Hiện tượng quang điện ngoài-Thuyết lượng tử ánh sáng

GV Kiều Thanh Bắc THPT Lương Phú

Trang - PAGE 21 -

HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN NGOÀI, THUYẾT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG

(TÀI LIỆU BÀI GIẢNG)

I. HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN NGOÀI

1) Thí nghiệm Hertz về hiện tượng quang điện

a) Thí nghiệm

▪ Chiếu chùm ánh sáng tử ngoại phát ra từ hồ quang vào tấm kẽm tích điện âm (tấm kẽm đang thừa electron) gắn trên diện nghiệm ta thấy hai lá của điện nghiệm cụp lại, tấm kẽm mất điện tích âm.

▪ Chắn chùm tia từ ngoại từ hồ quang bằng một tấm kính thì hiện tượng không xảy ra.

▪ Thay tấm kẽm tích điện âm bằng tấm kẽm tích điện dương, hiện tượng cũng không xảy ra. Thay tấm kẽm bằng các kim loại khác tích điện âm hiện tượng xảy ra bình thường.

Kết luận:

Khi chiếu chùm ánh sáng thích hợp có bước sóng ngắn vào bề mặt một tấm kim loại thì nó làm cho các electron ở bề mặt tấm kim loai bị bật ra. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng quang điện. Các e bị bật ra gọi là các e quang điện.

b) Khái niệm hiện tượng quang điện ngoài

Hiện tượng electron bị bật ra khi chiếu ánh sáng có bước sóng thích hợp vào một tấm kim loại được gọi là hiện tượng quang điện ngoài, hay gọi tắt là hiện tượng quang điện.

2) Thí nghiệm với tế bào quang điện

a) Khái niệm về tế bào quang điện

Tế bào quang điện là một bình chân không (đã được hút hết không khí bên trong), gồm có hai điện cực:

▪ Anot là một vòng dây kim loại.

▪ Catot có dạng chỏm cầu bằng kim loại.

▪ Khi chiếu vào catốt của tế bào quang điện ánh sáng đơn sắc có bước sóng thích hợp thì trong mạch xuất hiện một dòng điện gọi là dòng quang điện.

b) Kết quả thí nghiệm

▪ Với mỗi kim loại dùng làm catot, ánh sáng kích thích phải có bước

sóng λ nhỏ hơn một giới hạn λ0 nào đó thì hiện tượng mới xảy ra.

▪ Cường độ dòng quang điện phụ thuộc vào UAK theo đồ thị sau:

+ UAK > 0: Khi UAK tăng thì I tăng, đến giá trị nào đó, I đạt đến giá trị bão hòa. Lúc đó UAK tăng thì I vẫn không tăng.

+ UAK < 0: I không triệt tiêu ngay mà phải đến giá trị UAK = Uh < 0 nào đó.

♥ Chú ý:

▪ Muốn cho dòng quang điện triệt tiêu thì phải đặt giữa AK một hiệu điện thế hãm Uh < 0, trị số của Uh phụ thuộc vào bước sóng λ của chùm sáng kích thích.

▪ Dòng quang điện bão hòa khi tất cả các electron bứt ra khỏi Catot đều đến được Anot.

▪ Cường độ dòng quang điện bão hòa tỉ lệ thuận với cường độ chùm sáng kích thích mà không phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng kích thích.

▪ Độ lớn của Uh được tính từ biểu thức của định lý động năng:, trong đó e = –1,6.10–19 C là điện tích của electron, m = 9,1.10–31kg là khối lượng của electron.

II. CÁC ĐỊNH LUẬT QUANG ĐIỆN

1) Định luật I : (Định luật về giới hạn quang điện)

a) Phát biểu

Đối với mỗi kim loại, ánh sáng kích thích phải có bước sóng λ ngắn hơn hay bằng giới hạn quang điện λ0 của kim loại đó, mới gây ra được hiện tượng quang điện. Biểu thức: λ ≤ λ0

b) Đặc điểm

Giới hạn quang điện của mỗi kim loại (kí hiệu λ0) là đặc trưng riêng cho kim loại đó.

Giới hạn kim loại của một số kim loại hình:

Tên kim loạiGiới hạn quang điện (λ0)Bạc (Ag)0,26 μmĐồng (Cu)0,3 μmKẽm (Zn)0,35 μmNhôm (Al)0,36μmCanxi (Ca)0,43 μmNatri (Na)0,5 μmKali (K)0,55 μmXesi (Cs)0,58 μm ♥ Chú ý:

Quan sát bảng giá trị giới hạn quang điện của các kim loại điển hình hay dùng ta thấy rằng các kim loại kiềm có giới hạn quang điện khá lớn nên khi chiếu ánh sáng vào hiện tượng quang điện có thể dễ xảy ra hơn với các kim loại Kẽm hay Đồng hơn là các kim loại kiềm.

2) Định luật II : (Định luật về cường độ dòng quang điện bão hòa)

Với ánh sáng kích thích có bước sóng thích hợp (λ ≤ λ0) thì cường độ dòng quang điện bão hòa tỉ lệ với cường độ của chùm sáng kích thích.

3) Định luật III : (Định luật về động năng ban đầu cực đại của các electron quang điện)

Động năng ban đầu cực đại của các electrong quang điện không phụ thuộc vào cường độ của chùm sáng kích thích mà chỉ phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng kich thích và bản chất kim loại dùng làm catốt.

♥ Chú ý:

▪ Kí hiệu động năng ban đầu cực đại là Wđmax thì theo định luật quang điện III ta thấy Wđmax chỉ phụ thuộc vào λ và bản chất kim loại dùng làm Catot, do mỗi kim loại có một giới hạn quang điện nhất định nên nói một cách khác, động năng ban đầu cực đại phụ thuộc vào λ và λ0.

▪ Trong nội dung của chương trình Chuẩn thì chỉ dừng lại ở Định luật quang điện I, các định luật II và III chỉ mang tính tham khảo.

III. THUYẾT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG

1) Giả thuyết về lượng tử năng lượng Planck

Theo nhà bác học người Đức, Planck, Lượng năng lượng mà mỗi lần một nguyên tử hay phân tử hấp thụ hay phát xạ có giá trị hoàn toàn xác định, được ký hiệu là ε và có biểu thức ε = h.f

Trong đó:

f là tần số của ánh sáng bị hấp thụ hay phát ra

h là một hằng số, được gọi là hằng số Plack có giá trị h = 6,625.10–34 J.s

2) Sự bất lực của thuyết sóng ánh sáng

Theo thuyết sóng ánh thì ánh sáng là một chùm sóng điện từ. Khi đạp vào bề mặt kim loại sẽ làm cho các e ở bề mặt kim loại dao động, cường độ chùm sáng càng lớn thì các e dao động càng mạnh và bật ra ngoài tạo thành dòng quang điện. Do đó bất kì chùm sáng nào có cường độ đủ mạnh cũng gây ra hiện tượng quang điện (trái với định luật I) và động năng ban đầu cực đại của các e chỉ phụ thuộc cường độ của chùm sáng kích thích (trái với định luật III).

3) Thuyết lượng tử ánh sáng

Nội dung của thuyết lượng tử ánh sáng do nhà bác học Anhxtanh nêu lên có 3 nội dung chính: ε

▪ Ánh sáng được tạo thành bởi các hạt gọi là phôtôn, mỗi phôtôn còn gọi là các lượng tử có năng lượng xác định ε = h.f, cường độ của chùm sáng tỉ lệ với số phôtôn phát ra trong 1 giây.

▪ Phôtôn bay với tốc độ c = 3.108m/s dọc theo các tia sáng.

▪ Mỗi lần một nguyên tử hay phân tử phát xạ hay hấp thụ ánh sáng thì chúng phát ra hay hấp thụ phôtôn.

♥ Chú ý:

▪ Những nguyên tử hay phân tử vật chất không hấp thụ hay bức xạ ánh sáng một cách liên tục mà thành từng phần riêng biệt đứt quãng, mỗi phần đó mang một năng lượng hoàn toàn xác định - Chùm sáng là một chùm hạt mỗi hạt là một phôtôn mang một năng lượng xác định.

▪ Khi ánh sáng truyền đi, các lượng tử năng lượng không bị thay đổi, không phụ thuộc cách nguồn sáng xa hay gần.

IV. GIẢI THÍCH CÁC ĐỊNH LUẬT QUANG ĐIỆN

1) Hệ thức Anhxtanh

▪ Anhxtanh coi chùm sáng là chùm hạt, mỗi hạt là một phôtôn mang một năng lượng xác định ε = h.f.

▪ Trong hiện tượng quang điện có sự hấp thụ hoàn toàn phô tôn chiếu tới. Mỗi phôtôn bị hấp thụ sẽ truyền toàn bộ năng lượng của nó cho một electron. Đối với các electron trên bề mặt năng lượng ε này dùng làm hai việc:

- Cung cấp cho electron một công thoát A để thắng lực liên kết trong tinh thể và thoát ra ngoài.

- Cung cấp cho electron một động năng ban đầu cực đại để electron bay đến Anot.

Theo định luật bảo toàn năng lượng ta có ε = hf =

Công thức trên được gọi là hệ thức Anhxtanh.

♥ Chú ý:

Thay công thức tính tần số f = c/λ hoặc động năng theo Uh ta được các hệ quả của hệ thức Anhxtanh

Các hằng số : h = 6,625.10–34J.s, c = 3.108 m/s, m = 9,1.10–31kg, e = –1,6.10–19 C.

2) Giải thích các định luật quang điện

a) Giải thích Định luật I

Để xảy ra hiện tượng quang điện, năng lượng một phôtôn phải lớn hơn công thoát A (là năng lượng để giữ các electron ở lại tấm kim loại).

Khi đó ta có (1)

Đặt , được gọi là giới hạn quang điện.

Khi đó (1) được viết lại là λ ≤ λ0

b) Giải thích Định luật II

Cường độ dòng quang điện bão hòa tỉ lệ với số electron quang điện. Số electron quang điện tỉ lệ với số phô tôn đến đập vào Catot trong một đơn vị thời gian. Số phôton đến đập vào Catot trong một đơn vị thời gian tỉ lệ với cường độ chùm sáng. Vậy cường độ dòng quang điện bão hòa tỉ lệ với cường độ chùm sáng.

c) Giải thích Định luật III

Từ hệ thức Anhxtanh ta có

Ta thấy động năng ban đầu cực đại (Wđmax) chỉ phụ thuộc vào λ và A, tức là bước sóng của chùm sáng chiếu vào kim loại và bản chất kim loại làm Catot.

♥ Chú ý:

▪ Từ công thức tính giới hạn quang điện , thay vào hệ thức Anhxtanh ta được

▪ Trong các công thức tính toán thì tích số h.c thường được lặp lại nhiều lần trong các bước tính, để thuận tiện ta lưu giá trị của hằng số này hc = 19,875.10–26

▪ Giá trị của v0max dao động trong khoảng từ 105 (m/s) đến 107 (m/s).

5) Lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng

Hiện tượng giao thoa chứng tỏ ánh sáng có tính chất sóng, hiện tượng quang điện chứng tỏ ánh sáng có tính chất hạt. Vậy ánh sáng có lưỡng tính sóng hạt.

IV. MỘT SỐ VÍ DỤ ĐIỂN HÌNH

Ví dụ 1. Tính năng lượng phôtôn ứng với ánh sáng có bước sóng λ1 = 0,768 μm; λ2 = 0,589 μm; λ3 = 0,444 μm.

Hướng dẫn giải:

Áp dụng công thức tính lượng tử năng lượng ta có

Ví dụ 2. Tính bước sóng và tần số của ánh sáng có năng lượng phôtôn là 2,8.10–19 (J).

Hướng dẫn giải:

Ta có

Ví dụ 3. Tìm giới hạn quang điện của kim loại. Biết rằng năng lượng dùng để tách một electron ra khỏi kim loại được dùng làm catốt của một tế bào quang điện là 3,31.10–19 (J).

Hướng dẫn giải:

Năng lượng để tách electron ra khỏi kim loại là công thoát A của kim loại đó, vậy A = 3,31.10–19 (J).

Theo công thức tính giới hạn quang điện ta có

Ví dụ 4. Một tế bào quang điện có giới hạn quang điện λ0 = 600 nm được chiếu bởi một tia sáng đơn sắc có bước sóng λ = 400 nm. Tính

a) công thoát A của kim loại.

b) vận tốc cực đại của electron bứt ra.

Hướng dẫn giải:

a) Theo công thức tính giới hạn quang điện

b) Theo hệ quả từ hệ thức Anhxtanh ta có :

Vậy v0max = 6.105 (m/s).

Ví dụ 5. Công thoát electron ra khỏi kim loại A = 6,625.10–19 J, hằng số Plăng h = 6,625.10–34 J.s, vận tốc ánh sáng trong chân không c = 3.108 m/s. Tính giới hạn quang điện của kim loại đó.

........................................................................................................................................................................

Đáp số : λ0 = 0,300 μm.

Ví dụ 6. Chiếu bức xạ tử ngoại có λ = 0,25 μm vào một tấm kim loại có công thoát 3,45 eV. Vận tốc ban đầu cực đại của êlectron quang điện là bao nhiêu?

........................................................................................................................................................................

Đáp số : v0max = 7,3.105 m/s.

Ví dụ 7. Catốt của một tế bào quang điện làm bằng Cesi có giới hạn quang điện là 0,66 μm. Chiếu vào catốt ánh sáng tử ngoại có bước sóng 0,33 μm. Động năng ban đầu cực đại của quang electron có giá trị bao nhiêu?

........................................................................................................................................................................

Đáp số: Wd.max = 3,01.10–19 J.

Ví dụ 8. Giới hạn quang điện của kẽm là 0,36 μm, công thoát e của kẽm lớn hơn natri 1,4 lần. Giới hạn quang điện của natri có giá trị là bao nhiêu ?

........................................................................................................................................................................

Đáp số : λ0 = 0,504 μm.

Ví dụ 9. Chiếu bức xạ có bước sóng λ1 = 0,405 μm vào catôt của 1 tế bào quang điện thì vận tốc ban đầu cực đại của electrôn là v1, thay bức xạ khác có tần số f2 = 16.1014 Hz thì vận tốc ban đầu cực đại của electrôn là v2 = 2v1. Công thoát của electrôn ra khỏi catôt là

........................................................................................................................................................................

Đáp số : A = 3.10–19 J.

Ví dụ 10. Catốt của một tế bào quang điện có giới hạn quang điện λ = 322 nm. Tính

a) công thoát của electron.

b) vận tốc ban đầu cực đại của electron bắn ra từ catốt khi chiếu vào nó chùm sáng đơn sắc có bước sóng 250 nm.

........................................................................................................................................................................

Đáp số: a) A = 3,74.10–3 eV.

b) v0max = 1,31.106 m/s.

Ví dụ 11. Một lá Niken có công thoát là 5 eV, được chiếu bằng ánh sáng tử ngoại có bước sóng λ = 0,2 μm. Xác định vận tốc ban đầu cực đại của các electron bắn ra từ catôt.

Đáp số: v0max = 6,65.106 m/s.

........................................................................................................................................................................

Ví dụ 12. (TN-2008): Giới hạn quang điện của đồng (Cu) là λ0 = 0,30 μm. Biết hằng số h = 6,625.10-34 J.s và vận tốc truyền ánh sáng trong chân không c = 3.108 m/s. Công thoát của êlectrôn khỏi bề mặt của đồng là

A. 6,625.10–19 J. B. 6,265.10–19 J. C. 8,526.10–19 J. D. 8,625.10–19 J.

Hướng dẫn giải:

Công thoát: . Đáp án A

Ví dụ 13. Giới hạn quang điện của Ge là λ0 = 1,88 μm. Tính năng lượng kích họat (năng lượng cần thiết để giải phóng một êlectron liên kết thành êlectron dẫn) của Ge?

Hướng dẫn giải:

Từ công thức

Ví dụ 14. Một kim loại có công thoát là 2,5eV. Tính giới hạn quang điện của kim loại đó :

A. 0,4969 μm B. 0,649 μm C. 0,325 μm D. 0,229 μm

Hướng dẫn giải:

Giới hạn quang điện . Đáp án A

Ví dụ 15. Catốt của một tế bào quang điện có công thoát bằng 3,5eV.

a) Tìm tần số giới hạn và giới hạn quang điện của kim loại ấy.

b) Khi chiếu vào catốt một bức xạ có bước sóng 250 nm

- Tìm hiệu điện thế giữa A và K để dòng quang điện bằng 0.

- Tìm động năng ban đầu cực đại của các êlectron quang điện.

- Tìm vận tốc của các êlectron quang điện khi bật ra khỏi K.

........................................................................................................................................................................

HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN NGOÀI, THUYẾT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG

Câu 1. Hiện tượng bứt electron ra khỏi kim loại, khi chiếu ánh sáng kích thích có bước sóng thích hợp lên kim loại được gọi là

A. hiện tượng bức xạ. B. hiện tượng phóng xạ.

C. hiện tượng quang dẫn. D. hiện tượng quang điện.

Câu 2. Hiện tượng quang điện là hiện tượng electron bứt ra khỏi bề mặt của tâm kim loại khi

A. có ánh sáng thích hợp chiếu vào nó.

B. tấm kim loại bị nung nóng.

C. tấm kim loại bị nhiễm điện do tiếp xúc với vật nhiễm điện khác.

D. tấm kim loại được đặt trong điện trường đều.

Câu 3. Nếu chiếu một chùm tia hồng ngoại vào tấm kẽm tích điện âm, thì

A. tấm kẽm mất dần điện tích dương. B. tấm kẽm mất dần điện tích âm.

C. tấm kẽm trở nên trung hoà về điện. D. điện tích âm của tấm kẽm không đổi.

Câu 4. Giới hạn quang điện của mỗi kim loại là

A. bước sóng của ánh sáng kích thích chiếu vào kim loại.

B. công thoát của các electron ở bề mặt kim loại đó.

C. bước sóng giới hạn của ánh sáng kích thích để gây ra hiện tượng quang điện kim loại đó.

D. hiệu điện thế hãm.

Câu 5. Giới hạn quang điện của mỗi kim loại là

A. bước sóng dài nhất của bức xạ chiếu vào kim loại đó để gây ra được hiện tượng quang điện

B. bước sóng ngắn nhất của bức xạ chiếu vào kim loại đó để gây ra được hiện tượng quang điện

C. công nhỏ nhất dùng để bứt electron ra khỏi kim loại đó

D. công lớn nhất dùng để bứt electron ra khỏi kim loại đó

Câu 6. Giới hạn quang điện tuỳ thuộc vào

A. bản chất của kim loại.

B. điện áp giữa anôt cà catôt của tế bào quang điện.

C. bước sóng của anh sáng chiếu vào catôt.

D. điện trường giữa anôt và catôt.

Câu 7. Để gây được hiệu ứng quang điện, bức xạ dọi vào kim loại được thoả mãn điều kiện là

A. tần số lớn hơn giới hạn quang điện. B. tần số nhỏ hơn giới hạn quang điện.

C. bước sóng nhỏ hơn giới hạn quang điện. D. bước sóng lớn hơn giới hạn quang điện.

Câu 8. Khi chiếu sóng điện từ xuống bề mặt tấm kim loại, hiện tượng quang điện xảy ra nếu

A. sóng điện từ có nhiệt độ đủ cao. B. sóng điện từ có bước sóng thích hợp.

C. sóng điện từ có cường độ đủ lớn. D. sóng điện từ phải là ánh sáng nhìn thấy được.

Câu 9. Trong trường hợp nào dưới đây có thể xảy ra hiện tượng quang điện? Ánh sáng Mặt Trời chiếu vào

A. mặt nước biển. B. lá cây.

C. mái ngói. D. tấm kim loại không sơn.

Câu 10. Giới hạn quang điện của các kim loại như bạc, đồng, kẽm, nhôm nằm trong vùng

A. ánh sáng tử ngoại. B. ánh sáng nhìn thấy được.

C. ánh sáng hồng ngoại. D. cả ba vùng ánh sáng nêu trên.

Câu 11. Giới hạn quang điện của các kim loại kiềm như canxi, natri, kali, xesi nằm trong vùng

A. ánh sáng tử ngoại. B. ánh sáng nhìn thấy được.

C. ánh sáng hồng ngoại. D. cả ba vùng ánh sáng nêu trên.

Câu 12. Chiếu ánh sáng có bước sóng 0,5 μm lần lượt vào bốn tấm nhỏ có phủ canxi, natri, kali và xesi. Hiện tượng quang điện sẽ xảy ra ở

A. một tấm. B. hai tấm. C. ba tấm. D. cả bốn tấm.

Câu 13. Chiếu một chùm ánh sáng đơn sắc vào một tấm kẽm. Hiện tượng quang điện sẽ không xảy ra nếu ánh sáng có bước sóng

A. 0,1 μm. B. 0,2 μm. C. 0,3 μm. D. 0,4 μm.

Câu 14. Lần lượt chiếu hai bức xạ có bước sóng λ1 = 0,75 μm và λ2 = 0,25 μm vào một tấm kẽm có giới hạn quang điện λ0 = 0,35 μm. Bức xạ nào gây ra hiện tượng quang điện?

A. Cả hai bức xạ. B. Chỉ có bức xạ λ2.

C. Chỉ có bức xạ λ1. D. Không có bức xạ nào trong 2 bức xạ đó.

Câu 15. Electron quang điện bị bứt ra khỏi bề mặt kim loại khi bị chiếu ánh sáng nếu

A. cường độ của chùm sáng rất lớn.

B. bước sóng của ánh sáng lớn.

C. tần số ánh sáng nhỏ.

D. bước sóng nhỏ hơn hay bằng một giới hạn xác định.

Câu 16. Với một bức xạ có bước sóng thích hợp thì cường độ dòng quang điện bão hoà

A. triệt tiêu, khi cường độ chùm sáng kích thích nhỏ hơn một giá trị giới hạn.

B. tỉ lệ với bình phương cường độ chùm sáng.

C. tỉ lệ với căn bậc hai của cường độ chùm sáng.

D. tỉ lệ với cường độ chùm sáng.

Câu 17. Điều nào dưới đây sai, khi nói về những kết quả rút ra từ thí nghiệm với tế bào quang điện?

A. Hiệu điện thế giữa anốt và catốt của tế bào quang điện luôn có giá trị âm khi dòng quang điện triệt tiêu.

B. Dòng quang điện vẫn còn tồn tại ngay cả khi hiệu điện thế giữa anốt và catôt của tế bào quang điện bằng không.

C. Cường độ dòng quang điện bão hoà không phụ thuộc vào cường độ chùm sáng kích thích.

D. Giá trị của hiệu điện thế hãm phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng kích thích.

Câu 18. Phát biểu nào sau đây là sai khi nói về động năng ban đầu cực đại của các êlectron quang điện.

A. Động năng ban đầu cực đại của các electron quang điện không phụ thuộc vào cường độ chùm sáng kích thích.

B. Động năng ban đầu cực đại của các electron quang điện ph

Xem và tải về miễn phí

Tài liệu liên quan