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

Lý thuyết

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?

Hướng dẫn 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.

Trang 156 - sgk vật lí 12

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

Hướng dẫn giải

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 1: trang 158 - sgk vật lí 12

Trình bày thí nghiệm Héc về hiện tượng quang điện.

Hướng dẫn giải

• Gắn một tấm kẽm tích điện âm vào cần của một tĩnh điện kế. Chiếu một chùm sáng do hồ quang phát ra vào tấm kim loại kẽm thì góc lệch của kim điện kế giảm đi.
• Thay kẽm bằng kim loại khác, ta cũng thấy hiện tượng tương tự xảy ra.
• Các thí nghiệm cho thấy, ánh sáng hồ quang đã làm bật electron ra khỏi mặt tấm kim loại.

Câu 2: trang 158 - sgk vật lí 12

Hiện tượng quang điện là gì?

Hướng dẫn giải

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

Câu 3: trang 158 - sgk vật lí 12

Phát biểu định luật về giới hạn quang điện.

Hướng dẫn giải

 Đối với mỗi kim loại, ánh sáng kích thích phải có bước sóng  ngắn hơn hay bằng giới hạn quang điện của kim loại đó mới gây ra được hiện tượng quang điện.

λ ≤ λ₀

Câu 4: trang 158 - sgk vật lí 12

Phát biểu nội dung của giả thuyết Plăng.

Hướng dẫn giải

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.

Câu 5: trang 158 - sgk vật lí 12

Lượng tử năng lượng là gì?

Hướng dẫn giải

• 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.
• Lượng năng lượng gọi là lượng tử năng lượng được kí hiệu bằng chữ ε:ε = hf
•  Trong đó: h là hằng số Plăng được xác định bằng thực nghiệm: h = 6,625.10^-34J.s.

Câu 6: trang 158 - sgk vật lí 12

Phát biểu nội dung của thuyết lượng tử ánh sáng.

Hướng dẫn giải

• 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  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.

 

Câu 7: trang 158 - sgk vật lí 12

Photon là gì?

Hướng dẫn giải

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

Câu 8: trang 158 - sgk vật lí 12

Giải thích định luật về giới hạn quang điện bằng thuyết photon.

Hướng dẫn giải

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 ≥ A hay $\frac{hc}{\lambda }$≥ A =>  λ ≤$\frac{hc}{A}$

với A =$\frac{hc}{\lambda _{0}}$

λ ≤ λ₀

với λ₀ là giới hạn quang điện của kim loại.

Câu 9: trang 158 - sgk vật lí 12

Hiện tượng nào dưới đây là hiện tượng quang điện?

A. electron bứt ra khỏi kim loại bị nung nóng.

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

C. electron bị bật ra khỏi một nguyên tử khi va chạm với một nguyên tử khác.

D. electron bị bật khỏi mặt kim loại khi bị chiếu sáng.

Hướng dẫn giải

Chọn D vì hiện tượng quang điện hay còn gọi là hiện tượng quang điện ngoài hiện tượng ánh sáng làm bật các electron ra khỏi mặt kim loại.

Câu 10: trang 158 - sgk vật lí 12

Chọn câu đúng.

Chiếu một 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.

Hướng dẫn giải

Dựa vào bảng 30.1 ta xác định được bước sóng của đồng bằng 0,3μm.

Khi chiếu một ánh sáng đơn sắc vào một tấm đồng thì bước sóng của đồng chính là giới hạn quang điện ⇒ λ₀ = 0,3μm.

Theo định luật về giới hạn quang điện: Đối với mỗi kim loại, ánh sáng kích thích phải có bước sóng  ngắn hơn hay bằng giới hạn quang điện của kim loại đó mới gây ra được hiện tượng quang điện.

λ ≤ λ₀

Nhìn vào đáp án ta thấy 0,1μm; 0,2μm ; 0,3μm đều thỏa mãn.

0,4 μm không thỏa mãn vì 0,4μm > 0,3μm.

Chọn D.

Câu 11 - sgk vật lí 12 trang  158

Ánh sáng có bước sóng 0,60μm có thể gây ra hiện tượng quang điện ở chất nào dưới đây?

A. Xesi.

B. Kali.

C. Natri.

D. Canxi.

Hướng dẫn giải

Ánh sáng có bước sóng 0,6 μm có thể gây ra hiện tượng quang điện. Ở đây ánh sáng này là ánh sáng kích thích λ = 0,6μm. Ta phải đi tìm giới hạn quang điện λ₀.

Tra bảng 30.1 ta có λ_xesi = 0,66 μm;λ_kali = 0,55 μm;λ_natri = 0,5 μm;λ_canxi = 0,45 μm.

Theo định luật về giới hạn quang điện: Đối với mỗi kim loại, ánh sáng kích thích phải có bước sóng  ngắn hơn hay bằng giới hạn quang điện của kim loại đó mới gây ra được hiện tượng quang điện.

λ ≤ λ₀

Nhìn vào đáp án ta thấy 0,55 μm; 0,5 μm ; 0,45 μm đều không thỏa mãn.

Chỉ có λ_xesi = 0,66μm thỏa mãn.

Chọn A. 

Câu 12: trang 158 - sgk vật lí 12

Tính lượng tử năng lượng của ánh sáng đỏ ( 0,75 μm ) và vàng ( 0,55 μm ).

Hướng dẫn giải

Để tính lượng tử ánh sáng ta sử dụng công thức:

ε = hf với f =$\frac{c}{\lambda }$ ⇒ ε=$\frac{hc}{\lambda }$(1)

với h = 6,625.10^-34J.s, c = 3.10⁸ m/s.

Chú ý bước sóng phải đổi đơn vị về m.

Thay λđỏ = 0,75μm = 0,75.10^-6m; λvàng = 0,55μm = 0,55.10^-6m vào (1) ta có:

Lượng tử năng lượng của ánh sáng đỏ là:

$\varepsilon _{đỏ} = \frac{hc}{\lambda _{đỏ}}$=$\frac{6,625.10^{-34}.3.10^{8}}{0,75.10^{-6}}=2,65.10^{-19}J$

Lượng tử năng lượng của ánh sáng vàng

$\varepsilon _{vàng} = \frac{hc}{\lambda _{vàng}}$=$\frac{6,625.10^{-34}.3.10^{8}}{0,55.10^{-6}}=3,61.10^{-19}J$

Câu 13: trang 158 - sgk vật lí 12

Giới hạn quang điện của kẽm là 0,35 μm. Tính công thoát của electron khỏi kẽm theo đơn vị jun và eV.

Cho 1 eV = 1,6.10^-19J.

Hướng dẫn giải

Công thoát của electron khỏi kẽm kí hiệu là A

Mà A =$\frac{hc}{\lambda _{0}}$

Chú ý λ₀ đổi về đơn vị m. λ₀ = 0,35μm = 0,35.10^-6m

A =$ \frac{6,625.10^{-34}.3.10^{8}}{0,35.10^{-6}}=5,68.10^{-19}J$

Ta có: 1 eV = 1,6.10^-19J.

$5,68.10^{-19}J$=$\frac{5,68.10^{-19}}{1,6.10^{-19}}$=3,55 eV.