BÀI 30. HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN + THUYẾT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG 2020 ( LÝ THUYẾT + BÀI TẬP VẬT LÝ 12), TRƯỜNG THPT QUỐC OAI - HÀ NỘI

BÀI 30: HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN. THUYẾT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG

A. TÓM TẮT LÍ THUYẾT

1. Hiện tượng quang điện

a. Thí nghiệm của Héc về hiện tượng quang điện (1887)

Gắn một tấm kẽm tích điện âm vào cần của một tĩnh điện kế, kim điện kế lệch đi một góc nào đó. Chiếu chùm ánh sáng hồ quang vào tấm kẽm thì góc lệch của kim điện kế giảm đi. Thay kẽm bằng kim loại khác, ta cũng thấy hiện tượng tương tự. Kết luận: Ánh sáng hồ quang đã làm bật êlectron khỏi mặt tấm kẽm. b. Định nghĩa Hiện tượng ánh sáng (hoặc bức xạ điện từ) làm bật các êlectron ra khỏi mặt kim loại gọi là hiện tượng quang điện (ngoài).

2. 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 nhỏ hơn hoặc bằng bước sóng λ₀ . λ₀ được gọi là giới hạn quang điện của kim loại đó: λ λ₀ (2)

Chú ý:

-Trừ kim loại kiềm và một vài kim loại kiềm thổ có giới hạn quang điện trong miền ánh sáng nhìn thấy, các kim loại thường dùng khác đều có giới hạn quang điện trong miền từ ngoại.

-Thuyết sóng điện từ về ánh sáng không giải thích được hiện tượng quang điện mà chỉ có thể giải thích được bằng thuyết lượng tử ánh sáng.

3. Thuyết lượng tử ánh sáng

a. Giả thuyết Plăng

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

Lượng tử năng lượng: ε = hf, h gọi là hằng số Plăng: h = 6,625.10⁻³⁴J.s

b. 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 một nguyên tử hay phân tử phát xạ hay 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.

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

Anh−xtanh cho rằng, hiện tượng quang điện xảy ra do êlectron trong kim loại hấp thụ phôtôn của ánh sáng kích thích. Phôtôn bị hấp thụ truyền toàn bộ năng lượng của nó cho êlectron. Năng lượng ε này được dùng để.

− Cung cấp cho êlectron một công A, gọi là công thoát, để êlectron thắng được lực liên kết với mạng tinh thể và thoát ra khỏi bề mặt kim loại;

− Truyền cho êlectron đó một động năng ban đầu;

− Truyền một phần năng lượng cho mạng tinh thể.

Nếu êlectron này nằm ngay trên lớp bề mặt kim loại thì nó có thể thoát ra ngay mà không mất năng lượng truyền cho mạng tinh thể. Động năng ban đầu của êlectron này có giá trị cực đại

* Để hiện tượng quang điện xảy ra:

Đặt

4. Lưỡng tính sóng − hạt của ánh sáng

* Có nhiều hiện tượng quang học chứng tỏ ánh sáng có tính chất sóng (như giao thoa, nhiễu xạ...); lại cũng có nhiều hiện tượng quang học khác( như hiện tượng quang điện, khả năng đâm xuyên, gây tác dụng sinh lý…) chứng tỏ ánh sáng có tính chất hạt. Ánh sáng có lưỡng tính sóng − hạt.

* Trong mỗi hiện tượng quang học, ánh sáng thường thể hiện rõ một trong hai tính chất trên. Khi tính chất sóng thể hiện rõ, thì tính chất hạt lại mờ nhạt, và ngược lại.

Sóng điện từ có bước sóng càng ngắn, phôtôn ứng với nó có năng lượng càng lớn thì tính chất hạt thể hiện càng rõ, như ở hiện tượng quang điện, ở khả năng đâm xuyên, ở tác dụng phát quang..., còn tính chất sóng càng mờ nhạt. Trái lại, sóng điện từ có bước sóng càng dài, phôtôn ứng với nó có năng lượng càng nhỏ, thì tính chất sóng lại thể hiện rõ hơn (ở hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ, tán sắc,...), còn tính chất hạt thì mờ nhạt.

B. MỘT SỐ CÔNG THỨC

1. Năng lượng phôtôn:

Chú ý: Trong công thức với λ là bước sóng ánh sáng đơn sắc trong chân không.

Nếu cho bước sóng truyền trong môi trường có chiết suất n là λ’ thì và

2. Số phôtôn chiếu vào hay phát ra trong 1 giây thì công suất của chùm sáng:

Gọi n là số phôtôn chiếu vào hay phát ra trong 1 giây thì công suất của chùm sáng:

3. Số phôtôn đập vào diện tích S đặt cách O một khoảng R

Nếu nguồn sáng phát ra từ O với công suất P (số phô tôn phát ra trong 1 giây là n = P/ε) phân bố đều theo mọi hướng thì số phôtôn đập vào diện tích S đặt cách O một khoảng R là n’ Nếu S có dạng hình tròn bán kính r hoặc đường kính d thì Do đó: n’

Ví dụ : Một nguồn sáng có công suất 2,4 W, phát ra ánh sáng có bước sóng 0,6 µm tỏa ra đều theo mọi hướng. Hãy xác định khoảng cách xa nhất người còn trông thấy được nguồn sáng này. Biết rằng mắt còn cảm nhận được ánh sáng khi có ít nhất 100 phôtôn lọt vào mắt trong mỗi giây. Cho hằng số Plăng 6,625.10⁻³⁴ Js và tốc độ ánh sáng trong chân không 3.10⁸ m/s. Coi đường kính con ngươi vào khoảng 4 mm. Bỏ qua sự hấp thụ ánh sáng bởi khí quyển.

A. 470 km. B. 274 km. C. 220 m. D.269km.

Hướng dẫn

Á dụng:

Chọn D

4. Cường độ sáng

Cường độ sáng (I − đơn vị W/m²) là năng lượng được ánh sáng truyền trong một đơn vị thời gian qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền:

Ví dụ : Ánh sáng đơn sắc với bước sóng 0,39.10⁻⁶ m chiếu vuông góc vào một diện tích 4 cm². Cho hằng số Plăng 6,625.10⁻³⁴ Js và tốc độ ánh sáng trong chân không 3.10⁸ m/s. Nếu cường độ ánh sáng bằng 0,15 (W/m²) thì số photon đập lên diện tích ấy trong một đơn vị thời gian là

A. 5.8.10¹³. B. 1,888.10^14. C. 3.118.10^14. D. 1.177.10¹⁴.

Hướng dẫn

Chọn D.

5. Điều kiện xảy ra hiện tượng quang điện

Để xảy ra hiện tượng quang điện thì:

6. Công thức Anh-xtanh:

Ví dụ : Cho hằng số Plăng 6,625.10⁻³⁴ Js và tốc độ ánh sáng trong chân không 3.10⁸m/s. Chiếu vào tấm kim loại có công thoát electron là 1,88 eV, ánh sáng bước sóng 0,489 µm. Cho rằng năng lượng mà quang electron hấp thụ một phần dùng để giải phóng nó, phần còn lại hoàn toàn biến thành động năng của nó. Động năng đó bằng

A. 3,927.10⁻¹⁹ (J). B. 1,056. 10⁻¹⁹ (J). C. 2,715. 10⁻¹⁹ (J). D. 1,128. 10⁻¹⁹ (J).

Hướng dẫn

Chọn B

C. BÀI TẬP LUYỆN TẬP

Cho biết hằng số Plang h = 6,62.10^-34J.s; tốc độ ánh sáng trong chân không c = 3.10⁸m/s; điện tích electron e =1,6.10^-19C; khối lượng electron m = 9,1.10⁻³¹ kg; 1eV = 1,6.10⁻¹⁹ J

Câu 1: Khi nói về phôtôn, phát biểu nào dưới đây đúng?

A. Với mỗi ánh sáng đơn sắc có tần số f, các phôtôn đều mang năng lượng như nhau.

B. Phôtôn có thể tồn tại trong trạng thái đứng yên.

C. Năng lượng của phôtôn càng lớn khi bước sóng ánh sáng ứng với phôtôn đó càng lớn.

D. Năng lượng của phôtôn ánh sáng tím nhỏ hơn năng lượng của phôtôn ánh sáng đỏ

Câu 2: Tất cả các phôtôn truyền trong chân không có cùng 

A. tần số. B. bước sóng. C. tốc độ. D. năng lượng.

Câu 3: Thuyết lượng tử ánh sáng của Anhxtanh không đề cập nội dung nào sau đây?

A. chùm ánh sáng là một chùm hạt phôtôn

B. ánh sáng có bản chất là sóng điện từ

C. phôtôn bay dọc tia sáng với tốc độ bằng tốc độ của ánh sáng

D. mỗi lần nguyên tử hấp thụ hay phát xạ năng lượng thì nó hấp thụ hay phát xạ một phôtôn

Câu 4: Khi nói về thuyết lượng tử ánh sáng, phát biểu nào sau đây là đúng?

A. Năng lượng photon càng nhỏ khi cường độ chùm ánh sáng càng nhỏ.

B. Ánh sáng được tạo thành bởi các hạt gọi là photon.

C. Photon có thể chuyển động hay đứng yên tùy thuộc vào nguồn sáng chuyển động hay đứng yên.

D. Năng lượng của photon càng lớn khi tần số của ánh sáng ứng với photon đó càng nhỏ.

Câu 5: Hiện tượng liên quan đến tính chất lượng tử của ánh sáng là:

A.Hiện tượng quang điện. B. Hiện tượng nhiễu xạ.

C. Hiện tượng tán sắc ánh sáng. D. Hiện tượng giao thoa.

Câu 6: Phôtôn của một bức xạ có năng lượng 6,625.10^‒19 J. Bức xạ này thuộc miền

A. sóng vô tuyến. B. tử ngoại.

C. ánh sáng nhìn thấy. D. hồng ngoại.

Câu 7: Trong thí nghiệm tìm ra hiện tượng quang điện của Héc, ông đã sử dụng bức xạ tử ngoại chiếu vào

A. tấm kẽm bị nung nóng. B. tấm kẽm tích điện âm.

C. tấm kẽm không mang điện. D. tấm kẽm tích điện dương.

Câu 8: Chiếu một chùm bức xạ đơn sắc vào một tấm kẽm có giới hạn quang điện 0,35μm. Hiện tượng quang điện sẽ không xảy ra khi chùm bức xạ có bước sóng :

A. 0,1 μm B. 0,2 μm C. 0,3 μm D. 0,4 μm

Câu 9: Trong chân không, một ánh sáng có bước sóng 0,40 μm. Phôtôn của ánh sáng này mang năng lượng

A. 4,97.10^‒18 J. B. 4,97.10^‒20 J. C. 4,97.10^‒17 J. D. 4,97.10^‒19 J.

Câu 10: Nếu trong một môi trường ta biết được bước sóng của lượng tử bằng λ và năng lượng là , (biết h là hằng số Plăng, c là tốc độ ánh sáng trong chân không) thì chiết suất tuyệt đối của môi trường đó là

A. B. C. D.

Câu 11: Có hai tia sáng đơn sắc khác nhau (1) và (2) cùng chiếu tới một thấu kính lồi (làm bằng thuỷ tinh) theo phương song song với trục chính (hình vẽ). Phát biểu nào sau đây là chính xác: A. Chiết suất của thuỷ tinh đối với ánh sáng ứng với tia sáng (1) lớn hơn chiết suất của thuỷ tinh đối với ánh sáng ứng với tia sáng (2). B. Năng lượng của photon ứng với tia sáng (1) nhỏ hơn năng lượng của photon ứng với tia sáng (2).

C. Tiêu điểm chung của thấu kính cho cả hai tia sáng là A.

D. Ánh sáng ứng với tia sáng (1) có bước sóng ngắn hơn ánh sáng ứng với tia sáng (2).

Câu 12: Công thoát electron của một kim loại là A = 7,64.10^-19J. Giới hạn quang điện của kim loại này có giá trị là

A. 260nm B. 330nm C. 550nm D. 420nm

Câu 13: Giới hạn quang điện của một kim loại là 200 nm. Công thoát của kim loại có giá trị là

A. 0,0621 eV. B. 62,1 eV. C. 6,21 eV. D. 0,621 eV.

Câu 14: Công thoát của êlectron khỏi một kim loại là 3,68.10^‒19 J. Khi chiếu vào tấm kim loại đó lần lượt hai bức xạ: bức xạ (I) có tần số 5.10¹⁴ Hz và bức xạ (II) có bước sóng 0,25 μm thì

A. bức xạ (II) không gây ra hiện tượng quang điện, bức xạ (I) gây ra hiện tượng quang điện.

B. cả hai bức xạ (I) và (II) đều không gây ra hiện tượng quang điện.

C. cả hai bức xạ (I) và (II) đều gây ra hiện tượng quang điện.

D. bức xạ (I) không gây ra hiện tượng quang điện, bức xạ (II) gây ra hiện tượng quang điện.

Câu 15:Công thoát của kim loại Cs là 1,88eV. Bước sóng dài nhất của ánh sáng có thể bứt êlectron ra khỏi bề mặt kim loại Cs là:

A.  1,057.10^-25m B.  2,114.10^-25m C. 3,008.10^-19m D.  6,6.10^-7 m

Câu 16: Loại ánh sáng nào trong số các ánh sáng sau đây gây ra hiên tượng quang điện đối với kim loại có giới hạn quang điện o=0,2m:

A. ánh sáng có tần số f=10¹⁵Hz B. ánh sáng có tần số f=1,5.10¹⁴Hz

C. photon có năng lượng =10eV D. photon có năng lượng =0,5.10^-19J

Câu 17: Một bức xạ hồng ngoại truyền trong môi trường có chiết suất 1,4 thì có bước sóng 3 µm và một bức xạ tử ngoại truyền trong môi trường có chiết suất 1,5 có bước sóng 0,14 µm. Tỉ số năng lượng phô tôn 2 và phô tôn 1 là

A. 24 lần. B. 50 lần. C. 20 lần. D. 230 lần.

Câu 18: Nguồn sáng X có công suất P₁ phát ra ánh sáng đơn sắc có bước sóng 400 nm. Nguồn sáng Y có công suất P₂ phát ra ánh sáng đơn sắc có bước sóng 600 nm. Trong cùng một khoảng thời gian, tỉ số giữa số phôtôn mà nguồn sáng X phát ra so với sốphôtôn mà nguôn sáng Y phát ra là 5/4. Tỉ số P₁/P₂ bằng

A. 8/15. B. 6/5. C. 5/6. D. 15/8.

Câu 19: Một nguồn sáng có công suất 3,58 W, phát ra ánh sáng tỏa ra đều theo mọi hướng mà mỗi phô tôn có năng lượng 3,975.10⁻¹⁹ J. Một người quan sát đứng cách nguồn sáng 300 km. Bỏ qua sự hấp thụ ánh sáng bởi khí quyển. Tính số phôtôn lọt vào mắt người quan sát trong mỗi giây. Coi bán kính con ngươi là 2 mm.

A. 70. B. 80. C. 90. D. 100

Câu 20: Chiếu vào quả cầu kim loại ánh sáng có bước sóng λ = 0,33 μm thì electron bứt ra có tốc độ 0,82.10⁶ (m/s). Cho rằng năng lượng mà quang electron hấp thụ một phần dùng để giải phóng nó, phần còn lại hoàn toàn biến thành động năng của nó. Giới hạn quang điện của kim loại trên là

A. 0,65 μm. B. 0,66 μm. C. 0,67 μm. D. 0,68 μm.

Câu 21: Khi chiếu lần lượt bức xạ có bước sóng là 0,35 μm và 0,54 μm vào một bề mặt kim loại thì thấy tốc độ electron quang điện tương ứng khác nhau 2 lần. Cho rằng năng lượng mà êlectron quang điện hấp thụ từ phôtôn của bức xạ, một phần dùng để giải phóng nó, phần còn lại biến hoàn toàn thành động năng của nó. Công thoát kim loại là

A. 1,90 eV. B. 3,96 eV. C. 2,42 eV. D. 1,54 eV.

Câu 22: Hai tấm kim loại phẳng A và B đặt song song đối diện nhau và được nối kín bằng một ampe kế. Chiếu chùm bức xạ vào tấm kim loại A, làm bứt các quang electron và chỉ có 25% bay về tấm B. Nếu số chỉ của ampe kế là 1,4 µA thì electron bứt ra khỏi tấm A trong 1 giây là

A. 1,25.10¹² . B. 35.10¹¹. C. 35.10¹². D. 35.10¹³.

Bài 23: Hai nguồn sáng λ₁ và f₂ có cùng công suất phát sáng. Nguồn đơn sắc bước sóng λ₁ = 600 nm phát 3,62.10²⁰ phôtôn trong một phút. Nguồn đơn sắc tần số f₂ = 6,0.10¹⁴ Hz phát bao nhiêu phôtôn trong một giờ?

A. 3,01.10¹⁰. B.1,09.10²⁴. C. 1,81.10²². D. 5,02.10¹⁸.

Câu 24 :Chiếu bức xạ có tần số f vào một kim loại có công thoát A gây ra hiện tượng quang điện. Giả sử một êlectron hấp thụ phôtôn sử dụng một phần năng lượng làm công thoát, phần còn lại biến thành động năng K của nó. Nếu tần số của bức xạ chiếu tới là 3f thì động năng của êlectron quang điện đó

A. 3K+2A. B. 2K + 3A. C. 3K – 2A. D. 2K + A.

Câu 25: Khi chiếu lần lượt hai bức xạ điện từ có bước sóng và với vào một tấm kim loại có giới hạn quang điện của kim loại là thì tỉ số vận tốc ban đầu cực đại của quang electron bứt ra khỏi kim loại là 3. Giả sử một êlectron hấp thụ phôtôn sử dụng một phần năng lượng làm công thoát, phần còn lại biến thành động năng của nó. Chọn đúng

A. B. . C. . D. .