A. LÝ THUYẾT
22. HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN. THUYẾT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG
* Hiện tượng quang điện
Hiện tượng ánh sáng làm bật các electron ra khỏi mặt kim loại gọi là hiện tượng quang điện ngồi (gọi tắt là hiện tượng quang điện).
* Định luật về giới hạn quang điện
Đối với mỗi kim loại ánh sáng kích thích phải cĩ bước sĩng ngắn hơn hay bằng giới hạn quang điệno của kim loại đĩ, mới gây ra được hiện tượng quang điện: o.
* Thuyết lượng tử ánh sáng
+ Chùm ánh sáng là một chùm các phơtơn (các lượng tử ánh sáng). Mỗi phơtơn cĩ năng lượng xác định = hf (f là tần số của sĩng ánh sáng đơn sắc tương ứng). Cường độ của chùm sáng tỉ lệ với số phơtơn phát ra trong 1 giây.
+ Phân tử, nguyên tử, electron… phát xạ hay hấp thụ ánh sáng, cũng cĩ nghĩa là chúng phát xạ hay hấp thụ phơtơn. + Các phơtơn bay dọc theo tia sáng với tốc độ c = 3.108m/s trong chân khơng.
Năng lượng của mỗi phơtơn rất nhỏ. Một chùm sáng dù yếu cũng chứa rất nhiều phơtơn do rất nhiều nguyên tử, phân tử phát ra. Vì vậy ta nhìn thấy chùm sáng liên tục.
Phơtơn chỉ tồn tại trong trạng thái chuyển động. Khơng cĩ phơtơn đứng yên.
* Giải thích định luật về giới hạn quang điện bằng thuyết lượng tử
Cơng thức Anhxtanh về hiện tượng quang điện: hf = hc = A + 2 1 mv2omax.
Để cĩ hiện tượng quang điện thì năng lượng của phơtơn phải lớn hơn cơng thốt : hf = hc A = o hc => o ; với o = A hc
là giới hạn quang điện của kim loại.
* Lưỡng tính sĩng - hạt của ánh sáng
Ánh sáng vừa cĩ tính chất sĩng, vừa cĩ tính chất hạt. Ta nĩi ánh sáng cĩ lưỡng tính sĩng - hạt.
Trong mỗi hiện tượng quang học, ánh sáng thường thể hiện rỏ một trong hai tính chất trên. Khi tính chất sĩng thể hiện rỏ thì tính chất hạt lại mờ nhạt, và ngược lại.
Sĩng điện từ cĩ bước sĩng càng ngắn, phơtơn ứng với nĩ cĩ năng lượng càng lớn thì tính chất hạt thể hiện càng rỏ, như ở hiện tượng quang điện, ở khả năng đâm xuyên, ở khả năng phát quang…, cịn tính chất sĩng càng mờ nhạt. Trái lại sĩng điện từ cĩ bước sĩng càng dài, phơtơn ứng với nĩ cĩ năng lượng càng nhỏ, thì tính chất sĩng lại thể hiện rỏ hơn (ở hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ, tán sắc, …), cịn tính chất hạt thì mờ nhạt.
23. HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN BÊN TRONG
* Chất quang dẫn
Chất quang dẫn là những chất bán dẫn, dẫn điện kém khi khơng bị chiếu sáng và dẫn điện tốt khi bị chiếu ánh sáng thích hợp.
* Hiện tượngquang điện trong
Hiện tượng ánh sáng giải phĩng các electron liên kết để cho chúng trở thành các electron dẫn đồng thời tạo ra các lỗ trống cùng tham gia vào quá trình dẫn điện, gọi là hiện tượng quang điện trong.
* Quang điện trở
Quang điện trở được chế tạo dựa trên hiệu ứng quang điện trong. Đĩ là một tấm bán dẫn cĩ giá trị điện trở thay đổi khi cường độ chùm ánh sáng chiếu vào nĩ thay đổi.
* Pin quang điện
Pin quang điện là nguồn điện trong đĩ quang năng được biến đổi trực tiếp thành điện năng. Hoạt động của pin dựa trên hiện tượng quang điện bên trong của một số chất bán dẫn như đồng ơxit, sêlen, silic, … . Suất điện động của pin thường cĩ giá trị từ 0,5V đến 0,8V
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, con tàu vũ trụ, trong các máy đo ánh sáng, máy tính bỏ túi. …
24. HIỆN TƯỢNG QUANG – PHÁT QUANG
* Sự phát quang
+ Cĩ một số chất khi hấp thụ năng lượng dưới một dạng nào đĩ, thì cĩ khả năng phát ra các bức xạ điện từ trong miền ánh sáng nhìn thấy. Các hiện tượng đĩ gọi là sự phát quang.
+ Mỗi chất phát quang cĩ một quang phổ đặc trưng cho nĩ.
+ Sau khi ngừng kích thích, sự phát quang của một số chất cịn tiếp tục kéo dài thêm một thời gian nào đĩ, rồi mới ngừng hẵn. Khoảng thời gian từ lúc ngừng kích thích cho đến lúc ngừng phát quang gọi là thời gian phát quang.
* Huỳnh quang và lân quang
+ Sự huỳnh quang là sự phát quang cĩ thời gian phát quang ngắn (dưới 10-8s), nghĩa là ánh sáng phát quang hầu như tắt ngay sau khi tắt ánh sáng kích thích. Nĩ thường xảy ra với chất lỏng và chất khí.
+ Sự lân quang là sự phát quang cĩ thời gian phát quang dài (từ 10-8s trở lên); nĩ thường xảy ra với chất rắn. Các chất rắn phát quang loại này gọi là chất lân quang.
* Đặc điểm của ánh sáng huỳnh quang
Ánh sáng phát quang cĩ bước sĩng ’ dài hơn bước sĩng của ánh sáng kích thích : ’ > .
* Ứng dụng của hiện tượng phát quang
Sử dụng trong các đèn ống để thắp sáng, trong các màn hình của dao động kí điện tử, tivi, máy tính, sử dụng sơn phát quang quét trên các biển báo giao thơng.
25. MẪU NGUYÊN TỬ BO
* Mẫu nguyên tử của Bo
Tiên đề về trạng thái dừng
Nguyên tử chỉ tồn tại trong một số trạng thái cĩ năng lượng xác định En, gọi là các trạng thái dừng. Khi ở trạng thái dừng, nguyên tử khơng bức xạ.
Trong các trạng thái dừng của nguyên tử, electron chuyển động quanh hạt nhân trên những quỹ đạo cĩ bán kính hồn tồn xác định gọi là quỹ đạo dừng.
Bo đã tìm được cơng thức tính quỹ đạo dừng của electron trong nguyên tử hydro: rn = n2r0, với n là số nguyên và r0 = 5,3.10- 11m, gọi là bán kính Bo. Đĩ chính là bán kính quỹ đạo dừng của electron, ứng với trạng thái cơ bản.
Bình thường, nguyên tử ở trạng thái dừng cĩ năng lượng thấp nhất gọi là trạng thái cơ bản. Khi hấp thụ năng lượng thì nguyên tử chuyển lên trạng thái dừng cĩ năng lượng cao hơn, gọi là trạng thái kích thích. Thời gian nguyên tử ở trạng thái kích thích rất ngắn (cỡ 10-8s). Sau đĩ nguyên tử chuyển về trạng thái dừng cĩ năng lượng thấp hơn và cuối cùng về trạng thái cơ bản.
Tiên đề về sự bức xạ và hấp thụ năng lượng của nguyên tử
Khi nguyên tử chuyển từ trạng thái dừng cĩ năng lượng En sang trạng thái dừng cĩ năng lượng Em nhỏ hơn thì nguyên tử phát ra một phơtơn cĩ năng lượng: = hfnm = En – Em.
Ngược lại, nếu nguyên tử đang ở trạng thái dừng cĩ năng lượng Em mà hấp thụ được một phơtơn cĩ năng lượng hf đúng bằng hiệu En – Em thì nĩ chuyển sang trạng thái dừng cĩ năng lượng En lớn hơn.
Sự chuyển từ trạng thái dừng Em sang trạng thái dừng En ứng với sự nhảy của electron từ quỹ đạo dừng cĩ bán kính rm sang quỹ đạo dừng cĩ bán kính rn và ngược lại.
* Quang phổ phát xạ và hấp thụ của nguyên tử hidrơ
+ Nguyên tử hiđrơ cĩ các trạng thái dừng khác nhau EK, EL, EM, ... . Khi đĩ electron chuyển động trên các quỹ đạo dừng K, L, M, ...
+ Khi electron chuyển từ mức năng lượng cao (Ecao) xuống mức năng lượng thấp hơn (Ethấp) thì nĩ phát ra một phơtơn cĩ năng lượng hồn tồn xác định: hf = Ecao – Ethấp.
Mỗi phơtơn cĩ tần số f ứng với một sĩng ánh sáng đơn sắc cĩ bước sĩng =
fc c
, tức là một vạch quang phổ cĩ một màu (hay một vị trí) nhất định. Điều đĩ lí giải tại sao quang phổ phát xạ của nguyên tử hiđrơ là quang phổ vạch.
Ngược lại nếu một nguyên tử hiđrơ đang ở một mức năng lượng Ethấp nào đĩ mà nằm trong một chùm ánh sáng trắng, trong đĩ cĩ tất cả các phơtơn cĩ năng lượng từ lớn đến nhỏ khác nhau, thì lập tức nguyên tử hấp thụ ngay một phơtơn cĩ năng lượng phù hợp = Ecao – Ethấp để chuyển lên mức năng lượng Ecao. Như vậy, một sĩng ánh sáng đơn sắc đã bị hấp thụ, làm cho trên quang phổ liên tục xuất hiện một vạch tối. Do đĩ quang phổ hấp thụ của nguyên tử hiđrơ cũng là quang phổ vạch.
26. SƠ LƯỢC VỀ LAZE
Laze là một nguồn sáng phát ra một chùm sáng cường độ lớn dựa trên việc ứng dụng hiện tượng phát xạ cảm ứng.
* Sự phát xạ cảm ứng
Nếu một nguyên tử đang ở trong trạng thái kích thích, sẵn sàng phát ra một phơtơn cĩ năng lượng = hf, bắt gặp một phơtơn cĩ năng lượng ’ đúng bằng hf bay lướt qua nĩ, thì lập tức nguyên tử này cũng phát ra phơtơn . Phơtơn cĩ cùng năng lượng và bay cùng phương với phơtơn ’. Ngồi ra sĩng điện từ ứng với phơtơn hồn tồn cùng pha và dao động trong một mặt phẵng song song với mặt phẵng dao động của sĩng điện từ ứng với phơtơn ’.
Như vậy, nếu cĩ một phơtơn ban đầu bay qua một loạt các nguyên tử đang ở trong trạng thái kích thích thì số phơtơn sẽ tăng lên theo cấp số nhân.
Tùy theo vật liệu phát xạ, người ta đã tạo ra laze rắn, laze khí và laze bán dẫn. Laze rubi (hồng ngọc) biến đổi quang năng thành quang năng.
* Cấu tạo của laze rubi
Rubi (hồng ngọc) là Al2O3 cĩ pha Cr2O3.
Laze rubi gồm một thanh rubi hình trụ. Hai mặt được mài nhẵn vuơng gĩc với trục của thanh. Mặt (1) được mạ bạc trở thành gương phẵng (G1) cĩ mặt phản xạ quay vào phía trong. Mặt (2) là mặt bán mạ, tức là mạ một lớp mỏng để cho khoảng 50% cường độ chùm sáng chiếu tới bị phản xạ, cịn khoảng 50% truyền qua. Mặt này trở thành gương phẳng (G2) cĩ mặt phản xạ quay về phia G1. Hai gương G1 và G2 song song với nhau.
Dùng đèn phĩng điện xenon để chiếu sáng rất mạnh thanh rubi và đưa một số lớn ion crơm lên trạng thái kích thích. Nếu cĩ một ion crơm bức xạ theo phương vuơng gĩc với hai gương thì ánh sáng sẽ phản xạ đi phản xạ lại nhiều lần giữa hai gương và sẽ làm cho một loạt ion crơm phát xạ cảm ứng. Aùnh sáng sẽ được khuếch đại lên nhiều lần. Chùm tia laze được lấy ra từ gương bán mạ G2.
* Đặc điểm của laze
+ Laze cĩ tính đơn sắc rất cao. Độ sai lệch tương đối
ff f
của tần số ánh sáng do laze phát ra cĩ thể chỉ bằng 10-15. + Tia laze là chùm sáng kết hợp (các phơtơn trong chùm cĩ cùng tần số và cùng pha).
+ Tia laze là chùm sáng song song (cĩ tính định hướng cao).
+ Tia laze cĩ cường độ lớn. Chẵng hạn laze rubi (hồng ngọc) cĩ cường độ tới 106W/cm2.
* Một số ứng dụng của laze
+ Tia laze cĩ ưu thế đặc biệt trong thơng tin liên lạc vơ tuyến (như truyền thơng thơng tin bằng cáp quang, vơ tuyến định vị, điều khiển con tàu vũ trụ, ...)
+ Tia laze được dùng như dao mổ trong phẩu thuật mắt, để chữa một số bệnh ngồi da (nhờ tác dụng nhiệt), ...
+ Tia laze được dùng trong các đầu đọc đĩa CD, bút chỉ bảng, chỉ bản đồ, dùng trong các thí nghiệm quang học ở trường phổ thơng, ...
B. CÁC CƠNG THỨC.
Năng lượng của phơtơn ánh sáng: = hf =
hc
.
Cơng thức Anhxtanh, giới hạn quang điện, điện áp hãm: hf = hc = A + 2 1 mv20max ; o = A hc ; Uh = - e Wdmax
Điện thế cực đại quả cầu kim loại cơ lập về điện đạt được khi chiếu chùm sáng cĩ o vào nĩ: Vmax =
eWdmax Wdmax
. Cơng suất của nguồn sáng, cường độ dịng quang điện bảo hồ, hiệu suất lượng tử: P = n
hc hc ; Ibh = ne|e| ; H = n ne . Lực Lorrenxơ, lực hướng tâm: F = qvBsin ; F = maht =
Rmv2 mv2 Quang phổ vạch của nguyên tử hyđrơ: En – Em = hf =
hc
.
C. BÀI TẬP TỰ LUẬN
1. Cơng thốt electron khỏi đồng là 4,57eV.
a) Tính giới hạn quang điện của đồng.
b) Khi chiếu bức xạ cĩ bước sĩng = 0,14m vào một quả cầu bằng đồng đặt xa các vật khác thì quả cầu được tích điện đến điện thế cực đại là bao nhiêu? Vận tốc ban đầu cực đại của quang electron là bao nhiêu?
c) Chiếu bức xạ điện từ vào một quả cầu bằng đồng đặt xa các vật khác thì quả cầu đạt được điện thế cực đại 3V. Tính bước sĩng của bức xạ và vận tốc ban đầu cực đại của các quang electron.
2. Chiếu chùm bức xạ điện từ cĩ tần số f = 5,76.1014Hz vào một miếng kim loại cơ lập thì các quang electron cĩ vận tốc banđầu cực đại là v = 0,4.106m/s. đầu cực đại là v = 0,4.106m/s.
a) Tính cơng thốt electron và bước sĩng giới hạn quang điện của kim loại.
b) Tìm bước sĩng của bức xạ điện từ chiếu vào miếng kim loại để điện thế cực đại của nĩ là 3V. Cho h = 6,625.10-34J.s ; c = 3.108m/s ; |e| = 1,6.10-19C.
3. Cơng thốt electron khỏi kim loại natri là 2,48eV. Một tế bào quang điện cĩ catơt làm bằng natri, khi được chiếu sáng bằng
chùm bức xạ cĩ bước sĩng 0,36m thì cho một dịng quang điện cĩ cường độ 3A. Tính: a) Giới hạn quang điện của natri.
b) Vận tốc ban đầu cực đại của electron quang điện. c) Số electron bứt ra khỏi catơt trong 1 giây.
d) Điện áp hãm để làm triệt tiêu dịng quang điện.
4. Chiếu một bức xạ điện từ cĩ bước sĩng vào catơt của một tế bào quang điện. Biết cơng thốt electron của kim loại làmcatơt là 3eV và các electron bắn ra với vận tốc ban đầu cực đại là 7.105m/s. Xác định bước sĩng của bức xạ điện từ đĩ và cho catơt là 3eV và các electron bắn ra với vận tốc ban đầu cực đại là 7.105m/s. Xác định bước sĩng của bức xạ điện từ đĩ và cho biết bức xạ điện từ đĩ thuộc vùng nào trong thang sĩng điện từ.
5. Chiếu bức xạ cĩ bước sĩng = 0,438m vào catơt của một tế bào quang điện. Biết kim loại làm catơt của tế bào quang điệncĩ giới hạn quang điện là 0 = 0,62m. cĩ giới hạn quang điện là 0 = 0,62m.
a) Xác định vận tốc ban đầu cực đại của các electron quang điện. b) Tìm điện áp hãm để làm triệt tiêu dịng quang điện.
c) Biết cường độ dịng quang điện bảo hịa là 3,2mA. Tính số electron giải phĩng từ catơt trong 1 giây.
6. Chiếu bức xạ cĩ bước sĩng 0,405m vào một tấm kim loại thì các quang electron cĩ vận tốc ban đầu cực đại là v1. Thay bứcxạ khác cĩ tần số 16.1014Hz thì vận tốc ban đầu cực đại của các quang electron là v2 = 2v1. Tìm cơng thốt electron của kim xạ khác cĩ tần số 16.1014Hz thì vận tốc ban đầu cực đại của các quang electron là v2 = 2v1. Tìm cơng thốt electron của kim loại.
7. Một tế bào quang điện cĩ catơt làm bằng asen cĩ cơng thốt electron bằng 5,15eV.
a) Nếu chiếu chùm sáng đơn sắc cĩ tần số f = 1015Hz vào tế bào quang điện đĩ thì cĩ xảy ra hiện tượng quang điện khơng? Tại sao?
b) Thay chùm sáng trên bằng chùm sáng đơn sắc khác cĩ bước sĩng 0,20m. Xác định vận tốc cực đại của electron khi nĩ vừa bị bật ra khỏi catơt.
c) Biết cường độ dịng quang điện bảo hịa là 4,5A, cơng suất chùm bức xạ là 3mW. Tính hiệu suất lượng tử.
8. Bước sĩng của vạch quang phổ đầu tiên trong dãy Laiman là o = 122nm, của hai vạch H và H trong dãy Banme lần lượt là
1 = 656nm và 2 = 486nm. Hãy tính bước sĩng của vạch quang phổ thứ hai trong dãy Laiman và vạch đầu tiên trong dãy Pasen.
9. Trong quang phổ vạch của nguyên tử hiđrơ, vạch ứng với bước sĩng dài nhất trong dãy Laiman là 1 = 0,1216m và vạchứng với sự chuyển của electron từ quỹ đạo M về quỹ đạo K cĩ bước sĩng 2 = 0,1026m. Hãy tính bước sĩng dài nhất 3 trong ứng với sự chuyển của electron từ quỹ đạo M về quỹ đạo K cĩ bước sĩng 2 = 0,1026m. Hãy tính bước sĩng dài nhất 3 trong