Trường THPT Nguyễn Đáng Giáo viên Huỳnh Thế Xương Trường THPT Nguyễn Đáng Lớp 12 Họ và Tên: HỆ THỐNG HÓA KIẾNTHỨC VẬT LÝ 12 NÂNG CAO Chương7 LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG I/. Hiện tượng quang điện ngoài. Các định luật quang điện 1. Hiện tượng quang điện ngoài Hiện tượng ánh sáng làm bật các êlectron ra khỏi bề mặt kim loại gọi là hiện tượng quang điện ngoài, thường gọi tắt là hiện tượng quang điện. Các êlectron bị bật ra gọi là các êlectron quang điện hay quang êlectron. 2. Thí nghiệm khảo sát định lượng hiện tượng quang điện a) Sơ đồ thí nghiệm được vẽ trên Hình 43.3 b) Kết quả thí nghiệm và nhận xét + Khi chiếu vào catôt chùm ánh sáng có bước sóng ngắn thì xảy ra hiện tượng quang điện và trong mạch xuất hiện dòng điện, gọi là dòng quang điện. + Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi o λ ≤ λ . o λ được gọi là giới hạn quang điện, phụ thuộc vào bản chất của kim loại làm catôt. + Sự phụ thuộc của cường độ dòng quang điện I vào hiệu điện thế AK U được mô tả như đồ thị 1 trên Hình 43.4 + Khi AK h U U≤ − thì I = 0 , dòng quang điện bị triệt tiêu hoàn toàn. h U được gọi là hiệu điện thế hãm. Từ đó ta được: 2 đomax omax h 1 W mv e.U 2 = = Suy ra ðomax omax 2W v m = Trong đó: ðomax W là động năng ban đầu cực đại của quang êlectron (J) omax v là vận tốc ban đầu cực đại của quang êlectron (m/s) 31 m 9,1.10 kg − = là khối lượng của êlectron. 19 e 1,6.10 C − = độ lớn điện tích của êlectron. + Khi AK 1 U U≥ thì bh I I= . Giá trị bh I gọi là cường độ dòng quang điện bão hoà. Và ta có bh I n.e= Với n là số êlectron bứt ra khỏi catốt trong mỗi giây. + Khi tăng cường độ ánh sáng chiếu vào catôt thì bh I cũng tăng. 3. Các định luật quang điện a) Định luật quang điện thứ nhất (hay định luật về giới hạn quang điện) Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi ánh sáng kích thích chiếu vào kim loại có bước sóng nhỏ hơn hoặc bằng bước sóng o λ , o λ được gọi là giới hạn quang điện của kim loại đó: o λ ≤ λ b) Định luật quang điện thứ hai (hay định luật về cường độ dòng quang điện bão hoà) Đối với mỗi ánh sáng thích hợp (có o λ ≤ λ ), cường độ dòng quang điện bão hoà tỉ lệ thuận với cường độ của chùm sáng kích thích. c) Định luật quang điện thứ ba (hay định luật về động năng cực đại của quang êlectron) Động năng ban đầu cực đại của quang êlectron không phụ thuộc cường độ của chùm sáng kích thích, mà chỉ phụ thuộc bước sóng ánh sáng kích thích và bản chất của kim loại. d) Giới hạn quang điện của một số kim loại: Vật lý 12 nâng cao Trang 1 Trường THPT Nguyễn Đáng Giáo viên Huỳnh Thế Xương II/. Thuyết lượng tử ánh sáng 1. Thuyết lượng tử ánh sáng a) Giả thuyết lượng tử năng lượng của Plăng (1900) Lượng năng lượng mà mỗi lần một nguyên tử hay phân tử hấp thụ hay phát xạ có giá trị hoàn toàn xác định, gọi là lượng tử năng lượng. Lượng tử năng lượng kí hiệu là ε, có giá trị: hf ε = .Trong đó f là tần số của ánh sáng bị hấp thụ hay phát ra; h là một hằng số gọi là hằng số Plăng, 34 h 6,625.10 J.s − = b) Thuyết lượng tử ánh sáng (thuyết phôtôn) của Anh-xtanh (1905) 1. Chùm ánh sáng là một chùm các phôtôn (các lượng tử ánh sáng). Mỗi phôtôn có năng lượng xác định ε = hf (f là tần số của sóng ánh sáng đơn sắc tương ứng). Cường độ của chùm sáng tỉ lệ với số phôtôn phát ra trong một giây. 2. Phân tử, nguyên tử, êlectron… phát xạ hay hấp thụ ánh sáng, cũng có nghĩa là chúng phát xạ hay hấp thụ phôtôn. 3. Các phôtôn bay dọc theo tia sáng với tốc độ 8 c 3.10 m / s= trong chân không. 2. Giải thích các định luật quang điện a) Công thức Anh-xtanh về hiện tượng quang điện đomax A Wε = + 2 omax 1 hf A mv 2 = + Hay: 2 omax c 1 h A mv 2 = + λ Trong đó A được gọi là công thoát, phụ thuộc vào kim loại. λ bước sóng của ánh sáng kích thích. + Đơn vị của ε, ðomax W và A là jun (J) . Ngoài ra còn dùng đơn vị là êlectron-vôn (eV) 19 1eV 1,6.10 J − = b) Giải thích các định luật quang điện + Giải thích định luật quang điện thứ nhất Theo công thức Anh-xtanh, để hiện tượng quang điện xảy ta thì: hf A≥ Hay: c hc h A A ≥ ⇒ λ ≤ λ Đặt: o hc A λ = Vậy o λ ≤ λ . Bước sóng o λ chính là giới hạn quang điện của kim loại. + Giải thích định luật quang điện thứ hai Ta biết rằng cường độ dòng quang điện bảo hòa tỉ lệ thuận với số quang êlectron bật ra khỏi catốt trong một đơn vị thời gian. Với các chùm sáng có khả năng gây ra hiện tượng quang điện, thì số quang êlectron bị bật ra khỏi mặt catốt trong một đơn vị thời gian lại tỉ lệ thuận với số phôtôn đến đập vào mặt catốt trong thời gian đó. Số phôtôn này tỉ lệ với cường độ của chùm sáng tới. Từ đó suy ra, cường độ của dòng quang điện bão hoà tỉ lệ thuận với cường độ của chùm sáng chiếu vào catôt. + Giải thích định luật quang điện thứ ba Từ công thức Anh-xtanh suy ra đomax c W h A= − λ Vậy, đomax W chỉ phụ thuộc vào λ và A mà không phụ thuộc vào cường độ của chùm sáng kích thích. 3. Lưỡng tính sóng – hạt của ánh sáng Ánh sáng vừa có tính chất sóng, vừa có tính chất hạt. Ta nói rằng ánh sáng có lưỡng tính sóng - hạt. + Với ánh sáng có bước sóng càng ngắn, phôtôn ứng với chúng có năng lượng càng lớn thì tính chất hạt thể hiện càng rõ (hiện tượng quang điện, khả năng đâm xuyên, tác dụng phát quang…), còn tính chất sóng càng mờ nhạt. Vật lý 12 nâng cao Trang 2 Chất ( ) o mλ µ Chất ( ) o mλ µ Chất ( ) o mλ µ Chất ( ) o mλ µ Bạc 0,260 Kẽm 0,350 Natri 0,500 Xesi 0,660 Đồng 0,300 Nhôm 0,360 Kali 0,550 Canxi 0,750 Trường THPT Nguyễn Đáng Giáo viên Huỳnh Thế Xương + Với ánh sáng có bước sóng càng dài, phôtôn ứng với chúng có năng lượng càng nhỏ thì tính chất sóng thể hiện càng rõ (hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ, tán sắc,…), còn tính chất hạt càng mờ nhạt. III/. Hiện tượng quang điện trong. Quang điện trở và pin quang điện 1. Hiện tượng quang điện trong a) Hiện tượng quang điện trong Hiện tượng tạo thành các êlectron dẫn và lỗ trống trong bán dẫn, do tác dụng của ánh sáng có bước sóng thích hợp, gọi là hiện tượng quang điện trong. + Để gây ra được hiện tượng quang điện trong thì ánh sáng kích thích phải có bước sóng nhỏ hơn hoặc bằng giới hạn quang điện của bán dẫn ( o λ ≤ λ ). + Giới hạn quang điện của một số chất bán dẫn: Chất ( ) o mλ µ Chất ( ) o mλ µ Ge 1,88 CdS 0,90 Si 1,11 PbSe 5,65 PbS 4,14 PbTe 4,97 b) Hiện tượng quang dẫn Hiện tượng giảm điện trở suất, tức là tăng độ dẫn điện của bán dẫn, khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào gọi là hiện tượng quang dẫn. + Cường độ ánh sáng có bước sóng thích hợp chiếu vào bán dẫn càng mạnh thì điện trở suất của nó càng nhỏ. 2. Quang điện trở Quang điện trở được chế tạo dựa trên hiệu ứng quang điện trong. Đó là một tấm bán dẫn có giá trị điện trở thay đổi khi cường độ chùm sáng chiếu vào nó thay đổi. 3. Pin quang điện Pin quang điện là nguồn điện, trong đó quang năng được biến đổi trực tiếp thành điện năng. Hoạt động của pin dựa trên hiện tượng quang điện trong của một số chất bán dẫn như đồng ôxit, sêlen, silic,… Suất điện động của pin quang điện thường có giá trị từ 0,5 V đến 0,8 V. IV/. Mẫu nguyên tử Bo. Quang phổ vạch của nguyên tử hiđrô 1. Mẫu nguyên tử Bo Nhà vật lý Bo đã bổ sung vào mẫu hành tinh nguyên tử của Rơ-dơ-pho hai tiên đề gọi là hai tiên đề Bo. a) Tiên đề về trạng thái dừng Nguyên tử chỉ tồn tại trong một số trạng thái có năng lượng xác định n E , gọi là các trạng thái dừng. Khi ở trạng thái dừng, nguyên tử không bức xạ. * Hệ quả: Trong các trạng thái dừng của nguyên tử, êlectron chuyển động quanh hạt nhân trên các quỹ đạo có bán kính hoàn toàn xác định, gọi là các quỹ đạo dừng. Bán kính của quỹ đạo dừng trong nguyên tử hiđrô được tính bởi: 2 n o r n r= (n =1 ,2, 3,…) và 11 o r 5,3.10 m − = gọi là bán kính Bo. Vật lý 12 nâng cao Trang 3 n 1 2 3 4 5 6… Tên K L M N O P… n r o r o 4r o 9r 16 o r 25 o r 36 o r Trường THPT Nguyễn Đáng Giáo viên Huỳnh Thế Xương b) 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 n E sang trạng thái dừng có năng lượng m E nhỏ hơn thì nguyên tử phát ra một phôtôn có năng lượng đúng bằng hiệu n m E E− . n m E E hf− = (h là hằng số Plăng ; n, m là những số nguyên). + Ngược lại, nếu nguyên tử đang ở trạng thái dừng có năng lượng m E mà hấp thụ được một phôtôn có năng lượng hf đúng bằng hiệu n m E E− thì nó chuyển sang trạng thái dừng có năng lượng n E lớn hơn. 2. Quang phổ vạch của nguyên tử hiđrô a) Các dãy vạch quang phổ của nguyên tử hiđrô Các vạch quang phổ phát xạ của nguyên tử hiđrô sắp xếp thành các dãy khác nhau: + Dãy Lai-man nằm trong miền tử ngoại. + Dãy Ban-me có một phần nằm trong miền tử ngoại và một phần nằm trong miền ánh sáng nhìn thấy. Trong miền ánh sáng nhìn thấy có bốn vạch: vạch đỏ ( ) H 0,6563 m α α λ = µ , vạch lam ( ) H 0,4861 m β β λ = µ , vạch chàm ( ) H 0,4340 m γ γ λ = µ và vạch tím ( ) H 0,4120 m δ δ λ = µ . + Dãy Pa-sen nằm trong miền hồng ngoại. b) Giải thích cấu trúc quang phổ vạch của nguyên tử hiđrô Bình thường nguyên tử hiđrô ở trạng thái cơ bản, có năng lượng thấp nhất. Khi nhận năng lượng kích thích, nguyên tử chuyển lên trạng thái có năng lượng cao hơn, ứng với sự chuyển của êlectrôn từ quỹ đạo k ra các quỹ đạo dừng ở phía ngoài. Khi chuyển về trạng thái cơ bản, các nguyên tử hiđrô sẽ phát ra các phôtôn có tần số khác nhau. Vì vậy quang phổ của nguyên tử hiđrô là quang phổ vạch. + Dãy lai-man được tạo thành khi êlectrôn chuyển từ quỹ đạo dừng bên ngoài về quỹ đạo K. + Dãy Ban-me được tạo thành khi êlectrôn chuyển từ quỹ đạo dừng bên ngoài về quỹ đạo L. M L→ vạch đỏ H α . N L→ vạch lam H β . O L→ vạch chàm H γ . P L→ vạch tím H δ . + Dãy Pa-sen được tạo thành khi êlectrôn chuyển từ quỹ đạo dừng bên ngoài về quỹ đạo M. c) Sơ đồ chuyển mức năng lượng của nguyên tử hiđrô (Hình 47.4) V/. Hấp thụ và phản xạ lọc lựa ánh sáng. Màu sắc các vật 1. Hấp thụ ánh sáng Hấp thụ ánh sáng là hiện tượng môi trường vật chất làm giảm cường độ của chùm sáng truyền qua nó. a) Định luật về sự hấp thụ ánh sáng Cường độ I của chùm sáng đơn sắc khi truyền qua môi trường hấp thụ, giảm theo định luật hàm mũ của độ dài d của đường đi tia sáng: d o I I e −α = Với o I là cường độ của chùm sáng tới môi trường, α được gọi là hệ số hấp thụ của môi trường. + Đơn vị của cường độ sáng là oát trên mét vuông (W/m 2 ). b) Hấp thụ lọc lựa Các ánh sáng có bước sóng khác nhau thì bị môi trường hấp thụ nhiều, ít khác nhau. Nói cách khác, sự hấp thụ ánh sáng của môi trường có tính chọn lọc, hệ số hấp thụ của môi trường phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng. + Những vật không hấp thụ ánh sáng trong miền nhìn thấy gọi là vật trong suốt không màu. + Những vật hấp thụ lọc lựa ánh sáng trong miền nhìn thấy thì gọi là vật trong suốt có màu. + Những vật hấp thụ hoàn toàn mọi ánh sáng nhìn thấy thì có màu đen. 2. Phản xạ (hoặc tán xạ) lọc lựa. Màu sắc các vật + Ở một số vật, khả năng phản xạ (hoặc tán xạ) ánh sáng mạnh, yếu khác nhau phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng tới. Đó là sự phản xạ (hoặc tán xạ) lọc lựa. + Khi chiếu ánh sáng trắng vào một vật, thì do vật có khả năng phản xạ (hoặc tán xạ) lọc lựa, nên ánh sáng phản xạ (hoặc tán xạ) là ánh sáng màu. Vật lý 12 nâng cao Trang 4 Trường THPT Nguyễn Đáng Giáo viên Huỳnh Thế Xương + Các vật thể khác nhau có màu sắc khác nhau là do chúng cấu tạo từ những vật liệu khác nhau. Ngoài ra màu sắc các vật còn phụ thuộc màu sắc của ánh sáng rọi vào nó. VI/. Sự phát quang. Sơ lược về laze 1. Hiện tượng phát quang a) Sự phát quang Hiện tượng rất phổ biến thường thấy ở một số chất (rắn, lỏng hoặc khí) 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, gọi là sự phát quang. Sự phát quang có hai đặc điểm quan trọng: + Bức xạ phát quang là bức xạ riêng của vật: mỗi chất phát quang có một quang phổ đặc trưng cho nó. + Sau khi ngừng kích thích, sự phát quang của một số chất còn tiếp tục kéo dài thêm một khoảng thời gian nào đó, rồi mới ngừng hẳn. Khoảng thời gian đó gọi là thời gian phát quang. Tuỳ theo chất mà thời gian đó có thể kéo dài từ 10 10 s − đến vài ngày. b) Các dạng quang phát quang: lân quang và huỳnh quang Hiện tượng một số chất có khả năng hấp thụ ánh sáng kích thích có bước sóng này để phát ra ánh sáng có bước sóng khác gọi là hiện tượng quang phát quang. Có hai loại quang phát quang: huỳnh quang và lân quang. + Huỳnh quang là sự phát quang có thời gian phát quang ngắn, dưới 8 10 s − . Nghĩa là ánh sáng phát quang hầu như tắt ngay sau khi tắt ánh sáng kích thích. Nó thường xảy ra với chất lỏng và chất khí. + Lân quang là sự phát quang có thời gian phát quang dài, từ 8 10 s − trở lên. Nó thường xảy ra với chất rắn, gọi là chất lân quang. c) Định luật Xtốc về sự phát quang Ánh sáng phát quang có bước sóng λ’ dài hơn bước sóng của ánh sáng kích thích λ: λ’ > λ. d) Ứng dụng + Sử dụng trong đèn ống. + Trong màn hình của dao động kí điện tử, tivi, máy tính,… + Sử dụng sơn phát quang quét trên các biển báo giao thông. 2. Sơ lược về laze (LASER: sự khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cảm ứng) a) Laze là một nguồn sáng phát ra chùm sáng song song, kết hợp, có tính đơn sắc cao và có cường độ lớn. Nguyên tắc phát quang của laze dựa trên việc ứng dụng hiện tượng phát xạ cảm ứng. b) Các loại laze + Laze hồng ngọc (rubi) được chế tạo đầu tiên. + Laze thuỷ tinh pha nêođim. + laze khí (như laze He - Ne, 2 CO , Ar, 2 N ,…) + Laze bán dẫn được dùng phổ biến hiện nay. c) Một số ứng dụng của laze + Tia laze có ưu thế đặc biệt trong thông tin liên lạc vô tuyến (như truyền thông tin bằng cáp quang, vô tuyến định vị, điều khiển con tàu vũ trụ,…). + Tia laze được dùng như dao mổ trong phẩu thuật mắt, dùng để chữa một số bệnh ngoài da,… + Tia laze được dùng trong các đầu đọc đĩa CD, bút trỏ bảng,… + Tia laze còn được dùng để khoan, cắt, tôi,…chính xác các vật liệu trong công nghiệp. Vật lý 12 nâng cao Trang 5 . Nguyễn Đáng Lớp 12 Họ và Tên: HỆ THỐNG HÓA KIẾN THỨC VẬT LÝ 12 NÂNG CAO Chương 7 LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG I/. Hiện tượng quang điện ngoài. Các định luật quang. sáng, cũng có nghĩa là chúng phát xạ hay hấp thụ phôtôn. 3. Các phôtôn bay dọc theo tia sáng với tốc độ 8 c 3.10 m / s= trong chân không. 2. Giải thích các