Bài 30: Hiện tượng quang điện và thuyết lượng tử ánh sáng

Tóm tắt lý thuyết

2.1. Hiện tượng quang điện

a. Thí nghiệm của Héc về hiện tượng quang điện

  • Chiếu một chùm sáng do hồ quang phát ra vào tấm kim loại tích điện âm thì tấm kim loại bị mất điện tích âm.
  • Các thí nghiệm cho thấy, ánh sáng hồ quang đã làm bật electron ra khỏi mặt tấm kẻm.

b. Định nghĩa

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

c. Bức xạ tử ngoại gây ra hiện tượng quang điện ở kẽm

  • Nếu chắn chùm sáng hồ quang bằng bằng một tấm thủy tinh dày (thủy tinh hấp thụ mạnh các tia tử ngoại) thì hiện tượng quang điện không xảy ra. Điều đó chứng tỏ rằng các bức xạ tử ngoại có khả năng gây ra hiện tượng quang điện ở kẽm, còn ánh sáng nhìn thấy được thì không.

2.2. Định luật về giới hạn quang điện

  • Đối với mỗi kim loại, ánh sáng kích thích phải có bước sóng λ ngắn hơn hay bằng giới hạn quang điện λ0 của kim loại đó mới gây ra được hiện tượng quang điện: \(\lambda \leq \lambda _0\)
  • Định luật về giới hạn quang điện chỉ có thể giải thích được bằng thuyết lượng tử ánh sáng.

2.3. Thuyết lượng tử ánh sáng

a. Giả thuyết Plăng

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

b. Lượng tử năng lượng.

Năng lượng mà nguyên tử hoặc phân tử hấp thụ hay phản xạ hoàn toàn xác định là h.f”

Trong đó: \(\varepsilon = h.f\) : lượng tử năng lượng
Với: f: tần số của ánh sáng đơn sắc
h = \(6,625.10^{-34}\) J: hằng số Plăng

c. 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 phôtôn đều giống nhau, mỗi phôtôn mang năng lượng bằng hf.
  • Trong chân không, phôtôn 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 ra hay hấp thụ một phôtôn.
  • Phôtôn chỉ tồn tại trong trạng thái chuyển động. Không có phôtôn đứng yên

d. Giải thích định luật về giới hạn quang điện bằng thuyết lượng tử ánh sáng

  • Trong hiện tượng quang điện mỗi phôtôn bị hấp thụ sẽ truyền toàn bộ năng lượng cho một electron. Để bứt được electron ra khỏi bề mặt kim loại thì năng lượng của phôtôn phải lớn hơn công thoát A:

\(hf=\frac{hc}{\lambda }\geq A=\frac{hc}{\lambda_0 }\)

→ \(\lambda \leq \lambda _0\)

Với \(\lambda _0=\frac{hc}{A}\) chính là giới hạn quang điện của kim loại.

2.4. Lưỡng tính sóng – hạt của ánh sáng

  • Ánh sáng vừa có tính chất sóng lại vừa có tính chất hạt nên ta nói ánh sáng có lưỡng tính sóng – hạt.
  • Ánh sáng có bản chất điện từ.

Bài tập minh họa



Bài 1:

Một nguồn sáng chỉ phát ra ánh sáng đơn sắc có f = \(5.10^{14}\) Hz. Số phôtôn nguồn phát ra trong mỗi giấy bằng \(3.10^{19}\) hạt. Tìm công suất bức xạ của nguồn?

Hướng dẫn giải:

Ta có:
\(P = N. \varepsilon = N. h. f\)
⇒ \(P\) = \(3.10^{19}\).\(6,625.10^{-34}\).\(5.10^{14}\) = 9,9375 W

Bài 2:

Chiếu chùm bức xạ có bước sóng 0,18 \(\mu\)m vào bề mặt một miếng kim loại có giới hạn quang điện 0,3 \(\mu\)m. Cho rằng năng lượng của mỗi phôtôn được dùng để cung cấp công thoát electron phần còn lại biến hoàn toàn thành động năng. Tìm vận tốc cực đại của các electon?

Hướng dẫn giải:

  • \(\lambda = 0,18 \mu m = 0,18.10^{-6}m;\ \lambda _0= 0,3 \mu m = 0,3.10^{-6}m\)
  • Theo công thức Anhxtanh: \(v_{0\ max} = \sqrt{\frac{2hc}{m}\left ( \frac{1}{\lambda }-\frac{1}{\lambda _0} \right )}\)

\(\Rightarrow v_{0\ max} = \sqrt{\frac{2.6,625.10^{-34}.3.10^8}{9,1.10^{-31}}\left ( \frac{1}{0,18.10^{-6}}-\frac{1}{0,3.10^{-6}} \right )} = 9,85.10^5\ m/s\)

Bài 3:

Chiếu một bức xạ có \(\lambda = 0,14\ \mu m\) vào một quả cầu bằng đồng có công thoát A = 4,57eV đặt cô lập về điện. Tìm điện thế cực đại của quả cầu?

Hướng dẫn giải:

• \(A=4,57eV=4,57.1,6.10^{-19}=7,312.10^{-19} J\)
• Giới hạn quang điện: \(\lambda _0 = \frac{hc}{A}\)
\(\Rightarrow \lambda _0 = \frac{6,625.10^{-34}.3.10^8}{7,312.10^{-19}} = 0,27\ \mu m\)
\(\lambda = 0,14 \ \mu m < \lambda _0 = 0,27\ \mu m\)

  • Ta có: \(\left |e \right |.v_{max}=E_{d_{max}}\) = \(\frac{hc}{\lambda }\) – A

\(\Rightarrow V_{max} = \left ( \frac{hc}{\lambda } – A \right ).\frac{1}{|e|} = \left ( \frac{6,625.10^{-34}.3.10^8}{0,14.10^{-6}}- 7,312.10^{-19} \right ).\frac{1}{1,6.10^{-19}}\)
\(\Rightarrow V_{max} = 4,3\ (V)\)