Giải Vật Lý 12 Bài 30. Hiện tượng quang điện - Thuyết lượng tử ánh sáng

Chương VI. LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG
Bài 30. HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN
THUYẾT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG
A. KIẾN THỨC CẦN NẮM VỮNG
Hiện tượng quang điện - Các định luật quang điện
Định nghĩa
Hiện tượng ánh sáng làm bật các electron ra khỏi bề mặt kim loại gọi là hiện tượng quang điện ngoài, thường gọi tắt là hiện tượng quang điện.
Các kết quả chính của thí nghiệm với tế bào quang điện
+ Khi chiếu sáng vào catốt ánh sáng có bước sóng ngắn thích hợp, 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).
+ Với mỗi kim loại dùng làm catổt, mỗi ánh sáng kích thích phải có bước sóng nhỏ hơn một giá trị nào đó gọi là giới hạn quang điện thì hiện tượng quang điện mới xảy ra.
+ Khảo sát sự biến thiên của dòng quang điện theo hiệu điện thế giữa anốt và catốt thu được đường đặc trưng vôn-ampe (hình bên).
+ Cường độ dòng quang điện bão hòa tỉ lệ với cường độ chùm sáng kích thích.
+ Giá trị hiệu điện thế hãm phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng kích thích.
Các định luật quang điện
Định luật quang điện thứ nhất (hay định luật về giới hạn quang điện) Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi ánh sáng bị kích thích chiếu
vào kim loại có bước sóng nhỏ hơn hoặc bằng bước sóng xo. Ào được gọi là giới hạn quang điện của kim loại:
z. < A.0
Định luật quang điện thứ hai (hay định luật về cường độ dòng điện bão hòa)
Đốì với mỗi ánh sáng thích hợp (có X < Ào) cường độ dòng quang điện bão hòa tỉ lệ thuận với cường độ của chùm sáng kích thích.
Định luật quang điện thứ ba (hay định luật về động năng của cực đại của electron quang điện)
Động năng ban đầu cực đại của electron quang điện 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.
ĩ. Thuyết lưựng tử ánh sáng - Lưỡng tính sóng - hạt của ánh sáng
rI huyết lượng tử do Plăng (người Đức) đề xướng năm 1900.
c. Nội dung cơ bản của thuyết lượng tử ánh sáng
Những nguyên tử hay phân tử vật chất không hấp thụ hay bức xạ ánh sáng một cách liên tục, mà thành từng riêng biệt, đứt quãng. Mỗi phần đó mang một năng lượng hoàn toàn xác định, có độ lớn là s - hf, trong đó f là tần số ánh sáng, h là hằng số’ Plăng (h = 6,265.10’34Js). Mỗi phần đó gọi là một lượng tử năng lượng.
Chùm ánh sáng được coi như một chùm hạt, mỗi hạt được gọi là một phôtôn ..., mang một lượng tử năng lượng các phôtồn chuyển động với vận tốc bằng vận tốc ánh sáng. Khi ánh sáng truyền đi, các phôtôn không bị thay đổi, không phụ thuộc vào khoảng cách tới nguồn sáng.
Với ánh sáng có tần số đã cho, cường độ chùm ánh sáng tỉ lệ với số phôtôn trong chùm.
ỏ. Công thức Anhstanh về hiện tượng quang điện
Theo Anhstanh, trong hiện tượng quang điện có sự hấp thụ hoàn toàn phôtôn chiếu tới. Mỗi phôtôn bị hấp thụ sẽ truyền hoàn toàn năng lượng của nó cho electron. Đô'i với các electron nằm ngay trên bề mặt kim loại, năng lượng này được dùng vào hai việc:
Cung cấp cho electron một công A để nó thắng được các lực liên kết trong tinh thể và thoát ra ngoài kim loại. Công này gọi là công thoát electron.
Cung cấp cho electron một động năng ban đầu. So với động năng ban đầu mà các electron nằm sâu bên trong thu được, thì động năng ban đầu này là cực đại (^-mvổmax).
Công thức: hf = A + ỳmv*max
c. Giải thích các định luật quang điện bằng thuyết lượng tử ánh sáng
Giải thích định luật quang điện thứ nhất
Từ công thức Anhstanh: hf = A + -^mvổmax. Vì -^mvổmax > 0 nên để xảy ra hiện tượng quang điện, phôtôn của ánh sáng kích thích phải có c năng lượng lớn hơn hoặc bằng công thoát A: e = hf > A hay h > A.
Ả
Suy ra Ă. < hay À, < Ào với Ào = -“ •
A	A
Giải thích định luật quang điện thứ hai
Với À < Ào nếu cường độ chùm sáng kích thích càng lớn thì trong một đơn vị thời gian: số' phôtôn đến đập vào mặt catốt càng nhiều, số electron
quang điện bị bật ra cũng càng nhiều. Dòng quang điện bão hòa là dòng nô _
các electron: Ibh =	, do sô electron (n) bức ra lớn nên cường độ dòng
t
quang điện bão hòa cũng lớn.
* Giải thích định luật quang điện thứ ba
Từ công thức Anhstanh về hiện tượng quang điện:
hf = A + ịmvf. •
ọ Omax
Ta thấy: động năng ban đầu cực đại của electron quang điện chỉ phụ thuộc vào tần số ỉ (hay bước sóng À.) của ánh sáng kích thích và công thoát A (A phụ thuộc bản chất kim loại).
Lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng
Ánh sáng nhìn thấy cũng như các tia hồng ngoại, tia tử ngoại, tia Rơnghen, đều là các sóng điện từ có bước sóng khác nhau. Chúng đều có cùng bản chất điện từ.
Ánh sáng lại có tính chất hạt (tính chất lượng tử).
Vậy: ánh sáng có lưỡng tính sóng hạt.
B. HƯỚNG DẪN TRẢ LỜI CÂU H0I VÀ GIẢI BÀI TẬP
Bài 1. Trình bày thí nghiệm Hézt về hiện tượng quang điện.
Trả lời
Gắn một tấm kẽm tích điện âm vào gần một tĩnh điện kế, kim của tĩnh điện kế lại lệch đi một góc nào đó. Sau đó, chiếu một chùm sáng do hồ quang điện phát ra vào tấm kẽm, thì góc lệch của kim trong tĩnh điện kế giảm đi. Nếu ta thay tấm kẽm bằng một kim loại khác, ta cũng thấy hiện tượng tương tự xảy ra.
Bài 2. Hiện tượng quang điện là gì?
Trả lời
Hiện tượng quang điện là hiện tượng các electron trên bề mặt kim loại bị bức xạ khỏi mặt khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào bề mặt kim loại đó. Các electron thoát ra khỏi bề mặt kim loại được gọi là các quang electron.
Bài 3. Phát biểu định luật về giới hạn quang điện.
Trả lời
Phát biểu định luật: Đốì với mỗi kim loại, ánh sáng kích thích phải có bước sóng 2 ngắn hơn hay bằng giới hạn quang điện Ậ) của kim loại đó. Bước sóng Ặ) còn gọi là giới hạn quang điện hay giới hạn đỏ của kim loại.
Bài 4. Phát biểu nội dung của giả thuyết Planck.
Trả lời
Phát biểu giả thuyết 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 96	Giãi BT Vặt lý 12 - CB 
và bằng có giá trị E = hf. Trong đó f là tần sô' của ánh sáng bị hấp thụ hay được phát ra, h là một hằng số được gọi là hằng số Planck, hằng sô' này có giá trị h = 6,25.10~34J.s
Bài 5. Lượng tử năng lượng là gì?
Trả lời
Lượng tử năng lượng là năng lượng mà mỗi lần một nguyên tử hay 7	c 	
phân tử hấp thụ hay phát ra. E = hf = h— với lì - 6,625.10~34Js (hằng sô' Planck).
Bài 6. Phát biểu nội dung của thuyết lượng tử ánh sáng.
Trả lời
Nội dung thuyết lượng tử ánh sáng.
Ánh sáng được tạo thành bởi các hạt phôtôn.
Với mỗi ánh sáng đơn sắc có tần sô' f, các hạt phôtôn đều giống nhau, mỗi phôtôn mang một năng lượng E = hf.
. * Phôtôn bay với vận tô'c V = 3.108m/s dọc các tia sóng.
Mỗi lần một nguyên tử hay phân tử phát xạ hay hấp thụ ánh sáng thì chúng phát ra hay hấp thụ một phôtôn.
Bài 7. Phôtôn là gì?
Theo Einstein, chùm ánh sáng là một chùm hạt, mỗi hạt là một phôtôn. Mỗi phôtôn ứng với một lượng tử ánh sáng (£ = hf ).
Bài 8. Giải thích định luật về giới hạn quang điện bằng thuyết phôtôn.
Trả lời
Mỗi phôtôn bị hâ'p thụ sẽ truyền toàn bộ năng lượng của nó cho electron. Đô'i với mỗi electron nằm ngang trên bề mặt của kim loại thì phần năng lượng này dùng để:
Cung cấp cho electron một công A để nó thắng được các liên kết và thoát ra khỏi kim loại. Công này gọi là công thoát A.
Cung cấp cho electron một động năng ban đầu — mvồ
Đặt Àn = — => X < X)
° A
Bài 9. Hiện tượng nào dưới đây là hiện tượng quang điện?
Electron bức ra khỏi kim loại bị nung nóng.
Electron bật ra khỏi kim loại khi có ion đập vào.
c. Electron bị bật ra khỏi một nguyên tử khi va chạm với một nguyên tử khác.
D. Electron bị bật ra khỏi kim loại khi bị chiếu sáng.
Trả lời
Chọn câu D. Electron bị bật ra khỏi kim loại khi bị chiếu sáng.
* Dựa vào bảng 30.1 để trả lời câu 10 và 11 Bài 10. Chọn câu đúng.
Chiếu một tia sáng đơn sắc vào mặt một tấm đồng. Hiện tượng quang điện sẽ không xảy ra nếu ánh sáng có bước sóng.
A. 0,1(1111	B. 0,2(1111	c. 0,3ịim D. 0,4(im.
Trả lời
Hiện tượng quang điện xảy ra khi: Ả Chọn câu D.
Bài 11. Ánh sáng có bước sóng 0,75 (im có thể gây ra hiện tượng quang điện ở chất nào dưới đây?
A. Canxi B. Natri	c. Kali D. Xêdi.
Trả lời
X0Ca = 0,75 (im; XŨNa = 0,5 (.1111; X0K = 0,55 |im; XOxesi 0,66 (im Ánh sáng kích thích có bước sóng Ả = 0,75 (1111 => Chọn câu A.
Bài 12. Tính lượng tử năng lượng của các ánh sáng đỏ (0,75(im) và vàng (0,55 |im)
Trả lời
Lượng tử năng lượng của ánh sáng đỏ:
X 0,75.10“6	v 7
Lượng tử năng lượng của ánh sáng vàng:
s = hf = h^6-6^3’S^36,136.1Q^(J)
X 0,55.106	v 7
Bài 13. Giới hạn quang điện của kẽm là 0,35(im. Tính công thoát của electron khỏi kẽm theo đơn vị jun và eV.
Cho leV = l,6.10_19J.
Giải
Công thoát của electron khi thoát ra khỏi bề mặt tâm kẽm:
A =	=	78574.10^
xo 0,35.10'6
56,78574. IO'20
= —	_,n	(J) — 3,55 (eV).
1,6.10“ 9	v 7 v 7