Luyện thi Đại học môn Lý: Lượng tử ánh sáng

KIT1 - Luy n thi đi h c môn lí Đng Vi t Hùng ệ ạ ọ ặ ệ

Ch ng 6: L ng t ánh sángươ ượ ử

HI N T NG QUANG ĐI N NGOÀI, THUY T L NG T ÁNH SÁNGỆ ƯỢ Ệ Ế ƯỢ Ử

(TÀI LI U BÀI GI NG)Ệ Ả

I. HI N T NG QUANG ĐI N NGOÀIỆ ƯỢ Ệ

1) Thí nghi m Hertz v hi n t ng quang đi nệ ề ệ ượ ệ

a) Thí nghi mệ

▪Chi u chùm ánh sáng t ngo i phát ra t h quang vào t m k m tích đi nế ử ạ ừ ồ ấ ẽ ệ

âm (t m k m đang th a electron) g n trên di n nghi m ta th y hai lá c aấ ẽ ừ ắ ệ ệ ấ ủ

đi n nghi m c p l i, t m k m m t đi n tích âm.ệ ệ ụ ạ ấ ẽ ấ ệ

▪Ch n chùm tia t ngo i t h quang b ng m t t m kính thì hi n t ngắ ừ ạ ừ ồ ằ ộ ấ ệ ượ

không x y ra.ả

▪Thay t m k m tích đi n âm b ng t m k m tích đi n d ng, hi n t ngấ ẽ ệ ằ ấ ẽ ệ ươ ệ 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 bìnhả ấ ẽ ằ ạ ệ ệ ượ ả

th ng.ườ

K t lu n:ế ậ

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 ợ ướ ắ ề ặ ộ ấ ạ

các electron b m t t m kim loai b b t ra. Hi n t ng đó g i là ở ề ặ ấ ị ậ ệ ượ ọ hi n t ng quang đi nệ ượ ệ . Các e bị

b t ra g i là các e quang đi n.ậ ọ ệ

b) Khái ni m hi n t ng quang đi n ngoàiệ ệ ượ ệ

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 đcệ ượ ị ậ ế ướ ợ ộ ấ ạ 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.ọ ệ ượ ệ ọ ắ ệ ượ ệ

2) Thí nghi m v i t bào quang đi nệ ớ ế ệ

a) Khái ni m v t bào quang đi nệ ề ế ệ

T bào quang đi n là m t bình chân không (đã đc hút h t không khí bên trong),ế ệ ộ ượ ế

g m có hai đi n c c:ồ ệ ự

▪Anot là m t vòng dây kim lo i.ộ ạ

▪Catot có d ng ch m c u b ng kim lo i.ạ ỏ ầ ằ ạ

▪Khi chi u vào cat t c a t bào quang đi n ánh sáng đn s c có b c sóng thíchế ố ủ ế ệ ơ ắ ướ

h p thì trong m ch xu t hi n m t dòng đi n g i là dòng quang đi n.ợ ạ ấ ệ ộ ệ ọ ệ

b) K t qu thí nghi mế ả ệ

▪V i m i kim lo i dùng làm catot, ánh sáng kích thích ph i có b cớ ỗ ạ ả ướ

sóng nh h n m t gi i h n λ λỏ ơ ộ ớ ạ 0 nào đó thì hi n t ng m i x y ra.ệ ượ ớ ả

▪C ng đ dòng quang đi n ph thu c vào Uườ ộ ệ ụ ộ AK theo đ th sau:ồ ị

+ UAK > 0: Khi UAK tăng thì I tăng, đn giá tr nào đó, I đt đn giá tr bão hòa. Lúcế ị ạ ế ị

đó UAK tăng thì I v n không tăng.ẫ

+ UAK < 0: I không tri t tiêu ngay mà ph i đn giá tr Uệ ả ế ị 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 Uố ệ ệ ả ặ ữ ộ ệ ệ ế h < 0, tr sị ố

c a Uủh ph thu c vào b c sóng c a chùm sáng kích thích.λụ ộ ướ ủ

▪Dòng quang đi n bão hòa khi t t c các electron b t ra kh i Catot đu đn đc Anot.ệ ấ ả ứ ỏ ề 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 ộ ệ ỉ ệ ậ ớ ườ ộ ụ

thu c vào b c sóng c a ánh sáng kích thích.ộ ướ ủ

▪Đ l n c a Uộ ớ ủ h đc tính t bi u th c c a đnh lý đng năng:ượ ừ ể ứ ủ ị ộ

mv 

max0

, trong đó e = –1,6.10–

19 C là đi n tíchệ c a electron, m = 9,1.10ủ–31kg là kh i l ng c a electron.ố ượ ủ

II. CÁC ĐNH LU T QUANG ĐI NỊ Ậ Ệ

1) Đnh lu t I : ị ậ (Đnh lu t v gi i h n quang đi n)ị ậ ề ớ ạ ệ

a) Phát bi uể

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 quangλố ớ ỗ ạ ả ướ ắ ơ ằ ớ ạ

đi n λệ0 c a kim lo i đó, m i gây ra đc hi n t ng quang đi n. Bi u th c: λủ ạ ớ ượ ệ ượ ệ ể ứ ≤ λ0

b) Đc đi mặ ể

Word hóa: Tr n Văn H u – THPT U Minh Th ng (ầ ậ ượ tranvanhauspli25gvkg@gmail.com – 0978.919.804) Trang - 1 -

KIT1 - Luy n thi đi h c môn lí Đng Vi t Hùng ệ ạ ọ ặ ệ

Ch ng 6: L ng t ánh sángươ ượ ử

Gi i h n quang đi n c a m i kim lo i (kí hi u λớ ạ ệ ủ ỗ ạ ệ 0) là đc tr ng riêng cho kim lo i đó.ặ ư ạ

Gi i h n kim lo i c a m t s kim lo i hình: ớ ạ ạ ủ ộ ố ạ

Tên kim lo iạGi i h n quang đi n (λớ ạ ệ 0)

B c (Ag)ạ0,26 µm

Đng (Cu)ồ0,3 µm

K m (Zn)ẽ0,35 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 kimả ị ớ ạ ệ ủ ạ ể ấ ằ

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 thạ ề ớ ạ ệ ớ ế ệ ượ ệ ể

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.ễ ả ơ ớ ạ ẽ ồ ơ ạ ề

2) Đnh lu t II : ị ậ (Đnh lu t v c ng đ dòng quang đi n bão hòa)ị ậ ề ườ ộ ệ

V i ánh sáng kích thích có b c sóng thích h p ( λớ ướ ợ ≤ λ0) thì c ng đ dòng quang đi n bão hòa t lườ ộ ệ ỉ ệ

v i c ng đ c a chùm sáng kích thích. ớ ườ ộ ủ

3) Đnh lu t III : ị ậ (Đnh lu t v đng năng ban đu c c đi c a các electron quang đi n)ị ậ ề ộ ầ ự ạ ủ ệ

Đng năng ban đu c c đi c a các electrong quang đi n ộ ầ ự ạ ủ ệ không ph thu c ụ ộ vào c ng đ c a chùmườ ộ ủ

sáng kích thích mà ch ph thu c ỉ ụ ộ vào b c sóng ướ c a ánh sáng kich thích và ủb n ch t kim lo i ả ấ ạ dùng

làm cat t.ố

♥ Chú ý:

▪Kí hi u đng năng ban đu c c đi là Wệ ộ ầ ự ạ đmax thì theo đnh lu t quang đi n III ta th y Wị ậ ệ ấ đmax ch phỉ ụ

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 tλộ ả ấ ạ ỗ ạ ộ ớ ạ ệ ấ

đnh nên nói m t cách khác, đng năng ban đu c c đi ph thu c vào và λ λị ộ ộ ầ ự ạ ụ ộ 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 IIộ ủ ươ ẩ ỉ ừ ạ ở ị ậ ệ ị ậ

và III ch mang tính tham kh o.ỉ ả

III. THUY T L NG T ÁNH SÁNGẾ ƯỢ Ử

1) Gi thuy t v l ng t năng l ng Planckả ế ề ượ ử 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 pọ ườ ứ ượ ượ ỗ ầ ộ ử ử ấ

th hay phát x có giá tr hoàn toàn xác đnh, đc ký hi u là và có bi u th c εụ ạ ị ị ượ ệ ể ứ = h.fε

Trong đó:

f là t n s c a ánh sáng b h p th hay phát raầ ố ủ ị ấ ụ

h là m t h ng s , đc g i là h ng s Plack có giá tr h = 6,625.10ộ ằ ố ượ ọ ằ ố ị –34 J.s

2) S b t l c c a thuy t sóng ánh sángự ấ ự ủ 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 ộ ệ ừ ạ ề ặ ạ ẽ

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 vàở ề ặ ạ ộ ườ ộ ớ ộ ạ

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 gâyậ ạ ệ ấ ườ ộ ủ ạ

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 cệ ượ ệ ớ ị ậ ộ ầ ự ạ ủ ỉ ụ ộ

c ng đ c a chùm sáng kích thích (trái v i đnh lu t III).ườ ộ ủ ớ ị ậ

3) Thuy t l ng t ánh sángế ượ ử

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: εộ ủ ế ượ ử ọ ộ

▪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 ạ ở ạ ọ ỗ ọ ượ ử

l ng xác đnh ượ ị ε = h.f, c ng đ c a chùm sáng t l v i s phôtôn phát ra trong 1 giây.ườ ộ ủ ỉ ệ ớ ố

▪Phôtôn bay v i t c đ c = 3.10ớ ố ộ 8m/s d c theo các tia sáng.ọ

▪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 thỗ ầ ộ ử ử ạ ấ ụ ấ ụ

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 màữ ử ử ậ ấ ấ ụ ứ ạ ộ ụ

Word hóa: Tr n Văn H u – THPT U Minh Th ng (ầ ậ ượ tranvanhauspli25gvkg@gmail.com – 0978.919.804) Trang - 2 -

KIT1 - Luy n thi đi h c môn lí Đng Vi t Hùng ệ ạ ọ ặ ệ

Ch ng 6: L ng t ánh sángươ ượ ử

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 - Chùmừ ầ ệ ứ ỗ ầ ộ ượ ị

sáng là m t chùm h t m i h t là m t phôtôn mang m t năng l ng xác đnh.ộ ạ ỗ ạ ộ ộ ượ ị

▪Khi ánh sáng truy n đi, các l ng t năng l ng không b thay đi, không ph thu c cách ngu nề ượ ử ượ ị ổ ụ ộ ồ

sáng xa hay g n.ầ

IV. GI I THÍCH CÁC ĐNH LU T QUANG ĐI NẢ Ị Ậ Ệ

1) H th c Anhxtanhệ ứ

▪Anhxtanh coi chùm sáng là chùm h t, m i h t là m t phôtôn mang m t năng l ng xác đnh ạ ỗ ạ ộ ộ ượ ị 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 sệ ượ ệ ự ấ ụ ế ớ ỗ ị ấ ụ ẽ

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 ề ộ ượ ủ ộ ố ớ ề ặ ượ ε

này dùng làm hai vi c:ệ

- 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.ấ ộ ể ắ ự ế ể

- Cung c p cho electron m t đng năng ban đu c c đi đ electron bay đn Anot.ấ ộ ộ ầ ự ạ ể ế

Theo đnh lu t b o toàn năng l ng ta có εị ậ ả ượ = hf =

max0

max

AWA đ

Công th c trên đc g i là ứ ượ ọ h th c Anhxtanhệ ứ .

♥ Chú ý:

Thay công th c tính t n s f = c/ ho c đng năng theo Uλứ ầ ố ặ ộ h ta đc các h qu c a h th c Anhxtanhượ ệ ả ủ ệ ứ

hhđeUA

eUA

AWAhf  22

max0

max



Các h ng s : h = 6,625.10ằ ố –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 nả ị ậ ệ

a) Gi i thích Đnh lu t Iả ị ậ

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 ngể ả ệ ượ ệ ượ ộ ả ớ ơ ượ

đ gi các electron l i t m kim lo i).ể ữ ở ạ ấ ạ

Khi đó ta có

hAhfA 



(1)

Đt ặ



, đc g i là gi i h n quang đi n.ượ ọ ớ ạ ệ

Khi đó (1) đc vi t l i là λượ ế ạ ≤ λ0

b) Gi i thích Đnh lu t IIả ị ậ

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 ộ ệ ỉ ệ ớ ố ệ ố ệ ỉ ệ ớ

s phô tôn đn đp vào Catot trong m t đn v th i gian. S phôton đn đp vào Catot trong m t đnố ế ậ ộ ơ ị ờ ố ế ậ ộ 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 ngị ờ ỉ ệ ớ ườ ộ ậ ườ ộ ệ ỉ ệ ớ ườ

đ chùm sáng.ộ

c) Gi i thích Đnh lu t IIIả ị ậ

T h th c Anhxtanh ta có ừ ệ ứ

max0

max

AWAhf đ



Ta th y đng năng ban đu c c đi (Wấ ộ ầ ự ạ đmax) ch ph thu c vào và A, t c là b c sóng c a chùmλỉ ụ ộ ứ ướ ủ

sáng chi u vào kim lo i và b n ch t kim lo i làm Catot.ế ạ ả ấ ạ

♥ Chú ý:

▪T công th c tính gi i h n quang đi n ừ ứ ớ ạ ệ



A

, thay vào h th c Anhxtanh ta đcệ ứ ượ

222

max0

max0 mv

hchc

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,ứ ố ườ ượ ặ ạ ề ầ ướ

đ thu n ti n ta l u giá tr c a h ng s này hc = 19,875.10ể ậ ệ ư ị ủ ằ ố –26

▪Giá tr c a vị ủ 0max dao đng trong kho ng t 10ộ ả ừ 5 (m/s) đn 10ế7 (m/s).

5) L ng tính sóng h t c a ánh sángưỡ ạ ủ

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 sángệ ượ ứ ỏ ấ ệ ượ ệ ứ ỏ

Word hóa: Tr n Văn H u – THPT U Minh Th ng (ầ ậ ượ tranvanhauspli25gvkg@gmail.com – 0978.919.804) Trang - 3 -

KIT1 - Luy n thi đi h c môn lí Đng Vi t Hùng ệ ạ ọ ặ ệ

Ch ng 6: L ng t ánh sángươ ượ ử

có tính ch t h t. V y ánh sáng có l ng tính sóng h t.ấ ạ ậ ưỡ ạ

IV. M T S VÍ D ĐI N HÌNHỘ Ố Ụ Ể

Ví d 1.ụ Tính năng l ng phôtôn ng v i ánh sáng có b c sóng λượ ứ ớ ướ 1 = 0,768 µm; λ2 = 0,589 µm;

λ3 = 0,444 µm.

H ng d n gi i:ướ ẫ ả

Áp d ng công th c tính l ng t năng l ng ta có ụ ứ ượ ử ượ













)(10.76,44

10.444,0

10.3.10.625,6

)(10.74,33

10.589,0

10.3.10.625,6

)(10.87,25

10.768,0

10.3.10.625,6

834



Ví d 2.ụ Tính b c sóng và t n s c a ánh sáng có năng l ng phôtôn là 2,8.10ướ ầ ố ủ ượ –19 (J).

H ng d n gi i:ướ ẫ ả

Ta có













)(7,0

10.8,2

10.875,19

10.226,4

10.625,6

10.8,2



Ví d 3.ụ Tìm gi i h n quang đi n c a kim lo i. Bi t r ng năng l ng dùng đ tách m tớ ạ ệ ủ ạ ế ằ ượ ể ộ

electron ra kh i kim lo i đc dùng làm cat t c a m t t bào quang đi n là 3,31.10ỏ ạ ượ ố ủ ộ ế ệ –19 (J).

H ng d n gi i:ướ ẫ ả

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 ể ỏ ạ ủ ạ ậ –19 (J).

Theo công th c tính gi i h n quang đi n ta có ứ ớ ạ ệ

)(6,0

10.31,3

10.975,19



 



Ví d 4.ụ M t t bào quang đi n có gi i h n quang đi n ộ ế ệ ớ ạ ệ λ0 = 600 nm đc chi u b i m t tiaượ ế ở ộ

sáng đn s c có b c sóng ơ ắ ướ λ = 400 nm. Tính

a) công thoát A c a kim lo i.ủ ạ

b) v n t c c c đi c a electron b t ra.ậ ố ự ạ ủ ứ

H ng d n gi i:ướ ẫ ả

a) Theo công th c tính gi i h n quang đi n ứ ớ ạ ệ

hc 19

010.3125,3

10.600

10.975,19 







b) Theo h qu t h th c Anhxtanh ta có :ệ ả ừ ệ ứ

)s/m(10.6

10.1,9

10.600

10.400

10.875,19.2

hc2

hchc

max0



































V y vậ0max = 6.105 (m/s).

Ví d 5. ụCông thoát electron ra kh i kim lo i A = 6,625.10ỏ ạ –19 J, h ng s Plăng h = 6,625.10ằ ố –34 J.s, v nậ

t c ánh sáng trong chân không c = 3.10ố8 m/s. Tính gi i h n quang đi n c a kim lo i đó.ớ ạ ệ ủ ạ

........................................................................................................................................................................

Đáp s : ốλ0 = 0,300 μm.

Ví d 6.ụ 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 ứ ạ ử ạ ộ ấ ạ ậ ố

ban đu c c đi c a êlectron quang đi n là bao nhiêu?ầ ự ạ ủ ệ

........................................................................................................................................................................

Word hóa: Tr n Văn H u – THPT U Minh Th ng (ầ ậ ượ tranvanhauspli25gvkg@gmail.com – 0978.919.804) Trang - 4 -

KIT1 - Luy n thi đi h c môn lí Đng Vi t Hùng ệ ạ ọ ặ ệ

Ch ng 6: L ng t ánh sángươ ượ ử

........................................................................................................................................................................

Đáp s : ốv0max = 7,3.105 m/s.

Ví d 7.ụ 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 uố ủ ộ ế ệ ằ ớ ạ ệ 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 cóố ử ạ ướ ộ ầ ự ạ ủ

giá tr bao nhiêu?ị

........................................................................................................................................................................

Đáp s : ốWd.max = 3,01.10–19 J.

Ví d 8.ụ 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 iớ ạ ệ ủ ẽ ủ ẽ ớ ơ ầ ớ

h n quang đi n c a natri có giá tr là bao nhiêu ?ạ ệ ủ ị

........................................................................................................................................................................

Đáp s : ốλ0 = 0,504 μm.

Ví d 9.ụ Chi u b c x có b c sóng λế ứ ạ ướ 1 = 0,405 µm vào catôt c a 1 t bào quang đi n thì v n t c banủ ế ệ ậ ố

đu c c đi c a electrôn là vầ ự ạ ủ 1, thay b c x khác có t n s fứ ạ ầ ố 2 = 16.1014 Hz thì v n t c ban đu c c điậ ố ầ ự ạ

c a electrôn là vủ2 = 2v1. Công thoát c a electrôn ra kh i catôt làủ ỏ

........................................................................................................................................................................

Đáp s : ốA = 3.10–19 J.

Ví d 10.ụ Cat t c a m t t bào quang đi n có gi i h n quang đi n = 322 nm. Tínhλố ủ ộ ế ệ ớ ạ ệ

a) công thoát c a electron.ủ

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 cậ ố ầ ự ạ ủ ắ ừ ố ế ơ ắ ướ

sóng 250 nm.

........................................................................................................................................................................

Đáp s :ốa) A = 3,74.10–3 eV.

b) v0max = 1,31.106 m/s.

Ví d 11.ụ M t lá Niken có công thoát là 5 eV, đc chi u b ng ánh sáng t ngo i có b c sóng =λộ ượ ế ằ ử ạ ướ

0,2 µm. Xác đnh v n t c ban đu c c đi c a các electron b n ra t catôt.ị ậ ố ầ ự ạ ủ ắ ừ

Đáp s : ốv0max = 6,65.106 m/s.

........................................................................................................................................................................