SKKN năm 2015 BD HSG hiệu ứng Compton
Nguyễn Thị Phương Dung - THPT Chuyên Lương Văn Tụy 1
I. TÊN SÁNG KIẾN:
LÀM RÕ CƠ SỞ LÍ THUYẾT VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG BÀI TẬP BỒI
DƯỠNG HỌC SINH GIỎI PHẦN HIỆU ỨNG COMPTON
II. TÁC GIẢ SÁNG KIẾN:
Họ và tên:NGUYỄN THỊ PHƯƠNG DUNG
Đơn vị công tác:Tổ Vật lí - Trường THPT Chuyên Lương Văn Tụy
Địa chỉ email:nguyendungcnb@gmail.com
III. NỘI DUNG SÁNG KIẾN
1. Giải pháp cũ thường làm
Hiệu ứng quang điện và hiệu ứng Compton đều là những bằng chứng thực
nghiệm chứng tỏ bản chất hạt của ánh sáng. Trong cả hai hiệu ứng trên đều đề cập tới
sự tương tác của phôtôn với êlêctrôn nhưng bản chất của sự tương tác lại rất khác nhau.
Và đây là vấn đề khó đối với học sinh.
Trong chương trình sách giáo khoa phổ thông đại trà không yêu cầu học sinh
hiểu sâu hơn về bản chất tương tác giữa photon với electron mà chỉ dừng lại khai thác
về khái niệm hiện tượng quang điện,ba định luật quang điện và công thức Anh-xtanh
cho hiệu ứng quang điện.Trong sách giáo khoa chuyên Vật lí 12, thìsự tương tác của
phôtôn với êlêctrôn còn được giới thiệu qua cả hiệu ứng Compton, tuy nhiên cả lí
thuyết và bài tập đều chưa thật sâu sắc, rõ ràng và đầy đủ.
Trong nội dung kiến thức thi học sinh giỏi quốc gia nhiều năm gần đây, yêu cầu
học sinh phải nghiên cứu và hiểu sâu cả hiệu ứng compton và các ứng dụng của nó. Vì
vậy tìm hiểu bản chất của sự tương tác giữa phôtôn với êlêctrôn để thấy rõ sự khác
nhau về kết quả của hai hiệu ứng là cần thiết đối với giáo viên giảng dạy môn vật lý
THPT nói chung và giáo viên, học sinh chuyên lý nói riêng.
Với mong muốn được làm rõ hơn về lí thuyết và đưa ra một cái nhìn tổng thể và
đầy đủ về các dạng bài tập cũng như phương pháp giải bài tập về hiệu ứng Compton,
tôi xin trình bày một số kết quả rút ra được từ việc nghiên cứu vấn đề nêu trên trong
quá trình tham gia BD HSG quốc gia thời gian qua và xin được trao đổi cùng các đồng
SKKN năm 2015 BD HSG hiệu ứng Compton
Nguyễn Thị Phương Dung - THPT Chuyên Lương Văn Tụy 2
nghiệp về vấn đề này. Đây cũng là lí do để tôi chọn đề tài này làm sáng kiến kinh
nghiệm của mình.
2. Giải pháp mới cải tiến
Trước tiên để làm tốt được các dạng bài tập liên quan đến hiệu ứng Compton thì
cácem phải hiểu sâu sắc được kiến thức vềtương tác của phôtôn với êlêctrôn. Chính vì
vậy việc bổ trợ kiến thức lí thuyết cho các em là đặc biệt quan trọng nhất là các em
học sinh giỏi và học chuyên. Do đó tôi cố gắng làm rõ cơ sở lí thuyết về tương tác của
phôtôn với êlêctrôn để giúp các em hiểu rõ hơn bản chất tương tác, biết so sánh với
hiệu ứng quang điện, hiểu sâu hơn về hiệu ứng Compton, biết ứng dụng để làm được
một số bài tập cơ bản.
Thứ hai, phân loại các bài toán mang tính chất điển hình về tương tác của
phôtôn với êlêctrôn để giúp các em học sinh tư duy sâu về cách thức nhận biết các
dạng câu hỏi có thể gặp trong đề thi.
Thứ ba, trong nội dung của sáng kiến kinh nghiệm tôi còn đưa thêm vào các bài
tập để các em tự rèn luyện đồng thời có hướng dẫn và cách giải cụ thể để định hướng
tư duy cho các em vì đây đều là những bài toán khó.
IV. ĐIỀU KIỆN VÀ KHẢ NĂNG ÁP DỤNG
Chuyên đề về hiệu ứng Compton được áp dụng cho giáo viên và học sinh giỏi
ôn thi HSG Quốc gia.
SKKN năm 2015 BD HSG hiệu ứng Compton
Nguyễn Thị Phương Dung - THPT Chuyên Lương Văn Tụy 3
PHỤ LỤC
TÊN ĐỀ TÀI:
LÀM RÕ CƠ SỞ LÍ THUYẾT VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG BÀI TẬP BỒI
DƯỠNG HỌC SINH GIỎI PHẦN HIỆU ỨNG COMPTON
Đặt vấn đề:
Theo tiến trình lịch sử của sự phát triển vật lý học, chúng ta đều đã biết đến sự
thành công của thuyết điện từ của Mắc-xoen khi nói lên bản chất sóng và thuyết lượng
tử Plăng(1900), lượng tử Anh-xtanh( 1905) khi khẳng định bản chất hạt của bức xạ
điện từ nói chung và ánh sáng nói riêng.Cuộc tranh luận giữa hai trường phái sóng - hạt
đã thu hút rất nhiều nhà vật lý vào cuộc để rồi cuối cùng đi tới thống nhất ánh sáng có
lưỡng tính sóng - hạt trên cơ sở của những bằng chứng thực nghiệm rõ ràng.
Hiệu ứng quang điện và hiệu ứng Compton đều là những bằng chứng thực
nghiệm chứng tỏ bản chất hạt của ánh sáng.Trong hiện tượng, cả hai hiệu ứng đều đề
cập tới sự tương tác của phôtôn với êlêctrôn nhưng bản chất của sự tương tác lại rất
khác nhau.
Dựa trên chuẩn kiến thức và kỹ năng,trong sách giáo khoa phổ thông đại trà
không yêu cầu học sinh hiểu sâu hơn về bản chất tương tác giữa photon với electrron
mà chỉ dừng lại khai thác về khái niệm hiện tượng quang điện,ba định luật quang điện
và công thức Anh-xtanh cho hiệu ứng quang điện.Trong nội dung kiến thức thi học
sinh giỏi quốc gia nhiều năm gần đây, yêu cầu học sinh phải nghiên cứu cả hiệu ứng
compton và các ứng dụng của nó.Vì vậy tìm hiểu bản chất của sự tương tác giữa
phôtôn với êlêctrônđể thấy rõ sự khác nhau về kết quả của hai hiệu ứng là cần thiết đối
với giáo viên giảng dạy môn vật lý THPT nói chung và giáo viên, học sinh chuyên lý
nói riêng.
Dưới đây tôi trình bày một số những kết quả rút ra từ việc nghiên cứu vấn đề
nêu trên, xin được trao đổi cùng các đồng nghiệp.
I. Lý thuyết về bản chất tương tác giữa photon với electron trong hai hiệu
ứng.
1. Hiệu ứng quang điện.
Hiện tượng quang điện được Héc phát hiện năm 1887. Sau đó việc nghiên cứu
chi tiết hiện tượng đó đã được Xtô-lê-tốp tiến hành vào những năm 1888- 1889 và
nhiều nhà thực nhgiệm khác vào những năm 90 của thế kỷ XIX. Đến đầu thế kỷ XX
SKKN năm 2015 BD HSG hiệu ứng Compton
Nguyễn Thị Phương Dung - THPT Chuyên Lương Văn Tụy 4
các định luật quang điện được thiết lập. Trong hiệu ứng quang điện ,bản chất của sự
tương tác giữa phôtôn với êlêctrôn là tương tác hoàn toàn, nghĩa là: một phôtôn
nhường toàn bộ năng lượng của mình cho một êlêctrôn liên kết ( phôtôn bị hấp thụ).
Hiệu ứng quang điện không xảy ra với electron tự do (xem bài tập1). Các electron
quang điện tạo thành có vận tốc thường không lớn hơn 0,01c( với c là vận tốc ánh
sáng) nên động năng của nó tính theo công thức của cơ học cổ điển ( W=mV2/2) mà
không chịu hiệu ứng tương đối tính.Để xảy ra hiện tượng quang điện, photon tới
thường chỉ cần có bước sóng ngắn cỡ tia tử ngoại hoặc thậm chí là ánh sáng nhìn thấy(
với kim loại kiềm).
2. Hiệu ứng Compton
a. Thí nghiệm
Hiệu ứng Compton được Compton phát hiện ra
năm 1923 khi nghiên cứu hiện tượng tán xạ tia X trên các
nguyên tử nhẹ. Sơ đồ thí nghiệm của Compton được biểu
diễn trên hình 1.
Chùm tia X đơn sắc bước sóng λ phát ra từ đối âm
cực của ống tia X (ống R như hình 1) đi qua hai khe hẹp
F1, F2 đục trên hai lá chì dày. Chùm tia X hẹp thu được
sau hai khe này gần như song song và rọi vào vật tán xạ A
chứa các nguyên tử nhẹ (một khối graphit hoặc parafin).
Một phần chùm sáng xuyên qua vật A, phần còn lại bị tán
xạ. Phần tia X tán xạ được thu bằng một máy quang phổ
tia X gồm một tinh thể D và kính ảnh K (hoặc buồng ion
hóa).
Kết quả thí nghiệm cho thấy, trên kính ảnh ngoài vạch có bước sóng bằng bước
sóng λ của tia X tới, còn có một vạch cường độ nhỏ hơn, ứng với bước sóng λ’ > λ. Độ
chênh lệch bước sóng ∆λ = λ’ – λ quan sát được tăng theo góc tán xạ φ, nhưng không
phụ thuộc vào λ và chất tán xạ. Từ thực nghiệm đã xác định được mối liên hệ giữa ∆λ
và φ như sau:
2
sin2 2
c
(1)
Trong đó λc là một hằng số xác định từ thực nghiệm, có trị số bằng 0,0241 Ǻ và được
gọi là bước sóng Compton.
b. Cơ sở lý thuyết
- Bức xạ điện từ cấu tạo bởi vô số các hạt gọi là lượng tử ánh sáng (photon).
R
F1 F2
A
D
K
Hình 1
SKKN năm 2015 BD HSG hiệu ứng Compton
Nguyễn Thị Phương Dung - THPT Chuyên Lương Văn Tụy 5
- Với mỗi bức xạ điện từ đơn sắc nhất định, các photon đều giống nhau. Mỗi photon
mang một năng lượng và động lượng xác định có giá trị bằng:
hc
hf (2)
c
h
p
(3)
- Trong chân không, các photon truyền đi với cùng tốc độ c = 3.108 m/s.
- Các quá trình photon tương tác với các hạt (nguyên tử, phân tử, iôn, electron…) đều
tuân theo định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng, định luật bảo toàn động lượng.
c. Lý thuyết hiệu ứng Compton
* Phân tích hiện tượng
Hiệu ứng Compton chỉ có thể giải thích trên cơ sở thuyết lượng tử ánh sáng, coi
chùm tia X tới là chùm hạt photon:
- Hiệu ứng tán xạ của chùm tia X trên các nguyên tử nhẹ được giải thích như kết
quả của sự va chạm giữa photon tia X và electron của các nguyên tử chất tán xạ.
- Quá trình đó tuân theo các định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng và bảo
toàn động lượng.
* Chứng minh công thức Compton
Giả sử một photon tia X tần số f tới theo phương OP và va chạm với một electron tự do
đứng yên tại O.
Trong quá trình va chạm, photon nhường một phần năng lượng của mình cho
electron và biến thành một photon khác có tần số nhỏ hơn (bước sóng dài hơn). Sau va
chạm, photon bị bắn đi theo phương OQ, còn electron bị bắn đi theo phương ON với
vận tốc v (thường gọi là electron giật lùi) (Hình 2 a, b).
- Trước va chạm:
+ Êlectron có khối lượng tĩnh m0 và năng lượng m0c2.
+ Photon tới có năng lượng hf, xung lượng
c
hf ,
- Sau va chạm:
λ
λ’
v
Trước va chạm Sau va chạm
e
Hình 2 (a)
O
N
P
Q
mv
φ
hf’/c
hf/c
Hình 2 (b)
