2.1.1. Vị trí chương “Lượng tử ánh sáng”trong chương trình vật lý phổ thông thông
"Lượng tử ánh sáng" là chương cuối cùng thuộc phần quang học và được đưa vào cuối chương trình vật lý phổ thông sau khi học sinh đã được học phần cơ học, điện học, nhiệt học, dao động và sóng cơ học, dao động và sóng điện từ. Việc sắp xếp chương " lượng tử ánh sáng" sau khi đã nghiên cứu lý thuyết điện trường, từ trường, dao động điện từ, sóng điện từ tạo điều kiện thuận lợi cho học sinh và giáo viên trong việc kế thừa các kiến thức đó. Tuy nhiên, so với các chương khác nội dung chương " lượng tử ánh sáng" khá trừu tượng và là một phần hoàn toàn mới đối với học sinh vì các em chưa được làm quen nội dung này trong chương trình trung học cơ sở, mặt khác các thí nghiệm trong chương không thể tiến hành trong điều kiện của phịng thí nghiệm phổ thơng của nước ta hiện nay.
2.1.2. Những kiến thức cơ bản của chương “Lượng tử ánh sáng"
a. Chùm ánh sáng đơn sắc có bớc sóng λ được coi như là dịng các phơtơn,
mỗi phôtôn mang một năng lượng xác định ε
ε = hf = h c
Trong đó: h là hằng số Plăng; h = 6,625.10-34 J.s c là vận tốc ánh sáng; c = 3.108 m/s
hf được gọi là một lượng tử năng lượng b. Hiện tượng quang điện
+ Điều kiện để xảy ra hiện tượng quang điện (Định luật quang điện thứ nhất)
λ≤λ0
Trong đó λ0 là giới hạn quang điện + Cơng thốt
Đơn vị của A trong hệ SI là J hoặc eV: 1eV = 1,6.10-19J + Công thức Anhxtanh về hiện tượng quang điện
ε = hf = A +
+ Hiệu điện thế hãm
Để triệt tiêu dòng quang điện, ta phải đặt giữa anốt và catốt một hiệu điện thế UAK thỏa mãn: UAK ≤ -Uh
UAK được gọi là hiệu điện thế hãm, thỏa mãn hệ thức
e.Uh = + Cường độ dòng quang điện
Ibh = e. Ne
Ne là số electron bật ra khỏi catốt trong mỗi giây
+ Công suất chiếu sáng (công suất nguồn): P = Nλ.ε = Nλ .
Trong đó: Nλ là số phôtôn tới bề mặt kim loại trong mỗi giây + Hiệu suất của hiệu ứng quang điện (Hiệu suất lượng tử)
H = Ne/Nλ
c. Ứng dụng của thuyết lượng tử trong nguyên tử hiđro
+ Quang phổ vạch của nguyên tử hiđro
Khi khảo sát thực nghiệm quang phổ của nguyên tử hiđro, người ta thấy các vạch phát xạ của nguyên tử hiđro sắp xếp thành các dãy khác nhau
- Trong miền tử ngoại có dãy Lai-man và một phần của dãy Ban-me - Trong miền ánh sáng nhìn thấy có dãy Ban-me
+ Các tiên đề của Bo
Tiên đề về trạng thái dừng
Nguyên tử chỉ tồn tại trong một số trạng thái có năng lượng xác định
En, gọi là các trạng thái dừng. Khi ở trạng thái dừng, nguyên tử không bức xạ.
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 En sang trạng
thái dừng năng lượng Em nhỏ hơn thì ngun tử phát ra một phơtơn có năng
lượng đúng bằng hiệu En - Em
En - Em = hf
- Ngược lại, nếu nguyên tử đang ở trạng thái dừng có năng lượng Em
mμ hấp thụ được một phơtơn có năng lượng hf đúng bằng hiệu Em - En thì nó
chuyển sang trạng thái dừng có năng lượng En lớn hơn.
+ Hệ quả của các tiên đề Bo Bán kính nguyên tử
Trong các trạng thái dừng của nguyên tử, electron 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 được cơng thức tính bán kính của quỹ đạo dừng của electron
trong nguyên tử hiđro: rn = n2.ro
Trong đó: n là số nguyên
ro=5,3.10-11 gọi là bán kính Bo thứ nhất.
Giải thích sự tạo thành quang phổ vạch của nguyên tử hiđro
Khi nhận được năng lượng kích thích, các nguyên tử hiđro chuyển từ
trạng thái cơ bản E1 lên các trạng thái kích thích khác nhau, tức là electron
chuyển từ quỹ đạo dừng K (gần hạt nhân nhất) ra các quỹ đạo dừng ở phía ngoài. Khi chuyển về trạng thái cơ bản, các nguyên tử hiđro sẽ phát ra các phơtơn có tần số khác nhau. Vì vậy, quang phổ của nguyên tử hiđro là quang phổ vạch.
Dãy Laiman được tạo thành khi electron chuyển từ các quỹ đạo dừng bên ngoài về quỹ đạo K, phát ra phơtơn có năng lượng
ε= En - E1 (n= 2,3,…)
Dãy Ban-me đợc tạo thành khi electron chuyển từ các quỹ đạo dừng phía ngồi về quỹ đạo L, phát ra phôtôn mang năng lượng
ε = En - E2 (n= 3, 4,…)
Dãy Pa-sen được tạo thành khi electron từ các quỹ đạo phía ngồi chuyển về quỹ đạo M và phát ra phôtôn mang năng lượng
ε = En - E3 (n= 4, 5,…)
Ta có: sơ đồ chuyển mức năng lượng của nguyên tử hiđro khi tạo thành các dãy quang phổ