3.1.1- Mục tiêu
Định nghĩa được hiện tượng và phát biéu được các định luật quang điện.
Nêu được nội dung cơ bản của thuyết lượng tử ánh sáng.
Nhận biết được lưỡng tính sóng - hạt của ánh sáng.
Nêu được cấu tạo, nguyên tắc hoạt động của quang trở và pin quang điện.
Nêu được các ứng dụng của hiện tượng quang điện trong.
Định nghĩa được hiện tượng quang - phát quang: huỳnh quang va lân quang và dùng
thuyết lượng tử ánh sáng đề giải thích các hiện tượng đó.
Phát biểu hai tiên đề Bohr vả giải thích sự tạo thành quang phô phát xạ và quang phd hap thụ của nguyên tử hydro.
Nêu được định nghĩa. đặc điểm, nguyên tắc cầu tạo của Laser.
Các định luật quang điện Hiện tượng
quang điện ngoài [ quang |
3.1.2- Cấu trúc chương trình
Hiện tượng -
quang điện trong Pin quang điện
Hiện tượng Hiển tương lân quang
quang phát quang
Hiện tượng huỳnh quang
Quang phé vạch của
nguyên tir hydro
Theo thuyết lượng tử, các nguyên tử hay phan tử vat chat không hap thụ hay bức xa
Mẫu nguyên từ Borh
Sơ lược về Lazer |
3.1.3- Tóm tắt lý thuyết
3.1.3.1- Lượng tir ánh sáng
ánh sáng một cách liên tục, mà thành từng phan riêng biệt, đứt quãng. Mỗi phan tử đó mang
một năng lượng hoàn toàn xác định.
h = 6,625.10 J.s: Hang số Planck
ƒ: Tan số sóng ánh sáng A: Bước sóng ánh sáng c= 3.10” m/s: Vận tốc ánh sáng trong chân không
Mỗi phan tử ánh sáng được gọi là lượng tử ánh sáng, hay photon. Như vay, chùm ánh
sáng được xem như một chùm các photon.
3.1.3.2- Hiện tượng quang điện
Là hiện tượng khi chiều một chùm sáng thích hợp (có bước sóng ngắn) vào một tam
kim loại thi nó làm cho các electron ở trong kim loại đó bi bật ra. Các electron bat ra gọi là các electron quang điện.
3.1.3.3- Các định luật quang điện
Định luật thứ nhất: Đôi với mỗi kim loại, hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi bước sóng ánh sáng kích thích nhỏ hơn hoặc bằng bước sóng Ay, Ay được gọi là giới hạn quang
điện của kim loại đó.
A: Công thoát của electron.
Định luật thứ 2: Cường độ của dòng quang điện bão hòa tỉ lệ thuận với cường độ cham sáng kích thích.
Inn = Noe
n,: Số electron bật ra khỏi catod va đi tới anod mỗi giây e= 1,6 .10?C: Điện tích nguyên tô
Định luật thứ 3: Động năng ban đầu cực đại của quang electron không phụ thuộc vào
cường độ chùm sáng kích thích mà chỉ phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng kích thích và
bản chất kim loại dùng làm catod.
Wyo. =o =e,
max 2
m = 9,1 ,10”” kg: Khối lượng của electron Uạ: Độ lớn của hiệu điện thé hãm
3.1.3.4- Công suất của bức xa roi vào catod
nạ: Số photon ứng với bức xạ À. đập vào catod trong 1 giây
é: Lượng tử ánh sang
3.1.3.5- Hiệu điện thé hãm
Dòng quang điện bắt đầu bị triệt tiêu hoàn toàn khi hiệu điện thể giữa anod và catod phải đạt tới một giá trị âm -Ú; nào đó. Tức giá trị hiệu điện thế hãm ứng với trường hợp quang electron có vận tốc ban đầu cực đại đến sát anod thì dừng lại do lực điện trường sinh công cản tác dụng lên electron quang điện. Ap dụng định lý động năng, ta có:
AW, = AS — SMV = EU = CUn = Waemax1,(ma —”
ô Dieu kiện đẻ triệt tiờu dong quang điện: Uy, < -U¿
3.1.3.6- Điện thế cực đại
Khi hiện tượng quang điện xảy ra thì các quang electron bứt ra khỏi tam kim loại cô lập làm tắm kim loại tích điện dương và tạo | điện thế V cho tắm kim loại. Xung quanh tam kim loại xuất hiện điện trường, tác dụng lực điện trường lên quang electron, Số quang electron bị bit ra càng nhiều thì điện trường này càng lớn, va lực điện trường cũng lớn dân. Đến một lúc nào đó khi các electron bứt ra đều bị lực điện trường kéo trở lại tam kim loại ké cả các quang clectron có vận tốc cực đại thì tam kim loại tích điện tích dương lớn nhất vả có điện thế cực đại. Áp dụng định lý động năng:
AW, =AS —Z mv =~eV_ —=V_ =— tt
0 tá tra trúc
“ ể
3.1.3.7- Công thức Einstein về hiện tượng quang điện
M
hf ho = A+ om = A+W,
> deat
3.1.3.8- Hiệu suất của hiện tượng quang điện (hiệu suất lượng tử)
N a,
"
Np, Ne: Tông sỐ photon chiếu tới kim loại va electron bật ra khỏi kim loại trong
cùng thời gian t.
n„: Số electron bật ra khỏi kim loại trong mỗi giây.
Np! Số photon chiếu tới kim loại trong mỗi giây.
3.1.3.9- Tia Roéntgen
Tia Roéntgen là sóng điện từ có bước sóng ngắn, trong khoảng từ 10° m (tia Roéntgen
mềm) đến 10” m (tia Ro&ntgen cứng). Nó được phát ra do chùm electron có vận tốc lớn
(chùm tia catod) tới đập vào một miếng kim loại có nguyên tử lượng lớn dùng làm đối catod
(platin, vonfram,..) (Hình 3.1)
Dong electron
Hình 3.1- Mo hình ống Roéntgen
Đặt vào anod va catod của ống một hiệu điện thể U. Electron chuyên động trong điện
trường, bị lực điện trường tác dụng lên một công dương.
Áp dụng định lý động năng ta có: Wg - Wao = eU
Vi vận tốc ban đầu của các electron khi birt ra khỏi catod thường nhỏ hơn rat nhiều so
với vận tốc của electron đập vào đối catod nên Wy >> Wyy. Thông thường, ta bỏ qua động
nang ban đầu của chùm electron =>W¿= eU.
Động năng của chùm clectron đến đập vào đối catod một phân tạo thành tia X có năng lượng hf, một phan làm nóng đối catod. Theo định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng
tacó: Wy=hf+Q
- Nếu toàn bộ động năng này chuyên thành năng lượng của tia Roéntgen thì tia Roéntgen có tan số lớn nhất ứng với bước sóng nhỏ nhất thỏa :
Hf... =W, =eU =f, 2S ; nướng an:
h ts eU
- Nếu toàn bộ động năng này chuyển thành nhiệt lượng làm nóng đỗi catod thi:
Q=W¿=cU
3.1.3.10- Mẫu nguyên tử Bohr - Hai giả thuyết (tiên đè) Bohr
Giả thuyết 1: Nguyên tr chỉ tồn tại ở những trang thái có nang lượng xác định E;,
E¿,... gọi là các trạng thái dừng. Ở các trạng thái dừng, nguyên tử không bức xạ năng lượng.
Bình thường nguyên tử ở trạng thái cơ ban, có năng lượng thấp nhất.
* Dối với nguyên tử hydro, năng lượng cúa nguyên tử ứng với trạng thái dừng thứ n:
E,= hy) n=] 2.3)...
n
Gia thuyết 2: Khi nguyên tử chuyền từ trang thai dừng có năng lượng E,, sang E„ (Eq,
> Ea) thi nguyên tử phát ra một photon có năng lượng đúng bang hiệu E,,,-E,. €=hfin
= En — E,
fron? Tan số sóng ánh sáng ứng với photon đó.
Ngược lại, nêu nguyên tử đang ở trạng thái đừng có năng lượng E„ thấp mà hap thụ được một photon có năng lượng hf„„ đúng bằng hiệu Ey, — E„ thì nó chuyền lên trạng thái
dừng có năng lượng E,, lớn hơn.
- Hệ qua quan trong
Trong các trạng thái dừng, electron chỉ chuyển động quanh hạt nhân theo những quỹ
đạo có bán kính hoàn toàn xác định. gọi là các quỹ đạo dừng.
Đối với nguyên tử hydro, bán kính quỹ đạo dừng tăng tỉ lệ bình phương các số nguyên liên tiếp:
r=nn,D
Với 5, =5,3.10"''m: Bán kính Bohr
Ban kính của quỹ đạo thứ nhất K (là quỹ dao gan hat nhân nhat) là ro, của quỹ dao thứ
hai L là 4ro, của quỹ đạo thứ ba M là 9rạ,...
3.1.3.11- Quang phố vạch của nguyên tử Hydro
Quang phố vạch của nguyên tử hydro gồm nhiều day vạch xác định, tách rời nhau. Có nhiều day quang phô. trong chương trình trung học phô thông chỉ tìm hiểu về 3 day: Lyman,
Balmer, Paschen.
- Dãy Lyman gom một số vạch trong vùng tử ngoại. Các vạch nay được tạo thành khi electron chuyển tit các quỹ đạo ngoài (L, M, N,...) về quỹ đạo K, ứng với nguyên tử chuyền
từ trạng thái có mức năng lượng lớn hơn (E>, E3, E¿,...) về trang thái đừng có mức năng lượng thấp nhất E;¡.
- Dãy Balmer gồm những vạch nằm trong vùng tử ngoại và 4 vạch nằm trong vùng ánh sáng nhin thấy ( H, (đỏ). Hp (lam). H, (cham), Hs (tim)). Các vạch quang phô trong dãy Balmer được tạo thành khi electron chuyên từ các quỹ đạo bên ngoài về quỹ đạo L, ứng với
sự chuyển nguyên tử từ trạng thái có mức năng lượng lớn hơn về trạng thái có mức năng
lượng E>.
- Dãy Paschen gồm các vạch năm trong vùng hồng ngoại. Các vạch trong dãy Paschen được tạo thành khi electron chuyên từ các quỹ đạo bên ngoài về quỹ đạo M, ứng với nguyên tử chuyên từ trạng thái có mức năng lượng lớn hơn về trạng thái có mức năng lượng Ea.
* Công thức thực nghiệm xác định bước sóng bức xạ do nguyên tử phát ra:
1. l= _ =)
Aan m n
Hình 3.2- Sơ đồ quang phổ vạch của nguyên tử hydro.
3.2- HỆ THÓNG BÀI TẬP
3.2.1- Bài tập định tính
Bai 1. Trong thí nghiệm đối với một tế bào quang điện, kim loại ding làm catod có bước sóng giới han Ao. Khi chiếu lần lượt các bức xạ có bước sóng Ay < À¿ < Às < Ao thì do được hiệu điện thé ham tương ứng là Un), Uno, Un3. Nếu chiếu đồng thời cả ba bức xạ trên thì hiệu điện thế hãm của tế bào quang điện là bao nhiêu?
Bài 2. Dựa vào đồ thị hình 3.3, hãy so sánh công thoát Natri va Kali.
Du€V)
TA) Ay J
NJ
Ũ to tox (Hz) © Var W
Hinh 3.3- Do thi bai 2 Hình 3.4- Duong đặc trưng Von - Ampe bài 4
Bài 3. Trong tế bào quang điện, dòng quang điện có thể triệt tiêu với hiệu điện thế Ua,
>0 được không?
Bài 4. Cho hai chùm sáng đơn sắc có cường độ, bước sóng theo thứ tự là Jy, 4 và Jo, A> lần lượt chiếu vào catod của một tế bao quang điện. Ta biểu diễn được đường đặc trưng
Vôn-Ampe (Hình 3.4). Hãy so sánh 4,,4, và J¡, Jo,
Bai 5. Khi chiếu bức xạ kích thích 2. qua một lượng khí hydro ở trạng thái cơ bản ta thấy chất khí phát ra ba bức xạ đơn sắc với bước sóng khác nhau. Trong ba bức xạ đó chỉ có một bức xạ thuộc ánh sáng khả kiến. Ánh sáng đó có màu gì?
3.2.2- Bài tập định lượng
3.2.2.1. Chủ đề 1 - Hiện tượng quang điện
Vấn đề 1: Xác định các đặc trung cua kim loại (Ao, A); electron quang điện (Waomax?
Vomax); dòng quang điện (Ip); U;,); điện thế cực đại.
Bài 1. Khi chiếu bức xạ có bước sóng 0,405 um vào bề mặt catod của một tế bào quang điện, ta được một dòng quang điện bão hòa có cường độ 1. Có thể làm triệt tiêu dòng điện này bằng hiệu điện thế hãm 1,26 V. Tìm giới hạn quang điện của kim loại làm catod.
Bài 2. Chiếu một bức xạ có bước sóng 0,390 um lên catod của một tế bào quang điện thì hiệu điện thế hãm là 0,76 V. Nếu thay bức xạ kích thích trên bằng bức xạ có bước sóng 0,550 ym thì vận tốc ban đầu cực đại của electron lúc này bằng bao nhiêu?
Bài 3. Người ta chiếu ánh sáng có bước sóng 0,450 pm vào hai tế bao quang điện có công thoát 4,14 eV và 2,70 eV. Tính hiệu điện thế him của mỗi tế bào quang điện.
Bai 4. Giới hạn quang điện của rubi là 0,810 um. Nếu bước sóng tới giảm bớt dA thì phải tăng hiệu điện thé hãm lên 0,15 V. Tính dA?
Bài 5. Biết công thoát của đồng là 4,47 eV.
a. Hỏi khi chiếu bức xạ điện từ có bước sóng 0,140 um vào một quả cầu đồng cô lập về điện thì quả cầu đạt điện thế cực đại bằng bao nhiêu?
b. Thay đổi bức xạ kích thích chiếu vào qua cầu đó đề điện thé cực đại đạt được là V’ = 3V. Tính bước sóng kích thích và động năng ban đầu của electron quang điện?
Vấn đề 2: Công suất bức xạ và hiệu suất lượng tử.
Bài 6. Chiếu một ánh sáng có bước sóng 0,489 pm lên catod của một tế bào quang điện thì hiệu điện thế hãm là 0,39 V; dòng quang điện bão hòa là 5 mA và công suất ánh sáng chiếu tới là 1,25 W. Hãy tìm hiệu suất lượng tử.
Bài 7. Chiếu bức xạ kích thích có bước sóng 0,300 um và cường độ 3 W/m’ vào bề mặt một kim loại. Tính số quang electron phat ra trên một đơn vi diện tích trong một đơn vi thời gian. Biết hiệu suất lượng tử là 5%.
Bài 8. Chiếu bức xạ có tần số 6,25.10'' Hz lên catod của một tế bào quang điện có giới hạn quang điện là 0,576 um. Hãy tính công suất bức xạ chiếu tới catod, biết số điện tử bật ra khỏi catod trong một giây là 5,25.10'° hạt, bằng 20% số photon đập vào catod trong I giay.
Bài 9. Chiếu bức xạ có bước sóng 0,450 um vào catod của một tế bào quang điện ta được dòng quang điện bão hòa i. Biết cứ 5 photon đập vào thì có 1 electron bị but ra khỏi catod. Nếu mỗi giây có 3,06.10'? photon chiếu đến thì cường độ dòng quang điện bão hòa thì công suất bức xạ của nguồn là bao nhiêu?
Vẫn đề 3: Chuyển động của electron quang điện trong điện trường và từ trường.
Bài 10. Catod của một tế bao quang điện được phủ một lớp cesi, có công thoát 1,9 eV.
Chiếu lên catod một chùm sáng đơn sắc bước sóng 0,560 um. Dùng màn chắn tách ra một chùm hẹp các quang electron quang điện va hướng nó vào từ trường đều có B vuông góc với vectơ vận tốc của quang electron, và độ lớn 6,1.10° T. Xác định bán kính quỹ đạo cực
đại của các quang electron đi trong từ trường.
Bài 11. Tính từ trường cần thiết để uốn cong quỹ đạo theo một bán kính 20 em của các quang electron trên bề mặt kim loại bari phát ra dưới tác dụng của ánh sáng kích thích có
bước sóng 4000A°. Cho công thoát của bari là 2,5 eV và vận tốc của quang electron vuông
góc với cảm ứng từ B.
Bài 12. Một điện cực phẳng bằng nhôm được roi bởi bức xạ bước sóng 83 nm.
a. Quang electron có thể rời xa khỏi bề mặt kim loại một khoảng tối đa là bao nhiêu nếu bên ngoài điện cực có một điện trường cản là 7,5 V/cm? Cho biết giới hạn quang điện
của nhôm là 332 nm.
b. Nếu không có điện trường hãm, và điện cực được nối đất qua điện trở 1MQ thì dòng
điện cực đại qua điện trở (đạt được khi chùm sáng đủ mạnh) là bao nhiêu?
Bài 13. Anod của một tế bao quang điện là tam kim loại phăng, đặt đối diện và cách catod 1 cm. Thiết lập giữa anod và catod một hiệu điện thế 18,2 V và chiếu lên catod một chùm sáng hẹp có bước sóng 0,33 wm. Xác định bán kính lớn nhất của vùng electron đập lên
anod.
Van đề 4: Xác định hằng số Plank.
Bài 14. Khi chiếu bức xạ có bước sóng 0,236 um vào catod của một tế bào quang điện thì hiệu điện thé hãm là 2,749 V. Khi chiếu bức xạ 0,138 um thì hiệu điện thé hãm là 6,487 V. Hãy xác định hằng số Plank.
Bài 15. Người ta rọi vào catod của một tế bào quang điện các bức xạ kích thích đơn sắc. Với bức xạ có tần số 2,200.10'° Hz thì có hiệu điện thế ham Uy. Khi dùng bức xa tan số 2,538.10'° Hz thì hiệu điện thế ham tăng thêm 1,4 V. Hãy xác định hằng số Plank.
3.2.2.2- Chú đề 2: Ong Roéntgen
Van đề 1: Tinh bước sóng nhỏ nhất- tan số cực đại.
Bài 1. Trong một ống Roẽntgen người ta tạo ra một hiệu điện thế không đổi 2.10” V giữa 2 cực. Tính tần số cực đại của tia Roẽntgen.
Bai 2. Một ống Roẽntgen phát được bức xạ có bước sóng nhỏ nhất 5A°. Dé tăng độ cứng của tia Roéntgen, người ta cho hiệu điện thế giữa 2 cực tăng thêm 500 V. Tính bước sóng ngắn nhất của tia Roéntgen phát ra khi đó.
Van đề 2: Cường độ dòng điện - Hiệu điện thé trong ống Roéntgen
Bài 3. Trong một phút người ta đếm được 6.10 electron đập vào đối catod. Tính cường độ dòng quang điện trong ống Roéntgen.
Bài 4. Khi tăng hiệu điện thé của một ống Roẽntgen lên 1,5 lần thì bước sóng cực tiểu của tia X biến thiên 26 pm. Hãy xác định hiệu điện thế ban đầu của ống.
Vẫn đề 3: Thông số của chùm electron
Bài 5. Electron trong đèn hình của một tivi màu được gia tốc với một hiệu điện thế xoay chiều có giá trị hiệu dụng là 18 kV. Hãy tính vận tốc cực đại của electron khi va đập
vào màn.
Bai 6. Một ống Roéntgen phát được bức xạ có bước sóng nhỏ nhất là 5A°. Khi hoạt động, cường độ dòng điện qua ống là 0,002 A. Tính số quang electron đập vào đối catod mỗi giây. Nếu toàn bộ động năng của electron đến đập vào đối catod đều làm nóng đối catod thì nhiệt lượng tỏa ra trên đối catod trong mỗi phút là bao nhiêu?
3.2.2.3- Chủ đề 3: Mẫu nguyên tử Bohr-Quang pho vạch của nguyên tử hydro Van đề 1: Năng lượng của nguyên tử hydro ở các trạng thái dừng
Bài 1. Xác định độ biến thiên năng lượng của electron trong nguyên tử hydro khi nó chuyên từ mức M về mức K.
Bài 2. Khi chiếu lần lượt vào nguyên tử hydro ở trạng thái cơ bản các bức xạ mà photon có năng lượng 6 eV; 12,75 eV. Trong mỗi trường hợp đó, nguyên tử hydro có hấp thụ photon hay không? Và nếu có thì nguyên tử hydro sẽ chuyên sang trạng thái có năng
lượng là bao nhiêu?
Bài 3. Biết bước sóng dài nhất trong dãy Lyman là 1215 A”, bước sóng ngắn nhất trong dãy Balmer là 3650 A”. Hãy tính năng lượng ion hóa nguyên tử hydro.
Vấn đề 2: Thông số của electron: bán kính quỹ dao dừng, vận tốc chuyển động trên
quỹ đạo dừng...
Bài 4. Nguyên tử hydro gồm một hạt nhân và một electron quay xung quanh hạt nhân này. Lực tương tác giữa hạt nhân và electron là lực Comlomb. Hãy tính vận tốc electron khi nó chuyên động trên quỹ đạo K và số vòng quay của electron trong một đơn vị thời gian.
Bài 5. Photon có năng lượng 16,5 eV làm bật electron ra khỏi nguyên tử hydro ở trạng
thái cơ bản. Tính vận tốc cực đại của electron khi rời khỏi nguyên tử hydro.
Vấn đề 3: Quang phổ vạch của nguyên tử hydro
Bài 6. Khi kích thích nguyên tử hydro ở trạng thái cân bằng bằng việc hấp thụ photon có năng lượng thích hợp, bán kính quang phổ dừng của quang electron tăng lên 9 lần. Tim
các bước sóng của bức xạ mà nguyên tử có thê phát ra.