1. Thuyết điện từ về ánh sáng
- Mắc – xoen đã phát tiển tiếp thuyết sóng ánh sáng của Huy-ghen và Fre-nen, năm 1860 ông đã nêu ra giả thuyết mới về bản chất ánh sáng: “ánh sáng là sóng điện từ có bước sóng rất ngắn, lan truyền trong không gian”.
- Mắc-xoen đã thiết lập được mối quan hệ giữa các tính chất điện từ và tính chất quang của môi
trường: c
v
Trong đó: c là tốc độ ánh sáng trong chân không, v là tốc độ ánh sáng trong môi trường có hằng số điện môi và độ từ thẩm .
T à i l i ệ u ô n l u y ệ n th i Đ ạ i h ọ c m ô n V ậ t l ý 1 2
44
- Từ đó, suy ra chiết suất của môi trường: n
- Sau đó Lo-ren-xơ đã chứng tỏ được rằng phụ thuộc vào tần số f của ánh sáng:
F f
Giải thích được sự tán sắc ánh sáng.
2. Thang sóng điện từ
a) Phân loại sóng điện từ: Sắp xếp theo thứ tự giảm dần của bước sóng(tăng dần của tần số): Sóng vô tuyến Tia hồng ngoại ánh sáng nhìn thấy Tia tử ngoại Tia X Tia gamma. Sóng vô tuyến Tia hồng ngoại ánh sáng nhìn thấy Tia tử ngoại Tia X Tia gamma.
Miền sóng điện từ Bước sóng (m) Tần số (Hz)
Sóng vô tuyến điện 3.104
10-4 104 3.1012 Tia hồng ngoại 10-3 7,6.10-7 3.1011 4.1014 ánh sáng nhìn thấy 7,6.10-7 3,8.10-7 4.1014 8.1014 Tia tử ngoại 3,8.10-7 10-9 8.1014 3.1017 Tia X 10-8 10-11 3.1016 3.1019
Tia gamma Dưới 10-11
Trên 3.1019
b) Đặc điểm:
Các tia có bước sóng ngắn như tia tử ngoại, tia X, tia gamma có tính đâm xuyên mạnh, dễ tác dụng lên kính ảnh, dễ làm phát quang các chất, dễ làm iôn hoá không khí.
T i ế p s ứ c m ù a t h i 2 0 1 1
45
Chương 7
Lượng tử ánh sáng
Chủ đề 7.1. Hiện tượng quang điện I. Hiện tượng quang điện ngoài
1. Hiện tượng quang điện ngoài
a) Định nghĩa:Hiện tượng ánh sáng làm bật các electron ra khỏi bề mặt kim loại gọi là hiện tượng quang điện ngoà i(gọi tắt là hiện bề mặt kim loại gọi là hiện tượng quang điện ngoà i(gọi tắt là hiện tượng quang điện).
Các electron bật ra khỏi bề mặt kim loại gọi là các electron quang điện (hay quang electron)
b) Thí nghiệm Hecxơ (Hertz):
- Chiếu ánh sáng hồ quang (giàu tia tử ngoại) vào một tấm kẽm (Zn) tích điện âm gắn trên một điện nghiệm thì thấy hai lá của điện nghiệm cụp lại chứng tỏ kẽm đã mất điện tích âm.
- Chắn tia tử ngoại của hồ quang bằng một bản thuỷ tinh, thì hiện tượng trên không xảy ra. - Hiện tượng cũng không xảy ra nếu tấm kẽm tích điện dương.
- Thay kẽm bằng các kim loại khác như đồng, nhôm, ... là thí nghiệm ta thu được kết quả tương tự như trên.
Vậy: Khi chiếu một chùm sáng thích hợp (có bước sóng ngắn) vào một tấm kim loại thì các
electron trên mặt kim loại đó bị bậ ra.
2. Thí nghiệm với tế bào quang điện – các kết quả chính của thí nghiệm
* Dòng quang điện: Khi chiếu vào catôt ánh sáng thích hợp có bước sóng ngắn sẽ xuất hiện dòng quang điện. Dòng quang điện là dòng chuyển dời có hướng của các electron bật ra khỏi catốt (bằng kim loại) bay từ catôt sáng anôt, dòng quang điện có chiều từ anôt sang catôt dưới tác dụng của điện trường giữa A và K.
* Về bước sóng ánh sáng: Đối với mỗi kim loại dùng làm catôt có một bước sóng 0 xác định, gọi là giới hạn quang điện. Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi ánh sáng kích thích có bước sóng nhỏ hơn hoặc bằng giới hạn quang điện.
* Đường đặc trưng Vôn – Ampe: là đường biểu diễn sự biến thiên của cường độ dòng quang điện theo hiệu điện thế giữa anôt và catôt (UAK) If U
AK
. Đường V – A có đặc điểm:- Lúc UAK > 0: Bắt đầu tăng UAK thì dòng quang điện cũng tăng. Tới một giá trị nào đó I đạt tới một giá trị bão hoà Ibh, nếu tiếp tục tăng UAK thì I không tăng nữa.
- Lúc UAK < 0: Dòng quang điện không triệt tiêu ngay. Phải đặt giữa A và K một hiệu điện thế âm là -Uh nào đó thì I mới triệt tiêu hoàn toàn. Uh gọi là hiệu điện thế hãm.
* Cường độ dòng quang điện bão hoà: Cường độ dòng quang điện bão hoàtỉ lệ thuận với cường độ của chùm sáng kích thích.
Ibh = ne.e
(ne là số electron bật ra khỏi catốt trong 1 giây = số electron về anốt trong 1 giây)
* Hiệu điện thế hãm (Uh):
- Phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng kích thích và bản chất của kim loại làm catôt. - Không phụ thuộc vào cường độ chùm sáng kích thích.
- Biểu thức: e.Uh 1m .ve 0max2 2
Chú ý : Nếu ánh sáng kích thích có bước sóng lớn hơn giới hạn quang điện thì chùm sáng có cường độ rất mạnh cũng không gây ra hiện tượng quang điện.
3. Các định luật quang điện
a) Định luật quang điện thứ nhất:Giới hạn quang điện
Zn -
- - -
T à i l i ệ u ô n l u y ệ n th i Đ ạ i h ọ c m ô n V ậ t l ý 1 2
46
Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi ánh sáng kích thích chiếu vào kim loại có bước sóng nhỏ hơn hoặc bằng bước sóng 0. 0được gọi là giới hạn quang điện của kim loại đó.
0
b) Định luật quang điện thứ hai: Cường độ dòng quang điện bão hoà
Đối với mỗi ánh sáng thích hợp( có 0), cường độ dòng quang điện bão hoà tỉ lệ thuận với cường độ của chùm sáng kích thích.
c) Định luật quang điện thứ ba:Động năng ban đầu cực đại của quang electron
Động năng ban đầu cực đại của quang electron không phụ thuộc cường độ của chùm sáng kích thích, mà chỉ phụ thuộc bước sóng ánh sáng kích thích và bản chất của kim loại.
4. Những hạn chế của thuyết sóng ánh sáng
Thuyết sóng ánh sáng bất lực trước việc giải thích các định luật quang điện
Chú ý :Nếu coi hiện tượng quang điện đã xảy ra thì thuyết sóng ánh sáng giải thích được định luật quang điện thứ hai, về cường độ dòng quang điện bão hoà.
5. Giả thuyết lượng tử năng lượng của Planck(Plăng)
Thuyết lượng tử năng lượng do nhà bác học M. Plăng đề xướng năm 1900
* Nội dung: Lượng năng lượng mà mỗi lần một nguyên tử hay phân tử hấp thụ hay phát xạ có giá trị hoàn toàn xác định, gọi là lượng tử năng lượng. Lượng tử năng lượng, kí hiệu là , có giá trị bằng:
hf
Trong đó: f là tần số ánh sáng, h là hằng số Plăng: h = 6,625.10-34
(J.s)
Chú ý : Khi ánh sáng truyền đi các lượng tử năng lượng không đổi( hf ) và không phụ thuộc vào khoảng cách tới nguồn sáng.
6. Thuyết lượng tử ánh sáng. Phôtôn
Năm 1905 Anh-xtanh đề xuất thuyết lượng tử ánh sáng (Thuyết phô tôn) có nội dung:
. Chùm ánh sáng là một chùm các phôtôn (các lượng tử ánh sáng). Mỗi phô tôn có năng lượng xác định hf . Cường độ của chùm sáng tỉ lệ với số phôtôn phát ra trong 1 giây.
. Phân tử, nguyên tử, electron,... 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 không.
7. Công thức Anh-xtanh về hiện tượng quang điện
Anh-xtanh cho rằng: hiện tượng quang điện xảy ra là do electron trong kim loại hấp thụ một phô tôn của ánh sáng kích thích, phô tôn mang năng lượng hf truyền toàn bộ cho một electron dùng để:
- Cung cấp cho electron một công A, gọi là công thoát, để electron thắng được liên kết với mạng tinh thể và thoát ra khỏi bề mặt kim loại;
- Truyền cho electron đó một động năng ban đầu; - Truyền một phần năng lượng cho mạng tinh thể.
* Xét electron nằm ngay trên bề mặt kim loại thì nó có thể thoát ra ngay mà không mất năng lượng truyền cho mạng tinh thể có động năng ban đầu là cực đại 1mv20 max
2 .
áp dụng định luật bảo toàn năng lượng, ta có: A 1mv0max2 2 2 0 max hc 1 hf A mv 2 * Công thoát: 0 hc A 8. Lưỡng tính sóng – hạt của ánh sáng ánh sáng là sóng điện từ, có lưỡng tính sóng – hạt.
T i ế p s ứ c m ù a t h i 2 0 1 1
47
+ Sóng điện từ có bước sóng ngắn, năng lượng lớn: thể hiện tính chất hạt rõ nét, tính chất sóng mờ nhạt. Những biểu hiện của tính chất hạt là khả năng đâm xuyên, tác dụng quang điện, tác dụng iôn hoá, tác dụng phát quang.
+ Sóng điện từ có bước sóng dài, năng lượng nhỏ: thể hiện tính chất sóng rõ nét, như hiện tượng giao thoa, hiện tượng tán sắc,…
