2.1 .Nội dung kiến thức chƣơng Lƣợng tử ánh sáng Vật lý 12
2.1.2 .Phân tích nội dung chương Lượng tử ánh sáng
2.1.2.1. Hiện tượng quang điện ngoài. Các định luật quang điện
Hiện tƣợng quang điện ngoài:
Năm 1887, nhà vật lý ngƣời Đức, Héc (Heinrich Rudolf Hertz, 1857 – 1894) đã làm thí nghiệm chiếu tia tử ngoại vào một một tấm kẽm ban đầu tích điện âm. Kết quả cho thấy tấm kẽm bị mất điện tích âm.
Hec cho rằng, tia tử ngoại có bƣớc sóng ngắn khi chiếu vào tấm kẽm, đã làm bật các êlectron khỏi tấm kẽm.
Làm thí nghiệm với các tấm kim loại khác, ngƣời ta cũng thấy hiện tƣợng xảy ra tƣơng tự.
Hiện tƣợng ánh sáng làm bật các êlectron ra khỏi bề mặt kim loại gọi là hiện tƣợng quang điện ngoài, thƣờng gọi tắt là hiện tƣợng quang điện. Các êlectron bị bật ra khỏi bề mặt kim loại khi bị chiếu sáng gọi là quang êlectron, cịn gọi là êlectron quang điện.
Thí nghiệm khảo sát định lƣợng về hiện tƣợng quang điện:
Để khảo sát hiện tƣợng quang điện một cách đầy đủ, ngƣời ta dung tế bào quang điện. Tế bào quang điện là một bình thạch anh đã hút hết khơng khí, bên trong có hai điện cực: anơt là một vịng dây kim loại; catơt có dạng là một chỏm cầu kim loại mà ta cần khảo sát.
Điều chỉnh cho UAK > 0, chiếu chùm sáng có bƣớc sóng ngắn vào catot thì xảy ra hiện tƣợng quang điện và trong mạch xuất hiện dòng điện gọi là dòng quang điện, tạo nên bởi các êlectron bật ra khỏi catôt.
Qua thí nghiệm, ta rút ra những kết luận tổng quát sau:
- Hiện tƣợng quang điện chỉ xảy ra khi ánh sáng chiếu vào có bƣớc sóng - Với một chùm sáng đơn sắc có bƣớc sóng và có cƣờng độ sáng nhật định thì khi cho hiệu điện thế UAK thay đổi thì cƣờng độ dịng quang điện I cũng thay đổi theo:
+ Khi UAK ≤ -Uh thì dịng quang điện bị triệt tiêu hồn tồn (I = 0), trong đó Uh gọi là hiệu điện thế hãm. Sở dĩ nhƣ vậy là vì : êlectron bị bật ra từ catơt, với vận tốc v0max và động năng ban đầu Wđmax, đã chịu tác dụng của lực điện trƣờng hƣớng về catôt; lực này đã ngăn cản không cho êlectron tới anơt để gây ra dịng quang điện. Nhƣ vậy giữa động năng ban đầu cực đại của quang êlectron và hiệu điện thế hãm có hệ thức:
W đmax = 0max2
2 h
mv
eU
+ Khi UAK ≥ U1 thì cƣờng độ dịng quang điện ln giữ giá trị không đổi I = Ibh. Giá trị Ibh gọi là cƣờng độ dòng quang điện bão hòa.
- Với bƣớc sóng giữ nguyên trị số nhƣ cũ nhƣng tăng cƣờng độ ánh sáng chiếu vào catơt thì cƣờng độ dịng quang điện bão hịa tăng tỷ lệ thuận với cƣờng độ chùm sáng.
Các định luật quang điện:
+ Định luật quang điện thứ nhất
Hiện tƣợng quang điện chỉ xảy ra khi ánh sáng kích thích chiếu vào kim loại có bƣớc sóng nhỏ hơn hoặc bằng bƣớc sóng 0. Trong đó 0 đƣợc gọi là giới hạn quang điện của kim loại đó:
0
+ Định luật quang điện thứ hai
Đối với mỗi ánh sáng thích hợp ( 0), cƣờng độ dòng quang điện bão hòa tỷ lệ thuận với cƣờng độ chùm sáng kích thích.
+ Định luật quang điện thứ ba
Động năng ban đầu cực đại của các quang êlectron không phụ thuộc vào cƣờng độ chùm sáng kích thích, mà chỉ phụ thuộc vào bƣớc sóng ánh sáng kích thích và bản chất kim loại.
2.1.2.2. Thuyết lượng tử ánh sáng. Lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng
Thuyết lƣợng tử ánh sáng:
Năm 1900, nhà vật lý Plăng đã đề xƣớng giả thuyết lƣợng tử ánh sáng để giải thích sự phát và hấp thụ bức xạ của các vật, đặc biệt là các vật nóng sáng. Theo Plăng thì lƣợng năng lƣợng mà mỗi lần nguyên tử hay phân tử hấp thụ hay phát xạ có giá trị hoàn toàn xác định, gọi là lƣợng tử năng lƣợng, ký hiệu là ε, có giá trị bằng:
ε = hf
trong đó f là tần số của ánh sáng bị hấp thụ hay đƣợc phát xạ; h là hằng số Plăng, h = 6,625.10-34 Js.
Năm 1905, để giải thích hiện tƣợng quang điện, nhà bác học Anh-xtanh, đã phát triển giả thuyết của Plăng lên một bƣớc và đề xuất thuyết lƣợng tử ánh sáng. Thuyết lƣợng tử ánh sáng có nội dung cơ bản nhƣ sau:
+ Chùm ánh sáng là một chùm hạt, mỗi hạt là một phôtôn. Mỗi phôtôn mang năng lƣợng xác định ε = hf ( f là tần số của sóng ánh sáng tƣơng ứng). Cƣờng độ chùm sáng tỷ lệ với số phôtôn phát ra trong một giây.
+ Phân tử, nguyên tử, êlectron…phát xạ hay hấp thụ ánh sáng, cũng 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 trong chân khơng.
Giải thích các định luật quang điện:
Công thức Anh-xtanh về hiện tƣợng quang điện
Anh-xtanh cho rằng, hiện tƣợng quang điện xảy ra là do êlectron trong kim loại hấp thụ phôtôn của ánh sáng kích thích. Phôtôn bị hấp thụ truyền truyền tồn bộ năng lƣợng của nó cho êlectron. Năng lƣợng ε dùng để:
+ Cung cấp cho êlectron một công A, gọi là cơng thốt, để êlectron thắng đƣợc lực liên kết với mạng tinh thể và thoát ra khỏi bề mặt kim loại;
+ Truyền cho êlectron một động năng ban đầu; + Truyền một phần năng lƣợng cho mạng tinh thể.
Nếu êlectron này nằm ngay trên lớp bề mặt kim loại thì nó có thể thốt ra ngay mà không mất năng lƣợng truyền cho mạng tinh thể. Động năng của êlectron này có giá trị cực đại 0max2
2
mv
Áp dụng định luật bảo tồn năng lƣợng, ta có:
2 max 2 o mv hf A
+ Định luật quang điện thứ nhất. Theo công thức Anh-xtanh, muốn cho hiện tƣợng quang điện xảy ra, nghĩa là muốn cho êlectron bật ra khỏi bề mặt kim loại dùng làm catơt, thì phơtơn của chùm ánh sáng chiếu vào catơt phải có nănglƣợng lơn hơn, hoặc ít nhất bằng cơng thốt A, nghĩa là có hf A hay
0
c
h
. Từ đó suy ra 0, với 0 hc
A
. Bƣớc sóng 0 gọi là giới hạn quang
điện của kim loại làm catôt.
+ Định luật thứ hai. Cƣờng độ dòng quang điện bão hòa tỉ lệ với số quang êlectron bật ra khỏi catôt trong một đơn vị thời gian. Với chùm sáng có khả năng gây hiện tƣợng quang điện, thì số quang êlectron bị bật ra khỏi mặt catôt trong một đơn vị thời gian lại tỉ lệ thuận với số phôtôn đến đập vào mặt catôt trong một đơn vị thời gian. Số phôtôn này tỉ lệ với cƣờng độ chùm sáng tới. Từ đó suy ra, cƣờng độ của dòng quang điện bão hòa tỉ lệ thuận với cƣờng độ của chùm sáng chiếu vào catôt.
+ Định luật thứ ba. Từ cơng thức Anh-xtanh ta có: Wđmax = hf A hc A
Vậy động năng ban đầu cực đại của các quang êlectron không phụ thuộc vào cƣờng độ chùm sáng kích thích, mà chỉ phụ thuộc vào bƣớc sóng ánh sáng kích thích và bản chất kim loại.
Lƣỡng tính sóng hạt của ánh sáng
+ Để giải thích hiện tƣợng giao thoa, nhiễu xạ, ta đã thừa nhận ánh sáng nhìn thấy có tính chất sóng. Ngồi ra, ta cũng thấy rằng tia hồng ngoại, tia tử ngoại, tia X có cùng bản chất với ánh sáng thơng thƣờng. Ánh sáng là sóng điện từ.
+ Thế nhƣng, để giải thích hiện tƣợng quang điện, ta lại phải thừa nhận rằng chùm sáng là một chùm hạt.
+ Nhƣ vậy, ánh sáng vừa có tính chất sóng, vừa có tính chất hạt. Ngƣời ta nói ánh sáng có lƣỡng tính sóng hạt.
+ Trong mỗi hiện tƣợng quang học, ánh sáng thƣờng thể hiện rõ một trong hai tính chất trên. Khi tính chất sóng rõ nét thì tính chất hạt lại mờ nhạt. Sóng điện từ có bƣớc sóng càng ngắn, phơtơn ứng với nó có năng lƣợng càng lớn thì tính chất hạt thể hiện càng rõ nhƣ ở hiện tƣợng quang điện, ở khả năng đâm xun, ở tác dụng phát quang…,cịn tính chất sóng càng mờ nhạt. Trái lại sóng điện từ có bƣớc sóng càng dài, phơtơn ứng với nó có năng lƣợng càng nhỏ thì tính chất sóng thể hiện càng rõ nhƣ ở hiện tƣợng giao thoa, nhiễu xạ, tán sắc…,cịn tính chất sóng càng mờ nhạt.
2.1.2.3. Mẫu nguyên tử Bo và quang phổ vạch phát xạ của nguyên tử hidrô
Mẫu nguyên tử Bo:
Năm 1913, khi vận dụng thuyết lƣợng tử để giải thích sự tạo thành quang phổ của nguyên tử đơn giản nhất là hiđrô, nhà vật lý Bo đã bổ sung vào mẫu hành tinh nguyên tử hai giả thuyết, về sau đƣợc gọi là hai tiên đề Bo.
+ Tiên đề về 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 nguyên tử ở các trạng thái dừng, nguyên tử không bức xạ.
Bình thƣờng, nguyên tử ở trạng thái dừng có năng lƣợng thấp nhất gọi là trạng thái cơ bản. Khi hấp thu năng lƣợng thì nguyên tử chuyển lên trạng thái có năng lƣợng cao hơn, gọi là trạng thái kích thích. Thời gian sống trung bình của ngun tử trong các trạng thái kích thích rất ngắn. Sau đó nguyên tử chuyển về trạng thái có mức năng lƣợng thấp hơn, và cuối cùng chuyển về trạng thái cơ bản.
Trong các trạng thái dừng của nguyên tử, êlectron chuyển động quanh hạt nhân trên các quỹ đạo có bán kính hồn tồn xác định, gọi là các quỹ đạo dừng. Bo đã tìm đƣợc cơng thức tính bán kính của quỹ đạo dừng của êlectron trong nguyên tử hiđrơ :
trong đó n là số ngun và r0 = 5,3.10-11 m, gọi là bán kính Bo. Đó chính là bán kính quỹ đạo của êlectron ứng với trạng thái cơ bản của nguyên tử.
Ngƣời ta đặt tên cho các quỹ đạo dừng của êlectron ứng với n =1, 2, 3, 4, 5, 6,…lần lƣợt là quỹ đạo K, L, M, N, O, P,…
+ Tiên đề về sự bức xạ và hấp thụ năng lƣợng của nguyên tử:
Khi nguyên tử chuyển từ trạng thái dừng có năng lƣợng En sang trạng thái dừng có mức năng lƣợng Em thấp hơn thì nguyên tử phát ra một phơtơn có năng lƣợng đúng bằng hiệu En – Em.
En – Em = hf
trong đó h là hằng số Plăng ; n, m là các số nguyên.
Ngƣợc lại, nếu nguyên tử đang ở trạng thái dừng có mức năng lƣợng Em mà hấp thụ đƣợc một phơtơn có năng lƣợng hf đúng bằng hiệu En – Em thì nó chuyển sang trạng thái dừng có mức năng lƣợng En lớn hơn.
Tiên đề này cho thấy, một ngun tử phát xạ ra phơtơn nào thì có khả năng hấp thụ phơtơn đó. Điều này giải thích đƣợc sự đảo vạch quang phổ.
Quang phổ vạch của nguyên tử hiđrô:
+ Khi khảo sát thực nghiệm quang phổ của nguyên tử hiđrô, ngƣời ta thấy các vạch phát xạ của nguyên tử hiđrô sắp xếp thành các dãy khác nhau.
Trong miền tử ngoại có một dãy gọi là dãy Làiman. Dãy thứ hai, gọi là dãy Banme gồm các vạch nằm trong vùng tử ngoại và một số vạch nằm trong miền ánh sáng nhìn thấy là : vạch đỏ Hα, vạch làm Hβ, vạch chàm Hγ, vạch tím Hδ. Trong miền hồng ngoại có dãy gọi là dãy Pasen.
+ Mẫu nguyên tử Bo giải thích đƣợc cấu trúc quang phổ vạch của hydro cả về định tính lẫn định lƣợng.
Khi nhận đƣợc năng lƣợng kích thích, các ngun tử hiđrơ chuyển từ trạng thái cơ bản E1 lên các trạng thái kích thích khác nhau, tức là êlectron chuyển từ quỹ đạo dừng K gần hạt nhân nhất ra các quỹ đạo dừng ở phía ngồi. Khi chuyển về trạng thái cơ bản, các nguyên tử hiđrô sẽ phát ra các
phôtôn (các bức xạ) có tần số khác nhau. Vì vậy quang phổ của nguyên tử hiđrô là quang phổ vạch.
Dãy Laiman đƣợc tạo thành khi êlectron chuyển từ quỹ đạo dừng bên ngoài về quỹ đạo K : L → K ; M → K ; N → K… Dãy Banme đƣợc hình thành khi êlectron từ các quỹ đạo phía ngồi chuyển về quỹ đạo L : M → L (vạch đỏ Hα) ; N → L (vạch làm Hβ) ; O → L (vạch chàm Hγ) ; P → L (vạch tím Hδ)…Dãy Pasen đƣợc tạo thành khi êlectron từ các quỹ đạo ngoài chuyển về quỹ đạo M…