Giải Vật Lí 12 Bài 30: Hiện tượng quang điện. Thuyết lượng tử ánh sáng

73 lượt xem

Bài trước

Bài sau

Chúng tôi giới thiệu Giải bài tập Vật Lí lớp 12 Bài 30: Hiện tượng quang điện. Thuyết lượng tử ánh sáng chính xác, chi tiết nhất giúp học sinh dễ dàng làm bài tập Hiện tượng quang điện. Thuyết lượng tử ánh sáng lớp 12.

Bài giảng Vật lí 12 Bài 30: Hiện tượng quang điện. Thuyết lượng tử ánh sáng

Giải bài tập Vật Lí Lớp 12 Bài 30: Hiện tượng quang điện. Thuyết lượng tử ánh sáng

Trả lời câu hỏi giữa bài

Trả lời câu C1 trang 154 SGK Vật Lí 12: Nếu làm thí nghiệm với tấm kẽm tích điện dương thì góc lệch của kim tĩnh điện kế sẽ không bị thay đổi khi chiếu vào tấm kẽm bằng ánh sáng hồ quang. Tại sao?

Lời giải:

Nếu làm thí nghiệm với tấm kẽm tích điện dương thì góc lệch của kim tĩnh điện kế sẽ không bị thay đổi khi chiếu vào tấm kẽm bằng ánh sáng hồ quang vì: khi electron bức ra khỏi tấm kim loại kẽm sẽ bị điện tích dương hút lại, do đó điện tích trên tấm kẽm không thay đổi, nên góc lệch của kim điện kế không đổi.

Trả lời câu C2 trang 156 SGK Vật Lí 12: Nêu sự khác biệt giữa giả thuyết Plang với quan niệm thông thường về sự phát xạ và hấp thụ năng lượng.

Lời giải:

Sự khác biệt giữa giả thuyết Plang với quan niệm thông thường về sự phát xạ và hấp thụ năng lượng.

Theo quan niệm thông thường: năng lượng được hấp thụ và bức xạ liên tục. Sự phát xạ và hấp thụ năng lượng trao đổi có thể nhỏ bao nhiêu cũng được.

Còn theo giả thuyết của Plang: Năng lượng mà một nguyên tử hay phân tử hấp thụ hay phát xạ có giá trị xác định bằng hf. Lượng năng lượng trao đổi phải là một bội số của hf.

Câu hỏi và bài tập (trang 158 SGK Vật Lí 12)

Bài 1 trang 158 SGK Vật Lí 12: Trình bày thí nghiệm Héc về hiện tượng quang điện.

Lời giải:

Thí nghiệm Héc về hiện tượng quang điện:

Giải Vật Lí 12 Bài 30: Hiện tượng quang điện. Thuyết lượng tử ánh sáng (ảnh 1)

+ Gắn một tấm kẽm tích điện âm cần của một tĩnh điện kế, kim điện kế lệch đi một góc nào đó

+ Chiếu một chùm sáng do hồ quang phát ra vào tấm kẽm thì góc lệch của kim điện kế giảm đi

Kết luận: Ánh sáng hồ quang đã làm bật electron khỏi mặt tấm kẽm.

Bài 2 trang 158 SGK Vật Lí 12: Hiện tượng quang điện là gì?

Lời giải:

Hiện tượng ánh sáng làm bật electron ra khỏi mặt kim loại gọi là hiện tượng quang điện (ngoài).

Bài 3 trang 158 SGK Vật Lí 12: Phát biểu định luật về giới hạn quang điện.

Lời giải:

Định luật về giới hạn quang điện: Ánh sáng kích thích chỉ có thể làm bật electron ra khỏi một kim loại khi bước sóng của nó (λ) ngắn hơn hoặc bằng giới hạn quang điện (λ0) của kim loại đó (λ ≤ λ0 )

Bài 4 trang 158 SGK Vật Lí 12: Phát biểu nội dung của giả thuyết Plăng.

Lời giải:

Giả thuyết Plăng: Lượng năng lượng mà mỗi lần một nguyên tử hay một phân tử hấp thụ hay phát xạ có giá trị hoàn toàn xác định và bằng hf; trong đó f là tần số của ánh sáng bị hấp thụ hay được phát ra, còn h là một hằng số.

Bài 5 trang 158 SGK Vật Lí 12: Lượng tử năng lượng là gì?

Lời giải:

Lượng năng lượng mà mỗi lần một nguyên tử hay một phân tử hấp thụ hay phát xạ có giá trị hoàn toàn xác định được gọi là lượng tử năng lượng (kí hiệu: ε )

$ε = h f$

Bài 6 trang 158 SGK Vật Lí 12: Phát biểu nội dung của thuyết lượng tử ánh sáng.

Lời giải:

Thuyết lượng tử ánh sáng:

- Ánh sáng được tạo thành bởi các hạt gọi là phôtôn.

- Với mỗi ánh sáng đơn sắc có tần số f, các photon đều giống nhau, mỗi photon mang năng lượng bằng hf

- Trong chân không, photon bay với tốc độ c = 3.108m/s dọc theo các tia sáng.

- Mỗi lần nguyên tử hay phân tử phát xạ hoặc hấp thụ ánh sáng thì chúng phát xạ và hấp thụ một phôtôn

Bài 7 trang 158 SGK Vật Lí 12: Phôtôn là gì?

Lời giải:

Phôtôn là một lượng tử năng lượng của dòng ánh sáng. Nó coi như một hạt ánh sáng.Nó không có kích thước, không có khối lượng nghỉ, không mang điện tích nhưng nó có năng lượng (tỷ lệ với tần số ε = hf ) có khối lượng tương đối tính và có động lượng p (với p = m.c = h/λ), và nó chỉ tồn tại khi chuyển động với vận tốc ánh sáng (không có photon đứng yên).

Bài 8 trang 158 SGK Vật Lí 12: Giải thích định luật về giới hạn quang điện bằng thuyết phôtôn.

Lời giải:

Hiện tượng quang điện xảy ra do sự hấp thụ photon của ánh sáng kích thích bởi electron trong kim loại. Mỗi photon bị hấp thụ sẽ truyền toàn bộ năng lượng của nó cho một electron. Muốn cho electron bứt ra khỏi mặt kim loại phải cung cấp cho nó một công để “thắng” các liên kết. Công này gọi là công thoát (A).

Như vậy, đặt: $λ_{0} = \frac{h c}{A}$ là giới hạn quang điện của kim loại $\Rightarrow λ \leq λ_{0}$

Bài 9 trang 158 SGK Vật Lí 12: Hiện tượng nào dưới đây là hiện tượng quang điện?

A. Êlectron bứt ra khỏi kim loại khi bị nung nóng.

B. Êlectron bật ra khỏi kim loại khi có ion đập vào.

C. Êlectron bứt ra khỏi một nguyên tử khi va chạm với một nguyên tử khác.

D. Êlectron bứt ra khỏi mặt kim loại khi bị chiếu sáng.

Phương pháp giải:

Sử dụng định nghĩa về hiện tượng quang điện: Hiện tượng ánh sáng làm bật electron ra khỏi mặt kim loại gọi là hiện tượng quang điện

Lời giải:

Đáp án D

Ta có: Hiện tượng quang điện là hiện tượng ánh sáng làm bật electron ra khỏi mặt kim loại

=> Phương án D: Hiện tượng electron bị bật ra khỏi mặt kim loại khi bị chiếu sáng là hiện tượng quang điện.

Bài 10 trang 158 SGK Vật Lí 12: Chọn câu đúng.

Chiếu ánh sáng đơn sắc vào mặt một tấm đồng. Hiện tượng quang điện sẽ không xảy ra nếu ánh sáng có bước sóng.

A. 0,1 μm. B. 0,2 μm.

C. 0,3 μm. D. 0,4 μm.

Phương pháp giải:

Sử dụng điều kiện xảy ra hiện tượng quang điện: λ ≤ λ0

Lời giải:

Đáp án D

Xem bảng 30.1 (SGK trang 155) ta có giới hạn quang điện của đồng là: λ0 = 0,3 μm

Lại có: Điều kiện xảy ra hiện tượng quang điện: λ ≤ λ0

=> Ánh sáng có bước sóng λ = 0,4 μm > λ0 nên không xảy ra hiện tượng quang điện

Bài 11 trang 158 SGK Vật Lí 12: Ánh sáng có bước sóng 0,60 μm có thể gây ra hiện tượng quang điện ở chất nào dưới đây?

A. Xesi. B. Kali.

C. Natri. D. Canxi.

Phương pháp giải:

Điều kiện xảy ra hiện tượng quang điện: λ ≤ λ0

Lời giải:

Đáp án A

+ Từ bảng 30.1 (SGK trang 155) ta có giới hạn quang điện của các chất lần lượt là:

λ0Canxi = 0,45µm; λ0Natri = 0,50µm; λ0Kali = 0,55µm; λ0Xesi = 0,66µm

+ Lại có: Điều kiện xảy ra hiện tượng quang điện: λ ≤ λ0

Bước sóng có bước sóng 0,6μm đều lớn hơn cả 3 giới hạn quang điện của Canxi, Natri và Kali nên nó sẽ không gây ra hiện tượng quang điện với 3 chất đó

Bước sóng 0,6μm nhỏ hơn giới hạn quang điện của Xesi => gây ra hiện tượng quang điện ở chất này

Bài 12 trang 158 SGK Vật Lí 12: Tính lượng tử năng lượng của các ánh sáng đỏ (0,75 μm) và vàng (0,55 μm).

Phương pháp giải:

Sử dụng biểu thức tính lượng tử năng lượng: $ε = \frac{h c}{λ}$

Lời giải:

Ta có lượng tử năng lượng của ánh sáng bất kì: $ε = \frac{h c}{λ}$

=> Lượng tử năng lượng của ánh sáng đỏ và vàng là:

+ Với ánh sáng đỏ:

$\begin{array}{l} λ_{d} = 0, 75 μ m \\ \Rightarrow ε_{d} = \frac{h c}{λ_{d}} = \frac{6, {625.10}^{- 34} {.3 .10}^{8}}{0, {75.10}^{- 6}} = 2, {65.10}^{- 19} (J) \end{array}$

+ Với ánh sáng vàng:

$\begin{array}{l} λ_{v} = 0, 55 μ m \\ \Rightarrow ε_{v} = \frac{h c}{λ_{v}} = \frac{6, {625.10}^{- 34} {.3 .10}^{8}}{0, {55.10}^{- 6}} = 3, {61.10}^{- 19} (J) \end{array}$

Bài 13 trang 158 SGK Vật Lí 12: Giới hạn quang điện của kẽm là $0, 35 μ m$ . Tính công thoát của êlectron khỏi kẽm theo đơn vị jun và eV. Cho $1 e V = 1, {6.10}^{- 19} J .$

Phương pháp giải:

Sử dụng biểu thức tính công thoát: $A = \frac{h c}{λ_{0}}$

Lời giải:

Ta có giới hạn quang điện của kẽm: $λ_{0} = 0, 35 μ m$

Công thoát của electron khỏi kẽm là:

$A = \frac{h c}{λ_{0}} = \frac{6, {625.10}^{- 34} {.3 .10}^{8}}{0, {35.10}^{- 6}} \approx 5, {68.10}^{- 19} (J)$

Chuyển A theo đơn vị eV: $A = \frac{5, {68.10}^{- 19}}{1, {6.10}^{- 19}} = 3, 55 e V$

Phương pháp giải bài tập về cường độ dòng quang điện bão hòa và hiệu suất lượng tử

I - Nội dung

1. Các định luật quang điện

- Định luật quang điện thứ nhất (Định luật về giới hạn quang điện): Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi ánh sáng kích thích chiếu vào kim loại có bước sóng nhở hơn hoặc bằng giới hạn quang điện $λ_{0}$ .

- Định luật quang điện thứ hai (Định luật về cường độ dòng quang điện bão hòa): Đối với mỗi ánh sáng thích hợp (có $λ \leq λ_{0}$ ) cường độ dòng quang điện bão hòa tỉ lệ với cường độ của chùm sáng kích thích.

- Định luật quang điện thứ ba (Định luật về động năng cực đại của quang electron): Động năng ban đầu cực đại của quang electron không phụ thuộc cường độ của chùm sáng kích thích, mà chỉ phụ thuộc bước sóng ánh sáng kích thích và bản chất của kim loại.

2. Tế bào quang điện - các công thức liên quan.

Giải Vật Lí 12 Bài 30: Hiện tượng quang điện. Thuyết lượng tử ánh sáng (ảnh 1)

Đặt một hiệu điện thế UAK vào hai điện cực của tế bào quang điện

UAK có thể thay đổi giá trị (âm, dương hoặc bằng 0) tùy theo vị trí của con chạy C.

Chiếu ánh sáng đơn sắc vào catốt của tế bào quang điện và điều chỉnh giá trị của UAK người ta thu được đường đặc trưng Vôn - Ampe của tế bào quang điện.

Giải Vật Lí 12 Bài 30: Hiện tượng quang điện. Thuyết lượng tử ánh sáng (ảnh 2)

=> Điều này và một số thí nghiệm khác cho ra kết luận tương ứng với định luật quang điện thứ hai và thứ ba.

Các công thức:

Công thức Anhxtanh về hiện tượng quang điện: $ε = h f = A + W_{d_{0} (m a x)} = A + \frac{1}{2} m v_{m a x}^{2}$
Công thức tính động năng ban đầu cực đại của quang electron: $W_{d_{0} (m a x)} = \frac{1}{2} m v_{m a x}^{2} = e | U_{h} |$

$\to ε = A + \frac{1}{2} m v_{m a x}^{2} = A + e | U_{h} |$

II - Bài tập - Phương pháp giải

Xét một nguồn sáng đơn sắc có bước sóng λ, công suất P được chiếu vào catốt của một tế bào quang điện có giới hạn quang điện λ0. Khi đó:

- Năng lượng của nguồn sáng phát ra trong thời gian t: $E = P . t = N_{p} ε = N_{p} \frac{h c}{λ}$

Trong đó: NP là số photon phát ra trong thời gian t: $N_{p} = \frac{P t}{ε} = \frac{P λ}{h c} t$

- Số photon của nguồn sáng phát ra trong 1s là: $n_{p} = \frac{N_{p}}{t} = \frac{P}{ε} = \frac{P λ}{h c}$

- Cường độ dòng quang điện bão hòa là: $I_{b h} = \frac{q}{t} = \frac{N_{e} . e}{t} = n_{e} . e$

Trong đó

q là điện lượng chuyển từ catốt sáng anốt
Ne là số electron bứt khỏi catốt trong thời gian t
ne là số electron bứt ra khỏi catốt trong 1s: $n_{e} = \frac{N_{e}}{t} = \frac{I_{b h}}{e}$

- Hiệu suất lượng tử: $H = \frac{n_{e}}{n_{p}} 100 % = \frac{I_{b h} . h c}{P λ e} 100 %$

- Khi electron chuyển động trong điện trường: $| e | | U_{h} | = \frac{1}{2} m v_{m a x}^{2} = | e | E d$

Với U là hiệu điện thế giữa anốt và catốt, vA là vận tốc cực đại của electron khi đập vào anốt, vK=vmax là vận tốc ban đầu cực đại của electron khi rời catốt thì: $| e U | = \frac{1}{2} m v_{A}^{2} - \frac{1}{2} m v_{K}^{2}$

Quãng đường chuyển động mà electron đi được: $W_{d_{m a x}} = F s_{m a x} = q E s_{m a x} = e \frac{U}{d} s_{m a x}$

Lý thuyết Bài 30: Hiện tượng quang điện. Thuyết lượng tử ánh sáng

1. Hiện tượng quang điện

Giải Vật Lí 12 Bài 30: Hiện tượng quang điện. Thuyết lượng tử ánh sáng (ảnh 3)

Thí nghiệm Hertz về hiện tượng quang điện:

- Đặt một tấm kẽm đã được tích điện âm lên trên một điện nghiệm (tấm kẽm nối với điện cực của điện nghiệm) thì thấy hai lá kim loại của điện nghiệm xòe ra.

- Chiếu một chùm ánh sáng hồ quang vào tấm kẽm thì thấy hai lá kim loại của điện nghiệm cụp lại chứng tỏ tấm kẽm bị mất điện tích âm nghĩa là êlectrôn đã bị bật ra khỏi tấm kẽm.

- Hiện tượng trên không xảy ra nếu: Ban đầu ta tích điện dương cho tấm kẽm hoặc Chắn chùm ánh sáng hồ quang bằng một tấm thủy tinh.

a. Định nghĩa:

Hiện tượng ánh sáng làm bật các electron ra khỏi mặt kim loại gọi là hiện tượng quang điện (ngoài)

b. Định luật về giới hạn quang điện (Định luật quang điện thứ nhất)

Ánh sáng kích thích chỉ có thể làm bật electron ra khỏi một kim loại khi bước sóng của nó ngắn hơn hoặc bằng giới hạn quang điện của kim loại đó.

$λ \leq λ_{0}$

$λ$ : bước sóng của ánh sáng kích thích
$λ_{0}$ : giới hạn quang điện

*Giới hạn quang điện phụ thuộc vào bản chất của kim loại

2. Thuyết lượng tử ánh sáng

a. Lượng tử năng lượng của Plăng

Là lượng năng lượng một nguyên tử hay phân tử hấp thụ hay phát xạ được xác định bằng biểu thức: $ε = h f$

Trong đó:

ε: lượng tử năng lượng (J)
h = 6,625.10-34 J.s: hằng số Plăng
f: tần số của ánh sáng (Hz)

*Chú ý:

- Khi ánh sáng truyền đi, các lượng tử ánh sáng

ε = h f

không bị thay đổi và không phụ thuộc vào khoảng cách tới nguồn sáng.

- Tuy mỗi lượng tử ánh sáng

ε = h f

mang năng lượng rất nhỏ nhưng trong chùm sáng lại có một số rất lớn lượng tử ánh sáng, vì thế ta có cảm giác chùm sáng là liên tục

b. Thuyết lượng tử ánh sáng

- Ánh sáng được tạo thành bởi các hạt gọi là photon

- Với mỗi ánh sáng đơn sắc có tần số f, các photon đều giống nhau, mỗi photon mang năng lượng bằng hf

- Trong chân không, photon bay với tốc độ c = 3.108 m/s dọc theo các tia sáng.

- Mỗi lần một nguyên tử hay phân tử phát xạ hoặc hấp thụ ánh sáng thì chúng phát ra hay hấp thụ một photon

c. Công thức Anhxtanh

$ε = h f = A + W_{d_{0} (m a x)}$

Trong đó:

$ε = h f = \frac{h c}{λ}$ : lượng tử năng lượng (J)
$A = \frac{h c}{λ_{0}}$ : công thoát của electron khỏi kim loại (J)
$W_{d_{0} (m a x)} = \frac{1}{2} m v_{0 (m a x)}^{2}$ : động năng ban đầu cực đại của electron (J)

3. Lưỡng tính sóng - hạt của ánh sáng

Ánh sáng vừa có tính chất sóng (giao thoa, nhiễu xạ) vừa mang tính chất hạt, hai tính chất này cùng tồn tại song song. Nói cách khác: Ánh sáng có tính chất lưỡng tính sóng - hạt

*Dù tính chất nào của ánh sáng thể hiện ra thì ánh sáng vẫn có bản chất điện từ

Sơ đồ tư duy về hiện tượng quang điện. Thuyết lượng tử ánh sáng

Giải Vật Lí 12 Bài 30: Hiện tượng quang điện. Thuyết lượng tử ánh sáng (ảnh 5)

Xem thêm các chương trình khác:

Bài trước

Bài sau

Giải SGK, SBT, Chuyên đề Vật Lý Lớp 12