Lý thuyết Vật lý 12 - Chương 7: Lượng tử ánh sáng

Hiện tượng phát quang là hiện tượng một số chất khi hấp thụ năng lượng dưới một dạng nào đó thì có khả năng phát ra các bức xạ điện từ trong miền ánh sáng nhìn thấy... Hãy tính bước sóng[r]

VII LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG A TÓM TẮT LÝ THUYẾT Hiện tượng quang điện - Thuyết lượng tử ánh sáng * Hiện tượng quang điện Hiện tượng ánh sáng làm bật các electron khỏi mặt kim loại gọi là tượng quang điện ngoài (gọi tắt là tượng quang điện) * Các định luật quang điện + Định luật quang điện thứ (định luật giới hạn quang điện): Đối với kim loại ánh sáng kích thích phải có bước sóng  ngắn hay giới hạn quang điện 0 kim loại đó, gây tượng quang điện:   0 + Định luật quang điện thứ hai (định luật cường độ dòng quang điện bảo hòa): Đối với ánh sáng thích hợp (có   0), cường độ dòng quang điện bảo hòa tỉ lệ thuận với cường độ chùm ánh sáng kích thích + Định luật quang điện thứ ba (định luật động cực đại quang electron): Động ban đầu cực đại quang electron không phụ thuộc vào cường độ chùm sáng kích thích, mà phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng kích thích và chất kim loại * Thuyết lượng tử ánh sáng + Chùm ánh sáng là chùm các phôtôn (các lượng tử ánh sáng) Mỗi phôtôn có lượng xác định  = hf (f là tần số sóng ánh sáng đơn sắc tương ứng) Cường độ chùm sáng tỉ lệ với số phôtôn phát giây + Phân tử, nguyên tử, electron… phát xạ hay hấp thụ ánh sáng, có nghĩa là chúng phát xạ hay hấp thụ phôtôn + Các phôtôn bay dọc theo tia sáng với tốc độ c = 3.108 m/s chân không Năng lượng phôtôn nhỏ Một chùm sáng dù yếu chứa nhiều phôtôn nhiều nguyên tử, phân tử phát Vì ta nhìn thấy chùm sáng liên tục Phôtôn tồn trạng thái chuyển động Không có phôtôn đứng yên * Giải thích các định luật quang điện hc Công thức Anhxtanh tượng quang điện: hf = = A + mv 02 max  + Giải thích định luật thứ nhất: Để có tượng quang điện thì lượng phôtôn phải lớn hc hc hc công thoát: hf = A=    0; với 0 = chính là giới hạn quang điện kim loại 0  A + Giải thích định luật thứ hai: Cường độ dòng quang điện bảo hòa tỉ lệ thuận với số quang electron bật khỏi catôt đơn vị thời gian Với các chùm sáng có khả gây tượng quang điện, thì số quang electron bị bật khỏi mặt catôt đơn vị thời gian tỉ lệ thuận với số phôtôn đến đập vào mặt catôt thời gian đó Số phôtôn này tỉ lệ với cường độ chùm ánh sáng tới Từ đó suy ra, cường độ dòng quang điện bảo hòa tỉ lệ thuận với cường chùm sáng chiếu vào catôt hc + Giải thíc định luật thứ ba: Ta có: Wđ0max = mv 02 max = - A, đó động ban đầu cực đại các  quang electron phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng kích thích và công thoát electron khỏi bề mặt kim loại mà không phụ thuộc vào cường độ chùm ánh sáng kích thích * Lưỡng tính sóng - hạt ánh sáng Ánh sáng vừa có tính chất sóng, vừa có tính chất hạt Ta nói ánh sáng có lưỡng tính sóng - hạt Trong tượng quang học, ánh sáng thường thể rỏ hai tính chất trên Khi tính chất sóng thể rỏ thì tính chất hạt lại mờ nhạt, và ngược lại Sóng điện từ có bước sóng càng ngắn, phôtôn ứng với nó có lượng càng lớn thì tính chất hạt thể càng rỏ, tượng quang điện, khả đâm xuyên, khả phát quang…, còn tính chất sóng càng mờ nhạt Trái lại sóng điện từ có bước sóng càng dài, phôtôn ứng với nó có lượng càng nhỏ, thì tính chất sóng lại thể rỏ tượng giao thoa, nhiễu xạ, tán sắc, …, còn tính chất hạt thì mờ nhạt Hiện tượng quang điện bên * Chất quang dẫn Chất quang dẫn là chất bán dẫn, dẫn điện kém không bị chiếu sáng và dẫn điện tốt bị chiếu ánh sáng thích hợp Lop12.net * Hiện tượng quang điện Hiện tượng ánh sáng giải phóng các electron liên kết chúng trở thành các electron dẫn đồng thời tạo các lỗ trống cùng tham gia vào quá trình dẫn điện, gọi là tượng quang điện * Quang điện trở Quang điện trở chế tạo dựa trên hiệu ứng quang điện Đó là bán dẫn có giá trị điện trở thay đổi cường độ chùm ánh sáng chiếu vào nó thay đổi * Pin quang điện Pin quang điện là nguồn điện đó quang biến đổi trực tiếp thành điện Hoạt động pin dựa trên tượng quang điện bên số chất bán dẫn đồng ôxit, sêlen, silic, … Suất điện động pin thường có giá trị từ 0,5 V đến 0,8 V Pin quang điện (pin mặt trời) đã trở thành nguồn cung cấp điện cho các vùng sâu vùng xa, trên các vệ tinh nhân tạo, tàu vũ trụ, các máy đo ánh sáng, máy tính bỏ túi … Mẫu nguyên tử Bo * Mẫu nguyên tử Bo Tiên đề trạng thái dừng Nguyên tử tồn số trạng thái có lượng xác định En, gọi là các trạng thái dừng Khi trạng thái dừng, nguyên tử không xạ Trong các trạng thái dừng nguyên tử, electron chuyển động quanh hạt nhân trên quỹ đạo có bán kính hoàn toàn xác định gọi là quỹ đạo dừng Bo đã tìm công thức tính quỹ đạo dừng electron nguyên tử hyđrô: rn = n2r0, với n là số nguyên và r0 = 5,3.10-11 m, gọi là bán kính Bo Đó chính là bán kính quỹ đạo dừng electron, ứng với trạng thái Bình thường, nguyên tử trạng thái dừng có lượng thấp gọi là trạng thái Khi hấp thụ lượng thì nguyên tử chuyển lên trạng thái dừng có lượng cao hơn, gọi là trạng thái kích thích Thời gian nguyên tử trạng thái kích thích ngắn (cỡ 10-8 s) Sau đó nguyên tử chuyển trạng thái dừng có lượng thấp và cuối cùng trạng thái Tiên đề xạ và hấp thụ lượng nguyên tử Khi nguyên tử chuyển từ trạng thái dừng có lượng En sang trạng thái dừng có lượng Em nhỏ thì nguyên tử phát phôtôn có lượng:  = hfnm = En – Em Ngược lại, nguyên tử trạng thái dừng có lượng Em mà hấp thụ phôtôn có lượng hf đúng hiệu En – Em thì nó chuyển sang trạng thái dừng có lượng En lớn Sự chuyển từ trạng thái dừng Em sang trạng thái dừng En ứng với nhảy electron từ quỹ đạo dừng có bán kính rm sang quỹ đạo dừng có bán kính rn và ngược lại * Quang phổ phát xạ và hấp thụ nguyên tử hidrô + Nguyên tử hiđrô có các trạng thái dừng khác EK, EL, EM, Khi đó electron chuyển động trên các quỹ đạo dừng K, L, M, + Khi electron chuyển từ mức lượng cao (Ecao) xuống mức lượng thấp (Ethấp) thì nó phát phôtôn có lượng hoàn toàn xác định: hf = Ecao – Ethấp c Mỗi phôtôn có tần số f ứng với sóng ánh sáng đơn sắc có bước sóng  = , tức là vạch quang f phổ có màu (hay vị trí) định Điều đó lí giải quang phổ phát xạ nguyên tử hiđrô là quang phổ vạch Ngược lại nguyên tử hiđrô mức lượng Ethấp nào đó mà nằm chùm ánh sáng trắng, đó có tất các phôtôn có lượng từ lớn đến nhỏ khác nhau, thì nguyên tử hấp thụ phôtôn có lượng phù hợp  = Ecao – Ethấp để chuyển lên mức lượng Ecao Như vậy, sóng ánh sáng đơn sắc đã bị hấp thụ, làm cho trên quang phổ liên tục xuất vạch tối Do đó quang phổ hấp thụ nguyên tử hiđrô là quang phổ vạch Hấp thụ và phản xạ lọc lựa ánh sáng – Màu sắc các vật * Hấp thụ ánh sáng + Hấp thụ ánh sáng là tượng môi trường vật chất làm giảm cường độ chùm sáng truyền qua nó + Định luật hấp thụ ánh sáng: Cường độ I chùm sáng đơn sắc truyền qua môi trường hấp thụ, giảm theo định luật hàm mũ độ dài d đường tia sáng: I = I0e-d; với I0 là cường độ chùm ánh sáng tới,  gọi là hệ số hấp thụ môi trường + Hấp thụ lọc lựa: Sự hấp thụ ánh sáng môi trường có tính chọn lọc, hệ số hấp thụ môi trường phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng Những vật không hấp thụ ánh sáng miền nhì tấy quang phổ gọi là vật suốt không màu Những vật hấp thụ hoàn toàn ánh sáng nhìn thấy thì có màu đen Lop12.net Những vật hấp thụ lọc lựa ánh sáng miền nhìn thấy thì gọi là vật suốt có màu * Phản xạ (hoặc tán xạ) lọc lựa – Màu sắc các vật + Ở số vật, khả phản xạ (hoặc tán xạ) ánh sáng mạnh yếu khác phụ thuộc và bước sóng ánh sáng tới Đó là phản xạ (hoặc tán xạ) lọc lựa + Các vật thể khác có màu sắc khác là chúng cấu tạo từ vật liệu khác Khi ta chiếu ánh sáng trắng vào vật, vật hấp thụ số ánh sáng đơn sắc và phản xạ, tán xạ cho truyền qua các ánh sáng đơn sắc khác + Màu sắc các vật còn phụ thuộc vào màu sắc ánh sáng rọi vào nó: Một vật có màu đỏ nó chiếu ánh sáng trắng chiếu vào nó ánh sáng màu lam màu tím thì nó hấp thụ hoàn toàn chùm ánh sáng đó và nó trở thành có màu đen Hiện tượng quang – Phát quang * Sự phát quang + Có số chất hấp thụ lượng dạng nào đó, thì có khả phát các xạ điện từ miền ánh sáng nhìn thấy Các tượng đó gọi là phát quang + Mỗi chất phát quang có quang phổ đặc trưng cho nó + Sau ngừng kích thích, phát quang số chất còn tiếp tục kéo dài thêm thời gian nào đó, ngừng hẵn Khoảng thời gian từ lúc ngừng kích thích lúc ngừng phát quang gọi là thời gian phát quang * Huỳnh quang và lân quang + Sự huỳnh quang là phát quang có thời gian phát quang ngắn (dưới 10-8 s), nghĩa là ánh sáng phát quang tắt sau tắt ánh sáng kích thích Nó thường xảy với chất lỏng và chất khí + Sự lân quang là phát quang có thời gian phát quang dài (từ 10-8 s trở lên); thường xảy với chất rắn Các chất rắn phát lân quang gọi là chất lân quang * Định luật Xtốc phát quang Ánh sáng phát quang có bước sóng ’ dài bước sóng ánh sáng kích thích : ’ >  * Ứng dụng tượng phát quang Sử dụng các đèn ống để thắp sáng, các màn hình dao động kí điện tử, tivi, máy tính Sử dụng sơn phát quang quét trên các biển báo giao thông Sơ lược laze Laze là nguồn sáng phát chùm sáng cường độ lớn dựa trên việc ứng dụng tượng phát xạ cảm ứng * Sự phát xạ cảm ứng Nếu nguyên tử trạng thái kích thích, sẵn sàng phát phôtôn có lượng  = hf, bắt gặp phôtôn có lượng ’ đúng hf bay lướt qua nó, thì nguyên tử này phát phôtôn  Phôtôn  có cùng lượng và bay cùng phương với phôtôn ’ Ngoài sóng điện từ ứng với phôtôn  hoàn toàn cùng pha và dao động mặt phẵng song song với mặt phẵng dao động sóng điện từ ứng với phôtôn ’ Như vậy, có phôtôn ban đầu bay qua loạt các nguyên tử trạng thái kích thích thì số phôtôn tăng lên theo cấp số nhân Tùy theo vật liệu phát xạ, người ta đã tạo laze rắn, laze khí và laze bán dẫn Laze rubi (hồng ngọc) biến đổi quang thành quang * Cấu tạo laze rubi Rubi (hồng ngọc) là Al2O3 có pha Cr2O3 Laze rubi gồm rubi hình trụ Hai mặt mài nhẵn vuông góc với trục Mặt (1) mạ bạc trở thành gương phẵng (G1) có mặt phản xạ quay vào phía Mặt (2) là mặt bán mạ, tức là mạ lớp mỏng khoảng 50% cường độ chùm sáng chiếu tới bị phản xạ, còn khoảng 50% truyền qua Mặt này trở thành gương phẳng (G2) có mặt phản xạ quay phía G1 Hai gương G1 và G2 song song với Dùng đèn phóng điện xenon để chiếu sáng mạnh rubi và đưa số lớn ion crôm lên trạng thái kích thích Nếu có ion crôm xạ theo phương vuông góc với hai gương thì ánh sáng phản xạ phản xạ lại nhiều lần hai gương và làm cho loạt ion crôm phát xạ cảm ứng Ánh sáng khuếch đại lên nhiều lần Chùm tia laze lấy từ gương bán mạ G2 Lop12.net * Đặc điểm laze + Laze có tính đơn sắc cao Độ sai lệch tương đối f tần số ánh sáng laze phát có thể f 10-15 + Tia laze là chùm sáng kết hợp (các phôtôn chùm có cùng tần số và cùng pha) + Tia laze là chùm sáng song song (có tính định hướng cao) + Tia laze có cường độ lớn Chẵng hạn laze rubi (hồng ngọc) có cường độ tới 106 W/cm2 Như vậy, laze là nguồn sáng phát chùm sáng song song, kết hợp, có tính đơn sắc cao và có cường độ lớn (trên 106 W/cm2) * Một số ứng dụng laze + Tia laze có ưu đặc biệt thông tin liên lạc vô tuyến (truyền thông thông tin cáp quang, vô tuyến định vị, điều khiển tàu vũ trụ, ) + Tia laze dùng dao mổ phẩu thuật mắt, để chữa số bệnh ngoài da (nhờ tác dụng nhiệt), + Tia laze dùng các đầu đọc đĩa CD, bút bảng, đồ, dùng các thí nghiệm quang học trường phổ thông, + Ngoài tia laze còn dùng để khoan, cắt, tôi, chính xác các vật liệu công nghiệp B CÁC DẠNG BÀI TẬP Hiện tượng quang diện ngoài * Các công thức: Hiện tượng quang điện ngoài là tượng các electron bị bật khỏi bền mặt kim loại có ánh sáng thích hợp chiếu vào hc Năng lượng phôtôn ánh sáng:  = hf =  Công thức Anhxtanh, giới hạn quang điện, điện áp hãm: W hc hc hc hf = = A + mv 02 max = + Wdmax; 0 = ; Uh = - d max 0  A e Điện cực đại cầu kim loại cô lập điện đạt chiếu chùm sáng có   0: Vmax = Công suất nguồn sáng, cường độ dòng quang điện bảo hoà, hiệu suất lượng tử: P = n hc  Wd max e ; Ibh = ne|e|; H = ne n mv R * Phương pháp giải: Để tìm các đại lượng tượng quang điện ngoài ta viết biểu thức liên quan đến các đại lượng đã biết và đại lượng cần tìm từ đó suy và tính đại lượng cần tìm * Bài tập minh họa: Cho h = 6,625.10-34 Js; c = 3.108 m/s; |e| = 1,6.10-19 C; me = 9,1.10-31 kg Công thoát electron khỏi đồng là 4,57 eV Chiếu xạ có bước sóng  = 0,14 m vào cầu đồng đặt xa các vật khác Tính giới hạn quang điện đồng và điện cực đại mà cầu đồng tích Công thoát electron khỏi kẻm là 4,25 eV Chiếu vào kẻm đặt cô lập điện chùm xạ điện từ đơn sắc thì thấy kẻm tích điện tích cực đại là V Tính bước sóng và tần số chùm xạ Chiếu chùm xạ điện từ có tần số f = 5,76.1014 Hz vào miếng kim loại thì các quang electron có vận tốc ban đầu cực đại là v = 0,4.106 m/s Tính công thoát electron và bước sóng giới hạn quang điện kim loại đó Công thoát electron khỏi kim loại natri là 2,48 eV Một tế bào quang điện có catôt làm natri, chiếu sáng chùm xạ có bước sóng 0,36 m thì cho dòng quang điện có cường độ bảo hòa là A Tính vận tốc ban đầu cực đại electron quang điện và số electron bứt khỏi catôt giây Chiếu xạ điện từ có bước sóng  vào catôt tế bào quang điện Biết công thoát electron kim loại làm catôt là eV và các electron bắn với vận tốc ban đầu cực đại là 7.105 m/s Xác định bước sóng xạ điện từ đó và cho biết xạ điện từ đó thuộc vùng nào thang sóng điện từ Chiếu xạ có bước sóng  = 0,438 m vào catôt tế bào quang điện Biết kim loại làm catôt tế bào quang điện có giới hạn quang điện là 0 = 0,62 m Tìm điện áp hãm làm triệt tiêu dòng quang điện Chiếu xạ có bước sóng 0,405 m vào kim loại thì các quang electron có vận tốc ban đầu cực đại là v1 Thay xạ khác có tần số 16.1014 Hz thì vận tốc ban đầu cực đại các quang electron là v2 = 2v1 Tìm công thoát electron kim loại Lực Lorrenxơ, lực hướng tâm: Flr = qvBsin ; Fht = maht = Lop12.net Một tế bào quang điện có catôt làm asen có công thoát electron 5,15 eV Chiếu chùm sáng đơn sắc có bước sóng 0,20 m vào catôt tế bào quang điện thì thấy cường độ dòng quang điện bảo hòa là 4,5 A Biết công suất chùm xạ là mW Xác định vận tốc cực đại electron nó vừa bị bật khỏi catôt và hiệu suất lượng tử Chiếu xạ có bước sóng  = 0,4 m vào catôt tế bào quang điện Biết công thoát electron kim loại làm catôt là A = eV, điện áp anôt và catôt là UAK = V Tính động cực đại các quang electron tới anôt * Hướng dẫn giải và đáp số: W hc 6,625.10 34.3.108 hc  Ta có: 0 = = 0,27.10-6 m; Wd0 = - A = 6,88.10-19 J; Vmax = d = 4,3 V 19 A 4,57.1,6.10  e hc c Ta có: Wd0max = eVmax = eV;  = = 0,274.10- m; f = = 1,1.1014 Hz A  Wd0max  hc Ta có: A = hf - mv02 = 3,088.10-19 J; 0 = = 0,64.10-6 m A 2Wd I hc Ta có: Wd0 = - A = 1,55.10-19 J; v0 = = 0,58.106 m/s; ne = bh = 1,875.1013 m  e hc Ta có:  = = 0,215.10-6 m; xạ đó thuộc vùng tử ngoại A  mv0 W hc hc Ta có: Wd0 = = 1,33.10-19 J; Uh = - d = - 0,83 V  0 e c 1 Ta có: f1 = = 7,4.1014 Hz; mv12 = hf1 – A; mv22 = mv12 = hf2 – A 1 2 hf  A 4hf1  hf 4= A= = 3.10-19 J hf1  A 2Wd = 0,6.106 m/s m  n I P P  ne = bh = 2,8.1013; n = = 3.1015  H = e = 9,3.10-3 = 0,93% hc hc n e Ta có: Wd0 = hc - A = 1,7.10-19 J; v0 =  Ta có: Wđ0 = hc  - A = 8,17.10-19 J; Wđmax = Wđ0 + |e|UAK = 16,17.10-19 J = 10,1 eV Quang phổ vạch nguyên tử hyđrô – Hiện tượng phát quang * Kiến thức liên quan: hc Quang phổ vạch nguyên tử hyđrô: En – Em = hf =  Bán kính quỹ đạo dừng thứ n electron nguyên tử hiđrô: rn = n2r1; với r1 = 0,53.10-11m là bán kính Bo (ở quỹ đạo K) 13,6 Năng lượng electron nguyên tử hiđrô quỹ đạo dừng thứ n: En = - eV; với n  N* n Sơ đồ chuyển mức lượng tạo thành các dãy quang phổ: Hiện tượng quang điện là tượng tạo thành các electron dẫn và lỗ trống bán dẫn có ánh sáng thích hợp chiếu vào Hiện tượng phát quang là tượng số chất hấp thụ lượng dạng nào đó thì có khả phát các xạ điện từ miền ánh sáng nhìn thấy Lop12.net Đặc điểm phát quang: ánh sáng phát quang có bước sóng ’ dài bước sóng ánh sáng kích thích : ’ >  * Bài tập minh họa: Cho eV = 1,6.10-19 J ; h = 6,625.10-34 Js ; c = 3.108 m/s; me = 9,1.10-31 kg Bước sóng vạch quang phổ đầu tiên dãy Laiman là 0 = 122 nm, hai vạch H và H dãy Banme là 1 = 656nm và 2 = 486 nm Hãy tính bước sóng vạch quang phổ thứ hai dãy Laiman và vạch đầu tiên dãy Pasen Trong quang phổ vạch nguyên tử hiđrô, vạch ứng với bước sóng dài dãy Laiman là 1 = 0,1216 m và vạch ứng với chuyển electron từ quỹ đạo M quỹ đạo K có bước sóng 2 = 0,1026 m Hãy tính bước sóng dài 3 dãy Banme 13,6 Các mức lượng nguyên tử hiđrô trạng thái dừng xác định công thức: En = - eV n với n là số nguyên; n = ứng với mức K; n = 2, 3, 4, …ứng với các mức kích thích L, M, N,… a) Tính Jun lượng iôn hoá nguyên tử hiđrô b) Tính mét bước sóng vạch đỏ H dãy Banme Khi êlectron quỹ đạo dừng thứ n thì lượng nguyên tử hiđrô tính theo công thức 13,6 En = - (eV) (n = 1, 2, 3,…) Tính bước sóng xạ nguyên tử hiđrô phát êlectron nguyên n tử hiđrô chuyển từ quỹ đạo dừng n = sang quỹ đạo dừng n = Năng lượng các trạng thái dừng nguyên tử hiđrô là EK = -13,60 eV; EL = -3,40 eV; EM = -1,51 eV; EN = -0,85 eV; EO = -0,54 eV Hãy tìm bước sóng các xạ tử ngoại nguyên tử hiđrô phát Biết bước sóng hai vạch đầu tiên dãy Laiman nguyên tử hiđrô là L1 = 0,122 m và L2 = 103,3 nm Biết mức lượng trạng thái kích thích thứ hai là -1,51 eV Tìm bước sóng vạch H quang phổ nhìn thấy nguyên tử hiđrô, mức lượng trạng thái và trạng thái kích thích thứ Chiếu ánh sáng đơn sắc có bước sóng 0,30 m vào chất thì thấy chất đó phát ánh sáng có bước sóng 0,50 m Cho công suất chùm sáng phát quang 0,01 công suất chùm sáng kích thích Hãy tính tỉ số số phôtôn ánh sáng phát quang và số phôtôn ánh sáng kích thích phát cùng khoảng thời gian Người ta dùng thiết bị laze để đo khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trăng Chiếu tia laze dạng xung ánh sáng phía Mặt Trăng Người ta đo khoảng thời gian thời điểm phát và thời điểm nhận xung phản xạ máy thu đặt Trái Đất là 2,667 s Thời gian kéo dài xung là t0 = 10-7 s a) Tính khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trăng b) Tính công suất chùm laze, biết lượng xung ánh sáng là W0 = 10 kJ * Hướng dẫn giải và đáp số:  hc hc hc Ta có: = E3 - E1 = E3 - E2 + E2 - E1 = +  31 = = 103 nm; 31 1 0 0  1 hc hc hc  = E4 - E3 = E4 - E2 + E2 - E3 =  43 = = 1875 nm 43 2 1 1  2 hc hc hc  Ta có: = EM - EL = EM - EK + EK - EL =  3 = = 0,6566 m 3 2 1 1  2 a) Để ion hóa nguyên tử hiđrô thì phải cung cấp cho nó lượng để electron nhảy từ quỹ đạo K (n = 13,6.1,6.10 19 1) khỏi mối liên kết với hạt nhân (n = ) Do đó E = E - E1 = - () = 21,76.10-19 J 12 hc 13,6.1,6.10 19 13,6.1,6.10 19 36hc b) Ta có: = E3 – E2 = - ()  32 = = 0.658.10-6 m 2 32 5.13,6.1,6.10 19 13,6 13,6 Ta có: E3 = - eV = - 1,511 eV; E2 = - eV = - 3,400 eV; hc hc E3 - E2 =  32 = = 6,576.10-7 m = 0,6576 m 32 E3  E2 hc hc Ta có: LK = = 0,1218.10-6m; MK = = 0,1027.10-6m; EL  EK EM  E K Lop12.net hc hc = 0,0974.10-6m; OK = = 0,0951.10-6m E N  EK EO  EK hc hc hc   Ta có: = EM - EL = EM - EK - (EL - EK) =   = L1 L = 0,6739 m  L L1 L1  L hc hc hc = EM – EK  EK = - EM = - 13,54 eV; EL = EK + = - 3,36 eV NK = L L1 L W W W ' W ' W '' n' W '  ' 0,01W '     ; n’ = ;H=  = 0,017 = 1,7 %  hc hc  ' hc hc n W W  ' W t a) Ta có: S = c = 4.108 m b) Ta có: P = = 1011 W t0 C MỘT SỐ CÂU TRẮC NGHIỆM LUYỆN TẬP * Đề thi ĐH – CĐ năm 2009: Khi nói thuyết lượng tử ánh sáng, phát biểu nào sau đây là đúng? A Năng lượng phôtôn càng nhỏ cường độ chùm ánh sáng càng nhỏ B Phôtôn có thể chuyển động hay đứng yên tùy thuộc vào nguồn sáng chuyển động hay đứng yên C Năng lượng phôtôn càng lớn tần số ánh sáng ứng với phôtôn đó càng nhỏ D Ánh sáng tạo các hạt gọi là phôtôn Nguyên tử hiđtô trạng thái có mức lượng -13,6 eV Để chuyển lên trạng thái dừng có mức lượng -3,4 eV thì nguyên tử hiđrô phải hấp thụ phôtôn có lượng A 10,2 eV B -10,2 eV C 17 eV D eV Một đám nguyên tử hiđrô trạng thái kích thích mà êlectron chuyển động trên quỹ đạo dừng N Khi êlectron chuyển các quỹ đạo dừng bên thì quang phổ vạch phát xạ đám nguyên tử đó có bao nhiêu vạch? A B C D 4 Trong chân không, xạ đơn sắc vàng có bước sóng là 0,589 m Lấy h = 6,625.10-34 Js; c = 3.108 m/s và e = 1,6.10-19 C Năng lượng phôtôn ứng với xạ này có giá trị là A 2,11 eV B 4,22 eV C 0,42 eV D 0,21 eV Công thoát electron kim loại là 7,64.10-19J Chiếu vào bề mặt kim loại này các xạ có bước sóng là 1 = 0,18 m, 2 = 0,21 m và 3 = 0,35 m Lấy h = 6,625.10-34 Js, c = 3.108 m/s Bức xạ nào gây tượng quang điện kim loại đó? A Hai xạ (1 và 2) B Không có xạ nào ba xạ trên C Cả ba xạ (1, 2 và 3) D Chỉ có xạ 1 Pin quang điện là nguồn điện, đó A hóa biến đổi trực tiếp thành điện B quang biến đổi trực tiếp thành điện C biến đổi trực tiếp thành điện D nhiệt biến đổi trực tiếp thành điện Đối với nguyên tử hiđrô, êlectron chuyển từ quỹ đạo M quỹ đạo K thì nguyên tử phát phôtôn có bước sóng 0,1026 µm Lấy h = 6,625.10-34 Js, e = 1,6.10-19 C và c = 3.108 m/s Năng lượng phôtôn này là A 1,21 eV B 11,2 eV C 12,1 eV D 121 eV Chiếu đồng thời hai xạ có bước sóng 0,452 µm và 0,243 µm vào catôt tế bào quang điện Kim loại làm catôt có giới hạn quang điện là 0,5 µm Lấy h = 6,625 10-34 Js, c = 3.108 m/s và me = 9,1.10-31 kg Vận tốc ban đầu cực đại các êlectron quang điện A 2,29.104 m/s B 9,24.103 m/s C 9,61.105 m/s D 1,34.106 m/s Dùng thuyết lượng tử ánh sáng không giải thích A tượng quang – phát quang B tượng giao thoa ánh sáng C nguyên tắc hoạt động pin quang điện D tượng quang điện ngoài 10.Gọi lượng phôtôn ánh sáng đỏ, ánh sáng lục và ánh sáng tím là Đ, L và T thì A T > L > eĐ B T > Đ > eL C Đ > L > eT D L > T > Đ 11 Đối với nguyên tử hiđrô, các mức lượng ứng với các quỹ đạo dừng K, M có giá trị là: -13,6 eV; -1,51 eV Cho biết h = 6,625.10-34 Js; c = 3.108 m/s và e = 1,6.10-19 C Khi êlectron chuyển từ quỹ đạo dừng M quỹ đạo dừng K, thì nguyên tử hiđrô có thể phát xạ có bước sóng A 102,7 m B 102,7 mm C 102,7 nm D 102,7 pm 12 Khi chiếu vào chất lỏng ánh sáng màu chàm thì ánh sáng huỳnh quang phát không thể là Ta có: n = W  Lop12.net A ánh sáng màu tím B ánh sáng màuvàng C ánh sáng màu đỏ D ánh sáng màu lục 13 Trong quang phổ vạch nguyên tử hiđrô, bước sóng dài vạch quang phổ dãy Lai-man và dãy Ban-me là 1 và 2 Bước sóng dài thứ hai thuộc dãy Lai-man có giá trị là 1 1   A B C D 2(1   ) 1   1     1 14 Trong thí nghiệm, tượng quang điện xảy chiếu chùm sáng đơn sắc tới bề mặt kim loại Nếu giữ nguyên bước sóng ánh sáng kích thích mà tăng cường độ chùm sáng thì A số lectron bật khỏi kim loại giây tăng lên B động ban đầu cực đại êlectron quang điện tăng lên C giới hạn quang điện kim loại bị giảm xuống D vận tốc ban đầu cực đại các êlectron quang điện tăng lên 15 Một nguồn phát ánh sáng có bước sóng 662,5 nm với công suất phát sáng là 1,5.10-4 W Lấy h = 6,625.10-34 Js; c = 3.108 m/s Số phôtôn nguồn phát giây là A 5.1014 B 6.1014 C 4.1014 D 3.1014 Đề thi ĐH – CĐ năm 2010 13,6 16 Khi êlectron quỹ đạo dừng thứ n thì lượng nguyên tử hiđrô tính theo công thức - (eV) n (n = 1, 2, 3,…) Khi êlectron nguyên tử hiđrô chuyển từ quỹ đạo dừng n = sang quỹ đạo dừng n = thì nguyên tử hiđrô phát phôtôn ứng với xạ có bước sóng A 0,4350 μm B 0,4861 μm C 0,6576 μm D 0,4102 μm 17 Một chất có khả phát ánh sáng phát quang với tần số f = 6.1014 Hz Khi dùng ánh sáng có bước sóng nào đây để kích thích thì chất này không thể phát quang? A 0,55 μm B 0,45 μm C 0,38 μm D 0,40 μm 18 Theo tiên đề Bo, êlectron nguyên tử hiđrô chuyển từ quỹ đạo L sang quỹ đạo K thì nguyên tử phát phôtôn có bước sóng λ21, êlectron chuyển từ quỹ đạo M sang quỹ đạo L thì nguyên tử phát phôtôn có bước sóng λ32 và êlectron chuyển từ quỹ đạo M sang quỹ đạo K thì nguyên tử phát phôtôn có bước sóng λ31 Biểu thức xác định λ31 là A 31 = 32 21 21  31 B 31 = 32 - 21 C 31 = 32 + 21 D 31 = 32 21 21  31 19 Theo mẫu nguyên tử Bo, bán kính quỹ đạo K êlectron nguyên tử hiđrô là r0 Khi êlectron chuyển từ quỹ đạo N quỹ đạo L thì bán kính quỹ đạo giảm bớt A 12r0 B 4r0 C 9r0 D 16r0 -19 20 Một kim loại có công thoát êlectron là 7,2.10 J Chiếu vào kim loại này các xạ có bước sóng λ1 = 0,18 μm, λ2 = 0,21 μm, λ3 = 0,32 μm và λ = 0,35 μm Những xạ có thể gây tượng quang điện kim loại này có bước sóng là A λ1, λ2 và λ3 B λ1 và λ2 C λ2, λ3 và λ4 D λ3 và λ4 21 Khi chiếu chùm tia tử ngoại vào ống nghiệm đựng dung dịch fluorexêin thì thấy dung dịch này phát ánh sáng màu lục Đó là tượng A phản xạ ánh sáng B quang - phát quang C hóa - phát quang D tán sắc ánh sáng 22 Theo thuyết lượng tử ánh sáng, phát biểu nào đây là sai? A Ánh sáng tạo thành các hạt gọi là phôtôn B Năng lượng các phôtôn ánh sáng là nhau, không phụ thuộc tần số ánh sáng C Trong chân không, các phôtôn bay dọc theo tia sáng với tốc độ c = 3.108 m/s D Phân tử, nguyên tử phát xạ hay hấp thụ ánh sáng, có nghỉa là chúng phát xạ hay hấp thụ phôtôn 23 Một nguồn sáng phát ánh sáng đơn sắc có tần số 5.1014 Hz Công suất xạ điện từ nguồn là 10 W Số phôtôn mà nguồn phát giây xấp xỉ A 3,02.1019 B 0,33.1019 C 3,02.1020 D 3,24.1019 24 Nguyên tử hiđrô chuyển từ trạng thái dừng có lượng En = -1,5 eV sang trạng thái dừng có lượng Em = -3,4 eV Bước sóng xạ mà nguyên tử hiđrô phát xấp xỉ A 0,654.10-7m B 0,654.10-6m C 0,654.10-5m D 0,654.10-4m 25 Hiện tượng nào sau đây khẳng định ánh sáng có tính chất sóng? A Hiện tượng giao thoa ánh sáng B Hiện tượng quang điện ngoài C Hiện tượng quang điện D Hiện tượng quang phát quang * Đáp án: D A C A A B C C B 10 A 11 C 12 A 13 B 14 A 15 A 16 C 17 A 18 D 19 A 20 B 21 B 22 A 24 B 25 A Lop12.net VIII SƠ LƯỢC VỀ THUYẾT TƯƠNG ĐỐI HẸP A TÓM TẮT LÝ THUYẾT * Các tiên đề Anhxtanh: - Tiên đề I: Các tượng vật lí diễn hệ qui chiếu quán tính - Tiên đề II: Tốc độ ánh sáng chân không là hệ qui chiếu quán tính, không phụ thuộc vào phương truyền và không phụ thuộc vào tốc độ nguồn sáng hay máy thu: c  3.108 m/s * Hệ thuyết tương đối hẹp: - Sự co lại độ dài: Khi có độ dài riêng l0 chuyển động dọc theo trục tọa độ hệ qui v2 c2 - Sự giãn thời gian: Nếu có tượng xảy thời gian t0 hệ qui chiếu K’ chuyển động với vận tốc v so với hệ qui chiếu K đứng yên thì thời gian t xảy tượng hệ qui t0 chiếu đứng yên K là: t = > t0 Điều đó có nghĩa là thời gian để xảy tượng hệ v2 1 c qui chiếu chuyển động dài thời gian xảy tượng đó hệ qui chiếu đứng yên m0 - Khối lượng vật chuyển động (khối lượng tương đối tính): m = ; với m0 là khối lượng nghĩ v2 1 c Điều đó có nghĩa là vật chuyển động thì khối lượng nó tăng lên   m0  v - Động lượng tương đối tính: p = m v = v2 1 c m0 c * Năng lượng toàn phần vật có khối lượng tương đối tính m: E = mc2 = v2 1 c * Năng lượng nghĩ: E0 = m0c     2  * Động vật khối lượng nghĩ m0 chuyển động với vận tốc v: Wđ = mc – m0c = m0c  1   v  1  c   chiếu đứng yên K với vận tốc v thì chiều dài nó hệ qui chiếu K là: l = l0  h v2 ; m0ph = mph  = vì phôtôn chuyển động với vận tốc  c c vận tốc ánh sáng hay nói cách khác không có phôtôn đứng yên B CÁC DẠNG BÀI TẬP * Các công thức: * Với phôtôn:  = hc = mphc2  mph = v2 ; với l0 là chiều dài vật đứng yên, l là chiều dài vật chuyển động c2 dọc theo trục trùng với chiều dài nó với vận tốc v t0 + Sự giãn thời gian: t = ; với t0 là thời gian xảy hệ qui chiếu chuyển động với vận v2 1 c tốc v, t là thời gian xảy hệ qui chiếu đứng yên m0 + Khối lượng tương đối tính: m = v2 1 c + Sự co lại độ dài: l = l0  Lop12.net  m0  + Động lượng tương đối tính: p = m v =  v2 1 c v + Năng lượng nghĩ: E0 = m0c2 + Năng lượng toàn phần: E = mc2 = m0 c v2 1 c     2  + Động vật khối lượng tĩnh m0 chuyển động với vận tốc v: Wđ = mc – m0c = m0c  1   v  1  c   h h + Khối lượng tương đối tính phôtôn: mph = Động lượng tương đối tính phôtôn: p = mphc = c  * Phương pháp giải: Để tìm các đại lượng liên quan đến thuyết tương đối hẹp ta viết các biểu thức liên quan đến đại lượng cần tìm và các đại lượng đã biết từ đó suy và tính đại lượng cần tìm * Bài tập minh họa: Một vật có khối lượng nghỉ 60 kg chuyển động với tốc độ 0,6c (c là tốc độ ánh sáng chân không) Tính khối lượng tương đối tính nó Một cái thước nằm yên dọc theo trục tọa độ hệ quy chiếu quán tính K thì có chiều dài l0 = m Khi thước chuyển động dọc theo trục tọa độ này với tốc độ v = 0,6c Tính chiều dài thước hệ K Một kim loại mãnh có chiều dài 60 cm chuyển động dọc theo chiều dài nó với tốc độ v = 0,8c Tính độ co chiều dài nó Sau 20 phút tính theo đồng hồ đo, đồng hồ gắn với hệ qui chiếu chuyển động với tốc độ v = 0,6c (c là tốc độ ánh sáng chân không) chạy chậm bao lâu so với đồng hồ gắn với hệ qui chiếu đứng yên? Một hạt có động lượng tương đối tính lớn gấp hai lần động lượng cổ điển (tính theo học newton).vTính tốc độ hạt đó Cho vận tốc ánh sáng chân không là c = 3.108 m/s Tính vận tốc hạt có động gấp đôi lượng nghĩ nó theo vận tốc ánh sáng chân không Cho vận tốc ánh sáng chân không là c = 3.108 m/s Tính khối lượng tương đối tính phôtôn ứng với xạ có bước sóng  = 0,50 m Cho c = 3.108 m/s; h = 6,625.10-34 Js Tính động lượng tương đối tính phôtôn ứng với xạ có bước sóng 0,60 m Cho h = 6,625.10-34 Js Tính tốc độ vật có lượng toàn phần lớn gấp lần lượng nghĩ nó Cho c = 3.108 m/s * Hướng dẫn giải và đáp số: m0 m0 Ta có: m = = = 75 kg v (0, 6c) 1 1 c c2 Ta có: l = l0  v2 (0, 6c) = l = 0,8 m  c2 c2 v2 v2  l = l – l = l (1 ) = 24 cm  0 c2 c2 Thời gian chậm 20 phút (theo đồng hồ đo t0 = 1200 s): t0 t = t – t0 = - t0 = t0( - 1) = 300 s = phút v2 v2 1 1 c c Ta có: l = l0  Ta có: p = mv = v2 v = 2m0v   =  v = c = 2,6.108 m/s 2 c v 1 c m0 Lop12.net     2  Ta có: Wđ = mc – m0c = m0c  1 = 2m0c2    v  1  c   h Ta có: mph = = 4,4.10-36 kg c h Ta có: pph = mphc = = 11.10-28 kgm/s 1 v c2 -1=2v= c = 2,83.108 m/s  Ta có: mc2 = m0 c2 = 2m0c2  v = c = 2,6.108 m/s v2 c2 C MỘT SỐ CÂU TRẮC NGHIỆM LUYỆN TẬP Một vật có khối lượng nghỉ 60 kg chuyển động với tốc độ 0,6c (c là tốc độ ánh sáng chân không) thì khối lượng tương đối tính nó là A 75 kg B 80 kg C 60 kg D 100 kg Một cái thước nằm yên dọc theo trục tọa độ hệ quy chiếu quán tính K thì có chiều dài riêng là l Với c là tốc độ ánh sáng chân không Khi thước chuyển động dọc theo trục tọa độ này với tốc độ v thì chiều dài thước đo hệ K là 1 v v v2 v2 B C l  D l  l  2 c c c c Một đồng hồ chuyển động thẳng với tốc độ v = 0,8c (với c là tốc độ ánh sáng chân không) Sau 12 phút (tính theo đồng hồ đó), đồng hồ này chạy chậm đồng hồ gắn với quan sát viên đứng yên là A 7,2 phút B 4,8 phút C phút D 20 phút Một cái thước Có chiều dài 20 cm chuyển động dọc theo trục tọa độ trùng với phương đặt thước với tốc độ v = 0,6c hệ qui chiếu quán tính (với c là tốc độ ánh sáng chân không) Độ co chiều dài thước là A cm B cm C cm D cm Một hình vuông cạnh 10 cm hệ qui chiếu O gắn liền với nó Trong hệ qui chiếu O’ chuyển động với tốc độ 0,8c song song với cạnh hình vuông thì hình dạng và diện tích hình là A hình vông, 100 cm2 B hình chữ nhật, 60 cm2 C hình thoi, 60 cm D hình thoi, 80 cm2 Một hạt có động năng lượng nghĩ nó Tốc độ hạt đó là A 2.108 m/s B 2,5.108 m/s C 2,6.108 m/s D 2,8.108 m/s Năm 25 tuổi, người phi công vũ trụ xuất phát từ Trái Đất để thám hiểm ngôi A cách Trái Đất 10 năm ánh sáng, tàu vũ trụ với tốc độ v = 0,8c Khi đến A, bao nhiêu tuổi? A 32 tuổi B 37,5 tuổi C 32,5 tuổi D 42,5 tuổi Chiều dài tàu vũ trụ đo đúng nửa độ dài tĩnh nó Tốc độ tàu vũ trụ đó hệ qui chiếu người quan sát là A 0,132c B 0,356c C 0,642c D 0,866c Một electron chuyển động với tốc độ v = 0,5c thì lượng nó tăng thêm bao nhiêu % so với lượng nghĩ A 10% B 15,5% C 25% D 32,5% 10 Một electron chuyển động với tốc độ c Khối lượng tương đối tính electron bao nhiêu? Cho khối lượng tĩnh electron là 9,1.10-31 kg A 9,1.10-31 kg B 18,2.10-31 kg C 27,3.10-31 kg D 36,4.10-31 kg Đáp án: A B C A B C C D B 10 C A l  Lop12.net