_____________________________________________________________________________ - 3 - LỜI NÓI ĐẦU Nhằm giúp các bạn học sinh và giáo viên ban Khoa Học tự nhiên (THPT) có tài liệu ôn luyện về phần Lượng tử ánh sáng - bộ môn Vật Lý để chuẩn bị cho kỳ thi học kỳ, cuối năm và nhất là kỳ thi Tốt nghệp THPT và kỳ thi tuyển sinh váo các trường Đại học, Cao đẳng. Chúng tôi - những tác giả nghệp dư hợp tác với nhau biên soạn tập tài liệu (CÊMINA): Lượng Tử Ánh Sáng. Tập tài liệu này được biên soạn theo chương trình giáo dục Trung Học Phổ Thông, môn Vật Lý 12. Để đáp ứng được sự chặt chẽ của phần Lượng Tử Ánh Sáng, chúng tôi chia nội dung cuốn sách được thành 3 phần. Phần 1: Kiến thức cơ bản và nâng cao. Tóm tắt các kiến thức trong chương trính SGK và một số sách tham khảo với mức độ cần đạt ghi trong chương trình. Các kiến thức này rất cần thiết cho việc học sinh ôn tập để làm bài, nhất là các bài thi trắc nghiệm. Phần 2: Các dạng bài tập và phƣơng pháp giải. Nêu ra các dạng bài tập căn bản và nâng cao, hướng dẫn phương pháp giải với nhiều ví dụ áp dụng cho từng dạng. Đây là phần quan trọng bởi các phương pháp giải toán Vật Lý - Lượng Tử Ánh Sáng đếu được chúng tôi nói đến trong phần này. Phần 3: Các bài tập ôn luyện. _____________________________________________________________________________ - 4 - Phần này bao gồm các bài tập tự luận, trắc nghệm để bạn đọc ôn tập. Trong phần này chúng tôi sẽ tham khảo thêm các đề thi của Bộ GD-ĐT và một số trường. Chúng tôi hi vọng tập tài liệu (CÊMINA) "Vật Lý 12 - Lượng Tử Ánh Sáng" sẽ là tài liệu thiết thực và bổ ích, giúp cho các bạn học sinh và các thầy cô giáo, các bậc phụ huynh có điều kiện ôn tập tốt để chuẩn bị cho các kỳ thi của nhà trường và Bộ GD-ĐT tổ chức sắp tới. Vì thời gian chuẩn bị và thực hiện còn quá ngắn nên tập CÊMINA của chúng tôi chắc chắn còn mắc phải những thiếu sót. Chúng tôi hi vọng sẽ nhận được nhiều lời góp ý xây dựng của quý bạn đọc để tập tài liệu có "chất" hơn. Chúng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy Đinh Anh Tuấn - giáo viên Trường THPT Đặng Thúc Hứa và tập thể lớp A-k32 Trường THPT Đặng Thúc Hứa - Nghệ An đã tạo điều kiện thuận lợi để tài liệu này được hoàn thành. _____________________________________________________________________________ - 5 - A. TÓM TẮT KIẾN THỨC VẤN ĐỀ 1 HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN - THUYẾT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG 1. Khái niệm hiện tượng quang điện. +) Hiện tượng ánh sáng làm bật các electron ra khỏi bề mặt kim loại gọi là hiện tượng quang điện ngoài, thường gọi tắt là hiện tượng quang điện. +) Các electron bị bật ra khỏi bề mặt kim loại gọi là quang electron. 2. Tế bào quang điện. +) Tế bào quang điện là một bình I thạch anh đã hút hết không khí (tế bào quang điện chân không), bên trong có hai điện cực anôt A và catôt K. Nối I bh anôt A với cực dương của nguồn điện, catôt K với cực âm va chiếu vào catôt chùm sáng có bứơc sóng ngắn thì xảy ra hiện tượng quang điện và trong mạch _____________________________________________________________________________ - 6 - xuất hiện dòng quang điện với cường độ I. +) Khi U AK  U 1 thì I giữ giá trị không đổi I bh , gọi là cường độ - U h O U i U AK quang điện bão hoà; I bh tăng tỉ lệ với cường độ chùm sáng chiếu vào catôt . Đặc tuyến vôn-ampe (Hình 1.1) của tế bào quang điện trên Hình 1.1. 3. Các định luật quang điện. a. 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 λ 0 . λ 0 được gọi là giới hạn quang điện của kim loại: λ  λ 0 . b. Đối với ánh sáng thích hợp ( có λ  λ 0 ) cường độ dòng quang điện bão hoà tỉ lệ thuận với với cường độ chùm sáng kích thích. c. Động năng ban đầu cực đại của các quang electron không phụ thuộc cường độ của chùm ánh sáng kích thích mà chỉ phụ thuộc bước sóng của ánh sáng kích thích và bản chất của kim loại làm catôt. 4. Thuyết lượng tử ánh sáng a. Giả thuyết lượng tử năng lượng của Plăng: Lượng năng lượng mà mỗi lần một nguyên tử hay phân tử hấp thụ hay pháp xạ có các giá trị hoàn toàn xác định, gọi là lượng tử năng lượng, ký hiệu bằng chữ ε, có giá trị: ε = hf _____________________________________________________________________________ - 7 - trong đó:f là tần số của ánh sáng bị hấp thụ hay được pháp xạ ra, h là một hằng số gọi là hằng số Plăng. h = 6,625.10 -34 (J.s) b. Thuyết phôtôn. +) Chùm ánh sáng là một chùm các phôtôn (các lượng tử ánh sáng). Mỗi phôtôn có năng lượng xác định ε = hf (f là tần số của sóng ánh sáng đơn sắc tương ứng). Cường độ của chùm sáng tỉ lệ với số phôtôn phát ra trong vòng 1 giây. +) Phân tử, nguyên tử, êlecteron…phát xạ hay hấp thụ ánh sáng, cũng có nghĩa là chúng phát xạ hay hấp thụ phôtôn. +) Các phôtôn bay dọc theo tia sáng với tốc độ ánh sáng. Năng lượng của mỗi phôtôn rất nhỏ. Một chùm sáng dù yếu cũng chứa rất nhiều phôtôn do rất nhiều nguyên tử, phân tử thoát ra. Vì vậy ta nhìn thấy chùm sáng liên tục. 5. Công thức Anh- xtanh về hiện tượng quang điện. hf = h 2 2 max0 mv A c   (A: công thoát êlectron).  Giới hạn quang điện : λ 0 = A hc .  Muốn cho dòng quang điện triệt tiêu hoàn toàn phải có: eU h = 2 2 max0 mv . (U h : độ lớn của hiệu điện thế hãm; e = 1,6.10 -19 C; m = 9,1.10 -31 kg). _____________________________________________________________________________ - 8 -  Hiệu suất của hiệu ứng quang điện (hiệu suất lượng tử). Số electron bị bật ra từ kim loại H = Số phô tôn tới đập vào mặt kim loại 6. Tia Rơn-ghen (tia X). Bước sóng nhỏ nhất của tia Rơn-ghen phát ra từ ống Rơn-ghen: λ x = λ min , với λ min = đ W hc . W đ là động năng của các electron khi tới đập vào các catôt: W đ = eU mv  2 2 . U là hiệu điện thế giữa anôt và catôt của ống Rơn-ghen. 7. Hiện tượng quang điện trong. Hiện tượng quang điện trong là hiện tượng tạo thành các êlectron và lỗ trống trong bán dẫn do tác dụng của ánh sáng thích hợp. B. CÁC DẠNG BÀI TẬP VÀ PHƢƠNG PHÁP GIẢI. _____________________________________________________________________________ - 9 - Dạng 1  : X¸c ®Þnh c¸c ®¹i l-îng ®Æc tr-ng cña hiÖn t-îng quang ®iÖn.  Phôtôn có tần số f: - năng lượng ε = hf = h  c . - động lượng ρ =   h c  . - khối kượng m = 2 c  .  Hiện tượng quang điện: - Phương trình Anh-xtanh ε = hf = 2 2 max0 mv A - Giới hạn quang điện λ 0 = A hc . - Hiệu điện thế hãm 2 max0 2 1 mveUUe hAK  .  CHÚ Ý: Đơn vị năng lượng thường dùng là electron-vôn (eV) 1eV = 1,6.10 -19 J. Ví dụ 1.1: Tính năng lượng, động lượng và khối lượng của photôn ứng với các bức xạ điện từ sau đây: a) Bức xạ đỏ có λ = 0,76 μm. _____________________________________________________________________________ - 10 - b) Sóng vô tuyến có λ = 500 m. c) Tia phóng xạ γ có f = 4.10 17 KHz. d) Cho biết c = 3.10 8 m/s ; h = 6,625.10 -34 J.s Hướng dẫn a) Bức xạ đỏ có λ = 0,76 μm. - Năng lượng: ε = hf = )(10.15,26 10.76,0 10.3.10.625,6 20 6 834 J     - Động lượng: ρ = )/.(10.72,8 28 smkg c    . - Khối lượng: m = 2 c  = 2,9.10 -36 (kg). b) Sóng vô tuyến có λ = 500 m. Tương tự, ta có: - Năng lượng: ε = hf = )(10.975,3 28 J  - Động lượng: _____________________________________________________________________________ - 11 - ρ = )/.(10.325,1 36 smkg c    . - Khối lượng: m = 2 c  = 4,42.10 -45 (kg). c) Tương tự: - Năng lượng: ε = hf = 26,5.10 -14 (J). - Động lượng: ρ = )/.(10.8,8 22 smkg c    . - Khối lượng: m = 2 c  = 0,94.10 -31 (kg). Ví dụ 1.2: Catot của tế bào quang điện làm bằng đồng, công thoát khỏi đồng là 4,47 eV. Cho biết: h = 6,625.10 -34 (J.s) ; c = 3.10 8 (m/s) ; e = 1,6.10 -19 (C). a. Tính giới hạn quang điện của đồng. b. Chiếu đồng thời 2 bức xạ điện từ có bước sóng λ 1 = 0,210 (μm) và λ 2 = 0,320 (μm) vào catot của tế bào quang điện trên, phải đặt hiệu thế hãm bằng bao nhiêu để triệt tiêu dòng quang điện. _____________________________________________________________________________ - 12 - Hướng dẫn a) Tính λ 0 . Giới hạn quang điện của đồng: λ 0 = (278,0 10.6,1.47,4 10.3.10.625,6 19 834    A hc μm). b) Tính U h . λ 1 < λ 0 < λ 2 do đó chỉ có λ 1 gây ra hiện tượng quang điện. Điều kiện để dòng quang điện triệt tiêu hoàn toàn: maxđhAK WeUUe  . )(446,1 1 max VA hc ee W U đ h          Ví dụ 1.3: Công thoát của êlectron đối với đồng là 4,47 eV. a. Khi chiếu bức xạ có bước sóng λ = 0,14 (μm) vào một quả cầu bằng đồng cách li với vật khác thì tích điện đến hiệu điện thế cực đại là bao nhiêu ? b. Khi chiếu bức xạ có bước sóng λ' vào quả cầu bằng đòng cách ly cới các vật khác thì quả cầu đạt hiệu điện thế cực đại 3 (V). Tính λ' và vận tốc ban đầu của [...]... + + Hỡnh 1.2 - 13 - v0 _ b Tớnh ' v v'0 Tng t: Suy ra: ' V: hc ' A eVmax V0'2 ' hc 0,166( m) A eV ' max v'0 = 2eV ' max 1,027.10 6 (m / s) me Dạng 2: Công suất và hiệu suất của hiện t-ợng quang điện Cụng sut ca ngun : P = n. (n l s photon tng ng vi bc x phỏt ra trong 1 giõy) Cng dũng in bóo ho : Ibh = ne.e ( ne l s electron quang in t catot n anot... tớnh súng - ht Tớnh cht súng th hin rừ vi ỏnh sỏng cú bc súng di, tớnh cht ht m nht Tớnh cht ht th hin rừ vi ỏnh sỏng cú bc súng ngn, tớnh cht ht m nht B CC DNG BI TP V PHNG PHP GII Dạng 1: Mẫu nguyên tử Bo Nng lng ca nguyờn t gm ng nng ca ờlectron c th nng tng tỏc gia ờlectron v ht nhõn - Nng lng ca nguyờn t hirụ : En = 13,6 (eV ) n l lng t s n2 n = 1, 2, 3, ng vi K, L, M - 27 - ... 6,625.10-34 (J.s) Hng dn Tớnh E v f ca phụtụn Nng lng ca phụtụn phỏt ra : 1 1 E E3 E1 13,6 2 2 12,088(eV ) 3 1 Tn s dao ng ca phụtụn : f= E 2,92.1015 ( Hz) h Dạng 2: Quang phổ vạch của nguyên tử hiđrô p dng cụng thc 1 mn Em En hc vi m > n Chỳ ý: Khi nguyờn t trng thỏi kớch thớch, bc súng ca cỏc dóy : - Dóy Lai-man ng vi n = 1 v m = 2; 3; Vch u ca dóy cú bc súng 21 - Dóy Ban-me ng vi . (THPT) có tài liệu ôn luyện về phần Lượng tử ánh sáng - bộ môn Vật Lý để chuẩn bị cho kỳ thi học kỳ, cuối năm và nhất là kỳ thi Tốt nghệp THPT và kỳ thi tuyển. nhau biên soạn tập tài liệu (CÊMINA): Lượng Tử Ánh Sáng. Tập tài liệu này được biên soạn theo chương trình giáo dục Trung Học Phổ Thông, môn Vật Lý 12.