A. TểM TẮT Lí THUYẾT
1. Hiện tượng quang điện - Thuyết lượng tử ỏnh sỏng. * Hiện tượng quang điện
Hiện tượng ỏnh sỏng làm bật cỏc electron ra khỏi mặt kim loại gọi là hiện tượng quang điện ngoài (gọi tắt là hiện tượng quang điện). Cỏc electron bị bật ra gọi là cỏc quang electron hay là cỏc electron quang điện.
* Định luật về giới hạn quang điện
Đối với mỗi kim loại ỏnh sỏng kớch thớch phải cú bước súng ngắn hơn hay bằng giới hạn quang điện 0
của kim loại đú, mới gõy ra được hiện tượng quang điện: 0.
43 cũn giới hạn quang điện của phần lớn cỏc loại kim loại thụng thường như bạc, đồng, kẻm, nhụm, … thỡ nằm trong vựng bức xạ tử ngoại.
* Thuyết lượng tử ỏnh sỏng
+ Chựm ỏnh sỏng là một chựm cỏc phụtụn (cỏc lượng tử ỏnh sỏng). Mỗi phụtụn cú năng lượng xỏc định =
hf (f là tần số của súng ỏnh sỏng đơn sắc tương ứng). Cường độ của chựm sỏng tỉ lệ với số phụtụn phỏt ra trong 1 giõy.
+ Phõn tử, nguyờn tử, electron, … phỏt xạ hay hấp thụ ỏnh sỏng, cũng cú nghĩa là chỳng phỏt xạ hay hấp thụ phụtụn.
+ Cỏc phụtụn bay dọc theo tia sỏng với tốc độ c = 3.108 m/s trong chõn khụng.
Năng lượng của mỗi phụtụn rất nhỏ. Một chựm sỏng dự yếu cũng chứa rất nhiều phụtụn do rất nhiều nguyờn tử, phõn tử phỏt ra. Vỡ vậy ta nhỡn thấy chựm sỏng liờn tục.
Phụtụn chỉ tồn tại trong trạng thỏi chuyển động. Khụng cú phụtụn đứng yờn.
Năng lượng của phụtụn càng lớn khi bước súng của ỏnh sỏng ứng với phụtụn đú càng ngắn (tần số của ỏnh sỏng ứng với phụtụn đú càng lớn).
* Giải thớch định luật về giới hạn quang điện
Cụng thức Anhxtanh về hiện tượng quang điện: hf = hc = A + 2 1 mv20max.
Để cú hiện tượng quang điện thỡ năng lượng của phụtụn phải lớn hơn hoặc bằng cụng thoỏt: hf = hc A = 0 hc 0; với 0 = A hc
là giới hạn quang điện của kim loại.
Khi hiện tượng quang điện đó xảy ra nếu giử nguyờn bước súng của chựm sỏng kớch thớch và tăng cường độ của chựm sỏng thỡ số electron bứt khỏi bề mặt tấm kim loại trong một đơn vị thời gian sẽ tăng.
* Lưỡng tớnh súng - hạt của ỏnh sỏng
Ánh sỏng vừa cú tớnh chất súng, vừa cú tớnh chất hạt. Ta núi ỏnh sỏng cú lưỡng tớnh súng - hạt.
Trong mỗi hiện tượng quang học, ỏnh sỏng thường thể hiện rỏ một trong hai tớnh chất trờn. Khi tớnh chất súng thể hiện rỏ thỡ tớnh chất hạt lại mờ nhạt, và ngược lại.
Súng điện từ cú bước súng càng ngắn, phụtụn ứng với nú cú năng lượng càng lớn thỡ tớnh chất hạt thể hiện càng rỏ, như ở hiện tượng quang điện, ở khả năng đõm xuyờn, khả năng phỏt quang…, cũn tớnh chất súng thỡ mờ nhạt. Trỏi lại súng điện từ cú bước súng càng dài, phụtụn ứng với nú cú năng lượng càng nhỏ, thỡ tớnh chất súng thể hiện rỏ như ở hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ, tỏn sắc, …, cũn tớnh chất hạt thỡ mờ nhạt.
2. Hiện tượng quang điện trong. * Chất quang dẫn
Chất quang dẫn là những chất bỏn dẫn, dẫn điện kộm khi khụng bị chiếu sỏng và dẫn điện tốt khi bị chiếu ỏnh sỏng thớch hợp.
* Hiện tượng quang điện trong
Hiện tượng ỏnh sỏng giải phúng cỏc electron liờn kết để cho chỳng trở thành cỏc electron dẫn đồng thời tạo ra cỏc lỗ trống cựng tham gia vào quỏ trỡnh dẫn điện, gọi là hiện tượng quang điện trong.
Giới hạn quang điện trong của nhiều chất bỏn dẫn (như Ge, Si, …) nằm trong vựng bức xạ hồng ngoại.
* Quang điện trở
Quang điện trở được chế tạo dựa trờn hiệu ứng quang điện trong. Đú là một tấm bỏn dẫn cú giỏ trị điện trở thay đổi khi cường độ chựm ỏnh sỏng chiếu vào nú thay đổi.
* Pin quang điện
Pin quang điện là nguồn điện trong đú quang năng được biến đổi trực tiếp thành điện năng. Hoạt động của pin dựa trờn hiện tượng quang điện bờn trong của một số chất bỏn dẫn như đồng ụxit, sờlen, silic, … . Suất điện động của pin thường cú giỏ trị từ 0,5 V đến 0,8 V
Pin quang điện (pin mặt trời) đó trở thành nguồn cung cấp điện cho cỏc vựng sõu vựng xa, trờn cỏc vệ tinh nhõn tạo, con tàu vũ trụ, trong cỏc mỏy đo ỏnh sỏng, mỏy tớnh bỏ tỳi. …
44
* Sự phỏt quang
+ Cú một số chất khi hấp thụ năng lượng dưới một dạng nào đú, thỡ cú khả năng phỏt ra cỏc bức xạ điện từ trong miền ỏnh sỏng nhỡn thấy. Cỏc hiện tượng đú gọi là sự phỏt quang.
+ Mỗi chất phỏt quang cú một quang phổ đặc trưng cho nú.
+ Sau khi ngừng kớch thớch, sự phỏt quang của một số chất cũn tiếp tục kộo dài thờm một thời gian nào đú, rồi mới ngừng hẵn. Khoảng thời gian từ lỳc ngừng kớch thớch cho đến lỳc ngừng phỏt quang gọi là thời gian phỏt quang.
* Huỳnh quang và lõn quang
+ Sự huỳnh quang là sự phỏt quang cú thời gian phỏt quang ngắn (dưới 10-8 s), nghĩa là ỏnh sỏng phỏt quang
hầu như tắt ngay sau khi tắt ỏnh sỏng kớch thớch. Nú thường xảy ra với chất lỏng và chất khớ.
+ Sự lõn quang là sự phỏt quang cú thời gian phỏt quang dài (từ 10-8 s trở lờn); thường xảy ra với chất rắn. Cỏc chất rắn phỏt lõn quang gọi là chất lõn quang.
* Đặc điểm của ỏnh sỏng huỳnh quang
Ánh sỏng huỳnh quang cú bước súng dài hơn bước súng của ỏnh sỏng kớch thớch: hq > kt.
Giải thớch: Mỗi nguyờn tử hay phõn tử của chất huỳnh quang hấp thụ hoàn toàn một phụtụn của ỏnh sỏng kớch thớch cú năng lượng hfkt để chuyển sang trạng thỏi kớch thớch. Khi ở trong trạng thỏi kớch thớch, nguyờn tử hay phõn tử cú thể va chạm với cỏc nguyờn tử hay phõn tử khỏc và bị mất một phần năng lượng. Khi trở
về trạng thỏi bỡnh thường nú sẽ phỏt ra một phụtụn cú năng lượng hfhq nhỏ hơn năng lượng hfkt của phụtụn
mà nú đó hấp thụ.
* Ứng dụng của hiện tượng phỏt quang
Sử dụng trong cỏc đốn ống để thắp sỏng, trong cỏc màn hỡnh của dao động kớ điện tử, tivi, mỏy tớnh. Sử dụng sơn phỏt quang quột trờn cỏc biển bỏo giao thụng.
4. Mẫu nguyờn tử Bo. * Mẫu nguyờn tử của Bo
Tiờn đề về trạng thỏi dừng
Nguyờn tử chỉ tồn tại trong một số trạng thỏi cú năng lượng xỏc định En, gọi là cỏc trạng thỏi dừng. Khi ở trạng thỏi dừng, nguyờn tử khụng bức xạ.
Trong cỏc trạng thỏi dừng của nguyờn tử, electron chuyển động trờn cỏc quỹ đạo cú bỏn kớnh rn xỏc định:
rn = n2r0; với n N* và r0 = 5,3.10-11 m, gọi là bỏn kớnh Bo.
Bỡnh thường, nguyờn tử ở trạng thỏi dừng cú năng lượng thấp nhất gọi là trạng thỏi cơ bản. Khi hấp thụ năng lượng thỡ nguyờn tử chuyển lờn trạng thỏi dừng cú năng lượng cao hơn, gọi là trạng thỏi kớch thớch. Thời gian nguyờn tử ở trạng thỏi kớch thớch rất ngắn (cỡ 10-8 s). Sau đú nguyờn tử chuyển về trạng thỏi dừng cú năng lượng thấp hơn và cuối cựng về trạng thỏi cơ bản.
Tiờn đề về sự bức xạ và hấp thụ năng lượng của nguyờn tử
Khi nguyờn tử chuyển từ trạng thỏi dừng cú năng lượng En sang trạng thỏi dừng cú năng lượng Em < En thỡ nguyờn tử phỏt ra một phụtụn cú năng lượng: = hfnm = En – Em.
Ngược lại, nếu nguyờn tử ở trạng thỏi dừng cú năng lượng Em mà hấp thụ được một phụtụn cú năng lượng
hf đỳng bằng hiệu En – Em thỡ nú chuyển sang trạng thỏi dừng cú năng lượng En lớn hơn.
Sự chuyển từ trạng thỏi dừng Em sang trạng thỏi dừng En ứng với sự nhảy của electron từ quỹ đạo dừng cú
bỏn kớnh rm sang quỹ đạo dừng cú bỏn kớnh rn và ngược lại.
Tiờn đề này cho thấy: Nếu một chất hấp thụ được ỏnh sỏng cú bước súng nào thỡ nú cũng cú thể phỏt ra ỏnh sỏng cú bước súng ấy.
* Quang phổ phỏt xạ và hấp thụ của nguyờn tử hidrụ
+ Nguyờn tử hiđrụ cú cỏc trạng thỏi dừng khỏc nhau EK, EL, EM, ... . Khi đú electron chuyển động trờn cỏc quỹ đạo dừng K, L, M, ...
+ Khi electron chuyển từ mức năng lượng cao (Ecao) xuống mức năng lượng thấp hơn (Ethấp) thỡ nú phỏt ra
một phụtụn cú năng lượng hoàn toàn xỏc định: hf = Ecao – Ethấp.
Mỗi phụtụn cú tần số f ứng với một súng ỏnh sỏng đơn sắc cú bước súng =
f c
, tức là một vạch quang phổ cú một màu (hay một vị trớ) nhất định. Điều đú lớ giải tại sao quang phổ phỏt xạ của nguyờn tử hiđrụ là quang phổ vạch.
Ngược lại nếu một nguyờn tử hiđrụ đang ở một mức năng lượng Ethấp nào đú mà nằm trong một chựm ỏnh
45
thụ một phụtụn cú năng lượng phự hợp = Ecao – Ethấp để chuyển lờn mức năng lượng Ecao. Như vậy, một
súng ỏnh sỏng đơn sắc đó bị hấp thụ, làm cho trờn quang phổ liờn tục xuất hiện một vạch tối. Do đú quang phổ hấp thụ của nguyờn tử hiđrụ cũng là quang phổ vạch.
5. Sơ lược về laze.
Laze là một nguồn sỏng phỏt ra một chựm sỏng cường độ lớn dựa trờn việc ứng dụng hiện tượng phỏt xạ cảm ứng.
* Đặc điểm của laze
+ Laze cú tớnh đơn sắc rất cao. Độ sai lệch tương đối
f f
của tần số của ỏnh sỏng laze cú thể chỉ bằng 10-15.
+ Tia laze là chựm sỏng kết hợp (cỏc phụtụn trong chựm cú cựng tần số và cựng pha). + Tia laze là chựm sỏng song song (cú tớnh định hướng cao).
+ Tia laze cú cường độ lớn. Chẵng hạn laze rubi (hồng ngọc) cú cường độ tới 106 W/cm2.
Như vậy, laze là một nguồn sỏng phỏt ra chựm sỏng song song, kết hợp, cú tớnh đơn sắc cao và cú cường độ lớn (trờn 106 W/cm2).
* Một số ứng dụng của laze
+ Tia laze cú ưu thế đặc biệt trong thụng tin liờn lạc vụ tuyến (truyền thụng thụng tin bằng cỏp quang, vụ tuyến định vị, điều khiển con tàu vũ trụ, ...)
+ Tia laze được dựng như dao mổ trong phẩu thuật mắt, dựng để chữa một số bệnh ngoài da (nhờ tỏc dụng nhiệt), ...
+ Tia laze được dựng trong cỏc đầu đọc đĩa CD, bỳt chỉ bảng, chỉ bản đồ, dựng trong cỏc thớ nghiệm quang học ở trường phổ thụng, ...
+ Ngoài ra tia laze cũn được dựng để khoan, cắt, tụi, ... chớnh xỏc cỏc vật liệu trong cụng nghiệp.
B. Cỏc cụng thức tớnh nhanh
1. Năng lượng một lượng tử ỏnh sỏng (hạt phụtụn) 2 hc hf mc e l = = = Trong đú h = 6,625.10-34 Js là hằng số Plăng. c = 3.108m/s là vận tốc ỏnh sỏng trong chõn khụng. f, là tần số, bước súng của ỏnh sỏng (của bức xạ). m là khối lượng của phụtụn
2. Tia Rơnghen (tia X)
Bước súng nhỏ nhất của tia Rơnghen
đ Min hc E l = Trong đú 2 2 0 đ 2 2 mv mv
E = = e U+ là động năng của electron khi đập vào đối catốt (đối õm cực)
U là hiệu điện thế giữa anốt và catốt v là vận tốc electron khi đập vào đối catốt
v0 là vận tốc của electron khi rời catốt (thường v0 = 0) m = 9,1.10-31 kg là khối lượng electron
3. Hiện tượng quang điện *Cụng thức Anhxtanh 2 0 ax 2 M mv hc hf A e l = = = + Trong đú 0 hc A l
= là cụng thoỏt của kim loại dựng làm catốt
0 là giới hạn quang điện của kim loại dựng làm catốt
v0Max là vận tốc ban đầu của electron quang điện khi thoỏt khỏi catốt f, là tần số, bước súng của ỏnh sỏng kớch thớch
46 2 0 ax 2 M h mv eU =
Lưu ý: Trong một số bài toỏn người ta lấy Uh > 0 thỡ đú là độ lớn.
* Xột vật cụ lập về điện, cú điện thế cực đại VMax và khoảng cỏch cực đại dMax mà electron chuyển động trong điện trường cản cú cường độ E được tớnh theo cụng thức:
2ax 0 ax ax ax 0 ax ax 1 2 M M M e V = mv = e Ed
* Với U là hiệu điện thế giữa anốt và catốt, vA là vận tốc cực đại của electron khi đập vào anốt, vK = v0Max là vận tốc ban đầu cực đại của electron khi rời catốt thỡ:
2 2
1 1
2 A 2 K
e U= mv - mv
* Hiệu suất lượng tử (hiệu suất quang điện)
0
n H
n
=
Với n và n0 là số electron quang điện bứt khỏi catốt và số phụtụn đập vào catốt trong cựng một khoảng thời gian t.
Cụng suất của nguồn bức xạ: n0 n hf0 n hc0
p
t t t
e
l
= = =
Cường độ dũng quang điện bóo hoà: Ibh q n e
t t = = bh bh bh I I hf I hc H p e p e p e e l ị = = =
* Bỏn kớnh quỹ đạo của electron khi chuyển động với vận tốc v trong từ trường đều B
=
| | , = ,⃗ ⃗
Xột electron vừa rời khỏi catốt thỡ v = v0Max
Khi v B sin 1 R mv
e B a
^ ị = ị =
r ur
Lưu ý: Hiện tượng quang điện xảy ra khi được chiếu đồng thời nhiều bức xạ thỡ khi tớnh cỏc đại lượng: Vận tốc ban đầu cực đại v0Max, hiệu điện thế hóm Uh, điện thế cực đại VMax, … đều được tớnh ứng với bức xạ cú
Min (hoặc fMax)
4. Tiờn đề Bo - Quang phổ nguyờn tử Hiđrụ * Tiờn đề Bo mn m n mn hc hf E E e l = = = -
* Bỏn kớnh quỹ đạo dừng thứ n của electron trong nguyờn tử hiđrụ:
rn = n2r0
Với r0 =5,3.10-11m là bỏn kớnh Bo (ở quỹ đạo K) * Năng lượng electron trong nguyờn tử hiđrụ:
213, 6 13, 6 ( ) n E eV n = - Với n N*.
* Sơ đồ mức năng lượng
- Dóy Laiman: Nằm trong vựng tử ngoại
Ứng với e chuyển từ quỹ đạo bờn ngoài về quỹ đạo K
Lưu ý: Vạch dài nhất LK khi e chuyển từ L K Vạch ngắn nhất K khi e chuyển từ K. hfmn hfmn nhận phụtụn Em phỏt phụtụn En Em > En Laiman K M N O L P Banme Pasen H H H H n=1 n=2 n=3 n=4 n=5 n=6
47 - Dóy Banme: Một phần nằm trong vựng tử ngoại, một phần nằm trong vựng ỏnh sỏng nhỡn thấy
Ứng với e chuyển từ quỹ đạo bờn ngoài về quỹ đạo L Vựng ỏnh sỏng nhỡn thấy cú 4 vạch: Vạch đỏ H ứng với e: M L Vạch lam H ứng với e: N L Vạch chàm H ứng với e: O L Vạch tớm H ứng với e: P L Lưu ý: Vạch dài nhất ML (Vạch đỏ H) Vạch ngắn nhất L khi e chuyển từ L. - Dóy Pasen: Nằm trong vựng hồng ngoại
Ứng với e chuyển từ quỹ đạo bờn ngoài về quỹ đạo M
Lưu ý: Vạch dài nhất NM khi e chuyển từ N M. Vạch ngắn nhất M khi e chuyển từ M.
Mối liờn hệ giữa cỏc bước súng và tần số của cỏc vạch quang phổ của nguyờn từ hiđrụ:
13 12 23
1 1 1
và f13 = f12 +f23 (như cộng vộctơ)