Chuyên đề lượng tử ánh sáng Vật lý 12

CHUYÊN ĐỀ VI LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG MỤC LỤC MỤC LỤC CHỦ ĐỀ HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN A TĨM TẮT LÍ THUT B PHÂN LOẠI, PHƯƠNG PHÁP GIẢI VÀ BÀI TẬP RÈN LUYỆN KĨ NĂNG Dạng Bài toán liên quan đến vận dụng định luật quang điện Sự truyền phôtôn .3 Điều kiện để xảy tượng quang điện Công thức Anhxtanh .7 Tế bào quang điện Điện cực đại vật dẫn trung hồ đặt lập 10 Quãng đường tối đa điện trường cản 12 Hiện tượng quang điện Quang trở Pin quang điện .13 Dạng Bài toán liên quan đến chuyển động electron điện từ truờng 20 Chuyển động từ trường theo phương vng góc 20 Chuyển động điện trường 20 2.1 Chuyển động điện trường dọc theo đường sức 20 2.2 Chuyển động điện trường theo phương vng góc với đường sức 22 2.3 Chuyển động điện trường theo phương 23 CHỦ ĐỀ THUYẾT BO QUANG PHỔ HIDRO SỰ PHÁT QUANG TIA X 32 A TĨM TẮT LÍ THUYẾT 32 B PHÂN LOẠI, PHƯƠNG PHÁP GIẢI VÀ BÀI TẬP RÈN LUYỆN KĨ NĂNG 35 Dạng Bài toán liên quan đến vận dụng tiên đề Bo cho nguyên tử Hidro .35 Trạng thái dừng Quỹ đạo dừng 35 Bức xạ hấp thụ .37 Kích thích nguyên tử hidro 40 3.1 Kích thích nguyên tử hidro cách cho hấp thụ phô tôn 40 3.2 Kích thích nguyên tử hidro cách va chạm 42 Dạng Bài toán liên quan đến tia X 45 Tần số lớn bước sóng nhỏ chùm tia X 45 Nhiệt lượng anốt nhận 47 Dạng Bài toán liên quan đến phát quang laser 53 Hiện tượng phát quang 53 Laser 55 File word: ducdu84@gmail.com Phone, Zalo: 0946 513 000 CHUYÊN ĐỀ BÀI TẬP VẬT LÝ 12 CHUYÊN ĐỀ VI LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG CHUYÊN ĐỀ VI LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG CHỦ ĐỀ HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN A TÓM TẮT LÍ THUT I HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN NGỒI THUYẾT PHƠTƠN Hiện tượng quang điện a Thí nghiệm Héc tượng quang điện (1887) Gắn kẽm tích điện âm vào cần tĩnh điện kế, kim điện kế lệch góc Chiếu chùm ánh sáng hồ quang vào kẽm góc lệch kim điện kế giảm Thay kẽm kim loại khác, ta thấy tượng tương tự Kết luận: Ánh sáng hồ quang làm bật êlectron khỏi mặt kẽm b Định nghĩa Hiện tượng ánh sáng (hoặc xạ điện từ) làm bật êlectron khỏi mặt kim loại gọi tượng quang điện (ngoài) Định luật giới hạn quang điện Hiện tượng quang điện xảy ánh sáng kích thích chiếu vào làm loại có bước sóng nhỏ bước sóng λ0 λ0 gọi giới hạn quang điện làm loại đó: λ � λ0 (2) Trừ kim loại kiềm vài kim loại kiềm thổ có giới hạn quang điện miền ánh sáng nhìn thấy, kim loại thường dùng khác có giới hạn quang điện miền từ ngoại Thuyết sóng điện từ ánh sáng khơng giải thích mà giải thích thuyết lượng tử Thuyết lượng tử ánh sáng a Giả thuyết Plăng Lượng lượng mà nguyên tử hay phân tử hấp thụ hay phát xạ có giá trị hồn tồn xác định hf; f tần số ánh sáng bị hấp thụ hay phát ra; h số Lượng tử lượng: ε = hf, h gọi số Plăng: h = 6,625.10−34J.s b Thuyết lượng tử ánh sáng + Ánh sáng tạo thành hạt gọi phôtôn + Với ánh sáng đơn sắc có tần số f, phơtơn giống nhau, phôtôn mang lượng hf + Trong chân không, phôtôn bay với tốc độ c = 3.108m/s dọc theo tia sáng + Mỗi lần nguyên tử hay phân tử phát xạ hay hấp thụ ánh sáng chúng phát hay hấp thụ phơtơn Phôtôn tồn trạng thái chuyển động Không có phơtơn đứng n c Giải thích định luật giới hạn quang điện thuyết lượng tử ánh sáng Anh−xtanh cho rằng, tượng quang điện xảy êlectron kim loại hấp thụ phơtơn ánh sáng kích thích Phơtơn bị hấp thụ truyền tồn lượng cho êlectron Năng lượng ε dùng để −Cung cấp cho êlectron công A, gọi cơng thốt, để êlectron thẳng lực liên kết với mạng tinh thể thoát khỏi bề mặt kim loại; −Truyền cho êlectron động ban đầu; −Truyền phần lượng cho mạng tinh thể File word: ducdu84@gmail.com Phone, Zalo: 0946 513 000 CHUYÊN ĐỀ BÀI TẬP VẬT LÝ 12 CHUYÊN ĐỀ VI LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG Nếu êlectron nằm lớp bề mặt kim loại mà khơng lượng truyền cho mạng tinh thể Động ban đầu êlectron có giá trị cực đại W0d  mv 02 max Áp dụng định luật hảo toàn lượng, ta có: * Để hiên tương quang điện xảy ra: hc 0  �  � A Đặt W0d   �A hay h mv02 max c hc �A �  �  A Lưỡng tính sóng − hạt ánh sáng * Có nhiều tượng quang học chứng tỏ ánh sáng có tính chất sóng (như giao thoa, nhiễu xạ ); lại có nhiều tượng quang học khác chứng tỏ ánh sáng có tính chất hạt Điều chứng tỏ: Ánh sáng có lưỡng tính sóng − hạt *Trong tượng quang học, ánh sáng thường thể rõ hai tính chất Khi tính chất sóng thể rõ, tính chất hạt lại mờ nhạt, ngược lại Sóng điện từ có bước sóng ngắn, phơtơn ứng với có lượng lớn tính chất hạt thể rõ, tượng quang điện, khả đâm xuyên, tác dụng phát quang , cịn tính chất sóng mờ nhạt Trái lại, sóng điện từ có bước sóng dài, phơtơn ứng với có lượng nhỏ, tính chất sóng lại thể rõ (ở tượng giao thoa, nhiễu xạ, tán sắc, ), cịn tính chất hạt mờ nhạt Lưu ý: +Dù tính chất ánh sáng thể ánh sáng có chất sóng điện từ +Lưỡng tính sóng − hạt phát ánh sáng, sau lại phát hạt vi mô, êlectron, prơtơn, Có thể nói: lưỡng tính sóng − hạt tính chất tổng quát vật Tuy nhiên, với vật có kích thước thơng thường, phép tính cho thấy sóng tương ứng với chúng có bước sóng q nhỏ, nên tính chất sóng chúng khó phát II HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN TRONG Chất quang dẫn tượng quang điện a Chất quang dẫn Là chất bán dẫn có tính chất cách điện không bị chiếu sáng trở thành dẫn điện bị chiếu sáng b Hiện tượng quang điện Giải thích tượng quang dẫn: Khi không bị chiếu sáng, electron chất quang dẫn liên kết với nút mạng tinh thể khơng có electron tự Khi bị chiếu sáng, phơ tơn ánh sáng kích thích truyền toàn lượng cho electron liên kết làm cho electron giải phóng khỏi liên kết trở thành electron tự đồng thời để lại lỗ trống Cả electron lỗ trống tham gia vào trình dẫn điện nên chất nói trở nên dẫn điện tốt Hiện tượng ánh sáng (hoặc xạ điện từ) giải phóng êlectron liên kết để chúng trở thành êlectron dẫn đồng thời giải phóng lỗ trống tự gọi tượng quang điện Quang điện trở File word: ducdu84@gmail.com Phone, Zalo: 0946 513 000 CHUYÊN ĐỀ BÀI TẬP VẬT LÝ 12 CHUYÊN ĐỀ VI LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG Người ta phủ len đế cách điện (1) (bằng thủy tinh hay chất dẻo) lớp bán dẫn mỏng (2), bề dày chừng 20 �30 µm (như chì sunfua hay cađimi sunfua) Từ hai đầu lớp bán dẫn, người ta làm điện cực (3) kim loại dẫn dây dẫn (4) ; mạch nối với điện kế (5), điện trở tải R nguồn điện (6) Khi cường độ ánh sáng chiếu vào quang điện trở thay đổi, cườg độ dòng điện mạch thay đổi hiệu điện hai đầu điện trở tải B thay đổi, phù hợp với biến thiên cường độ ánh sáng Là điện trở làm chất quang dẫn Cấu tạo: sợi dây chất quang dẫn gắn đế cách điện Điện trở thay đổi từ vài MΩ → vài chục Ω Pin quang điện a Khái niệm: Là pin chạy lượng ánh sáng Nó biến đổi trực tiếp quang thành điện + Hiệu suất 10% b Cấu tạo: Pin có bán dẫn loại n, bên có phủ lớp mỏng bán dẫn loại p, lóp kim loại mỏng Dưới đế kim loại Các kim loại đóng vai trị điện cực trơ Giữa p n hình thành lớp tiếp xúc p−n Lớp ngăn không cho e khuếch tán từ n sang p lỗ trống khuyếch tán từ p sang n → gọi lớp chặn Khi chiếu ánh sáng có  � gây tượng quang điện Êlectron qua lớp chặn xuống bán dẫn n, lỗ trống bị giữ lại → Điện cực kim loại mỏng hên nhiễm điện (+) → điện cực (+), đế kim loại nhiễm điện (−) → điện cực (−) Suất điện động pin quang điện từ 0,5 V → 0,8 V c Ứng dụng Pin quang điện trở thành nguồn cung cấp điện cho vùng sâu, vùng xa nước ta, vệ tinh nhân tạo, tàu vũ trụ, máy đo ánh sáng, máy tính bỏ túi, B PHÂN LOẠI, PHƯƠNG PHÁP GIẢI VÀ BÀI TẬP RÈN LUYỆN KĨ NĂNG Bài toán liên quan đến vận dụng định luật quang điện Bài toán liên quan đến electron quang điện chuyển động điện từ trường Dạng Bài toán liên quan đến vận dụng định luật quang điện Sự truyền phôtôn hc   hf   Năng lượng phôtôn: Gọi N số phôtôn chiếu vào hay phát giây cơng suất chùm sáng: P P P P  N � N     hf hc File word: ducdu84@gmail.com Phone, Zalo: 0946 513 000 CHUYÊN ĐỀ BÀI TẬP VẬT LÝ 12 CHUYÊN ĐỀ VI LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG Ví dụ 1: Công suất nguồn sáng P = 2,5 W Biết nguồn phát ánh sáng đơn sắc đơn sắc có bước sóng λ = 0,3 µm Cho số Plăng 6,625.10 −34 Js tốc độ ánh sáng chân không 3.108 m/s Số phôtôn phát từ nguồn sáng phút A 2,26.1020 B 5,8.1018 C 3,8.1019 D 3,8.1018 Hướng dẫn N Số phôtôn phát từ nguồn sáng giây: P P P 2,5.0,3.106    �3,37.108  hf hc 19,875.10 26 18 20 Số phôtôn phát từ nguồn sáng phút: 60.N  60.3, 77.10 �2, 26.10 � Chọn A hc   với λ bước sóng ánh sáng đơn sắc trongchân khơng Chú ý: Trong công thức hc hc    '   n  ' Nếu cho bước sóng truyền mơi trường có chiết suất n λ’ Ví dụ 2: Một xạ hồng ngoại truyền môi trường có chiết suất 1,4 có bước sóng µm xạ tử ngoại truyền môi trường có chiết suất 1,5 có bước sóng 0,14 µm Tỉ số lượng ton ton A 24 lần B 50 lần C 20 lần D 230 lần Hướng dẫn hc hc   n  '2 n ' 3.1,    1'   20 � hc 1 hc n  0,14.1,5 1 n 1' Chọn A Ví dụ 3: (CĐ−2008) Trong chân khơng, ánh sáng đỏ có bước sóng 720 nm, ánh sáng tím có bước sóng 400 nm Cho hai ánh sáng truyền mơi trường suốt chiết suất tuyệt đối mơi trường hai ánh sáng 1,33 1,34 Tỉ số lượng photon đỏ lượng photon tím mơi trường A 133/134 B 5/9 C 9/5 D 2/3 Hướng dẫn 2 hc 1 400     � 1  '   d 720 Chọn B Ví dụ 4: Nếu mơi trường ta biết bước sóng lượng tử λ lượng e, chiết suất tuyệt đối mơi trường bao nhiêu? (Biết h số Plăng, c tốc độ ánh sáng chân không) hc h h h n n n n   c  c A B C D Hướng dẫn Bước sóng truyền mơi trường có chiết suất n λ bước sóng chân khơng  hc hc hc  �n  �  n    n nên Chọn A Ví dụ 5: (ĐH−2012) Laze A phát chùm xạ có bước sóng 0,45 µm với công suất 0,8W Laze B phát chùm xạ có bước sóng 0,60 µm với cơng suất 0,6 W Tỉ số số phôtôn laze B số phôtôn laze A phát giây A B 20/9 C D 3/4 File word: ducdu84@gmail.com Phone, Zalo: 0946 513 000 CHUYÊN ĐỀ BÀI TẬP VẬT LÝ 12 CHUYÊN ĐỀ VI LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG Hướng dẫn hc NB P B N P  hc P  N  N � B  � B  B B 1�  PA N hc N A PA  A A A Chọn A Ví dụ 6: (ĐH−2012) Theo thuyết lượng tử ánh sáng, phát biểu sau sai? A Trong chân không, phôtôn bay với tốc độ c = 3.108 m/s dọc theo tia sáng B Phơtơn ánh sáng đơn sắc khác mang lượng khác C Năng lượng phôtôn không đổi truyền chân không D Phôtôn tồn trạng thái đứng yên trạng thái chuyển động Hướng dẫn Phôtôn tồn trạng thái chuyển động Khơng có phơtơn đứng n � Chọn D Chú ý: Nếu nguồn sáng phát từ O với công suất P (số phô tôn phát giây N = P/ε) phân bố theo hướng số phơtơn đập vào diện tích S đặt cách O khoảng R n N P P S S S 2 4R  4R hc 4R Nếu S có dạng hình trịn bán 2 kính r đường kính d S  r  d / P d hc 4R Do đó: Ví dụ 7: Một nguồn sáng có cơng suất 3,58 W, phát ánh sáng tỏa theo hướng mà phổ tơn có lượng 3,975.10−19 J Một người quan sát đứng cách nguồn sáng 300 km Bỏ qua hấp thụ ánh sáng khí Tính số phôtôn lọt vào mắt người quan sát giây Coi bán kính mm A 70 B 80 C 90 D 100 Hướng dẫn N P 3,58 n S  r  .4.10 6 �100 �  4R 4R 3,975.10 19.4.300000 Chọn D n Ví dụ 8: Một nguồn sáng có cơng suất 2,4 W, phát ánh sáng có bước sóng 0,6 µmtỏa theo hướng Hãy xác định khoảng cách xa người cịn trơng thấyđược nguồn sáng Biết mắt cảm nhận ánh sáng có 100phơtơn lọt vào mắt giây Cho số Plăng 6,625.10−34 Js tốc độ ánh sáng chân không 3.108 m/s Coi đường kính vào khoảng mm Bỏ qua hấp thụ ánh sáng khí A 470 km B 274 km C 220 m D.269km Hướng dẫn n P 4R pd 2, 4.0, 6.10 6 .0,04 � 100  hc 4R 19,875.1026 Á dụng: �R 269  km  Chọn D Chú ý:Cường độ sáng (I − đơn vị W/m ) lượng ánh sáng truyền đơn vị thời gian qua đơn vị diện tích đặt vng góc với phương truyền: File word: ducdu84@gmail.com Phone, Zalo: 0946 513 000 CHUYÊN ĐỀ BÀI TẬP VẬT LÝ 12 I A J S m  t  s  CHUYÊN ĐỀ VI LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG P � P  IS � N  IS S Ví dụ 9: Ánh sáng đơn sắc với bước sóng 0,39.10 −6 m chiếu vng góc vào diện tích cm Cho số Plăng 6,625.10−34 Js tốc độ ánh sáng chân không 3.10 m/s Nếu cường độ ánh sáng 0,15 (W/m2) số photon đập lên diện tích đơn vị thời gian A 5.8.1013 B 1,888.1014 C 3.118.1014 D 1.177.1014 Hướng dẫn hc IS 0,15.4.10 4 , 0,39.10 6 �N  �1,177.1014 �  hc 19,875.1026 Chọn D Ví dụ 10: Có hai tia sáng đơn sắc khác (1) (2) chiếu tới thấu kính lồi (làm thuỷ tinh) theo phương song song với trục (hình vẽ) Phát biểu sau xác: A Chiết suất thuỷ tinh ánh sáng ứng với tia sáng (1) lớn chiết suất thuỷ tinh ánh sáng ứng với tia sáng (2) B Năng lượng photon ứng với tia sáng (1) nhỏ lượng photon ứng với tia sáng (2) C Tiêu điểm chung thấu kính cho hai tia sáng A D Ánh sáng ứng với tia sáng (1) có bước sóng ngắn ánh sáng ứng với tia sáng (2) Hướng dẫn Tia hội tụ điểm xa thấu kính nên chiết suất bé hơn, tức bước sóng lớn Do đó, lượng phơtơn nhỏ � Chọn B Xem thêm: https://drive.google.com/open? id=1EXRyEWT6gwx7ImO0fy_ArOibj9OwhD7w Điều kiện để xảy tượng quang điện Để xảy tượng quang điện thì:  � �  �A IS  P  N hc �   hf  � �  hc  19,875.10 26  Js  � hc �   �0 A Ví dụ 1: Cơng êlectrơn (êlectron) khỏi kim loại A = 1,88 eV Biết số Plăng h = 6,625.10−34 J.s, vận tốc ánh sáng chân không c = 3.10 8m/s eV = 1,6.10 −19 J Giới hạn quang điện kim loại A 0,33 µm B 0,22 µm C 0,66 10−19µm D 0,66 µm Hướng dẫn Cách 1: Cách 2: � 0  0  hc 19,875.10 26   0,66.106  m  � 19 A 1,88.1, 6.10 Chọn D 0  hc 6, 625.1034.l3.108 1, 242.106 1, 242     m  A A  eV  1, 6.1019 A  eV  A  eV  1, 242  0, 66  m  1,88 File word: ducdu84@gmail.com Phone, Zalo: 0946 513 000 CHUYÊN ĐỀ BÀI TẬP VẬT LÝ 12 CHUYÊN ĐỀ VI LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG Ví dụ 2: Cơng kim loại 4,5 eV Trong xạ λ = 0,180 µm; λ2 = 0,440 µm.; λ3 = 0,280 µm; λ4 = 0,210 µm.; λ5 = 0,320 µm., xạ gây tượng quang điện chiếu vào bề mặt kim loại trên? Cho số Plăng 6,625.10 −34 Js, tốc độ ánh sáng chân không 3.108 m/s leV = 1,6.10−19 J A λ1, λ4 λ3 B λ1và λ4, C λ2, λ5 λ3 D Khơng có xạ Hướng dẫn hc 19,975.10 26  �0, 276.106  m  � 1 � � � A 4,5.1, 6.10 19 Chọn B Ví dụ 3: (ĐH−2012) Biết cơng electron kim loại: canxi, kali, bạc đồng là: 2,89 eV; 2,26 eV; 4,78 eV 4,14 eV Chiếu ánh sáng có bước sóng 0,33 µm vào bề mặt kim loại Hiện tượng quang điện không xảy với kim loại sau đây? A Kali đồng B Canxi bạc C Bạc đồng D Kali canxi Hướng dẫn 0  hc 19,875.10 26 1eV  x �3, 76  eV   A Ca  A K 6  0,33.10 1, 6.10 19 : Gây tượng quang điện cho Ca, K không gây tượng quang điện cho Bạc Đồng � Chọn C  Ví dụ 4: Trong thí nghiệm Hécxơ, chiếu ánh sáng hồng ngoại vào kẽm tích điện âm A điện tích âm kẽm B kẽm trung hòa điện C điện tích kẽm khơng thay đổi D kẽm tích điện dương Hướng dẫn Các kim loại thơng thường có giới hạn quang điện ngồi nằm vùng tử ngoại (trừ kim loại kiềm vài kiềm thổ nằm vùng nhìn thấy) Tia hồng ngoại khơng gây tượng quang điện ngồi nên điện tích kẽm khơng thay đổi � ChọnC Ví dụ 5: Khi chiếu chùm tia tử ngoại liên tục vào kẽm tích điện âm thấy kẽm: A dần electron trở thành mang điện dương B dần điện tích âm trở nên trung hịa điện C dần điện tích dương D tích điện âm Hướng dẫn Tia tử ngoại làm bứt electron khỏi kẽm làm cho kẽm dần điện tích âm đến kẽm trung hòa điện chưa dừng lại, electron tiếp tục bị bứt làm cho tích điện dương � Chọn A Công thức Anhxtanh * Công thức Anhxtanh:   A  W0d với W0d  mv02 max I n e Cường độ dòng quang điện bão hoà: bh (n so electron bị bứt trong1 giây) *Vì chương trình khơng học cơng thức Anhxtanh nên muốn đề dạng toán phải kèm theo giả thiết “năng lượng phơtơn = cơng + động ban đầu cực đại electron” hay “động ban đầu cực đại electron = lượng phơtơn − cơng thốt” Ví dụ 1: (CĐ − 2013) Chiếu xạ có tần số f vào kim loại có cơng A gây tượng quang điện Giả sử electron hấp thụ phơtơn sử dụng phần lượng làm cơng thốt, File word: ducdu84@gmail.com Phone, Zalo: 0946 513 000 CHUYÊN ĐỀ BÀI TẬP VẬT LÝ 12 CHUYÊN ĐỀ VI LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG phần lại biến thành động K Nếu tần số xạ chiếu tới 2f động electron quang điện A 2K− A B K− A C K + A D 2K + A Hướng dẫn hf  A  K � � K '  2hf  A   A  K   A  2K  A � � 2hf  A  K ' � Chọn D Ví dụ 2: Chiếu chùm photon có lượng 5,678.10 −19 (J) vào kim loại có cơng 3,975.10−19 (J) động ban đầu cực đại electron quang điện A 1,703 10−19J B.17,00 10−19J C 0,76 10−19J D 70,03 10−19 J Hướng dẫn W0d    A  5, 678.109  3,975.1019  1,703.1019  J  � Chọn A Ví dụ 3: Chiếu chùm photon có lượng 9,9375.10 −19 (J) vào kim loại có cơng 8,24.10−19 (J) Biết động cực đại electron hiệu lượng phơtơn cơng thốt, khối lượng êlectron 9,1.10−31 kg Tốc độ cực đại electron vừa bứt khỏi bề mặt A 0,4.106 (m/s) B 0,8.106 (m/s) C 0,6.106 (m/s) D.0,9.106 (m/s) Hướng dẫn mv02 max � v max    A  �0, 6.106  m / s  � m Chọn C Ví dụ 4: (ĐH−2012) Chiếu đồng thời hai xạ có bước sóng 0,542 µm 0,243 µm vào catơt tế bào quang điện Kim loại làm catơt có giói hạn quang điện 0,500 µm Biết khối lượng êlectron me = 9,1.10−31 kg Vận tốc ban đầu cực đại êlectron quang điện A 9,61.105 m/s B 9,24.105 m/s C 2,29.106 m/s D l,34.106m/s Hướng dẫn A hc hc mv02 max �hc hc � 15   � v0 max  �  ��9,61.10  m / s  �  0 m �  � Chọn A Ví dụ 5: Cho số Plăng 6,625.10−34 Js tốc độ ánh sáng chân khơng 3.10 34m/s Chiếu vào kim loại có cơng electron 1,88 eV, ánh sáng bước sóng 0,489 µm Cho lượng mà quang electron hấp thụ phần dùng để giải phóng nó, phần cịn lại hồn tồn biến thành động Động A 3,927.10−19 (J) B 1,056 10−19 (J) −19 C 2,715 10 (J) D 1,128 10−19 (J) Hướng dẫn 34 hc 6,625.10 3.10 Wo max  A   1,88.1, 6.1019  1, 056.10 19  J  � 6  0, 489.10 Chọn B Chú ý: Dựa vào cơng thức Anhxtanh xây dựng thí nghiệm để xác định lại � mv hc 1  hf1   A   A  eU h1 � 1 � � mv 22 hc �   hf   A  A  eU h � 2 � số me, h, c, A, λ0, e, Uh Ví dụ 6: (ĐH−2007) Lần lượt chiếu vào catốt tế bào quang điện xạ điện từ gồm xạ có bước sóng λ1 = 0,26 µm xạ có bước sóng λ2 = 1,2λ1 tốc độ ban đầu cực đại File word: ducdu84@gmail.com Phone, Zalo: 0946 513 000 CHUYÊN ĐỀ BÀI TẬP VẬT LÝ 12 CHUYÊN ĐỀ VI LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG êlectrôn quang điện bứt từ catốt v v2 với v2 = 0,75v1 Giói hạn quang điện λ0của kim loại làm catốt A 1,00 pm B 1,45 fim C 0,42 pm D 0,90 pm Hướng dẫn �hc hc mv12 � hc hc mv1   0, 75  0, 75  0, 75 � � 1 0 �1  � � � � 2 �hc  hc  vm � hc  hc  0, 75 mv1 � � 1, 21  � 0 � � 13hc hc  0, 4375 �   0, 42  um  � 481 0 Chọn C Tế bào quang điện *Gọi N, n n’ số phôtôn chiếu vào K s, số eclectron bứt khỏi K s số electron đến A 1s: hc � P  N.  N � n �  H � � n' � � N I  n e � � hH  �bh � n ' N � � h I  n' e � n � � Trong đó, H gọi hiệu suất lượng tử h phần trăm electron đến A *Vì chương trình khơng học tế bào quang điện nên đề dạng toán người đề thường thay cụm từ “tế bào quang điện” cụm từ “hai điện cực kim loại A K đặt chân không nối kín nguồn điện chiều, chùm sáng chiếu vào K làm bứt elecừon, electron bay phía A” Ví dụ 1:(Dành cho hs học ban nâng cao) Một tế bào quang điện, chiếu xạ thích hợp điện áp anot catot có giá trị định có 30% quang electron bứt khỏi catot đến anot Người ta đo cường độ dịng điện chạy qua tế bào lúc mA Cường độ dòng quang điện bão hòa A mA B mA C.9 mA D.10 mA Hướng dẫn 30 n ' I ' h   � I  10  mA  � 100 n I bh Chọn D Ví dụ 2: Hai kim loại phẳng A B đặt song song đối diện nối kín ămpe kế Chiếu chùm xạ vào kim loại A, làm bứt quang electron có 25% bay B Nếu số ampe kế 1,4 µA electron bứt khỏi A giây A 1,25.1012 B 35.1011 C 35.1012 D 35.1013 Hướng dẫn h n' I I 1, 4.106  �n    35.1012 � n en e h 1, 6.1019.0, 25 Chọn C Ví dụ 3: (Dành cho hs học ban nâng cao) Khi chiếu xạ có bước sóng 0,41 µm vào catốt tế bào quang điện, với cơng suất 3,03 W cường độ dịng quang điện bão hồ mA Hãy xác định hiệu suất lượng tử tế bào quang điện A 0,2% B 0,3 % C 0,02% D 0,1% File word: ducdu84@gmail.com Phone, Zalo: 0946 513 000 CHUYÊN ĐỀ BÀI TẬP VẬT LÝ 12 CHUYÊN ĐỀ VI LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG Hướng dẫn I bh e I hc n H   bh �0, 2% � P  N e P hc Chọn A Ví dụ 4:(Dành cho hs học ban nâng cao) Cơng êlectron natri A = 3,968.10−19J Cho h = 6,625.10−34Js, c = 3.108 m/s Chiếu chùm xạ có bước sóng λ vào tế bào quang điện catốt làm Na cường độ dịng quang điện bão hịa 0,3 µA Biết hai trăm phôtôn đập vào catốt có êlectron quang điện bứt khỏi catot Công suất chùm xạ chiếu vào catốt 207 µW Bước sóng λ có giá trị A 0,3 µm B 0,46 µm C 0,36 µm D 0,4 µm Hướng dẫn I bh e I hc n 0,3.10 6.19,875.10 26 H   bh � 0, 005  �   0,36  m  N P e P 1, 6.10 10.207.10 6  hc Ví dụ 5: (Dành cho hs học ban nâng cao) Chiếu chùm xạ đơn sắc có bước sóng 0,2 µm thích hợp vào catốt tế bào quang điện với công suất mW Cứ 10000 phơtơn chiếu vào catơt có 94 electron bị bứt Biết điện tích êlectrơn, tốc độ ánh sáng chân không số Plăng −1,6.10−19C, 3.108 m/s 6,625.10−34 J.s Nếu cường độ dịng quang điện 2,25 µA có phần trăm electron đến anốt A 0,9% B.30% C 50% D 19% Hướng dẫn I I e n' e Ihc 94 2, 25.106.19,875.1026 hH     � h  N P P  e P 10000 1, 6.1019.3.10 3.0, 2.10 6  hc � h 0,5 50% Chọn C Ví dụ 6: Hai kim loại phẳng A B đặt song song đối diện nối kín ămpe kế Chiếu chùm xạ công suất mW mà phôtôn có lượng 9,9.10 −19 (J) vào kim loại A, làm bứt quang electron Cứ 10000 phôtôn chiếu vào A có 94 electron bị bứt số đến B Nếu số ampe kế 3,375 µA có phần trăm electron không đến B? A 74% B 30% C 26% D 19% Hướng dẫn I I e n' e Ihc 94 3,375.10 6.9,9.10 19 hH  � h h 0, 74 74% N P P e P 10000 1, 6.1019.3.103  hc � Phần trăm không đến B 100% − 74% = 26% � Chọn C Xem thêm: https://drive.google.com/open? id=1EXRyEWT6gwx7ImO0fy_ArOibj9OwhD7w File word: ducdu84@gmail.com Phone, Zalo: 0946 513 000 CHUYÊN ĐỀ BÀI TẬP VẬT LÝ 12 CHUYÊN ĐỀ VI LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG Điện cực đại vật dẫn trung hồ đặt lập Khi photon có bước sóng thích hợp (  � ) chiếu vào điện cực làm bứt electron điện cực điện cực tích điện dương, điện cực hút electron quang điện (làm cản trở chuyển động electron quang điện) Càng nhiều electron, điện tích điện điện cực tăng, lực cản trở lên chuyển động electron lớn Khi điện điện cực đạt giá trị cực đại vmax đơn vị thời gian có electron bứt khỏi bề mặt phơtơn cung cấp lượng có nhiêu electron bị điện cực tích điện dương hút về, điện điện cực không tăng Lúc động ban đầu cực đại electron quang điện điện trường, tức là: mv 02 max    A  eU h � Vmax  U h Điện lượng cực đại vật: Qmax = CVmax Khi nối vật với đất dây dẫn có điện trở R dịng điện cực đại chạy qua:Imax = Vmax/R Điện lượng cực đại chạy qua điện trở sau thời gian t: qmax = Imaxt Ví dụ 1: Cơng êlectrơn cầu kim loại 2,36 eV Chiếu ánh sáng kích thích mà photon có lượng 4,78 eV vào cầu kim loại đặt lập điện cực đại cầu là: A 2,11 V B 2,42 V C 1,1 V D 11 V Hướng dẫn e Vmax  W01    A  e V � 4, 78eV  2,36eV  e Vmax � Vmax  2, 42  V  � Chọn B Ví dụ 2: Chiếu xạ điện từ có bước sóng λ vào kim loại có giới hạn quang điện 0,3624 µm (được đặt lập trung hồ điện) điện cực đại (V) Cho số Plăng, tốc độ ánh sáng chân không điện tích electron 6,625.10 −34 Js, 3.108 (m/s) −1,6.10−19 (C) Tính bước sóng λ A 0,1132 µm B 0,1932 µm C 0,4932 µm D 0,0932 µm Hướng dẫn hc hc   A  e Vmax �   e Vmax �  �0,1932  m  �  0 Chọn B Ví dụ 3: Chiếu chùm photon có lượng 10 eV vào cầu kim loại có cơng (eV) đặt lập trung hịa điện Sau chiếu thời gian cầu nối với đất qua điện trở (Ω.) dịng điện cực đại qua điện trở A 1,32 A B 2,34 A C 2,64 A D 3,5 A Hướng dẫn Vmax Vmax  U h     A    V  � I   3,  A  � e R Chọn D Ví dụ 4: Chiếu đồng thời ba xạ có bước sóng 0,2 µm, 0,18 µm 0,25 µm vào cầu kim loại (có cơng electron 7,23.10 −19 (J) đặt cô lập trung hòa điện Cho số Plăng, tốc độ ánh sáng chân khơng điện tích electron 6,625.10 −34 Js, 3.108 (m/s) −1,6.10−19 (C) Sau chiếu thời gian điện cực đại cầu đạt A 2,38 V B 4,07 V C 1,69 V D 0,69 V Hướng dẫn Khi chiếu đồng thời nhiều xạ ta cần tính phổ tơn có lượng lớn nhất, bước sóng nhỏ (λ = 0,18 µm) File word: ducdu84@gmail.com Phone, Zalo: 0946 513 000 CHUYÊN ĐỀ BÀI TẬP VẬT LÝ 12 Vmax  U h  CHUYÊN ĐỀ VI LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG �hc � �  A ��2,38  V  � e � � Chọn A Ví dụ 5: Khi chiếu xạ có tần số f vào cầu kim loại đặt lập trung hịa điện xảy tượng quang điện với điện cực đại cầu V động ban đầu cực đại electron quang điện cơng kim loại Chiếu tiếp xạ có tần số f = f1 + f vào cầu thỉ điện cực đại 5V Hỏi chiếu riêng xạ có tần số f vào cầu nói trung hịa điện điện cực đại cầu A 4V1 B 2,5V1 C 2V1 D 3V1 Hướng dẫn � hf1  A  e V1 � A  e V1 � �   A  e Vmax � � �� h  f1  f   A  e 5V1 hf  e V1 � � Áp dụng công thức: hf  A  e Vmax � Vmax  3V1 � Chọn D Ví dụ 6: Khi chiếu xạ có bước sóng λ vào cầu kim loại đặt cô lập trung hịa điện xảy tượng quang điện với điện cực đại cầu V động ban đầu cực đại electron quang điện nửa cơng kim loại Chiếu tiếp xạ có bước sóng λ2 = λ1− λ vào cầu điện thếcực đại 5V Hỏi chiếu riêng xạ có bước sóng λ vào cầu nói trênđang trung hịa điện điện cực đại cầu A 4V1 B.2,5V1 C 2V1 D 3,25V1 Hướng dẫn hc � 1  � hc hcV � A  e V1  A e V�  � hc  A e � 1    � A  e V2 � �  hc hc  A  e V1 A  e V2 A  e V1  4hc hc 21 �  e V1 21 e V1  hc hc 21  A  e V2 �  e V1  e V2 � V2  3, 25V1 �   Chọn D Quãng đường tối đa điện trường Sau bứt khỏi bề mặt điện cực electron có động ban đầu cực đại W ođ, nhờ có động mà electron tiếp tục chuyển động Khi điện trường cản electron dần động electron dừng lại hết động (sau quãng đường S) Động cực đại ban đầu electrôn (ε − A) = công điện trường cản( A C  Fc S  e E sS) S ), tức là: Bây giờ, ta nhớ lại   A Uh  e EC EC Vmax  U h S  U h / EC   A  eU h  A  e Vmax  A  e E CS Viết chung cơng thức: Ví dụ 1: Một điện cực phẳng làm kim loại có cơng 3,2.10 −19 (J) chiếu xạ photon có lượng 4,8 10−19 (J) Cho điện tích electron −1,6 10−19 (C) Hỏi electron quang điện rời xa bề mặt khoảng tối đa bên ngồi điện cực có điện trường cản (V/m) File word: ducdu84@gmail.com Phone, Zalo: 0946 513 000 CHUYÊN ĐỀ BÀI TẬP VẬT LÝ 12 A 0,2 m B 0,4 m   A  Wod  A  e E CS � S  CHUYÊN ĐỀ VI LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG C 0,1 m Hướng dẫn D 0,3 m A 1, 6.1019   0,  m  � eE can 1, 6.1019.5 Chọn A Ví dụ 2: Một cầu nhôm chiếu xạ tử ngoại có bước sóng 83 nm xảy tượng quang điện Biết giới hạn quang điện nhôm 332 nm Cho số Plăng h = 6.625.10−34J.s, tốc độ ánh sáng chân không c = 3.10 m/s Hỏi electron quang điện rời xa bề mặt khoảng tối đa bên ngồi điện cực có điện trường cản 7,5 (V/cm) A 0,018 m B 1,5 m C 0,2245 m D 0,015 m.  Hướng dẫn   A  e E CS � S  A hc �1 �  �  � 0, 015  m  � eE can e E C � 0 � Chọn D Hiện tượng quang điện Quang trở Pin quang điện Hiện tượng ánh sáng (hoặc xạ điện từ) giải phóng êlectron liên kết để chúng trở thành êlectron dẫn đồng thời giải phóng lỗ trống tự gọi tượng quang điện Điều kiện để xảy tượng quang điện trong:  � �  �0 I0  Quang trở để bóng tối: Quang trở chiếu xáng: E r  R0 I E rR H UI UI  Psang Isang S Hiệu suất pin quang điện: Ví dụ 1: Một chất bán dẫn có giới hạn quang dẫn µm Biết tốc độ ánh sáng chân không 3.108 m/s số Plank 6,625.10−34 Js Tính lượng kích hoạt chất A 4.10−19J B 3,97 eV C 0,35 eV D 0,25 eV Hướng dẫn A hc 149,875.1026   3,97.1020 J : 0, 25  eV  � 6 0 5.10 Chọn D Ví dụ 2: Một mạch điện gồm pin có suất điện động 12 V điện trở Ω mắc nối tiếp với quang điện trở Khi quang trở khơng chiếu sáng cường độ dịng điện chạy qua mạch vào khoảng 1,2 µA Xác định điện trở quang điện trở bóng tối Khi quang trở chiếu sáng cường độ dịng điện mạch 0,5 A Tính điện trở quang điện trở lúc chiếu sáng Hướng dẫn Điện trở quang điện trở bóng tối chiếu sáng là: E 12 6 I  1, 2.10 � R 107   10  M  r  R0  R0 E 12 � 0,5  � R  20    rR R4 Ví dụ 3: Một pin quang điện gồm nhiều pin mắc nối tiếp Diện tích tổng cộng pin 0,4 m2 Dịng ánh sáng chiếu vào pin có cường độ 1000 W/m Khi cường độ dòng điện mà pin I File word: ducdu84@gmail.com Phone, Zalo: 0946 513 000 CHUYÊN ĐỀ BÀI TẬP VẬT LÝ 12 CHUYÊN ĐỀ VI LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG cung cấp cho mạch ngồi 2,5A điện áp đo hai cực rủa pin 20 V Hiệu suất pin A 43,6% B 14,25% C 12,5% D 28,5% Hướng dẫn UI UI 20.2,5 H    0,125  12,5% � Psang Isang S 1000.0, Chọn C Ví dụ 4: Một mạch điện xoay chiều nối tiếp gồm quang trở, cuộn cảm có cảm kháng 20Ω , có điện trớ 30 Ω tụ điện có dung kháng 60 Ω Chiếu sáng quang trở với cường độ sáng định cơng suất tiêu thụ điện quang trở cực đại Xác định điện trở quang trở A 40 Ω B 20 Ω C 50 Ω D 10 Ω Hướng dẫn Pcd max � R r   ZL  ZC   302   20  60   50    � 2 Chọn C Ví dụ 5: Đoạn mạch AB mắc nối tiếp gồm ampe kế có điện trở R A = quang điện trở Mắc vơn kế có điện trở Rv lớn song song với quang điện trở Nối AB với nguồn điện khơng đổi có suất điện động E điện trở r Khi chiếu chùm ánh sáng trắng vào quang trở số ampe kế vôn kế I1 U1 Khi tắt chùm ánh sáng trắng số ampe kế vôn kế I2 U2 Chọn kết luận A I2 U1 B I2U1 D I2>I1 Ư2