Luyện tập ôn thi lượng tử ánh sáng

Chia sẻ: Trần Bá Trung | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:45

0
225
lượt xem
136
download

Luyện tập ôn thi lượng tử ánh sáng

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tham khảo tài liệu 'luyện tập ôn thi lượng tử ánh sáng', khoa học tự nhiên, vật lý phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Luyện tập ôn thi lượng tử ánh sáng

  1. _____________________________________________________________________________ LỜI NÓI ĐẦU Nhằm giúp các bạn học sinh và giáo viên ban Khoa Học tự nhiên (THPT) có tài liệu ôn luyện về phần Lượng tử ánh sáng - bộ môn Vật Lý để chuẩn bị cho kỳ thi học kỳ, cuối năm và nhất là kỳ thi Tốt nghệp THPT và kỳ thi tuyển sinh váo các trường Đại học, Cao đẳng. Chúng tôi - những tác giả nghệp dư hợp tác với nhau biên soạn tập tài liệu (CÊMINA): Lượng Tử Ánh Sáng. Tập tài liệu này được biên soạn theo chương trình giáo dục Trung Học Phổ Thông, môn Vật Lý 12. Để đáp ứng được sự chặt chẽ của phần Lượng Tử Ánh Sáng, chúng tôi chia nội dung cuốn sách được thành 3 phần. Phần 1: Kiến thức cơ bản và nâng cao. Tóm tắt các kiến thức trong chương trính SGK và một số sách tham khảo với mức độ cần đạt ghi trong chương trình. Các kiến thức này rất cần thiết cho việc học sinh ôn tập để làm bài, nhất là các bài thi trắc nghiệm. Phần 2: Các dạng bài tập và phƣơng pháp giải. Nêu ra các dạng bài tập căn bản và nâng cao, hướng dẫn phương pháp giải với nhiều ví dụ áp dụng cho từng dạng. Đây là phần quan trọng bởi các phương pháp giải toán Vật Lý - Lượng Tử Ánh Sáng đếu được chúng tôi nói đến trong phần này. Phần 3: Các bài tập ôn luyện. -3-
  2. _____________________________________________________________________________ Phần này bao gồm các bài tập tự luận, trắc nghệm để bạn đọc ôn tập. Trong phần này chúng tôi sẽ tham khảo thêm các đề thi của Bộ GD-ĐT và một số trường. Chúng tôi hi vọng tập tài liệu (CÊMINA) "Vật Lý 12 - Lượng Tử Ánh Sáng" sẽ là tài liệu thiết thực và bổ ích, giúp cho các bạn học sinh và các thầy cô giáo, các bậc phụ huynh có điều kiện ôn tập tốt để chuẩn bị cho các kỳ thi của nhà trường và Bộ GD-ĐT tổ chức sắp tới. Vì thời gian chuẩn bị và thực hiện còn quá ngắn nên tập CÊMINA của chúng tôi chắc chắn còn mắc phải những thiếu sót. Chúng tôi hi vọng sẽ nhận được nhiều lời góp ý xây dựng của quý bạn đọc để tập tài liệu có "chất" hơn. Chúng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy Đinh Anh Tuấn - giáo viên Trường THPT Đặng Thúc Hứa và tập thể lớp A-k32 Trường THPT Đặng Thúc Hứa - Nghệ An đã tạo điều kiện thuận lợi để tài liệu này được hoàn thành. -4-
  3. _____________________________________________________________________________ A. TÓM TẮT KIẾN THỨC VẤN ĐỀ 1 HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN - THUYẾT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG 1. Khái niệm hiện tượng quang điện. +) 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 electron bị bật ra khỏi bề mặt kim loại gọi là quang electron. 2. Tế bào quang điện. +) Tế bào quang điện là một bình I thạch anh đã hút hết không khí (tế bào quang điện chân không), bên trong có hai điện cực anôt A và catôt K. Nối I bh anôt A với cực dương của nguồn điện, catôt K với cực âm va chiếu vào catôt chùm sáng có bứơc sóng ngắn thì xảy ra hiện tượng quang điện và trong mạch -5-
  4. _____________________________________________________________________________ xuất hiện dòng quang điện với cường độ I. +) Khi UAK  U1 thì I giữ giá trị không đổi Ibh , gọi là cường độ - Uh O Ui UAK quang điện bão hoà; Ibh tăng tỉ lệ với cường độ chùm sáng chiếu vào catôt . Đặc tuyến vôn-ampe (Hình 1.1) của tế bào quang điện trên Hình 1.1. 3. Các định luật quang điện. a. 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 λ0 . λ0 được gọi là giới hạn quang điện của kim loại: λ  λ0. b. Đối với ánh sáng thích hợp ( có λ  λ0) cường độ dòng quang điện bão hoà tỉ lệ thuận với với cường độ chùm sáng kích thích. c. Động năng ban đầu cực đại của các quang electron không phụ thuộc cường độ của chùm ánh sáng kích thích mà chỉ phụ thuộc bước sóng của ánh sáng kích thích và bản chất của kim loại làm catôt. 4. Thuyết lượng tử ánh sáng a. Giả thuyết lượng tử năng lượng của Plăng: Lượng năng lượng mà mỗi lần một nguyên tử hay phân tử hấp thụ hay pháp xạ có các giá trị hoàn toàn xác định, gọi là lượng tử năng lượng, ký hiệu bằng chữ ε, có giá trị: ε = hf -6-
  5. _____________________________________________________________________________ trong đó:f là tần số của ánh sáng bị hấp thụ hay được pháp xạ ra, h là một hằng số gọi là hằng số Plăng. h = 6,625.10-34 (J.s) b. Thuyết phôtôn. +) Chùm ánh sáng là một chùm các phôtôn (các lượng tử ánh sáng). Mỗi phôtôn có năng lượng xác định ε = hf (f là tần số của sóng ánh sáng đơn sắc tương ứng). Cường độ của chùm sáng tỉ lệ với số phôtôn phát ra trong vòng 1 giây. +) Phân tử, nguyên tử, êlecteron…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 ánh sáng. Năng lượng của mỗi phôtôn rất nhỏ. Một chùm sáng dù yếu cũng chứa rất nhiều phôtôn do rất nhiều nguyên tử, phân tử thoát ra. Vì vậy ta nhìn thấy chùm sáng liên tục. 5. Công thức Anh- xtanh về hiện tượng quang điện. 2 c mv0 max hf = h  A (A: công thoát êlectron).  2 hc  Giới hạn quang điện : λ0 = . A  Muốn cho dòng quang điện triệt tiêu hoàn toàn phải có: 2 mv0 max eUh = . 2 (Uh: độ lớn của hiệu điện thế hãm; e = 1,6.10-19 C; m = 9,1.10-31 kg). -7-
  6. _____________________________________________________________________________  Hiệu suất của hiệu ứng quang điện (hiệu suất lượng tử). Số electron bị bật ra từ kim loại H= Số phô tôn tới đập vào mặt kim loại 6. Tia Rơn-ghen (tia X). Bước sóng nhỏ nhất của tia Rơn-ghen phát ra từ ống Rơn-ghen: hc λ x = λmin, với λmin = . Wđ Wđ là động năng của các electron khi tới đập vào các catôt: mv 2 Wđ =  eU . 2 U là hiệu điện thế giữa anôt và catôt của ống Rơn-ghen. 7. Hiện tượng quang điện trong. Hiện tượng quang điện trong là hiện tượng tạo thành các êlectron và lỗ trống trong bán dẫn do tác dụng của ánh sáng thích hợp. B. CÁC DẠNG BÀI TẬP VÀ PHƢƠNG PHÁP GIẢI. -8-
  7. _____________________________________________________________________________ Dạng 1: X¸c ®Þnh c¸c ®¹i l-îng ®Æc tr-ng cña hiÖn t-îng quang ®iÖn.  Phôtôn có tần số f: c - năng lượng ε = hf = h .   h - động lượng ρ =  . c   - khối kượng m = . c2  Hiện tượng quang điện: 2 mv0 max - Phương trình Anh-xtanh ε = hf = A  2 hc - Giới hạn quang điện λ0 = . A 1 - Hiệu điện thế hãm e U AK  eU h  mv0 max . 2 2  CHÚ Ý: Đơn vị năng lượng thường dùng là electron-vôn (eV) 1eV = 1,6.10-19 J. Ví dụ 1.1: Tính năng lượng, động lượng và khối lượng của photôn ứng với các bức xạ điện từ sau đây: a) Bức xạ đỏ có λ = 0,76 μm. -9-
  8. _____________________________________________________________________________ b) Sóng vô tuyến có λ = 500 m. c) Tia phóng xạ γ có f = 4.1017 KHz. d) Cho biết c = 3.108 m/s ; h = 6,625.10-34 J.s Hướng dẫn a) Bức xạ đỏ có λ = 0,76 μm. - Năng lượng: 6,625.10 34.3.10 8 ε = hf = 6  26,15.10 20 ( J ) 0,76.10 - Động lượng:  ρ=  8,72.10 28 (kg.m / s) . c - Khối lượng:  m= 2 = 2,9.10-36 (kg). c b) Sóng vô tuyến có λ = 500 m. Tương tự, ta có: - Năng lượng: ε = hf = 3,975.10 28 ( J ) - Động lượng: - 10 -
  9. _____________________________________________________________________________  ρ=  1,325.10 36 (kg.m / s) . c - Khối lượng:  m= 2 = 4,42.10-45 (kg). c c) Tương tự: - Năng lượng: ε = hf = 26,5.10-14 (J). - Động lượng:  ρ=  8,8.10 22 (kg.m / s) . c - Khối lượng:  m= 2 = 0,94.10-31 (kg). c Ví dụ 1.2: Catot của tế bào quang điện làm bằng đồng, công thoát khỏi đồng là 4,47 eV. Cho biết: h = 6,625.10-34 (J.s) ; c = 3.108 (m/s) ; e = 1,6.10-19 (C). a. Tính giới hạn quang điện của đồng. b. Chiếu đồng thời 2 bức xạ điện từ có bước sóng λ1 = 0,210 (μm) và λ2 = 0,320 (μm) vào catot của tế bào quang điện trên, phải đặt hiệu thế hãm bằng bao nhiêu để triệt tiêu dòng quang điện. - 11 -
  10. _____________________________________________________________________________ Hướng dẫn a) Tính λ0 . Giới hạn quang điện của đồng: hc 6,625.10 34.3.10 8 λ0 =   0,278( μm). A 4,47.1,6.10 19 b) Tính Uh. λ1 < λ0 < λ2 do đó chỉ có λ1 gây ra hiện tượng quang điện. Điều kiện để dòng quang điện triệt tiêu hoàn toàn: e U AK  eU h  Wđ max . Wđ max 1  hc  Uh     A   1,446(V ) e e   Ví dụ 1.3: Công thoát của êlectron đối với đồng là 4,47 eV. a. Khi chiếu bức xạ có bước sóng λ = 0,14 (μm) vào một quả cầu bằng đồng cách li với vật khác thì tích điện đến hiệu điện thế cực đại là bao nhiêu ? b. Khi chiếu bức xạ có bước sóng λ' vào quả cầu bằng đòng cách ly cới các vật khác thì quả cầu đạt hiệu điện thế cực đại 3 (V). Tính λ' và vận tốc ban đầu của - 12 -
  11. _____________________________________________________________________________ các êlectron quang điện. Cho biết : h = 6,626.10-34- (J.s) ; c = 3.108 (m/s) ; me = 9,1.19-31 (kg). Hướng dẫn a. Điện thế cực đại Vmax của quả cầu bằng đồng. Khi chiếu bức xạ có bước sóng λ đến quả cầu bằng đồng cách ly với các vật khác, các êlectron quang điện được bứt ra khỏi quả cầu, điện tích dương của quả cầu tăng dần nên điện thế V của quả cầu tăng dần ( Hình 1.2) . Điện thế V đạt giá trị cực đại khi các êlectron quang điện bứt ra khỏi quả cầu đều bị điện trường kéo trở lại. + + Định lý động năng : + + v0 1 2 hc mv0  eVmax hay  A  eVmax + + 2  hc A Suy ra : Vmax =   4,402(V ) . Hình 1.2 e - 13 -
  12. _____________________________________________________________________________ b. Tính λ' và v'0. hc Tương tự:  A  eVmax  V0'2 ' ' hc Suy ra:  '   0,166( m) . A  eV ' max 2eV ' max Và: v'0 =  1,027.10 6 (m / s) . me D¹ng 2: C«ng suÊt vµ hiÖu suÊt cña hiÖn t-îng quang ®iÖn.  Công suất của nguồn : P = nλ.ε. (nλ là số photon tương ứng với bức xạ λ phát ra trong 1 giây).  Cường độ dòng điện bão hoà : Ibh = ne.e . ( ne là số electron quang điện từ catot đến anot trong 1 giây). ne  Hiệu suất quang điện : H = . n Ví dụ 1.4: Kim loại làm catot của tế bào quang điện có giới hạn quang điện 0,32 (μm). Chiếu ánh sáng có bước sóng 0,25 (μm) vào catot của tế bào quang điện trên. Cho biết : h = 6,625.10-34 (J.s) ; c = 3.108 (m/s) ; me = 9,1.10-31 (kg) ; - 14 -
  13. _____________________________________________________________________________ -e = -1,6.10-19 (C). a) Tính vận tốc ban đầu cực đại của electron quang điện. b) Biết rằng các electron thoát ra đều bị hút về anot, cường độ dòng quang điện bão hoà bằng 0,7 mA. Tính số electron thoát ra khỏi catot tronh mỗi giây. Hướng dẫn 1 2 Ta co: e U AK  mv0 max . 2 2 hc mv0 max Phương trình Anh-xtanh : = A = A + eUh .  2 Theo điều kiện bài toán, ta có:  hc    A  eU h1 e(U h 2  U h1 )  1  h  6,433.10 34 J .s  . hc   A  eU  1 1  c      2  h2  2 1  - 15 -
  14. _____________________________________________________________________________ Ví dụ 1.5: Công thoát của êlectron đối với Natri là 2,48 (eV). Catot của tế bào quang điện làm bằng Natri được chiếu sáng bởi bức xạ có bước sóng λ = 0,36 (μm) thì có dòng quang điện bão hoà Ibh = 50 (mA). Cho biết : h = 6,625.10-34 (J.s) ; c = 3.10 (m/s) ; me = 9,1.10-31 (kg) ; - e = - 1,6.10-19 (C). a) Tính giới hạn quang điện của Natri. b) Tính vận tốc ban đầu cực đại của êlectron quang điện. c) Hiệu suất quang điện bằng 60%, tính công suất của nguồn bức xạ chiếu vào catôt. Hướng dẫn a) Tính λ0. hc Giới hạn quang điện : λ0 =  0,5( μm). A b) Tính v0. 2 hc mv0 max Phương trình Anh-xtanh : = A .  2 2  hc  v0 max    A   5,84.10 m / s  5 Suy ra me    - 16 -
  15. _____________________________________________________________________________ c) Tính P. I bh Ta có Ibh = ne.e suy ra ne = . e P P = nλ.ε suy ra nλ = .  ne I .hc H do đó P  bh  0,29 (W). n He D¹ng 3: øng dông cña hiÖn t-îng quang ®iÖn ®Ó tÝnh c¸c h»ng sè h, e, A.  Áp dụng các công thức: c - Năng lượng của phôtôn : ε = hf = h .  2 mv0 max - Phương trình Anh-xtanh : ε = A  . 2 1 - Hiệu điện thế hãm : e U AK  eU h  mv0 max . 2 2 - 17 -
  16. _____________________________________________________________________________ Ví dụ 1.6: Khi chiếu một chùm sáng vào một kim loại thì có hiện tượng quang điện xảy ra. Nếu dùng hiệu điện thế hãm bằng 3 (V) thì các êlectron quang điện bị giữ lại không bay sang anot được. Cho biết giới hạn quang điện của kim loại đó là : λ0 = 0,5 (μm) ; h = 6,625.10-34 (J.s) ; c = 3.108 (m/s) ; -e = -1,6.10-19 (C). Tính tần số của chùm ánh sáng tới kim loại. Hướng dẫn Các êlectron quang điện bị giữ lại hoàn toàn không qua được anot nên : 1 2 e U AK  eU h  mv0 max 2 1 2 Phương trình Anh-xtanh : hf = A + mv0 max . 2 hc Hay hf = eU h + A = eUh + 0 eU h c Suy ra f=  . h 0 Thay số, ta được : 1,6.10 19.3 3.108 f  34  6  13,245.1014 ( Hz) . 6,625.10 0,5.10 Ví dụ 1.7: Chiếu bức xạ có bước sóng 0,35 (μm) vào một kim loại, các êlectron kim quang điện bắn ra đều bị giữ lại bởi một hiệu điện thế hãm. Khi thay chùm - 18 -
  17. _____________________________________________________________________________ bức xạ có bước sóng giảm 0,05 (μm) thì hiệu điện thế hãm tăng 0,59 (V). Tính điện tích của êlectron quang điện. Cho biết : h = 6,625.10-34 (J.s) ; c = 3.108 (m/s). Hướng dẫn 2 hc mv0 max Ta có = A = A + eUh ( Phương trình Anh-  2 xtanh)  hc    A  eU h  Theo điều kiện bài toán:   hc  A  e(U  U )      h Với U = 0,59 (V) và  = 0,05 (μm). hc  1 1  19 Suy ra e     1,604.10 (C ) . U       Vý dụ 1.8: Lần lượt chiếu hai bức xạ có bước sóng λ1 = 0,405 (μm), λ2 = 0,436 (μm) vào bề mặt của một kim loại và đo hiệu điện thế hãm tương ứng U h1 = 1,15 - 19 -
  18. _____________________________________________________________________________ (V); Uh2 = 0,93 (V). Cho biết : h = 6,625.10-34 (J.s) ; c = 3.108 (m/s) ; e = 1,6.10-19 (C). Tính công thoát của kim loại đó. Hướng dẫn 2 hc mv0 max Ta có: = A = A + eUh ( Phương trình Anh-  2 xtanh)  hc    A  eU h  Theo điều kiện bài toán:   hc  A  e(U  U )      h 1  1 1   Suy ra : A hc    eU h1  U h 2   1,92(eV ) . 2   1 2     D¹ng 4: Tia R¬n - ghen . Phương pháp:  Bước sóng nhỏ nhất của tia Rơn-ghen phát ra từ ống Rơn-ghen. hc 1 2 h fMaz   mv . (v là vận tốc êlectron đập vào catôt) . Min 2  Công của lực điện : - 20 -
  19. _____________________________________________________________________________ 1 2 ev  mv 2 . Ví dụ 1.9: Trong một ống Rơn-ghen. Biết hiệu điện thế giữa anôt va catôt là U = 2.106 (V). Hãy tìm bước sóng nhỏ nhất λmin của tia Rơn- ghen do ống phát ra? Hướng dẫn 1 2 Ta có : Eđ = mv = eU. 2 Khi êlectron đập vào catôt : Ta có : ε ≤ eU. hc hc => hf =  eU    .  eU hc Vậy bước sóng nhỏ nhất của tia Rơn-ghen là : λmin = . eU Thay số : U = 2.106 = 20.103 (V) ; h = 6,625.10-34 (J.s) e = 1,6.10-19 (C) ; c = 3.108 (m/s). Vậy : - 21 -
  20. _____________________________________________________________________________ 6,625.10 34.3.10 8 λmin = 19 8  0,62.10 12 (m)  0,62( pm) . 1,6.10 .3.10 - 22 -

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

Đồng bộ tài khoản