Bài 30: Hiện Tượng Quang Điện. Thuyết Lượng Tử Ánh Sáng

I. Thí nghiệm Hecxơ

Chiếu một chùm sáng phát ra từ một hồ quang vào một tấm kim loại (kẽm, đồng, nhôm...) tích điện âm gắn trên một điện nghiệm ta thấy hai lá của điện nghiệm cụp lại. Như vậy tấm kim loại đã mất bớt điện tích âm (mất bớt êlectron).

Kết luận:

Khi chiếu một chùm sáng thích hợp (có bước sóng ngắn) vào mặt một tấm kim loại thì nó làm cho các êlectron ở mặt kim loại đó bật ra. Hiện tượng đó là hiện tượng quang điện. Các êlectron bật ra gọi là êlectron quang điện (hay quang electron).

+ Nếu tấm kim loại tích điện dương thì không có êlectron bật ra vì ở bề mặt tấm kim loại có một điện trường có tác dụng ngăn cản các êlectron bật ra. (Thực ra vẫn có các êlectron bật ra khỏi tấm kim loại nhưng lập tức bị hút trở lại).

+ Khi chắn chùm tia sáng của hồ quang bằng một tấm thủy tinh không màu thì các êlectron cũng không bật ra vì thuỷ tinh hấp thu mạnh các tia tử ngoại.

II. Định luật quang điện 1

Đối với mỗi kim loại dùng làm catôt có một bước sóng giới hạn λ₀ nhất định gọi là giới hạn quang điện. Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi bước sóng λ của ánh sáng kích thích nhỏ hơn giới hạn quang điện ( λ ≤ λ₀ ).

III. Giải thích định luật 1 quang điện bằng thuyết lượng tử

1. Giả thuyết lượng tử năng lượng của Plăng

+ 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 ε, có giá trị bằng:

(Với h là hằng số Plăng, h = 6,625.10^-34 Js; f: tần số ánh sáng)

2. Thuyết lượng tử ánh sáng (hay thuyết phôtôn)

Do Anh-xtanh đề xuất, gồm các nội dung cơ bản sau:

+ Chùm ánh sáng là chùm các phôtôn (các lượng tử ánh sáng). Mỗi phôtôn có năng lượng xác định ε = hf;

+ Cường độ chùm sáng đơn sắc tỉ lệ với số phôtôn phát ra trong 1 s;

+ Phân tử, nguyên tử, êlectron … phát xạ hay hấp thụ ánh sáng, nghĩa là chúng phát xạ hay hấp thụphôtôn;

+ Các phôtôn bay dọc theo tia sáng với tốc độ c ≈ 3.10⁸ m/s trong chân không. Các phôtôn luôn ở trạng thái chuyển động, không có phôtôn đứng yên;

+ Khi ánh sáng truyền đi, phôtôn không bị thay đổi, không phụ thuộc khoảng cách nguồn sáng xa hay gần;

+ Một chùm sáng dù yếu cũng chứa rất nhiều phôtôn, do vậy ta cảm thấy chùm sáng liên tục.

3. Giải thích định luật quang điện 1

* Theo Anh-xtanh trong hiện tượng quang điện có sự hấp thụ hoàn toàn phôtôn chiếu tới. Mỗi phôtôn bị hấp thụ sẽ truyền toàn bộ năng lượng của nó cho một êlectron. Năng lượng này dùng để:

+ Truyền một phần năng lượng cho mạng tinh thể.

+ Cung cấp cho êlectron một công A, gọi là công thoát để êlectron thắng lực liên kết với mạng tinh thể và thoát ra khỏi bề mặt kim loại.

+ Truyền cho êlectron đó một động năng ban đầu.

+ Đối với các êlectron nằm ngay trên bề mặt kim loại thì êlectron  không mất phần năng lượng truyền cho mạng tinh thể nên động năng ban đầu của êlectron có giá trị cực đại.

* Giải thích định luật 1: Như vậy, điều kiện để có hiện tượng quang điện là: 

ε ≥ A ⇒  λ ≤ λ_o (λ_o gọi là giới hạn quang điện của kim loại).  

IV. 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. Như vậy nếu chỉ coi ánh sáng là hạt thì không giải thích được hiện tượng giao thoa, còn nếu chỉ coi ánh sáng là sóng thì không giải thích được hiện tượng quang điện. Nghĩa là ánh sáng có lưỡng tính sóng - hạt.

- Những sóng điện từ có bước sóng càng ngắn thì phôtôn ứng với chúng có năng lượng càng lớn; tính hạt càng thể hiện rõ, tính sóng càng ít thể hiện.

- Những sóng điện từ có bước sóng càng dài thì phôtôn ứng với chúng có năng lượng càng nhỏ; tính hạt càng ít thể hiện, tính sóng càng thể hiện rõ.

V. Các công thức cần nhớ

1. Năng lượng phôtôn

ε =  hf =

trong đó: 

f là tần số bức xạ;

λ là bước sóng của bức xạ trong chân không.

h là hằng số Plăng (h = 6,625.10-³⁴ J.s).

c là vận tốc ánh sáng trong chân không (c = 3.10⁸ m/s).

2. Giới hạn quang điện

λ_o =  (A là công thoát của êlectron  khỏi kim loại).

3. Điều kiện để có hiện tượng quang điện (êlectron bật ra khỏi kim loại)

Năng lượng phôtôn của bức xạ chiếu tới kim loại lớn hơn công thoát A ⇒ Bước sóng bức xạ chiếu tới kim loại λ ≤  giới hạn quang điện λ_o (hay tần số f của bức xạ chiếu tới kim loại ≥ giá trị f₀ xác định).

4. Công suất bức xạ

  P = N = N.  

(trong đó N là số phôtôn tới bề mặt kim loại hoặc phát bởi nguồn trong 1 giây) 

5. Công thức Anhxtanh (Einstein)

λ = A +   ⇔   hf = = A +  

Với:    

-  A là công thoát của êlectron  khỏi kim loại.

-  v_0max là vận tốc ban đầu cực đại của các êlectron quang điện.

-  m là khối lượng êlectron  (m = 9,1.10^-31 kg) 

⇒

VI. Bài tập luyện tập Hiện tượng quang điện ngoài của trường Nguyễn Khuyến

Câu 1: Hiện tượng quang điện ngoài là hiện tượng êlectron bị bứt ra khỏi tấm kim loại khi

A. chiếu vào tấm kim loại này một bức xạ điện từ có bước sóng thích hợp.

B. cho dòng điện chạy qua tấm kim loại này.

C. tấm kim loại này bị nung nóng bởi một nguồn nhiệt.

D. chiếu vào tấm kim loại này một chùm hạt nhân heli.

Câu 2: Theo thuyết lượng tử ánh sáng, phát biểu nào sau đây là sai?

A. Trong chân không, phôtôn bay với tốc độ c = 3.10⁸ m/s dọc theo các tia sáng.

B. Phôtôn của các ánh sáng đơn sắc khác nhau thì mang năng lượng khác nhau.

C. Năng lượng của một phôtôn không đổi khi truyền trong chân không.

D. Phôtôn tồn tại trong cả trạng thái đứng yên và trạng thái chuyển động.

Câu 3: Khi nói về phôtôn phát biểu nào dưới đây đúng?

A. Với mỗi ánh sáng đơn sắc có tần số xác định, các phôtôn đều mang năng lượng như nhau.

B. Phôtôn có thể tồn tại trong trạng thái đứng yên.

C. Năng lượng của phôtôn càng lớn khi bước sóng ánh sáng ứng với phôtôn đó càng lớn.

D. Năng lượng của phôtôn ánh sáng tím nhỏ hơn năng lượng của phôtôn ánh sáng đỏ.

Câu 4: Theo thuyết lượng tử ánh sáng, phát biểu nào sau đây đúng?

A. Năng lượng của phôtôn giảm dần khi phôtôn ra xa dần nguồn sáng.

B. Phôtôn ứng với ánh sáng đơn sắc có năng lượng càng lớn nếu ánh sáng đó có tần số càng lớn.

C. Phôtôn tồn tại trong cả trạng thái đứng yên và trạng thái chuyển động.

D. Năng lượng của mọi loại phôtôn đều bằng nhau.

Câu 5: Trong chân không, một ánh sáng đơn sắc có bước sóng λ. Gọi h là hằng số Plăng, c là tốc độ ánh sáng trong chân không. Năng lượng của phôtôn ứng với ánh sáng đơn sắc này là

A.                        

B.                         

C.                       

D.

Câu 6: Gọi năng lượng của phôtôn ánh sáng đỏ, ánh sáng lục và ánh sáng tím lần lượt là e_Đ, e_L và _eT thì

A. e_T > e_L > e_Đ.

B. e_T > e_Đ > e_L.          

C. e_Đ > e_L > e_T.          

D. e_L > e_T > e_Đ.

Câu 7: Nội dung chủ yếu của thuyết lượng tử trực tiếp nói về

A. sự phát xạ và hấp thụ ánh sáng của nguyên tử, phân tử.

B. cấu tạo của các nguyên tử, phân tử.

C. sự hình thành các vạch quang phổ của nguyên tử.

D. sự tồn tại các trạng thái dừng của nguyên tử hiđrô.

Câu 8: Công thoát êlectron khỏi mặt kim loại canxi (Ca) là 2,76 eV. Biết h = 6,625.10^-34s; c = 3.10⁸ m/s; 1 eV = 1,6.10^-10 J. Giới hạn quang điện của kim loại này bằng

A. 0,36 mm.

B. 0,66 mm.                

C. 0,72 mm.                

D. 0,45 mm.

Câu 9: Công thoát của kim loại là 7,23.10^-19 Nếu chiếu lần lượt vào kim loại này các bức xạ có tần số f₁ = 2,1.10¹⁵ Hz; f₂ = 1,33.10¹⁵ Hz; f₃ = 9,375.10¹⁴ Hz; f4 = 8,4510¹⁴ Hz và f5 = 6,67.10¹⁴ Hz. Những bức xạ nào kể trên gây hiện tượng quang điện?

A. f₁, f₃ và f₄.

B. f₂, f₃ và f₅.               

C. f₁ và f₂.                

D. f₄, f₃ và f₂.

Câu 10: Chiếu một chùm bức xạ có bước sóng 0,22 μm vào mặt một tấm kẽm (có giới hạn quang điện là 0,35 μm). Cho rằng năng lượng mà quang êlectrôn hấp thụ một phần dùng để giải phóng nó, phần còn lại hoàn toàn biến thành động năng của nó. Lấy h = 6,625.10^-34s; c = 3.10⁸ m/s; 1 eV = 1,6.10^-19 J. Động năng này gần bằng

A. 2,1 eV.                  

B. 3,2 eV.                  

C. 0,8 eV.                  

D. 1,6 eV.

Câu 11: Bề mặt kim loại nhận được công suất chiếu sáng P = 5 mW từ chùm bức xạ có bước sóng l = 0,45 m Lấy h = 6,625.10^-34 J.s; c = 3.10⁸ m/s . Số phôtôn mà kim loại nhận được trong một giây là

A. 1,13.10¹⁶.

B. 1,57.10¹⁶.               

C. 1,40.10¹⁶.              

D. 2,20.10¹⁶.

Câu 12: Chiếu lần lượt hai bức xạ có bước sóng λ₁ = 0,2 mm và λ₂ = 0,4 mm vào một kim loại thì vận tốc ban đầu cực đại của electron quang điện là v₁ và . Giới hạn quang điện của kim loại bằng

A. 0,3 mm.

B. 0,5 mm.                  

C. 0,6 mm.                  

D. 0,8 mm.

Giáo viên biên soạn : Bùi Trần Đức Anh Thái

Đơn vị: Trường THCS - THPT Nguyễn Khuyến