Phân tích nội dung, mục tiêu dạyhọc chƣơng “Lƣợng tửánh sáng”

8. Cấu trúc của luậnvăn

2.1. Phân tích nội dung, mục tiêu dạyhọc chƣơng “Lƣợng tửánh sáng”

PHÁT TRIỂN NĂNG LỰC VẬN DỤNG KIẾN THỨC CHO HỌC SINH

2.1. Phân tích nội dung, mục tiêu dạy học chƣơng “Lƣợng tử ánh sáng” (vật lí 12) (vật lí 12)

2.1.1. Vị trí, đặc điểm chương “Lượng tử ánh sáng” trong chương trình vật lý lớp 12

Chƣơng “Lƣợng tử ánh sáng” là chƣơng VI củ a chƣơng trình chuẩn vâ ̣t lý lớp 12, sau khi học sinh đã thấy đƣợc tính chất sóng của ánh sáng qua kiến thức đƣợc học ở chƣơng V. Trong chƣong “Lƣợng tử ánh sáng” học sinh đƣợc nghiên cứu các hiện tƣợng không thể giải thích đƣợc bằng tính chất sóng của ánh sáng những hiện tƣợng này chỉ có thể giải thích đƣợc bằng một thuyết mới: “Thuyết lƣợng tử”.

Chƣơng “Lƣợng tử ánh sáng” trang bi ̣ các khái niê ̣m nền tảng làm cơ sở nghiên cứu sự hiểu biết về ánh sáng nói riêng và thế giới vi mô nói chung thêm sâu sắc. Sự sắp xếp này có tính kế thừa, phù hợp với lôgíc nội dung của chƣơng trình. Do đó, chƣơng “Lƣợng tử ánh sáng” có vi ̣ trí quan tro ̣ng trong chƣơng trình vật lý lớp 12 nói riêng và vật lý phổ thông nói chung.

Phân bố thời lƣợng da ̣y ho ̣c chƣơng này có 7 tiết, trong đó có 5 tiết xây dựng kiến thức mới, 2 tiết bài tâ ̣p. Cụ thể:

Hiện tƣợng quang điện. Thuyết lƣợng tử ánh sáng Hiện tƣợng quang điện trong

Hiện tƣợng quang điện - phát quang Mẫu nguyên tử Bo

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/31 Trong bài mở đầu của chƣơng thông qua thí nghiệm của Hecxơ học sinh đã biết đƣợc hiện tƣợng quang điện và khái niệm " Electron quang điện".

Nhƣ vậy, đến đây SGK đã bƣớc đầu làm cho học sinh ý thức đƣợc về Lƣợng tử ánh sáng. Học sinh đã bắt đầu đặt vấn đề việc tạo sao ánh sáng có thể gây ra các hiện tƣợng quang điện. Từ đó làm cơ sở dẫn dắt học sinh đến phần tiếp theo trong đó có vấn đề hoàn toàn mới mẻ và có tính quyết định quan trọng cho việc giải thích các hiện tƣợng mà không thể giải thích đƣợc bằng tính chất sóng ánh sáng, đó là thuyết lƣợng tử.

Sau khi học sinh biết hiện tƣợng quang điện và từ thí nghiệm với tế bào quang điện cùng những kết luận đƣợc rút ra từ thí nghiệm SGK đã giới thiệu cho học sinh định luật quang điện 1 có tác dụng khẳng định và hoàn thiện hơn những kết luận trên. Với định luật quang điện 1 mà SGK đƣa ra thì chúng hoàn toàn mâu thuẫn với tính chất sóng của ánh sáng - sự mâu thuẫn này đƣợc SGK chỉ rõ.

Cuối cùng, để giải quyết đƣợc mâu thuẫn đó học sinh đƣợc làm quen với thuyết lƣợng tử qua nội dung thuyết lƣợng tử học sinh biết đƣợc "những nguyên tử hay phân tử vật chất không hấp thụ hay bức xạ ánh sáng liên tục, mà thành từng phần riêng biệt đứt quãng. Mỗi phần đó mang một năng lƣợng hoàn toàn xác định, có độ lớn là:  = hƒ. Mỗi phần đó gọi là một lƣợng tử ánh sáng. Ðến đây điều đã đƣợc làm sáng tỏ là:dù một chùm ánh sáng yếu cũng chứa một số rất lớn lƣợng tử ánh sáng khi ánh sáng truyền đi các lƣợng tử ánh sáng không bị thay đổi không phụ thuộc vào khoảng cách tới nguồn sáng.

Ðể giải thích các định luật quang điện SGK nêu sự vận dụng thuyết lƣợng tử của Einstein. Ông coi chùm ánh sáng nhƣ một chùm hạt, mỗi hạt gọi là một Phôtôn, mỗi Phôtôn ứng với một lƣợng tử ánh sáng. Với sự vận dụng thuyết lƣợng tử học sinh nắm đƣợc phƣơng pháp giải thích ba định luật quang điện, đồng thời qua đó học sinh còn thấy đƣợc ánh sáng có tính chất hạt (tính chất lƣợng tử). Nhƣvậy ánh sáng vừa có tính chất sóng vừa có tính chất hạt. Nói cách khác ánh sáng có lƣỡng tính sóng - hạt.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/32 Sau khi đã nắm vững hiện tƣợng quang điện, các định luật quang điện và thuyết lƣợng tử.SGK giới thiệu hiện tƣợng quang điện trong - hiện tƣợng quang dẫn và cấu tạo cùng ứng dụng của quang trở, pin quang điện.

Một vài hiện tƣợng quang học liên quan đến tính chất điện tử ánh sáng nhƣ: Sự phát quang, các phản ứng quang hoá đƣợc SGK trình bày ở dạng đọc thêm cho học sinh.

Cuối cùng SGK đã đƣa ra vận dụng tinh thần của thuyết lƣợng tử vào việc giải thích các hiện tƣợng của hệ thống nguyên tử với 2 tiên đề về trạng thái dừng và bức xạ, hấp thụ năng lƣợng của nguyên tửmà nhà bác học Bohr nêu ra. Sự vận dụng này giải quyết đƣợc khó khăn mà mẫu hành tinh nguyên tử của Rutherford gặp phải là tính bền vững và sự tạo thành quang phổ vạch của các nguyên tử.Mẫu nguyên tử của Bohr đã giải thích đầy đủ sự tạo thành quang phổ vạch của Hiđrô. Việc giải thích thành công các quy luật quang phổ của nguyên tử Hiðrô cho thấy hệ thống nguyên tử (hệ thống vi mô) tuân theo quy luật khác với quy luật của Vật lý cổ điển - các quy luật lƣợng tử.

2.1.2.Phân tích nội dung kiến thức chương“Lượng tử ánh sáng” (vật lí 12)

Ánh sáng là sóng điện từ. Năng lƣợng ánh sáng đƣợc truyền đi liên tục theo sóng ánh sáng và tỉ lệ với cƣờng độ sóng. Nhƣ vậy, dù ánh sáng rọi tới kim loại có bƣớc sóng nhƣ thế nào đi nữa, nhƣng miễn có cƣờng độ lớn thì nó cũng cung cấpcho electron nhiều năng lƣợng và nó sẽ giải phóng đƣợc electron khỏi kim loại. Vì thế thuyết điện từ về ánh sáng không thể giải thích nổi tại sao có giới hạn quang điện. Thuyết điện từ ánh sáng đã không giải thích đƣợcđịnh luật quang điện 1. Ðó là những bất lực của thuyết điện từ ánh sáng trong việc giải thích hiện tƣợng quang điện. Ðể giải quyết khó khãn này, thuyết lƣợng tử ánh sáng đã ra đời, góp phần đƣa vật lí phát triển thêm một bƣớc quan trọng trong việc hình thành các ngành vật lí hiện đại. Năm 1900, nhà vật lí Planck đã đề xƣớng giả thuyết về lƣợng tử năng lƣợng nhằm giải thích sự phát xạ và hấp thụ bức xạ của các vật đặc biệt là các vật bức xạ nhiệt. Giả thuyết của Planck đã đƣợc kiểm nghiệm qua nhiều thực nghiệm là đúng và là một cơ sở của thuyết lƣợng tử ánh sáng.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/33 Phát triển lí thuyết lƣợng tử bức xạ của Planck, năm 1905, Einstein đã nêu lên thuyết lƣợng tử ánh sáng nhằm giải thích hiện tƣợng quang điện. Hiệu ứng quang điện ngoài là sự giải phóng electron khỏi bề mặt của một vật dƣới tác dụng của ánh sáng. Xảy ra ở vật rắn, lỏng và khí.Các kết quả thực nghiệm về hiện tƣợng quang điện đƣợc thể hiện trong ba định luật quang điện.Ðịnh luật quang điện thứ nhất nêu lên điều kiện để xảy ra hiện tƣợng quang điện. Ðịnh luật quang điện thứ hai đƣợc ứng dụng trong các máy đo ánh sáng. Khi đo cƣờng độ dòng quang điện, suy ra đƣợc cƣờng độ chùm sáng cần đo. Ðịnh luật quang điện thứ ba nói lên sự phụ thuộc của động năng ban đầu cực đại của quang electron.Hiệu ứng quang điện ngoài đƣợc dùng để chế tạo các tế bào quang điện, ống nhân quang điện...Tế bào quang điện là dụng cụ rất chính xác và thực tế không có quán tính nhƣng cồng kềnh và dễ vỡ nên ứng dụng bị hạn chế. Trong trắc quang, trong nghiên cứu khoa học, nghiên cứu vũ trụ, ngƣời ta thƣờng dùng các dụng cụ quang điện bán dẫn hay còn gọi là quang điện trong. Dựa trên hiệu ứng quang điện trong, ngƣời ta chế tạo các dụng cụ nhƣ quang điện trở và in quang điện... Năm 1913, khi vận dụng thuyết lƣợng tử để giải thích sự tạo thành quang phổ của nguyên tố đơn giản nhất là hidro. Bo đã bổ sung vào mẫu hành tinh nguyên tử của Ru-dơ-pho hai giả thuyết về sau đƣợc gọi là các tiên đề của Bo. Tiên đề về trạng thái dừng và tiên đề về sự bức xạ và hấp thụ năng lƣợng của nguyên tử.Thành công quan trọng của mẫu nguyên tử Bo là giải thích đầy đủ quang phổ vạch của hidro và các ion tƣong tự hidro.Nhƣng thuyết Bo đã không giải thích đƣợc nguyên tử He có đủ hai electron, chƣa nói gì đến các nguyên tử có nhiều electron hơn. Dùng thuyết lƣợng tử ánh sáng ta có thể giải thích đƣợc đặc điểm của sự phát quang là bƣớc sóng của ánh sáng phát quang dài hơn bƣớc sóng của ánh sáng kích thích. Có hai loại phát quang: Sự huỳnh quang và sự lân quang. Các loại hiện tƣợng phát quang có rất nhiều ứng dụng trong khoa học, kĩ thuật và đời sống nhƣ đèn tuýp, màn hình của dao động kí ðiện tử, tivi, máy tính, sơn phát quang trên các biển báo giao thông,...

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/34 Năm 1958, Baxop và Prokhorop, Savalop va Taunx đã dựa vào thuyết lƣợng tử ánh sáng, nghiên cứu độc lập với nhau và đã chế tạo thành công Laze đầu tiên. Laze là một loại nguồn sáng mới, có tính chất đặc biệt khác hẳn với nguồn sáng thông thƣờng. Nên nó đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

2.1.2.1. Các khái niệm cơ bản, định nghĩa, định luật, thuyếtcủa chương

Định nghĩa:Hiện tƣợng quang điện (ngoài) là hiện tƣợng ánh sáng làm bậtcác electron ra khỏi mặt kim loại.

Định luật về giới hạn quang điện:Đối với mỗi kim loại, ánh sáng kíchthích phải có bƣớc sóng  ngắn hơn hay bằng giới hạn quang điện 0 của kim loạiđó, mới gây ra đƣợc hiện tƣợng quang điện.

Giả thuyết Plăng: Lƣợng năng lƣợng mà mỗi lần nguyên tử hay phân tử hấpthụ hay phát xạ có giá trị hoàn toàn xác định và bằng hf; trong đó f là tần số củaánh sáng bị hấp thụ hay đƣợc phát xạ; còn h là một hằng số. Lýợng tử nãng lƣợng:

= hftrong đó h = 6,625.1034J.s

Thuyết lượng tử ánh sáng:

Ánh sáng đƣợc tạo thành bởi các hạt gọi là photon.

Với mỗi ánh sáng đơn sắc có tần số f, các phôtôn đều giống nhau, mỗi phôtôn mang năng lƣợng bằng hf.

Trong chân không, phôtôn bay với tốc độ c = 3.108 m/s dọc theo các tia sáng.

Mỗi lần một nguyên tử hay phân tử phát xạ hoặc hấp thụ ánh sáng thì chúng phát ra hay hấp thụ một phôtôn.

Phôtôn chỉ tồn tại trong trạng thái chuyển động. Không có phôtôn đứng yên.

Năng lượng:  = hf

(J) hoặc  (eV): năng lƣợng của phôtôn f (Hz, s-1): tần số của phôtôn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/35 λ (m): bƣớc sóng ánh sáng trong chân không

h = 6,625.10-34 J.s: hằng số Plăng

c = 3.108 m/s: tốc độ ánh sáng trong chân không

Công thức Anh - xtanh về hiện tượng quang điện (ngoài):

 = hf = 2 mv A λ c h 2 max 0  

A: Công thoát êlectron khỏi mặt kim loại

v0 max: tốc độ ban đầu cực đại của quang êlectron f, :tần số và bƣớc sóng của phôtôn ánh sáng kích thích

c = 3.108 m/s: Tốc độ ánh sáng (phôtôn) trong chân không h = 6,625.10-34 J.s hằng số Plăng

Lưỡng tính sóng - hạt của ánh sáng

Có nhiều hiện tƣợng quang học chứng tỏ rằng ánh sáng có tính chất sóng, lạicũng có nhiều hiện tƣợng quang học khác chứng tỏ ánh sáng có tính chất hạt. Điều đó cho thấy ánh sáng vừa có tính chất sóng, vừa có tính chất hạt: ánh sáng có lƣỡng tính sóng - hạt.

Chú ý rằng dù tính chất nào của ánh sáng thể hiện ra thì ánh sáng vẫn có bản chất là sóng điện từ.

Chất quang dẫn

Một số chất bán dẫn nhƣ Ge, Si, PbS, PbSe, PbTe, CdS, CdSe, CdTe … có tính chất đặc biệt sau đây: Chúng là chất dẫn điện kém khi không bị chiếu sáng và trở thành chất dẫn điện tốt khi bị chiếu ánh sáng thích hợp. Các chất này gọi là chất quang dẫn.

- Hiện tượng quang điện trong

+ Hiện tƣợng ánh sáng giải phóng các êlectron liên kết để cho chúng trở thành các êlectron dẫn đồng thời tạo ra các lỗ trống cùng tham gia vào quá trình dẫn điện, gọi là hiện tƣợng quang điện trong.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/36 + Với  là bƣớc sóng ánh sáng chiếu vào bán dẫn; 0 là bƣớc sóng giới hạn quang điện trong của bán dẫn.

+ Hiện tƣợng quang dẫn: là hiện tƣợng giảm mạnh điện trở suất (tăng độ dẫn điện) của bán dẫn khi có sánh sáng thích hợp chiếu vào bán dẫn.

- Quang điện trở

Quang điện trở là một điện trở làm bằng chất quang dẫn. Nó có cấu tạo gồm một sợi dây bằng chất quang dẫn gắn trên một đế cách điện.

Điện trở của quang điện trở có thể thay đổi từ vài mêgagôm khi không đƣợc chiếu sáng xuống đến vài chục ôm khi đƣợc chiếu ánh sáng thích hợp.

- Khái niệm về sự phát quang

Một số chất có khả năng hấp thụ ánh sáng có bƣớc sóng này để phát ra ánh sáng có bƣớc sóng khác. Hiện tƣợng đó gọi là hiện tƣợng quang - phát quang. Chất có khả năng phát quang là chất phát quang.

- Huỳnh quang và lân quang

Sự phát quang của các chất lỏng và khí có đặc điểm là ánh sáng phát quang bị tắt rất nhanh sau khi tắt ánh sáng kích thích. Sự phát quang này gọi là hiện tƣợng huỳnh quang.

Sự phát quang của nhiều chất rắn lại có đặc điểm là ánh sáng phát quang có thể kéo dài một khoảng thời gian nào đó khi tắt ánh sáng kích thích. Sự phát quang này gọi là hiện tƣợng lân quang. Các chất rắn phát quang này gọi là các chất lân quang.

2.1.2.2. Mẫu nguyên tử Bo - Quang phổ nguyên tử hiđrô

* Mẫu nguyên tử Bo

a) Quỹ đạo dừng

Êlectron trong nguyên tử hiđrô chuyển động quanh hạt nhân trên các quỹ đạo có bán kính xác định gọi là quỹ đạo dừng.

rn = n2.r0

n = 1, 2, 3, ….

r0 = 5,3.10-11m: bán kính Bo, bán kính quỹ đạo dừng thứ nhất. rn: bán kính quỹ đạo dừng thứ n.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/37

b- Trạng thái dừng

Nguyên tử chỉ tồn tại trong một số trạng thái có năng lƣợng xác định (En) gọi là các trạng thái dừng.

Khi ở trạng thái dừng, nguyên tử không bức xạ năng lƣợng.

c- Bức xạ và hấp thụ năng lượng

+ Khi nguyên tử chuyển từ trạng thái dừng có năng lƣợng Ensang trạng thái dừng có năng lƣợng Em nhỏ hơn thì nguyên tử bức xạ ra một phôtôn có năng lƣợng đúng bằng hiệu En - Em. h = 6,625.10-34 J.s hf = En - Em f: tần số phôtôn bức xạ En> Em (m, n nguyên dƣơng) Hay h m E n E λ c f   

+ Ngƣợc lại, nếu nguyên tử đang ở trạng thái dừng có năng lƣợng Em- mà hấp thụ đƣợc một phôtôn có năng lƣợng hf đúng bằng hiệu En - Em thì nguyên tử chuyển lên trạng thái dừng có năng lƣợng En lớn hơn.

( hf=En-Em).

d- Năng lượng nguyên tử hiđrô ở trạng thái dừng

n= 1, 2, 3 …

E0 = 13,6eV năng lƣợng ion hoá

*Quang phổ vạch phát xạ của nguyên tử hiđrô

+ Khi nguyên tử bức xạ ra các phôtôn làm xuất hiện các vạch quang phổ. + Trong quang phổ của nguyên tử hiđrô lại gồm các dãy: dãy Lai-man thuộc vùng tử ngoại, dãy Ban-me thuộc vùng thấy đƣợc (phần tử ngoại nhiều hơn), dãy Pa-sen thuộc vùng hồng ngoại.

+ Dãy Laiman: Khi êlectron chuyển từ quỹ đạo ngoài (xa hạt nhân) về quỹ đạo K (gần hạt nhân nhất)  Nguyên tử chuyển từ trạng thái có năng lƣợng cao về trạng thái cơ bản.

2 0 n E n E 

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/38

Laiman Banme Pasen

K L M N O P n=1 n=2 n=4 n=5 n=6 n=3 H H HH

+ Dãy Banme: khi êlectron chuyển từ quỹ đạo ngoài về quỹ đạoL  Nguyên tử chuyển từ trạng thái năng lƣợng cao về trạng thái có năng lƣợng

EL E2.

+ Dãy Pasen: Khi êlectron chuyển từ các quỹ đạo xa về quỹ đạo M  nguyên tử từ trạng thái dừng có năng lƣợng cao về trạng thái dừng có năng lƣợng EM E3.

+ Sơ đồ biểu diễn sự hình thành các dãy.

* Sơ lƣợc về laze