l í 12 – Th ầ y ð ặ ng Vi ệ t Hùng Hiện tượng quang ñiện ngoài. Hocmai.vn – Ngôi trường chung của học trò Việt Tổng ñài tư vấn: 1900 58-58-12 - Trang | 2 -  Dòng quang ñiện bão hòa khi tất cả các electron bứt ra khỏi Catot ñều ñến ñược Anot.  Cường ñộ dòng quang ñiện bão hòa tỉ lệ thuận với cường ñộ chùm sáng kích thích mà không phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng kích thích.  ðộ lớn của U h ñược tính từ biểu thức của ñịnh lý ñộng năng: 2 2 = omax h mv eU , trong ñó e = –1,6.10 –19 C là ñiện tích của electron, m = 9,1.10 –31 kg là khối lượng của electron. II. CÁC ðỊNH LUẬT QUANG ðIỆN 1) ðịnh luật I : (ðịnh luật về giới hạn quang ñiện) a) Phát biểu ðối với mỗi kim loại, ánh sáng kích thích phải có bước sóng λ ngắn hơn hay bằng giới hạn quang ñiện λ 0 của kim loại ñó, mới gây ra ñược hiện tượng quang ñiện. Biểu thức: λ ≤ λ o b) ðặc ñiểm Giới hạn quang ñiện của mỗi kim loại (kí hiệu λ o ) là ñặc trưng riêng cho kim loại ñó. Giới hạn kim loại của một số kim loại hình:  Chú ý: Quan sát bảng giá trị giới hạn quang ñiện của các kim loại ñiển hình hay dùng ta thấy rằng các kim loại kiềm có giới hạn quang ñiện khá lớn nên khi chiếu ánh sáng vào hiện tượng quang ñiện có thể dễ xảy ra hơn với các kim loại Kẽm hay ðồng hơn là các kim loại kiềm. 2) ðịnh luật II : (ðịnh luật về cường ñộ dòng quang ñiện bão hòa) Với ánh sáng kích thích có bước sóng thích hợp (λ ≤ λ o ) thì cường ñộ dòng quang ñiện bão hòa tỉ lệ với cường ñộ của chùm sáng kích thích. 3) ðịnh luật III : (ðịnh luật về ñộng năng ban ñầu cực ñại của các electron quang ñiện) ðộng năng ban ñầu cực ñại của các electrong quang ñiện không phụ thuộc vào cường ñộ của chùm sáng kích thích mà chỉ phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng kich thích và bản chất kim loại dùng làm catốt.  Chú ý:  Kí hiệu ñộng năng ban ñầu cực ñại là W ñmax thì theo ñịnh luật quang ñiện III ta thấy W ñmax chỉ phụ thuộc vào λ và bản chất kim loại dùng làm Catot, do mỗi kim loại có một giới hạn quang ñiện nhất ñịnh nên nói một cách khác, ñộng năng ban ñầu cực ñại phụ thuộc vào λ và λ o .  Trong nội dung của chương trình Chuẩn thì chỉ dừng lại ở ðịnh luật quang ñiện I, các ñịnh luật II và III chỉ mang tính tham khảo. III. THUYẾT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG 1) Giả thuyết về lượng tử năng lượng Planck Tên kim loại Giới hạn quang ñiện (λ o ) Bạc (Ag) 0,26 µm ð ồ ng (Cu) 0,3 µ m Kẽm (Zn) 0,35µm Nhôm (Al) 0,36 µm Canxi (Ca) 0,43 µ m Natri (Na) 0,5 µm Kali (K) 0,55 µm Xesi (Cs) 0,58 µ m Khóa h ọ c V ậ t l í 12 – Th ầ y ð ặ ng Vi ệ t Hùng Hiện tượng quang ñiện ngoài. Hocmai.vn – Ngôi trường chung của học trò Việt Tổng ñài tư vấn: 1900 58-58-12 - Trang | 3 - Theo nhà bác học người ðức, Planck, Lượng năng lượng mà mỗi lần một nguyên tử hay phân tử hấp thụ hay phát xạ có giá trị hoàn toàn xác ñịnh, ñược ký hiệu là ε và có biểu thức ε = h.f Trong ñó: f là tần số của ánh sáng bị hấp thụ hay phát ra h là một hằng số, ñược gọi là hằng số Plack có giá trị h = 6,625.10 –34 J.s 2) Sự bất lực của thuyết sóng ánh sáng Theo thuyết sóng ánh thì ánh sáng là một chùm sóng ñiện từ. Khi ñạp vào bề mặt kim loại sẽ làm cho các e ở bề mặt kim loại dao ñộng, cường ñộ chùm sáng càng lớn thì các e dao ñộng càng mạnh và bật ra ngoài tạo thành dòng quang ñiện. Do ñó bất kì chùm sáng nào có cường ñộ ñủ mạnh cũng gây ra hiện tượng quang ñiện (trái với ñịnh luật I) và ñộng năng ban ñầu cực ñại của các e chỉ phụ thuộc cường ñộ của chùm sáng kích thích (trái với ñịnh luật III). 3) Thuyết lượng tử ánh sáng Nội dung của thuyết lượng tử ánh sáng do nhà bác học Anhxtanh nêu lên có 3 nội dung chính:  Ánh sáng ñược tạo thành bởi các hạt gọi là phôtôn, mỗi phôtôn còn gọi là các lượng tử có năng lượng xác ñịnh ε = h.f, cường ñộ của chùm sáng tỉ lệ với số phôtôn phát ra trong 1 giây.  Phôtôn bay với tốc ñộ c = 3.10 8 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 phôtôn.  Chú ý:  Những nguyên tử hay phân tử vật chất không hấp thụ hay bức xạ ánh sáng một cách liên tục mà thành từng phần riêng biệt ñứt quãng, mỗi phần ñó mang một năng lượng hoàn toàn xác ñịnh - Chùm sáng là một chùm hạt mỗi hạt là một phôtôn mang một năng lượng xác ñịnh.  Khi ánh sáng truyền ñi, các lượng tử năng lượng không bị thay ñổi, không phụ thuộc cách nguồn sáng xa hay gần. 4) Giải thích các ñịnh luật quang ñiện  Cơ sở tiền ñề:  Anhxtanh coi chùm sáng là chùm hạt, mỗi hạt là một phôtôn mang một năng lượng xác ñịnh ε = h.f.  Trong hiện tượng quang ñiện có sự hấp thụ hoàn toàn phô tôn chiếu tới. Mỗi phôtôn bị hấp thụ sẽ truyền toàn bộ năng lượng của nó cho một electron. ðối với các electron trên bề mặt năng lượng ε này dùng làm hai việc: - Cung cấp cho electron một công thoát A ñể thắng lực liên kết trong tinh thể và thoát ra ngoài. - Cung cấp cho electron một ñộng năng ban ñầu cực ñại ñể electron bay ñến Anot. Theo ñịnh luật bảo toàn năng lượng ta có 2 0max d.max mv ε hf A W A 2 = = + = + Công thức trên ñược gọi là hệ thức Anhxtanh.  Chú ý: Thay công thức tính tần số f = c/λ hoặc ñộng năng theo U h ta ñược các hệ quả của hệ thức Anhxtanh = = + = + = + ⇔ = + = + 2 2 0max 0max d .max h h mv mv hc ε hf A W A A eU A A eU 2 λ 2 Các hằng số : h = 6,625.10 –34 J.s, c = 3.10 8 m/s, m = 9,1.10 –31 kg, e = –1,6.10 –19 C. a) Giải thích ðịnh luật I ðể xảy ra hiện tượng quang ñiện, năng lượng một phôtôn phải lớn hơn công thoát A (là năng lượng ñể giữ các electron ở lại tấm kim loại). Khi ñó ta có ( ) c hc ε A hf A h A λ , 1 . λ A ≥ ⇔ ≥ ⇔ ≥ → ≤ ðặt 0 hc , A λ = ñược gọi là giới hạn quang ñiện. Khóa h ọ c V ậ t l í 12 – Th ầ y ð ặ ng Vi ệ t Hùng Hiện tượng quang ñiện ngoài. Hocmai.vn – Ngôi trường chung của học trò Việt Tổng ñài tư vấn: 1900 58-58-12 - Trang | 4 - Khi ñó (1) ñược viết lại là λ ≤ λ 0 b) Giải thích ðịnh luật II Cường ñộ dòng quang ñiện bão hòa tỉ lệ với số electron quang ñiện. Số electron quang ñiện tỉ lệ với số phô tôn ñến ñập vào Catot trong một ñơn vị thời gian. Số phôton ñến ñập vào Catot trong một ñơn vị thời gian tỉ lệ với cường ñộ chùm sáng. Vậy cường ñộ dòng quang ñiện bão hòa tỉ lệ với cường ñộ chùm sáng. c) Giải thích ðịnh luật III Từ hệ thức Anhxtanh ta có 2 2 0max 0max d.max mv mv hc hf A W A A . 2 2 = + = + ⇔ = + λ Ta thấy ñộng năng ban ñầu cực ñại (W ñ.max ) chỉ phụ thuộc vào λ và A, tức là bước sóng của chùm sáng chiếu vào kim loại và bản chất kim loại làm Catot.  Chú ý:  Từ công thức tính giới hạn quang ñiện 0 0 λ = → = λ hc hc A A , thay vào hệ thức Anhxtanh ta ñược 2 2 2 0 2 2 2 = + ⇔ = + ⇔ = + λ λ λ omax omax omax mv mv mv hc hc hc hf A A  Trong các công thức tính toán thì tích số h.c thường ñược lặp lại nhiều lần trong các bước tính, ñể thuận tiện ta lưu giá trị của hằng số này hc = 19,875.10 –26  Giá trị của v omax dao ñộng trong khoảng từ 10 5 (m/s) ñến 10 7 (m/s). 5) Lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng Hiện tượng giao thoa chứng tỏ ánh sáng có tính chất sóng, hiện tượng quang ñiện chứng tỏ ánh sáng có tính chất hạt. Vậy ánh sáng có lưỡng tính sóng hạt. IV. MỘT SỐ VÍ DỤ ðIỂN HÌNH Ví dụ 1. Tính năng lượng phôtôn ứng với ánh sáng có bước sóng λ 1 = 0,768 µm; λ 2 = 0,589 µm; λ 3 = 0,444 µm. Hướng dẫn giải: Áp dụng công thức tính lượng tử năng lượng ta có 34 8 20 1 6 1 34 8 20 2 6 2 34 8 20 3 6 3 hc 6,625.10 .3.10 ε 25,87.10 (J). λ 0,768.10 hc 6,625.10 .3.10 ε 33,74.10 (J). λ 0,589.10 hc 6,625.10 .3.10 ε 44,76.10 (J). λ 0,444.10 − − − − − − − − −  = = =     = = =     = = =   Ví dụ 2. Tính bước sóng và tần số của ánh sáng có năng lượng phôtôn là 2,8.10 –19 (J). Hướng dẫn giải: Ta có 19 14 34 16 19 ε 2,8.10 f 4,226.10 Hz. h 6,625.10 hc ε hf λ hc 19,875.10 λ 0,7(µm). ε 2,8.10 − − − −  = = =   = = →   = = =   Ví dụ 3. Tìm giới hạn quang ñiện của kim loại. Biết rằng năng lượng dùng ñể tách một electron ra khỏi kim loại ñược dùng làm catốt của một tế bào quang ñiện là 3,31.10 –19 (J). Hướng dẫn giải: Năng lượng ñể tách electron ra khỏi kim loại là công thoát A của kim loại ñó, vậy A = 3,31.10 –19 (J). Theo công thức tính giới hạn quang ñiện ta có 26 o 19 hc 19,975.10 λ 0,6(µm). A 3,31.10 − − = = = Khóa h ọ c V ậ t l í 12 – Th ầ y ð ặ ng Vi ệ t Hùng Hiện tượng quang ñiện ngoài. Hocmai.vn – Ngôi trường chung của học trò Việt Tổng ñài tư vấn: 1900 58-58-12 - Trang | 5 - Ví dụ 4. Một tế bào quang ñiện có giới hạn quang ñiện λ 0 = 600 nm ñược chiếu bởi một tia sáng ñơn sắc có bước sóng λ = 400 nm. Tính a) công thoát A của kim loại. b) vận tốc cực ñại của electron bứt ra. Hướng dẫn giải: a) Theo công thức tính giới hạn quang ñiện 26 19 0 9 0 hc hc 19,975.10 λ A 3,3125.10 J A λ 600.10 − − − = ⇒ = = = b) Theo hệ quả từ hệ thức Anhxtanh ta có : 26 2 9 9 0 0 5 omax omax 31 0 hc hc 1 1 1 1 2 2hc 2.19,875.10 mv hc hc 400.10 600.10 v 6.10 (m/s). 2 m m 9,1.10 − − − −       − − −       λ λ λ λ       = + → = = = = λ λ Vậy v omax = 6.10 5 (m/s). Ví dụ 5. Công thoát electron ra khỏi kim loại A = 6,625.10 –19 J, hằng số Plăng h = 6,625.10 –34 J.s, vận tốc ánh sáng trong chân không c = 3.10 8 m/s. Tính giới hạn quang ñiện của kim loại ñó. ðáp số : λ o = 0,300 µm. Ví dụ 6. Chiếu bức xạ tử ngoại có λ = 0,25 µm vào một tấm kim loại có công thoát 3,45 eV. Vận tốc ban ñầu cực ñại của êlectron quang ñiện là bao nhiêu? ðáp số : v omax = 7,3.10 5 m/s. Ví dụ 7. Catốt của một tế bào quang ñiện làm bằng Cesi có giới hạn quang ñiện là 0,66 µm. Chiếu vào catốt ánh sáng tử ngoại có bước sóng 0,33 µm. ðộng năng ban ñầu cực ñại của quang electron có giá trị bao nhiêu? ðáp số: W d.max = 3,01.10 –19 J. Ví dụ 8. Giới hạn quang ñiện của kẽm là 0,36 µm, công thoát e của kẽm lớn hơn natri 1,4 lần. Giới hạn quang ñiện của natri có giá trị là bao nhiêu ? ðáp số : λ o = 0,504 µm. Khóa h ọ c V ậ t l í 12 – Th ầ y ð ặ ng Vi ệ t Hùng Hiện tượng quang ñiện ngoài. Hocmai.vn – Ngôi trường chung của học trò Việt Tổng ñài tư vấn: 1900 58-58-12 - Trang | 6 - Ví dụ 9. Chiếu bức xạ có bước sóng λ 1 = 0,405 µm vào catôt của 1 tế bào quang ñiện thì vận tốc ban ñầu cực ñại của electrôn là v 1 , thay bức xạ khác có tần số f 2 = 16.10 14 Hz thì vận tốc ban ñầu cực ñại của electrôn là v 2 = 2v 1 . Công thoát của electrôn ra khỏi catôt là ðáp số : A = 3.10 –19 J. Ví dụ 10. Catốt của một tế bào quang ñiện có giới hạn quang ñiện λ = 322 nm. Tính a) công thoát của electron. b) vận tốc ban ñầu cực ñại của electron bắn ra từ catốt khi chiếu vào nó chùm sáng ñơn sắc có bước sóng 250 nm. ðáp số: a) A = 3,74.10 –3 eV. b) v omax = 1,31.10 6 m/s. Ví dụ 11. Một lá Niken có công thoát là 5 eV, ñược chiếu bằng ánh sáng tử ngoại có bước sóng λ = 0,2 µm. Xác ñịnh vận tốc ban ñầu cực ñại của các electron bắn ra từ catôt. ðáp số: v omax = 6,65.10 6 m/s. Ví dụ 12. Catốt của một tế bào quang ñiện có công thoát bằng 3,5eV. a) Tìm tần số giới hạn và giới hạn quang ñiện của kim loại ấy. b) Khi chiếu vào catốt một bức xạ có bước sóng 250 nm - Tìm hiệu ñiện thế giữa A và K ñể dòng quang ñiện bằng 0. - Tìm ñộng năng ban ñầu cực ñại của các êlectron quang ñiện. - Tìm vận tốc của các êlectron quang ñiện khi bật ra khỏi K. Khóa h ọ c V ậ t l í 12 – Th ầ y ð ặ ng Vi ệ t Hùng Hiện tượng quang ñiện ngoài. Hocmai.vn – Ngôi trường chung của học trò Việt Tổng ñài tư vấn: 1900 58-58-12 - Trang | 7 - Giáo viên : ðặng Việt Hùng Nguồn : Hocmai.vn . l í 12 – Th ầ y ð ặ ng Vi ệ t Hùng Hiện tượng quang ñiện ngoài. Hocmai.vn – Ngôi trường chung của học trò Việt Tổng ñài tư vấn: 1900 5 8-5 8-1 2 - Trang | 1 - I. HIỆN TƯỢNG QUANG. mặt tấm kim loai bị bật ra. Hiện tượng ñó gọi là hiện tượng quang ñiện. Các e bị bật ra gọi là các e quang ñiện. b) Khái niệm hiện tượng quang ñiện ngoài Hiện tượng electron bị bật ra khi chiếu. kim loại ñược gọi là hiện tượng quang ñiện ngoài, hay gọi tắt là hiện tượng quang ñiện. 2) Thí nghiệm với tế bào quang ñiện a) Khái niệm về tế bào quang ñiện Tế bào quang ñiện là một bình