Vậ t Lý 12 Lư ợ ng Tử Ánh Sáng
GV : Nguyễ n Xuân Trị - 0937 944 688
21
Chư ơ ng VII
LƯ Ợ NG TỬ ÁNH SÁNG
CHỦ ĐỀ 21
LƯ Ợ NG TỬ ÁNH SÁNG. HỆ THỨ C ANHXTANH
A. TÓM TẮ T KIẾ N THỨ C CƠ BẢ N
1. Năng lư ợ ng mộ t lư ợ ng tử ánh sáng (hạ t phôtôn)
a. Lư ợ ng tử năng lư ợ ng
Lư ợ ng tử năng lư ợ ng là phầ n năng lư ợ ng xác đị nh mà mỗ i lầ n nguyên tử hay phân tử hấ p thụ hay bứ c xạ ra.
b. Năng lư ợ ng mộ t lư ợ ng tử ánh photon (hạ t phôtôn) :
2
hc
hf mc
Trong đó h = 6,625.10-34 Js là hằ ng số Plăng.
c = 3.108m/s là vậ n tố c ánh sáng trong chân không.
f, λ là tầ n số , bư ớ c sóng củ a ánh sáng (củ a bứ c xạ ).
m là khố i lư ợ ng củ a photon
Chú ý : Khi ánh sáng truyề n đi các lư ợ ng tử ánh sáng không bị thay
đổ i, không phụ thuộ c vào khoả ng cách tớ i nguồ n sáng.
c. Tế bào quang điệ n
Gồ m: Mộ t hình cầ u bằ ng thạ ch anh bên trong là chân không, có
hai điệ n cự c anố t (A) và canố t (K). Anố t (A) là vòng dây kim loạ i.
Canố t (K) là tấ m kim loạ i có dạ ng hình chỏ m cầ u.
d. Thuyế t lư ợ ng tử ánh sáng
+ Ánh sáng đư ợ c tạ o thành từ các hạ t gọ i là photon.
+ Vớ i mỗ i ánh sáng đơ n sắ c có tầ n số f, các photon đề u giố ng
nhau, mỗ i photon đề u mang mộ t năng lư ợ ng bằ ng hf.
+ Trong chân không, photon bay vớ i vậ n tố c c = 3.108 m/s dọ c
theo các tia sáng.
+ Mỗ i lầ n 1 nguyên tử hay phân tử phát xạ hay hấ p thụ ánh sáng thi chúng cũng phát ra hay hấ p thụ mộ t
photon.
Chú ý : Photon chỉ tồ n tạ i ở trạ ng thái chuyể n độ ng, không có photon đứ ng yên.
2. Hiệ n tư ợ ng quang điệ n
+ Hiệ n tư ợ ng quang điệ n ngoài : là hiệ n tư ơ ng ánh sáng làm bậ t các electron ra khỏ i bề mặ t kim loạ i.
+ Hiệ n tư ợ ng quang điệ n trong : là hiệ n tư ợ ng ánh sáng giả i phóng các electron liên kế t thành các electron
dẫ n và các lỗ trố ng cùng tham gia vào quá trình dẫ n điệ n.
+Đị nh luậ t 1 về giớ i hạ n quang điệ n : Đố i vớ i mỗ i kim loạ i, ánh sáng phả i có bư ớ c sóng
0
≤
củ a kim
loạ i đó, mớ i gây ra hiệ n tư ợ ng quang điệ n.
+Đị nh luậ t 2 quang điệ n : Cư ờ ng độ dòng quang điệ n bão hòa tỉ lệ thuậ n cư ờ ng độ chùm sáng kích thích.
+Đị nh luậ t 3 quang điệ n : Độ ng năng ban đầ u cự c đạ i củ a các electron quang điệ n chỉ phụ thuộ c vào bư ớ c
sóng ánh sáng kích thích và bả n chấ t củ a kim loạ i, không phụ thuộ c vào cư ờ ng độ chùm sáng kích thích:
0
đ m a x 0
0
đ m a x
( , )
a s k t
W
W I
∈
∉
=> Các hiệ n tư ợ ng quang điệ n và các đị nh luậ t quang điệ n chứ ng tỏ ánh sáng có tính chấ t hạ t.
+ Ứ ng dụ ng củ a các hiệ n tư ợ ng quang điệ n trong các tế bào quang điệ n, trong các dụ ng cụ dùng để biế n đổ i
các tín hiệ u ánh sáng thành tín hiệ u điệ n, trong các quang trở điệ n, pin quang điệ n.
3. Giả i thích các đị nh luậ t quang điệ n bằ ng thuyế t lư ợ ng tứ ánh sáng
a. Giả i thích đị nh luậ t I : Để xả y ra hiệ n tư ợ ng quang điệ n, photon củ a ánh sáng kích thích phả i có năng
lư ợ ng:
h f A
hay
h c A
suy ra
h c
A
hay
b. Giả i thích đị nh luậ t II : Vớ i cư ờ ng độ chùm sáng kích thích càng lớ n thì trong mộ t đơ n vị thờ i gian số
photon đế n đậ p vào catố t càng nhiề u, số electron quang điệ n bậ t ra càng nhiề u, làm cho dòng quang điệ n bão hòa
càng lớ n.
c. Giả i thích đị nh luậ t III : Theo công thứ c Anhxtanh về hiệ n tư ợ ng quang điệ n
2
0 m ax
1
2
h c A m v
Vậ t Lý 12 Lư ợ ng Tử Ánh Sáng
GV : Nguyễ n Xuân Trị - 0937 944 688
22
2
0 m ax
1
2
h c
m v A
Độ ng năng ban đầ u cự c đạ i củ a các electron quang điệ n chỉ phụ thuộ c vào tầ n số
f (hoặ c bư ớ c sóng λ) củ a ánh sáng kích thích và công thoát A (bả n chấ t củ a kim loạ i làm Katố t).
4. Phư ơ ng trình Anhxtanh:
2
0 a x
2
m
m v
h c
h f A
Trong đó
0
hc
A
là công thoát củ a kim loạ i dùng làm catố t
λ0 là giớ i hạ n quang điệ n củ a kim loạ i dùng làm catố t
0max
v
là vậ n tố c ban đầ u cự c đạ i củ a electron quang điệ n khi thoát khỏ i catố t
f, λ là tầ n số , bư ớ c sóng củ a ánh sáng kích thích
Vớ i :
19
1 1,6.10 ( )eV J
−
=
;
13 6
1 1,6.10 ( ); 1 10MeV J MeV eV
−
= =
Chú ý : Phư ơ ng trình Anhxtanh giả i thích đị nh luậ t 1, đị nh luậ t 3; thuyế t lư ợ ng tử giả i thích đị nh luậ t 2
+Để dòng quang điệ n triệ t tiêu thì UAK Uh (Uh < 0), Uh gọ i là hiệ u điệ n thế hãm
2
0 ax
2
h
m v
eU m
Lư u ý: Trong mộ t số bài toán ngư ờ i ta lấ y Uh > 0 thì đó là độ lớ n.
+ Xét vậ t cô lậ p về điệ n, có điệ n thế cự c đạ i Vmax và khoả ng cách cự c đạ i dmax mà electron chuyể n
độ ng trong điệ n trư ờ ng cả n có cư ờ ng độ E đư ợ c tính theo công thứ c:
2
max max 0 ax max
1 1
2m
hc hc
e V e E d m v A V A
e
+ Điề u kiệ n để triệ t tiêu dòng quang điệ n :
2
0
2
0
2
2
max
h
max
h
mv
hc
hf A hc A e U
mv e U
= = = +
⇒ = +
=
+ Vớ i U là hiệ u điệ n thế giữ a anố t và catố t, vAlà vậ n tố c cự c đạ i củ a electron khi đậ p vào anố t,
0maxK
v v=
là vậ n tố c ban đầ u cự c đạ i củ a electron khi rờ i catố t thì:
2 2
1 1
2 2
A K
e U mv mv
+Hiệ u suấ t lư ợ ng tử (hiệ u suấ t quang điệ n):
0
n
Hn
Vớ i n và n0 là số electron quang điệ n bứ t khỏ i catố t và số phôtôn đậ p vào catố t trong cùng mộ t khoả ng thờ i
gian t.
+Công suấ t củ a nguồ n bứ c xạ :
0 0 0
n n h f n h c
pt t t
+Cư ờ ng độ dòng quang điệ n bão hoà:
bh bh bh
I I hf I hc
Hp e p e p e
Chấ t
( )
omλ µ
Chấ t
( )
omλ µ
Chấ t
( )
omλ µ
Chấ t
( )
omλ µ
Bạ c
0,26
Kẽ m
0,35
Natri
0,50
Xesi
0,66
Đồ ng
0,30
Nhôm
0,36
Kali
0,55
Canxi
0,43
Ibả o hòa
I
O
Uh
U
Vậ t Lý 12 Lư ợ ng Tử Ánh Sáng
GV : Nguyễ n Xuân Trị - 0937 944 688
23
+Bán kính quỹ đạ o củ a electron khi chuyể n độ ng vớ i vậ n tố c
v
trong từ trư ờ ng đề u
B
:
sin
mv
Re B
vớ i
= ( ;B)v
+ Khi electron vừ a rờ i khỏ i catố t thì
0max
v v=
. Khi
sin 1 mv
v B R e B
Lư u ý: Hiệ n tư ợ ng quang điệ n xả y ra khi đư ợ c chiế u đồ ng thờ i nhiề u bứ c xạ thì khi tính các đạ i lư ợ ng: Vậ n
tố c ban đầ u cự c đạ i
0max
v
, hiệ u điệ n thế hãm Uh, điệ n thế cự c đạ i
max
V
, … đề u đư ợ c tính ứ ng vớ i bứ c xạ có λmin
(hoặ c fmax).
5. Tia Rơ nghen (tia X)
+ Cư ờ ng độ dòng điệ n trong ố ng Rơ nghen : i = Ne, vớ i N là số electron đậ p vào đố i catôt trong 1 giây.
+Đị nh lí độ ng năng :
đ 0đ AK
E E eU
Vớ i :
2
đ2
mv
E
là độ ng năng củ a electron ngay trư ớ c
khi đậ p vào đố i catôt.
2
0
0
đ
2
mv
E
là độ ng năng củ a electron ngay sau
khi bứ t ra khỏ i catôt, thư ờ ng thì
0
đ0E
.
+Bư ớ c sóng nhỏ nhấ t củ a tia Rơ nghen :
đ
m i n
h c
E
Trong đó:
2
2
0
đ2 2
mv
mv
E e U
là độ ng năng củ a electron khi đậ p vào đố i catố t (đố i âm cự c)
U là hiệ u điệ n thế giữ a anố t và catố t
v là vậ n tố c electron khi đậ p vào đố i catố t
v0 là vậ n tố c củ a electron khi rờ i catố t (thư ờ ng v0 = 0)
m = 9,1.10-31 kg là khố i lư ợ ng electron
+ Đị nh luậ t bả o toàn năng lư ợ ng :
đ
E Q hf Q
(Độ ng năng củ a electron biế n thành năng lư ợ ng củ a tia X và làm nóng đố i catôt).
+ Nhiệ t lư ợ ng tỏ a ra hay thu vào :
2 1
( )Q mc t t mc t= − = ∆
+ Khố i lư ợ ng củ a nư ớ c chả y qua ố ng trong mộ t đơ n vị thờ i gian t : m = LD
Trong đó:L là lư u lư ợ ng củ a nư ớ c chả y qua ố ng trong mộ t đơ n vị thờ i gian, D là khố i lư ợ ng riêng củ a nư ớ c.
B. CÁC DẠ NG TOÁN VÀ PHƯ Ơ NG PHÁP GIẢ I
Dạ ng 1: Vậ n dụ ng phư ơ ng trình Anhxtanh để tính các đạ i lư ợ ng liên quan
* hf =
2
max0
2
1mvA
hc +=
* Điề u kiệ n xả y ra hiệ n tư ợ ng quang điệ n :
A
hc
=≤ 0
* Nế u có hợ p kim gồ m nhiề u kim loạ i, thì giớ i hạ n quang điệ n củ a hợ p kim là giá trị quang điệ n lớ n nhấ t củ a
các kim loạ i tạ o nên hợ p kim.
Dạ ng 2: Tính hiệ u điệ n thế hãm và điệ n thế cự c đạ i trên vậ t dẫ n kim loạ i cô lậ p về điệ n
2
0max
1
2
h
hc
eU mv A
= = −
→
A
hc
mvV −==
2
max0max 2
1
→
Nế u có 2 bứ c xạ cùng gây ra hiệ n tư ợ ng
quang điệ n thìđiệ n thế cự c đạ i củ a vậ t dẫ n cô lậ p về điệ n là do bứ c xạ có bư ớ c sóng nhỏ gây ra.
Dạ ng 3: Hiệ u suấ t lư ợ ng tử (là tỉ số giữ a các electron thoát ra khỏ i catod và số photon chiế u lên nó)
H =
Pe
I
Pt
e
It
n
n
p
e
==
, P là công suấ t nguồ n bứ c xạ , I cư ờ ng độ dòng quang điệ n bả o hoà.
Vậ t Lý 12 Lư ợ ng Tử Ánh Sáng
GV : Nguyễ n Xuân Trị - 0937 944 688
24
Dạ ng 4: Chuyể n độ ng electron trong điệ n trư ờ ng đề u và từ trư ờ ng đề u
* Trong điệ n trư ờ ng đề u: gia tố c củ a electron
ee m
Ee
m
F
a
→→
→−
==
* Trong từ trư ờ ng đề u: lự c Lorentz đóng vai trò lự c hư ớ ng tâm, gia tố c hư ớ ng tâm a =
ee m
eBv
m
F=
, bán kính
quỹ đạ o R =
eB
vme
, trong đó v là vậ n tố c củ a electron quang điệ n,
→→ ⊥Bv
.
*Đư ờ ng đi dài nhấ t củ a electron quang điệ n trong điệ n trư ờ ng : 0 -
2
max0
2
1mv
= - eEd
B. CÂU HỎ I VÀ BÀI TẬ P TRẮ C NGHIỆ M
Câu 1: Chọ n các cụ m từ thích hợ p để điề n vào chỗ trố ng cho hợ p nghĩa: “Theo thuyế t lư ợ ng tử : Nhữ ng nguyên tử
hay phân tử vậ t chấ t … ánh sáng mộ t cách … mà thành từ ng phầ n riêng biệ t mang năng lư ợ ng hoàn toàn xác đị nh
… ánh sáng”.
A. Không hấ p thụ hay bứ c xạ , liên tụ c, tỉ lệ thuậ n vớ i bư ớ c sóng.
B. Hấ p thụ hay bứ c xạ , liên tụ c, tỉ lệ thuậ n vớ i tầ n số .
C. Hấ p thụ hay bứ c xạ , không liên tụ c, tỉ lệ nghị ch vớ i bư ớ c sóng.
D. Không hấ p thụ hay bứ c xạ , liên tụ c, tỉ lệ nghị ch vớ i tầ n số .
Câu 2: Hiệ n tư ợ ng quang điệ n là quá trình dự a trên:
A. Sự tác dụ ng củ a các electron lên kính ả nh
B. Sự giả i phóng các photon khi kim loạ i bị đố t nóng
C. Sự giả i phóng các electron từ bề mặ t kim loạ i do sự tư ơ ng tác giữ a chúng vớ i các photon
D. Sự phát ra do các electron trong các nguyên tử nhả y ra từ mứ c năng lư ợ ng cao xuố ng mứ c năng lư ợ ng
thấ p hơ n.
Câu 3: Hiệ n tư ợ ng quang điệ n là:
A. Hiệ n tư ợ ng electron bứ t ra khỏ i bề mặ t tấ m kim loạ i có ánh sáng thích hợ p chiế u vào nó.
B. Hiệ n tư ợ ng electron bứ t ra khỏ i bề mặ t tấ m kim loạ i khi tấ m kim loạ i bị nung nóng đế n nhiệ t độ rấ t cao
C. Hiệ n tư ợ ng electron bứ t ra khỏ i bề mặ t tấ m kim loạ i khi tấ m kim loạ i bị nhiễ m điệ n do tiế p xúc vớ i
mộ t vậ t đã bị nhiễ m điệ n khác
D. Hiệ n tư ợ ng electron bứ t ra khỏ i bề mặ t tấ m kim loạ i do bầ t kì nguyên nhân nào khác
Câu 4: Cư ờ ng độ dòng quang điệ n bão hòa
A. tỉ lệ nghị ch vớ i cư ờ ng độ chùm ánh sáng kích thích
B. tỉ lệ thuậ n vớ i cư ờ ng độ chùm ánh sáng kích thích
C. không phụ thuộ c vào cư ờ ng độ chùm ánh sáng kích thích
D. tăng tỉ lệ thuậ n vớ i bình phư ơ ng cư ờ ng độ chùm ánh sáng kích thích
Câu 5: Ngư ờ i ta không thấ y có electron bậ t ra khỏ i mặ t kim loạ i chiế u chùm ánh sáng đơ n sắ c vào nó. Đó là vì:
A. Chùm ánh sáng có cư ờ ng độ quá nhỏ
B. Kim loạ i hấ p thụ qua ít ánh sáng đó
C. Công thoát củ a electron nhỏ so vớ i năng lư ợ ng củ a photon
D. Bư ớ c sóng củ a ánh sáng lớ n so vớ i giớ i hạ n quang điệ n
Câu 6: Khi nói về thuyế t lư ợ ng tử ánh sáng, phát biể u nào sau đây là đúng?
A. Năng lư ợ ng phôtôn càng nhỏ khi cư ờ ng độ chùm ánh sáng càng nhỏ .
B. Phôtôn có thể chuyể n độ ng hay đứ ng yên tùy thuộ c vào nguồ n sáng chuyể n độ ng hay đứ ng yên.
C. Năng lư ợ ng củ a phôtôn càng lớ n khi tầ n số củ a ánh sáng ứ ng vớ i phôtôn đó càng nhỏ .
D. Ánh sáng đư ợ c tạ o bở i các hạ t gọ i là phôtôn.
Câu 7: Nế u trong mộ t môi trư ờ ng ta biế t đư ợ c bư ớ c sóng củ a lư ợ ng tử năng lư ợ ng ánh sáng (photon) là hf và
bằ ng
, thì chiế t suấ t tuyệ t đố i củ a môi trư ờ ng đó bằ ng bao nhiêu? (Biế t h là hằ ng số Plăng, c là vậ n tố c ánh sáng
trong chân không và f là tầ n số ).
A.
c
nf
=
B.
c
nf
=
C.
cf
n
=
D.
ncf
=
Câu 8: Trong các công thứ c nêu dư ớ i đây công thứ c nào là công thứ c Anhxtanh ?
A.
2
0 ax
2
m
mv
hf A= +
B.
2
0 ax
2
m
mv
hf A= −
C.
2
2
mv
hf A= +
D.
2
2
mv
hf A= −
Vậ t Lý 12 Lư ợ ng Tử Ánh Sáng
GV : Nguyễ n Xuân Trị - 0937 944 688
25
Câu 9: Công thứ c nào sau đây đúng cho trư ờ ng hợ p dòng quang điệ n bị triệ t tiêu ?
A.
2
0 ax
2
m
h
mv
eU A= +
B.
2
0 ax
1
2h m
eU mv=
C.
2
2
h
mv
eU A= +
D.
2
0 ax
2
m
h
mv
eU =
Câu 10: Bư ớ c sóng nhỏ nhấ t củ a tia Rơ nghen:
A.
đ
m i n
h
E
B.
đ
m i n
h c
E
C.
đ
m i n
E
h c
D.
đ
m i n
h
c E
Câu 11: Gọ i
đ
W
là độ ng năng củ a các electron quang điệ n, A là công thoát ở bề mặ t kim loạ i, m là khố i lư ợ ng
củ a electron thì vậ n tố c củ a electron quang điệ n bứ t ra khỏ i bề mặ t kim loạ i do hiệ n tư ợ ng quang điệ n gây ra đư ợ c
tính theo công thứ c:
A.
đ
A W
m
B.
đ
A W
m
C.
đ
A W
m
D.
đ
2W
m
Câu 12: Mộ t kim loạ i có công thoát electron là 7,2.10-19J. Chiế u lầ n lư ợ t vào kim loạ i này các bứ c xạ có bư ớ c
sóng λ1 = 0,18 µm; λ2 = 0,21 µm; λ3 = 0,32 µm và λ4 = 0,35 µm. Nhữ ng bứ c xạ có thể gây ra hiệ n tư ợ ng quang
điệ n ở kim loạ i này có bư ớ c sóng là
A. λ1,λ2 và λ3B. λ1 và λ2C. λ2,λ3 và λ4D. λ3 và λ4
Câu 13: Chiế u ánh sáng có bư ớ c sóng
0,50 m
vào 4 tế bào quang điệ n có catod lầ n lư ợ t bằ ng Canxi, Natri, Kali
và Xêsi. Hiệ n tư ợ ng quang điệ n sẽ xả y ra ở :
A. mộ t tế bào B. hai tế bào C. ba tế bào D. cả bố n tế bào
Câu 14: Chiế u mộ t chùm ánh sáng đơ n sắ c vào mộ t tấ m Kẽ m. Hiệ n tư ợ ng quang điệ n sẽ không xả y ra nế u ánh
sáng có bư ớ c sóng.
A.
0,1 m
B.
0,2 m
C.
0,3 m
D.
0,4 m
Câu 15: Chiế u lầ n lư ợ t hai bứ c xạ có bư ớ c sóng
10,35 m
=
và
20,54 m
=
vào mộ t tấ m kim loạ i thì thấ y
vậ n tố c ban đầ u củ a các điệ n tử bứ c ra ứ ng vớ i hai bứ c xạ trên gấ p hai lầ n nhau. Giớ i hạ n quang điệ n củ a kim loạ i
này là:
A.
00,6593 m
=
B.
00,4593 m
=
C.
00,5593 m
=
D.
00,7593 m
=
Dùng dữ kiệ n sau để trả lờ i câu 16, 17, 18
Chiế u bứ c xạ có bư ớ c sóng
m
18,0=
vào catot mộ t tế bào quang điệ n. Kim loạ i dùng làm catot củ a tế
bào quang điệ n có giớ i hạ n quang điệ n là
00,3 m
=
. Cho
34
6,625.10h Js
−
=
,
JeV 19
10.6,11 −
=
.
Câu 16: Công thoát electron khỏ i catot củ a tế bào có giá trị nào sau đây:
A.
4,14eV
B.
eV25,66
C.
eV625,6
D.
41,4eV
Câu 17: Độ ng năng ban đầ u cự c đạ i củ a electron khi bậ t ra khỏ i catot có giá trị nào sau đây ?
A. 25,5 eV B. 2,76 eV C. 2,25 eV D. 4,5 eV
Câu 18: Xác đị nh hiệ u điệ n thế
h
U
để dòng quang điệ n triệ t tiêu
A. 5,52 V B. 6,15 V C. 2,76 V D. 2,25 V
Dùng dữ kiệ n sau để trả lờ i câu 19, 20, 21, 22
Kim loạ i làm catôt mộ t tế bào quang điệ n có công thoát êlectron là 2,2 eV. Chiế u vào tế bào quang điệ n
bứ c xạ
0 , 4 4 m
=
. Cho
34
6,625.10h Js
−
=
.
Câu 19: Giớ i hạ n quang điệ n củ a kim loạ i làm catôt thỏ a mãn giá trị nào sau đây:
A.
0,5646 m
B.
0,6446 m
C.
0,6220 m
D.
0,5960 m
Câu 20: Độ ng năng ban đầ u cự c đạ i củ a quang êlectron nhậ n giá trị nào sau đây:
A.
0,86eV
B.
0,623eV
C.
0,76eV
D.
0,92eV
Câu 21: Vậ n tố c ban đầ u cự c đạ i củ a quang êlectron có giá trị nào sau đây:
A.
7
0,468.10 m
s
−
B.
5
0,468.10 m
s
C.
6
0,468.10 m
s
D.
9
0,468.10 m
s
Câu 22: Muố n triệ t tiêu dòng quang điệ n, phả i đặ t vào hai cự c củ a tế bào quang điệ n hiệ u điệ n thế hãm có giá trị
nào sau đây:
A.
0,623V
B.
0,686V
C.
0,866V
D.
0,920V
Dùng dữ kiệ n sau để trả lờ i câu 23, 24, 25
Khi chiế u bứ c xạ có tầ n số
15
2,538.10 Hz
vào kim loạ i dùng làm catôt tế bào quang điệ n thì êlectron bắ n
ra đề u bị giữ lạ i bở i hiệ u điệ n thế hãm
8
h
U V=
. Cho
34
6,625.10h Js
−
=
,
8
3.10 /c m s=
.