KIT1 - Luy n thi đi h c môn lí Đng Vi t Hùng
Ch ng 6: L ng t ánh sángươ ượ
HI N T NG QUANG ĐI N NGOÀI, THUY T L NG T ÁNH SÁNG ƯỢ ƯỢ
(TÀI LI U BÀI GI NG)
I. HI N T NG QUANG ĐI N NGOÀI ƯỢ
1) Thí nghi m Hertz v hi n t ng quang đi n ượ
a) Thí nghi m
Chi u chùm ánh sáng t ngo i phát ra t h quang vào t m k m tích đi nế
âm (t m k m đang th a electron) g n trên di n nghi m ta th y hai lá c a
đi n nghi m c p l i, t m k m m t đi n tích âm.
Ch n chùm tia t ngo i t h quang b ng m t t m kính thì hi n t ng ượ
không x y ra.
Thay t m k m tích đi n âm b ng t m k m tích đi n d ng, hi n t ng ươ ượ
cũng không x y ra. Thay t m k m b ng các kim lo i khác tích đi n âm hi n t ng x y ra bình ượ
th ng.ườ
K t lu n:ế
Khi chi u chùm ánh sáng thích h p có b c sóng ng n vào b m t m t t m kim lo i thì nó làm choế ướ
các electron b m t t m kim loai b b t ra. Hi n t ng đó g i là ượ hi n t ng quang đi n ượ . Các e b
b t ra g i là các e quang đi n.
b) Khái ni m hi n t ng quang đi n ngoài ượ
Hi n t ng electron b b t ra khi chi u ánh sáng có b c sóng thích h p vào m t t m kim lo i đc ư ế ướ ượ
g i là hi n t ng quang đi n ngoài, hay g i t t là hi n t ng quang đi n. ượ ượ
2) Thí nghi m v i t bào quang đi n ế
a) Khái ni m v t bào quang đi n ế
T bào quang đi n là m t bình chân không (đã đc hút h t không khí bên trong),ế ượ ế
g m có hai đi n c c:
Anot là m t vòng dây kim lo i.
Catot có d ng ch m c u b ng kim lo i.
Khi chi u vào cat t c a t bào quang đi n ánh sáng đn s c có b c sóng thíchế ế ơ ướ
h p thì trong m ch xu t hi n m t dòng đi n g i là dòng quang đi n.
b) K t qu thí nghi mế
V i m i kim lo i dùng làm catot, ánh sáng kích thích ph i có b c ướ
sóng nh h n m t gi i h n λ λ ơ 0 nào đó thì hi n t ng m i x y ra. ượ
C ng đ dòng quang đi n ph thu c vào Uườ AK theo đ th sau:
+ UAK > 0: Khi UAK tăng thì I tăng, đn giá tr nào đó, I đt đn giá tr bão hòa. Lúcế ế
đó UAK tăng thì I v n không tăng.
+ UAK < 0: I không tri t tiêu ngay mà ph i đn giá tr U ế AK = Uh < 0 nào đó.
Chú ý:
Mu n cho dòng quang đi n tri t tiêu thì ph i đt gi a AK m t hi u đi n th hãm U ế h < 0, tr s
c a Uh ph thu c vào b c sóng c a chùm sáng kích thích.λ ướ
Dòng quang đi n bão hòa khi t t c các electron b t ra kh i Catot đu đn đc Anot. ế ượ
C ng đ dòng quang đi n bão hòa t l thu n v i c ng đ chùm sáng kích thích mà không phườ ườ
thu c vào b c sóng c a ánh sáng kích thích. ướ
Đ l n c a U h đc tính t bi u th c c a đnh lý đng năng:ượ
h
eU
mv
2
2
max0
, trong đó e = –1,6.10
19 C là đi n tích c a electron, m = 9,1.10–31kg là kh i l ng c a electron. ượ
II. CÁC ĐNH LU T QUANG ĐI N
1) Đnh lu t I : (Đnh lu t v gi i h n quang đi n)
a) Phát bi u
Đi v i m i kim lo i, ánh sáng kích thích ph i có b c sóng ng n h n hay b ng gi i h n quangλ ư ơ
đi n λ0 c a kim lo i đó, m i gây ra đc hi n t ng quang đi n. Bi u th c: λ ượ ượ λ0
b) Đc đi m
Word hóa: Tr n Văn H u – THPT U Minh Th ng ( ượ tranvanhauspli25gvkg@gmail.com – 0978.919.804) Trang - 1 -
KIT1 - Luy n thi đi h c môn lí Đng Vi t Hùng
Ch ng 6: L ng t ánh sángươ ượ
Gi i h n quang đi n c a m i kim lo i (kí hi u λ 0) là đc tr ng riêng cho kim lo i đó. ư
Gi i h n kim lo i c a m t s kim lo i hình:
Tên kim lo iGi i h n quang đi n (λ 0)
B c (Ag)0,26 µm
Đng (Cu)0,3 µm
K m (Zn)0,35 µm
Nhôm (Al) 0,36µm
Canxi (Ca) 0,43 µm
Natri (Na) 0,5 µm
Kali (K) 0,55 µm
Xesi (Cs) 0,58 µm
Chú ý:
Quan sát b ng giá tr gi i h n quang đi n c a các kim lo i đi n hình hay dùng ta th y r ng các kim
lo i ki m có gi i h n quang đi n khá l n nên khi chi u ánh sáng vào hi n t ng quang đi n có th ế ượ
d x y ra h n v i các kim lo i K m hay Đng h n là các kim lo i ki m. ơ ơ
2) Đnh lu t II : (Đnh lu t v c ng đ dòng quang đi n bão hòa) ườ
V i ánh sáng kích thích có b c sóng thích h p ( λ ướ λ0) thì c ng đ dòng quang đi n bão hòa t lườ
v i c ng đ c a chùm sáng kích thích. ườ
3) Đnh lu t III : (Đnh lu t v đng năng ban đu c c đi c a các electron quang đi n)
Đng năng ban đu c c đi c a các electrong quang đi n không ph thu c vào c ng đ c a chùmườ
sáng kích thích mà ch ph thu c vào b c sóng ướ c a ánh sáng kich thích và b n ch t kim lo i dùng
làm cat t.
Chú ý:
Kí hi u đng năng ban đu c c đi là W đmax thì theo đnh lu t quang đi n III ta th y W đmax ch ph
thu c vào và b n ch t kim lo i dùng làm Catot, do m i kim lo i có m t gi i h n quang đi n nh tλ
đnh nên nói m t cách khác, đng năng ban đu c c đi ph thu c vào và λ λ 0.
Trong n i dung c a ch ng trình Chu n thì ch d ng l i Đnh lu t quang đi n I, các đnh lu t II ươ
và III ch mang tính tham kh o.
III. THUY T L NG T ÁNH SÁNG ƯỢ
1) Gi thuy t v l ng t năng l ng Planck ế ượ ượ
Theo nhà bác h c ng i Đc, Planck, L ng năng l ng mà m i l n m t nguyên t hay phân t h p ườ ượ ượ
th hay phát x có giá tr hoàn toàn xác đnh, đc ký hi u là và có bi u th c ε ượ = h.fε
Trong đó:
f là t n s c a ánh sáng b h p th hay phát ra
h là m t h ng s , đc g i là h ng s Plack có giá tr h = 6,625.10 ượ –34 J.s
2) S b t l c c a thuy t sóng ánh sáng ế
Theo thuy t sóng ánh thì ánh sáng là m t chùm sóng đi n t . Khi đp vào b m t kim lo i s làm choế
các e b m t kim lo i dao đng, c ng đ chùm sáng càng l n thì các e dao đng càng m nh và ư
b t ra ngoài t o thành dòng quang đi n. Do đó b t kì chùm sáng nào có c ng đ đ m nh cũng gây ườ
ra hi n t ng quang đi n (trái v i đnh lu t I) và đng năng ban đu c c đi c a các e ch ph thu c ượ
c ng đ c a chùm sáng kích thích (trái v i đnh lu t III).ườ
3) Thuy t l ng t ánh sángế ượ
N i dung c a thuy t l ng t ánh sáng do nhà bác h c Anhxtanh nêu lên có 3 n i dung chính: ε ế ư
Ánh sáng đc t o thành b i các h t g i là phôtôn, m i phôtôn còn g i là các l ng t có năngượ ượ
l ng xác đnh ượ ε = h.f, c ng đ c a chùm sáng t l v i s phôtôn phát ra trong 1 giây.ườ
Phôtôn bay v i t c đ c = 3.10 8m/s d c theo các tia sáng.
M i l n m t nguyên t hay phân t phát x hay h p th ánh sáng thì chúng phát ra hay h p th
phôtôn.
Chú ý:
Nh ng nguyên t hay phân t v t ch t không h p th hay b c x ánh sáng m t cách liên t c mà
Word hóa: Tr n Văn H u – THPT U Minh Th ng ( ượ tranvanhauspli25gvkg@gmail.com – 0978.919.804) Trang - 2 -
0
KIT1 - Luy n thi đi h c môn lí Đng Vi t Hùng
Ch ng 6: L ng t ánh sángươ ượ
thành t ng ph n riêng bi t đt quãng, m i ph n đó mang m t năng l ng hoàn toàn xác đnh - Chùm ượ
sáng là m t chùm h t m i h t là m t phôtôn mang m t năng l ng xác đnh. ượ
Khi ánh sáng truy n đi, các l ng t năng l ng không b thay đi, không ph thu c cách ngu n ượ ượ
sáng xa hay g n.
IV. GI I THÍCH CÁC ĐNH LU T QUANG ĐI N
1) H th c Anhxtanh
Anhxtanh coi chùm sáng là chùm h t, m i h t là m t phôtôn mang m t năng l ng xác đnh ượ ε = h.f.
Trong hi n t ng quang đi n có s h p th hoàn toàn phô tôn chi u t i. M i phôtôn b h p th s ượ ế
truy n toàn b năng l ng c a nó cho m t electron. Đi v i các electron trên b m t năng l ng ượ ượ ε
này dùng làm hai vi c:
- Cung c p cho electron m t công thoát A đ th ng l c liên k t trong tinh th và thoát ra ngoài. ế
- Cung c p cho electron m t đng năng ban đu c c đi đ electron bay đn Anot. ế
Theo đnh lu t b o toàn năng l ng ta có ε ượ = hf =
2
2
max0
max
mv
AWA đ
Công th c trên đc g i là ượ h th c Anhxtanh .
Chú ý:
Thay công th c tính t n s f = c/ ho c đng năng theo Uλ h ta đc các h qu c a h th c Anhxtanhượ
hhđeUA
mv
A
hc
eUA
mv
AWAhf 22
2
max0
2
max0
max
Các h ng s : h = 6,625.10 –34J.s, c = 3.108 m/s, m = 9,1.10–31kg, e = –1,6.10–19 C.
2) Gi i thích các đnh lu t quang đi n
a) Gi i thích Đnh lu t I
Đ x y ra hi n t ng quang đi n, năng l ng m t phôtôn ph i l n h n công thoát A (là năng l ng ư ượ ơ ượ
đ gi các electron l i t m kim lo i).
Khi đó ta có
A
hc
A
c
hAhfA
(1)
Đt
A
hc
0
, đc g i là gi i h n quang đi n.ượ
Khi đó (1) đc vi t l i là λượ ế λ0
b) Gi i thích Đnh lu t II
C ng đ dòng quang đi n bão hòa t l v i s electron quang đi n. S electron quang đi n t l v iườ
s phô tôn đn đp vào Catot trong m t đn v th i gian. S phôton đn đp vào Catot trong m t đn ế ơ ế ơ
v th i gian t l v i c ng đ chùm sáng. V y c ng đ dòng quang đi n bão hòa t l v i c ng ườ ườ ư
đ chùm sáng.
c) Gi i thích Đnh lu t III
T h th c Anhxtanh ta có
22
2
max0
2
max0
max
mv
A
hc
mv
AWAhf đ
Ta th y đng năng ban đu c c đi (W đmax) ch ph thu c vào và A, t c là b c sóng c a chùmλ ướ
sáng chi u vào kim lo i và b n ch t kim lo i làm Catot.ế
Chú ý:
T công th c tính gi i h n quang đi n
A
hc
0
0
hc
A
, thay vào h th c Anhxtanh ta đc ượ
222
2
max0
0
2
max0
2
max0 mv
hchc
mv
A
hc
mv
Ahf
Trong các công th c tính toán thì tích s h.c th ng đc l p l i nhi u l n trong các b c tính, ườ ượ ướ
đ thu n ti n ta l u giá tr c a h ng s này hc = 19,875.10 ư 26
Giá tr c a v 0max dao đng trong kho ng t 10 5 (m/s) đn 10ế7 (m/s).
5) L ng tính sóng h t c a ánh sángưỡ
Hi n t ng giao thoa ch ng t ánh sáng có tính ch t sóng, hi n t ng quang đi n ch ng t ánh sáng ượ ượ
Word hóa: Tr n Văn H u – THPT U Minh Th ng ( ượ tranvanhauspli25gvkg@gmail.com – 0978.919.804) Trang - 3 -
0
KIT1 - Luy n thi đi h c môn lí Đng Vi t Hùng
Ch ng 6: L ng t ánh sángươ ượ
có tính ch t h t. V y ánh sáng có l ng tính sóng h t. ưỡ
IV. M T S VÍ D ĐI N HÌNH
Ví d 1. Tính năng l ng phôtôn ng v i ánh sáng có b c sóng λượ ướ 1 = 0,768 µm; λ2 = 0,589 µm;
λ3 = 0,444 µm.
H ng d n gi i:ướ
Áp d ng công th c tính l ng t năng l ng ta có ượ ượ
Ví d 2. Tính b c sóng và t n s c a ánh sáng có năng l ng phôtôn là 2,8.10ướ ượ –19 (J).
H ng d n gi i:ướ
Ta có
)(7,0
10.8,2
10.875,19
10.226,4
10.625,6
10.8,2
19
16
14
34
19
m
hc
Hz
h
f
hc
hf
Ví d 3. Tìm gi i h n quang đi n c a kim lo i. Bi t r ng năng l ng dùng đ tách m t ế ượ
electron ra kh i kim lo i đc dùng làm cat t c a m t t bào quang đi n là 3,31.10 ượ ế –19 (J).
H ng d n gi i:ướ
Năng l ng đ tách electron ra kh i kim lo i là công thoát A c a kim lo i đó, v y A = 3,31.10ượ –19 (J).
Theo công th c tính gi i h n quang đi n ta có
)(6,0
10.31,3
10.975,19
19
26
0m
A
hc
Ví d 4. M t t bào quang đi n có gi i h n quang đi n ế λ0 = 600 nm đc chi u b i m t tiaượ ế
sáng đn s c có b c sóng ơ ướ λ = 400 nm. Tính
a) công thoát A c a kim lo i.
b) v n t c c c đi c a electron b t ra.
H ng d n gi i:ướ
a) Theo công th c tính gi i h n quang đi n
J
hc
A
A
hc 19
9
26
0
010.3125,3
10.600
10.975,19
b) Theo h qu t h th c Anhxtanh ta có :
)s/m(10.6
10.1,9
10.600
1
10.400
1
10.875,19.2
m
11
hc2
m
hchc
2
v
2
mv
hchc
5
31
99
26
00
2
max0
2
max0
0
V y v0max = 6.105 (m/s).
Ví d 5. Công thoát electron ra kh i kim lo i A = 6,625.10 19 J, h ng s Plăng h = 6,625.10 –34 J.s, v n
t c ánh sáng trong chân không c = 3.108 m/s. Tính gi i h n quang đi n c a kim lo i đó.
........................................................................................................................................................................
........................................................................................................................................................................
Đáp s : λ0 = 0,300 μm.
Ví d 6. Chi u b c x t ngo i có = 0,25 µm vào m t t m kim lo i có công thoát 3,45 eV. V n t cλế
ban đu c c đi c a êlectron quang đi n là bao nhiêu?
........................................................................................................................................................................
Word hóa: Tr n Văn H u – THPT U Minh Th ng ( ượ tranvanhauspli25gvkg@gmail.com – 0978.919.804) Trang - 4 -
KIT1 - Luy n thi đi h c môn lí Đng Vi t Hùng
Ch ng 6: L ng t ánh sángươ ượ
........................................................................................................................................................................
Đáp s : v0max = 7,3.105 m/s.
Ví d 7. Cat t c a m t t bào quang đi n làm b ng Cesi có gi i h n quang đi n là 0,66 µm. Chi u ế ế
vào cat t ánh sáng t ngo i có b c sóng 0,33 µm. Đng năng ban đu c c đi c a quang electron có ướ
giá tr bao nhiêu?
........................................................................................................................................................................
........................................................................................................................................................................
Đáp s : Wd.max = 3,01.10–19 J.
Ví d 8. Gi i h n quang đi n c a k m là 0,36 µm, công thoát e c a k m l n h n natri 1,4 l n. Gi i ơ
h n quang đi n c a natri có giá tr là bao nhiêu ?
........................................................................................................................................................................
........................................................................................................................................................................
........................................................................................................................................................................
Đáp s : λ0 = 0,504 μm.
Ví d 9. Chi u b c x có b c sóng λế ướ 1 = 0,405 µm vào catôt c a 1 t bào quang đi n thì v n t c ban ế
đu c c đi c a electrôn là v 1, thay b c x khác có t n s f 2 = 16.1014 Hz thì v n t c ban đu c c đi
c a electrôn là v2 = 2v1. Công thoát c a electrôn ra kh i catôt là
........................................................................................................................................................................
........................................................................................................................................................................
........................................................................................................................................................................
........................................................................................................................................................................
Đáp s : A = 3.10–19 J.
Ví d 10. Cat t c a m t t bào quang đi n có gi i h n quang đi n = 322 nm. Tínhλ ế
a) công thoát c a electron.
b) v n t c ban đu c c đi c a electron b n ra t cat t khi chi u vào nó chùm sáng đn s c có b c ế ơ ướ
sóng 250 nm.
........................................................................................................................................................................
........................................................................................................................................................................
........................................................................................................................................................................
........................................................................................................................................................................
Đáp s :a) A = 3,74.103 eV.
b) v0max = 1,31.106 m/s.
Ví d 11. M t lá Niken có công thoát là 5 eV, đc chi u b ng ánh sáng t ngo i có b c sóng =λ ượ ế ư
0,2 µm. Xác đnh v n t c ban đu c c đi c a các electron b n ra t catôt.
Đáp s : v0max = 6,65.106 m/s.
........................................................................................................................................................................
........................................................................................................................................................................
........................................................................................................................................................................
Ví d 12. (TN-2008): Gi i h n quang đi n c a đng (Cu) là λ 0 = 0,30 µm. Bi t h ng s h = 6,625.10ế -
34 J.s và v n t c truy n ánh sáng trong chân không c = 3.10 8 m/s. Công thoát c a êlectrôn kh i b m t
c a đng 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.
H ng d n gi i:ướ
Công thoát:
J
hc
A19
6
834
0
10.625,6
10.3,0
10.3.10.625,6
. Đáp án A
Ví d 13. Gi i h n quang đi n c a Ge là λ0 = 1,88 µm. Tính năng l ng kích h at (năng l ng c nượ ượ
thi t đ gi i phóng m t êlectron liên k t thành êlectron d n) c a Ge?ế ế
H ng d n gi i:ướ
Word hóa: Tr n Văn H u – THPT U Minh Th ng ( ượ tranvanhauspli25gvkg@gmail.com – 0978.919.804) Trang - 5 -