1. Thí nghiệm của Hertz về hiện tượng quang điện.
* Hiện tượng: Gắn tấm kẽm tích điện âm vào một tĩnh điện kế, kim của tĩnh điện kế lệch đi một gĩc. Sau đĩ
chiếu ánh sáng hồ quang vào tấm kẽm, quan sát thấy gĩc lệch của kim tĩnh điện kế giảm đi sau đĩ lại tăng (cụp vào rồi xịe ra). Nếu thay tấm kẽm bằng kim loại khác ta thấy hiện tượng tương tự xảy ra. Hiện tượng ánh sáng làm bật các êlectron ra khỏi mặt kim loại gọi là hiện tượng quang điện (ngồi).
* Giải thích: Khi chiếu ánh sáng tử ngoại vào bề mặt tấm kẽm tích điện âm, các electron trong tấm kẽm hấp
thụ năng lượng photon tử ngoại và cĩ động năng lớn hơn thắng được lực liên kết giữa các e với các nguyên tử kẽm và bật ra ngồi làm cho điện tích âm giảm dần (kim tĩnh điện kế cụp lại). Vẫn tiếp tục chiếu tia tử ngoại vào tấm kẽm thì đến lượt các electron hĩa trị của nguyên tử kẽm (e lớp ngồi cùng) tiếp tục bị bật ra và làm tấm kẽm thiếu e nên bắt đầu tích điện tích dương (kim tĩnh điện kế lại xịe ra). Điện tích dương của tấm kẽm chỉ tăng đến một giá trị xác định rồi khơng tăng thêm vì khi đĩ điện tích dương đủ lớn để ngăn cản các electron khơng bật ra thêm (số e bật ra bằng số e bị hút về, đây gọi là trạng thái cân bằng động).
2. Định luật về giới hạn quang điện: Đối với mỗi kim loại, ánh sáng kích thích phải cĩ bước sĩng λ
ngắnhơn hay bằng giới hạn quang điện λ0 của kim loại đĩ, mới gây ra được hiện tượng quang điện (λ ≤ λ0). Giới hạn quang điện (λ0) của mỗi kim loại là đặc trưng riêng của kim loại đĩ.
3. Thuyết lượng tử ánh sáng.
Giả thuyết lượng tử năng lượng của Max-plank: Lượng năng lượng mà mỗi lần một nguyên tử hay phân tử
hấp thụ hay phát xạ cĩ giá trị hồn tồn xác định và bằng hf; trong đĩ ƒ là tần số của ánh sáng bị hấp thụ hay phát xạ ra, cịn h là một hằng số. Lượng tử năng lượng ε = hƒ trong đĩ (h = 6,625.10-34Js).
Nội dung của thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein:
a. Ánh sáng được tạo thành bởi các hạt gọi là phơtơn.
b. Với mỗi ánh sáng đơn sắc cĩ tần số f, các phơtơn đều giống nhau, mỗi phơtơn mang năng lượng h.f.
c. Cường độ chùm sáng tỷ lệ với số photon trong chùm (cường độ sáng càng lớn số photon càng nhiều và ngược lại)
d. Phơtơn là hạt vật chất rất đặc biệt, nĩ khơng cĩ kích thước, khơng cĩ khối lượng nghỉ (m0 = 0), khơng mang điện tích nhưng nĩ cĩ năng lượng (tỷ lệ với tần số ε = hƒ ) cĩ khối lượng tương đối tính m = ε/c2 và cĩ động lượng p (với p = m.c = h/λ), và nĩ chỉ tồn tại khi chuyển động với vận tốc ánh sáng (khơng cĩ photon đứng yên). Electron chỉ hấp thụ hay hay bức xạ 1 photon trong 1 lần và khi đã hấp thụ thì sẽ hấp thụ tồn bộ năng lượng của photon (khơng cĩ sự hấp thụ nửa vời). Nếu khơng bị hấp thụ bởi mơi trường thì đặc tính của photon (năng lượng, vận tốc, tần số) khơng thay đổi tức là khơng phụ thuộc vào khoảng cách mà nĩ lan truyền.
4. Ánh sáng cĩ lưỡng tính sĩng-hạt: Các hiện tượng quang học chứng tỏ ánh sáng cĩ tính chất sĩng như giao
thoa sĩng; khúc xạ, nhiễu xạ, phản xạ… cũng cĩ nhiều hiện tượng quang học khác chứng tỏ ánh sáng cĩ tính chất hạt như hiện tượng quang điện, phát quang, quang dẫn, quang hĩa, đâm xuyên.... Điều đĩ cho thấy ánhsáng vừa cĩ tính chất sĩng, vừa cĩ tính chất hạt ⇒ ánh sáng cĩ lưỡng tính sĩng - hạt.
5. Hiện tượng quang điện trong: Hiện tượng ánh sáng giải phĩng các êlectrơn liên kết để chúng trở thành
các êlectrơn dẫn đồng thời giải phĩng các lỗ trống tự do gọi là hiện tượng quang điện trong. Hiện tượng quangđiện trong cũng là sự giải phĩng e (giống quang điện ngồi) nhưng cần ít năng lượng hơn từ đĩ ta ⇒ λ0
trong > λ0 ngồi và f0 trong < f0 ngồi. (λ0 và f0 là các giá trị giới hạn xảy ra hiện tượng quang điện).
6. Quang điện trở, pin quang điện:
Quang điện trở là một điện trở làm bằng chất quang dẫn (chất bán dẫn, chất khí…). Điện trở của nĩ cĩ thể thay đổi từ vài mêgaơm (106 Ω) khi khơng được chiếu sáng xuống đến vài chục ơm khi được chiếu sáng. Pin quang điện (cịn gọi là pin Mặt Trời) là một nguồn điện chạy bằng năng lượng ánh sáng. Nĩ biến đổi trực tiếp quang năng thành điện năng. Pin hoạt động dựa vào hiện tượng quang điện trong xảy ra bên cạnh một lớp chặn.
II) Cơng thức vận dụng:
1. Lượng tử ánh sáng: ε = h.ƒ =
* ε: Lượng tử ánh sáng hay năng lượng 1 photon (jun). * f: tần số của bức xạ (Hz).
* λ: bước sĩng của bức xạ chiếu tới (m).
* c = 3.108 m/s: vận tốc ánh sáng trong chân khơng.
* h = 6.625.10-34 (J.s): hằng số Max Planck; 1eV = 1,6.10-19J; 1MeV = 106eV = 1,6.10-13J
2. Hệ thức Einstein: =h f = hc= pc=A+ m.v =A+ e.Uh = A+eVh 2 1 . . . 2 0 λ ε
* v0max: Vận tốc ban đầu cực đại của quang electron ⇒ các electron quang điện cĩ vận tốc v ≤ v0max * Uh: Hiệu điện thế hãm.
* e: Là điện tích nguyên tố (điện tích electron), e = 1,6.10-19(C); me = 9,1.10-31kg * Vh: Điện thế hãm cực đại của vật cơ lập tích điện:
* p: Là động lượng của hạt photon, p = h/λ 3. Giới hạn quang điện: λ0 =
4. Cơng suất của nguồn sáng: P = nλ.ε ⇒ nλ = với nλ: số phơtơn ứng với bức xạ λ phát ra 1s 5. Cường độ dịng điện bão hồ: Ibh = ne.|e| ⇒ ne = Với ne: số electron bức ra trong 1s 6. Hiệu suất lượng tử: H nne H IPbhe IbhPhef IPbhλhec
ε λ . . . . . . . . = = = ⇒ =
7. Hiệu điện thế hãm: 02max 2 1 .U mv
e h =
Các lưu ý:
* Trong hiện tượng quang điện khi ta tăng cường độ chùm sáng tới mà khơng làm thay đổi bước sĩng tới thì số lượng photon tới sẽ tăng nên số lượng electron quang điện được giải phĩng sẽ tăng tức là cường độ dịng quang điện sẽ tăng nhưng năng lượng photon, vận tốc cực đại của electron, điện thế và hiệu điện thế hãm sẽ khơng thay đổi.
* Giá trị đại số của Uh < 0. Trong một số bài tốn hay biểu thức người ta lấy Uh > 0 thì đĩ được hiểu là độ lớn.
* Hiện tượng quang điện xảy ra khi được chiếu đồng thời nhiều bức xạ thì khi tính các đại lượng: Vận tốc ban đầu cực đại v0max, hiệu điện thế hãm Uh, điện thế cực đại Vmax,… đều được tính ứng với bức xạ cĩ λmin (hoặc fmax)
* Đối với một hợp kim thì giới hạn quang điện λ0 của hợp kim là giới hạn quang điện của kim loại thành phần cĩ λ0 lớn nhất.(VD.Hợp kim của đồng- bạc-kẽm cĩ giới hạn quang điện λ0 = 0,35µm)
8. Bức xạ cĩ bước sĩng ngắn nhất và tần số lớn nhất mà nguyên tử cĩ thể phát ra là λmin và fmax thì năng lượngcần thiết để ion hĩa nguyên tử đĩ là: ε = hfmax =
9. Định lý động năng trong hiện tượng quang điện – điều kiện để electron khơng đến được Anốt:
a. Xét vật cơ lập về điện, cĩ điện thế cực đại VMax và khoảng cách cực đại dMax mà electron chuyển động trong
điện trường cản cĩ cường độ E được tính theo cơng thức: . 02max . . max
2 1 d E e v m V e Max= =
b. Động năng electron trước khi va đập vào Anot: Wđ =
2 2 e ev m =e(Uh +UAK) − ≤ = ≤ ↓ ≥ ↑ ⇒ hãm AK đ AK đ AK đ U U khi W U khi W U khi W 0 0 0
Với UAK ≤ - |Uhãm| là điều kiện để electron khơng đến được anốt
10. Lực Lorenxơ tác dụng lên 1 điện tích q cĩ khối lượng mq chuyển động trong từ trường đều B là: ƒ = | q|.B.v.sinα. Trong đĩ α là gĩc tạo bởi v và B. Chuyển động của q trong Blà chuyển động trịn xốy đềucĩ bán kính R với florenxơ là lực hướng tâm và florenxo = |q|.B.v.sinα =
R v mq q2 ⇒ R = . . .sinα 2 B v q v mq q
Thường ta xét e chuyển động trong từ trường với v⊥Bkhi đĩ sinα = 1 và R = emvevBe
. .
2
; ƒ lorenxo = |e|.B.v.
11. Bảng giới hạn quang điện của một số kim loại.
Chất λ0 (µm) Chất λ0 (µm)
Bạc 0,26 Canxi 0,75
Đồng 0,30 Natri 0,5
Kẽm 0,35 Kali 0,55
Nhơm 0,36 Xesi 0,66
CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM
Câu 211. Hiện tượng nào sau đây là hiện tượng quang điện?
A. Êlectron bứt ra khỏi kim loại bị nung nĩng. B. Êlectron bật ra khỏi kim loại khi cĩ ion đập vào.
C. Êlectron bị bật ra khỏi kim loại khi kim loại cĩ điện thế lớn.
D. Êlectron bật ra khỏi mặt kim loại khi chiếu tia tử ngoại vào kim loại
Câu 212. Biết giới hạn quang điện của Natri là 0,45µm. Chiếu một chùm tia tử ngoại vào tấm Na tích điện âm đặt trong chân khơng thì:
A. Điện tích âm của tấm Na mất đi. B. Tấm Na sẽ trung hồ về điện.
C. Điện tích của tấm Na khơng đổi. D. Tấm Na tích điện dương.
Câu 213. Khi chiếu liên tục 1 tia tử ngoại vào tấm kẽm tích điện âm gắn trên một điện nghiệm thì 2 lá của điện nghiệm sẽ:
A. Xịe thêm ra. B. Cụp bớt lại. C. Xịe thêm rồi cụp lại. D. Cụp lại rồi xịe ra.
Câu 214. Chọn câu đúng.
A. Khi chiếu ánh sáng đơn sắc vào bề mặt một tấm kim loại thì nĩ làm cho các electron quang điện bật ra. B. Hiện tượng xảy ra khi chiếu ánh sáng đơn sắc vào bề mặt tấm kim loại gọi là hiện tượng quang điện. C. Ở bên trong tế bào quang điện, dịng quang điện cùng chiều với điện trường.
D. Ở bên trong tế bào quang điện, dịng quang điện ngược chiều với điện trường.
Câu 215. Hiện tượng nào sau đây sẽ xảy ra khi lin tục chiếu chùm tia tử ngoại vào tấm kẽm cơ lập tích điện âm.
A. Tấm kẽm mất dần êlectron và trở nên trung hồ điện.
B. Tấm kẽm mất dần điện tích âm và trở thành mang điện dương. C. Tấm kẽm vẫn tích điện tích âm như cũ.
D. Tấm kẽm tích điện âm nhiều hơn.
Câu 216. Biết giới hạn quang điện của kẽm là 0,35µm. Chiếu một chùm tia hồng ngoại vào lá kẽm tích điện âm thì:
A. Điện tích âm của lá kẽm mất đi. B. Tấm kẽm sẽ trung hồ về điện.
C. Điện tích của tấm kẽm khơng đổi. D. Tấm kẽm tích điện dương.
Câu 217. Chiếu một chùm bức xạ đơn sắc vào một tấm kim loại chưa tích điện, được đặt cơ lập với các vật khác. Nếu hiện tượng quang điện xảy ra thì:
A. Sau một khoảng thời gian, các êlectron tự do của tấm kim loại bị bật hết ra ngồi.
B. Các êlectron tự do của tấm kim loại bị bật ra ngồi nhưng sau một khoảng thời gian, tồn bộ các êlectron
đĩ quay trở lại làm cho tấm kim loại vẫn trung hịa điện.
C. Sau một khoảng thời gian, tấm kim loại đạt đến trạng thái cân bằng động và tích một lượng điện âm xác
định.
D. Sau một khoảng thời gian, tấm kim loại đạt được một điện thế cực đại và tích một lượng điện dương xác
định.
Câu 218. Chiếu ánh sáng cĩ bước sĩng 0,50µm vào 4 tế bào quang điện cĩ catod lần lượt bằng canxi, natri, kali và xêsi. Hiện tượng quang điện sẽ xảy ra ở:
A. một tế bào B. hai tế bào C. ba tế bào D. cả bốn tế bào
Câu 219. Trong trường hợp nào sau đây cĩ thể xảy ra hiện tượng quang điện khi chiếu tia tử ngoại.
A. Tấm kẽm đặt chìm trong nước. B. Chất diệp lục của lá cây.
C. Hợp kim kẽm – đồng D. Tấm kẽm cĩ phủ nước sơn.
Câu 220. Chọn câu sai trong các câu sau:
A. Hiện tượng quang điện chứng tỏ ánh sáng cĩ tính chất hạt. B. Hiện tượng giao thoa chứng minh ánh sáng chỉ cĩ tính sĩng.
C. Khi bước sĩng càng dài thì năng lượng photon ứng với chúng cĩ năng lượng càng lớn. D. Tia hồng ngoại, tia tử ngoại cĩ tính chất hạt.
Câu 221. Giới hạn quang điện của một hợp kim gồm bạc, đồng và kẽm sẽ là:
A. 0,26 µm B. 0,30µm C. 0,35µm D. 0,40µm
Câu 222. Chiếu ánh sáng đơn sắc vào mặt một tấm vật liệu thì thấy cĩ electron bật ra. tấm vật liệu đĩ chắc chắn phải là:
A. Kim loại sắt B. Kim loại kiềm C. Chất cách điện D. Chất hữu cơ.
Câu 223. Hiện tượng quang điện là:
A. Hiện tượng electron bứt ra khỏi bề mặt tấm kim loại khi cĩ ánh sáng thích hợp chiếu vào nĩ. B. Hiện tượng electron bứt ra khỏi bề mặt tấm kim loại khi tấm kim loại bị nung đến nhiệt độ cao.
C. Hiện tượng electron bứt ra khỏi bề mặt tấm kim loại khi tấm kim loại bị nhiễm điện do tiếp xúc với một
vật đã bị nhiễm điện khác.
D. Hiện tượng electron bứt ra khỏi bề mặt tấm kim loại do bất kỳ nguyên nhân nào khác.
Câu 224. Người ta khơng thấy cĩ electron bật ra khỏi mặt kim loại chiếu chùm ánh sáng đơn sắc vào nĩ. Đĩ là vì:
A. Chùm ánh sáng cĩ cường độ quá nhỏ. B. Kim loại hấp thụ quá ít ánh sáng đĩ.
C. Cơng thốt của electron nhỏ so với năng lượng của photon. D. Bước sĩng của ánh sáng lớn hơn so với giới hạn quang điện.
Câu 225. Phát biểu nào sau đây là sai?
A. Giả thuyết sĩng ánh sáng khơng giải thích được hiện tượng quang điện.
B. Trong cùng mơi trường ánh sáng truyền với vận tốc bằng vân tốc của sĩng điện từ. C. Ánh sáng cĩ tính chất hạt, mỗi hạt ánh sáng được gọi là một phơ tơn.
D. Thuyết lượng tử ánh sáng chứng tỏ ánh sáng cĩ bản chất sĩng.
Câu 226. Chọn câu sai.
A. Các định luật quang điện hồn tồn phù hợp với tính chất sĩng của ánh sáng. B. Thuyết lượng tử do Planck đề xướng.
C. Anhxtanh cho rằng ánh sáng gồm những hạt riêng biệt gọi là photon.
D. Mỗi photon bị hấp thụ sẽ truyền hồn tồn năng lượng của nĩ cho một electron.
Câu 227. Giới hạn quang điện λ0 của natri lớn hơn giới hạn quang điện của đồng vì:
A. Natri dễ hấp thu phơtơn hơn đồng.
B. Phơtơn dễ xâm nhập vào natri hơn vào đồng.
C. Để tách một êlectron ra khỏi bề mặt tấm kim loại làm bằng natri thì cần ít năng lượng hơn khi tấm kim
loại làm bằng đồng.
D. Các êlectron trong miếng đồng tương tác với phơ tơn yếu hơn là các êlectron trong miếng natri.
Câu 228. Chiếu một chùm ánh sáng đơn sắc vào một tấm kẽm. Hiện tượng quang điện sẽ khơng xảy ra nếu ánh sáng cĩ bước sĩng:
A. 0,1 µm B. 0,2µm C. 0,3µm D. 0,4µm
Câu 229. Chọn câu sai. Các hiện tượng liên quan đến tính chất lượng tử của ánh sáng là:
A. Hiện tượng quang điện. B. Sự phát quang của các chất.
C. Hiện tượng tán sắc ánh sáng. D. Tính đâm xuyên.
Câu 230. Theo thuyết lượng tử ánh sáng thì kết luận nào sau đây là sai?
A. Nguyên tử hay phân tử vật chất hấp thu hay bức xạ ánh sáng thành từng lượng gián đoạn. B. Mỗi phơtơn mang một năng lượng ε = hf.
C. Cường độ chùm sáng tỉ lệ với số phơtơn trong chùm.
D. Khi ánh sáng truyền đi, các phơtơn bị thay đổi độ tương tác với mơi trường.
Câu 231. Trong hiện tượng quang điện ngồi, vận tốc ban đầu của êlectron quang điện bật ra khỏi kim loại cĩ giá trị lớn nhất ứng với êlectron hấp thu:
A. Tồn bộ năng lượng của phơtơn. B. Nhiều phơtơn nhất.
C. Được phơtơn cĩ năng lượng lớn nhất. D. Phơtơn ngay ở bềmặt kim loại.
Câu 232. Chọn câu đúng. Electron quang điện cĩ động năng ban đầu cực đại khi:
A. Photon ánh sáng tới cĩ năng lượng lớn nhất. B. Cơng thốt của electron cĩ năng lượng nhỏ nhất.
C. Năng lượng mà electron thu được là lớn nhất. D. Năng lượng mà electron bị mất đi là nhỏ nhất.
Câu 233. Chọn các cụm từ thích hợp để điền vào chỗ trống cho hợp nghĩa: “Theo thuyết lượng tử: Những nguyên tử hay phân tử vật chất …………… ánh sáng một cách ……………… mà thành từng phần riêng biệt mang năng lượng hồn tồn xác định ……………ánh sáng”.
A. Khơng hấp thụ hay bức xạ, liên tục, tỉ lệ thuận với bước sĩng. B. Hấp thụ hay bức xạ, liên tục, tỉ lệ thuận với tần số.
C. Hấp thụ hay bức xạ, khơng liên tục, tỉ lệ nghịch với bước sĩng. D. Khơng hấp thụ hay bức xạ, liên tục, tỉ lệ nghịch với tần số.
Câu 234. Xét các hiện tượng sau của ánh sáng:
1 - Phản xạ 2 - Khúc xạ 3 - Giao thoa 4 - Tán sắc
5 - Quang điện 6 - Quang dẫn.
Bản chất sĩng của ánh sáng cĩ thể giải thích được các hiện tượng