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

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.

• 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.

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.

• 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 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 

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

Qua bài này, các em sẽ được làm quen với các kiến thức liên quan đến Hiện tượng quang điện và Thuyết lượng tử ánh sáng cùng với các bài tập liên quan theo nhiều cấp độ từ dễ đến khó…, các em cần phải nắm được : 

• Trình bài được thí nghiệm Héc về hiện tượng quang điện và nêu được định nghĩa hiện tượng quang điện .

• Phát biểu được định luật về giới hạn quang điện .

• Phát biểu được thuyết lượng tử ánh sáng và  vận dụng được thuyết Phôtôn để giải thích định luật về giới hạn quang điện .

• Nêu được lưỡng tính sóng – hạt của ánh sáng .

Các em có thể hệ thống lại nội dung kiến thức đã học được thông qua bài kiểm tra Trắc nghiệm Vật lý 12 Bài 30 cực hay có đáp án và lời giải chi tiết. 

• Câu 1:

  Công thoát của kim loại Na là 2,48 eV. Chiếu một chùm bức xạ có bước sóng 0,36μm vào tế bào quang điện có catôt làm bằng Na. Vận tốc ban đầu cực đại của êlectron quang điện là:

  • A.  5,84.10⁵ m/s. 
  • B. 6,24.10⁵ m/s
  • C. 5,84.10⁶ m/s
  • D. 6,24.10⁶ m/s.

• Câu 2:

  Chọn câu đúng:

  • A. Hiện tượng giao thoa dễ quan sát đối với ánh sáng có bước sóng ngắn.
  • B. Hiện tượng quang điện chứng tỏ tính chất sóng của ánh sáng.
  • C.  Những sóng điện từ có tần số càng lớn thì tính chất sóng thể hiện càng rõ.
  • D. Sóng điện từ có bước sóng lớn thì năng lượng phô tôn nhỏ.

• Câu 3:

  Một ngọn đèn phát ra ánh sáng đơn sắc có bước sóng l= 0,6μm. Công suất đèn là P = 10W. Số phôtôn mà ngọn đèn phát ra trong 10s là:

  • A. N = 3.10²⁰
  • B. N = 5.10¹⁵ 
  • C. N = 6.10¹⁸
  • D. N = 2.10²²

• Câu 4:

  Giới hạn quang điện của Xesi là 0,66μm, chiếu vào kim loại này bức xạ điện từ có bước sóng 0,5μm. Động năng ban đầu cực đại của êlectron quang điện khi bứt ra khỏi kim loại là?

  • A. W_dmax = 2,48.10^-19 J
  • B.  W_dmax = 5,40.10^-20 J   
  • C. W_dmax = 8,25.10^-19 J 
  • D. W_dmax = 9,64.10^-20 J

• Câu 5:

  Trong một ống Cu-lít-giơ người ta tạo ra một hiệu điện thế không đổi giữa hai cực. Trong một phút người ta đếm được 6.10¹⁸ điện tử đập vào anốt. Tính cường độ dòng điện qua ống Cu-lít-giơ

  • A. 16mA     
  • B. 1,6A     
  • C. 1,6mA  
  • D. 16A

• Câu 6:

  Giới hạn quang điện của kẽm  là λ_o =  0,35mm. Tính công thoát của êlectron khỏi kẽm?

  • A. 3,420eV
  • B. 3,549eV
  • C. 3,279eV
  • D. 3,732eV

Câu 7- Câu 18: Xem thêm phần trắc nghiệm để làm thử Online 

Các em có thể xem thêm phần hướng dẫn Giải bài tập Vật lý 12 Bài 30 để giúp các em nắm vững bài học và các phương pháp giải bài tập.

Bài tập 30.14 trang 85 SBT Vật lý 12

Bài tập 30.15 trang 85 SBT Vật lý 12

Bài tập 30.16 trang 86 SBT Vật lý 12

Bài tập 30.17 trang 86 SBT Vật lý 12

Bài tập 30.18 trang 86 SBT Vật lý 12

Bài tập 30.19 trang 86 SBT Vật lý 12

Bài tập 30.20 trang 86 SBT Vật lý 12

Bài tập 1 trang 225 SGK Vật lý 12 nâng cao

Bài tập 2 trang 225 SGK Vật lý 12 nâng cao

Bài tập 3 trang 225 SGK Vật lý 12 nâng cao

Bài tập 4 trang 225 SGK Vật lý 12 nâng cao

Bài tập 5 trang 225 SGK Vật lý 12 nâng cao

Trong quá trình học tập nếu có thắc mắc hay cần trợ giúp gì thì các em hãy comment ở mục Hỏi đáp, Cộng đồng Vật lý Chúng tôi sẽ hỗ trợ cho các em một cách nhanh chóng!

Chúc các em học tập tốt và luôn đạt thành tích cao trong học tập!