Page3 CHương: Lượng tử ánh sáng ******* 1. Hiện tượng quang điện(ngoài). Hiện tượng quang điện trong. Hiện tượng quang điện (ngoài) Hiện tượng quang điện trong Định nghĩa Hiện tượng ánh sáng làm bật các electron ra khỏi bề mặt kim loại là hiện tượng quang điện ngoài (gọi tắt là hiện tượng quang điện). Thông thường sử dụng kim loại kiềm. Thông thường sử dụng ánh sáng có bước sóng nhỏ hơn tia tím Hiện tượng tạo thành các electron dẫn và lỗ trống trong một số chất bán dẫn do tác dụng của bức xạ thích hợp. Các chất này được gọi là chất quang dẫn Thông thường sử dụng ánh sáng trong vùng nhìn thấy là được (có thể sử dụng ánh sáng bước sóng nhỏ hơn vùng này cũng được) Điều kiện xảy ra (Định luật giới hạn quang điện) Ánh sáng kích thích (ánh sáng chiếu vào) phải có bước sóng λ kt nhỏ hơn giới hạn quang điện λ 0 của kim loại ( hay giới hạn quang dẫn λ 0 của bán dẫn ) λ kt ≤ λ 0 hoặc ε ≥ A (A: công thoát, ε năng lượng photon) Chú ý: để gây ra hiện tượng quang điện ngoài thì khó hơn là gây ra hiện tượng quang điện trong (thông thường giới hạn quang điện nhỏ hơn giới hạn quang dẫn). Giải thích: Nếu có ánh sáng thích hợp chiếu vào kim loại thì kim loại hấp thụ năng lượng phôton và chuyển hoàn toàn cho electron. Nếu năng lượng phôton đủ lớn hơn công thoát ( công cần thiết để bứt electron ra khỏi bề mặt kim loại) thì xảy ra hiện tượng quang điện (ngoài). Ứng dụng: * Quang điện trở là một tấm bán dẫn có điện trở thay đổi. Khi chiếu a.sáng thích hợp thì điện trở của nó giảm → nó dẫn điện tốt, khi không chiếu ánh sáng thì điện trở của nó tăng→ dẫn điện kém. Được chế tạo dựa trên hiệu ứng quang điện trong * Pin quang điện trong đó quang năng biến đổi thành điện năng ( hiệu suất thấp 10%). → bộ phận trong máy đo ánh sáng, vệ tinh nhân tạo, máy tính bỏ túi…ô tô, máy bay chạy bằng pin quang điện.dd. Quang năng biến đổi thành điện năng. Suất điện động của pin thường có giá trị từ 0,5 V đến 0,8 V * Chất quang dẫn: Chất quang dẫn là những chất bán dẫn, dẫn điện kém khi không bị chiếu sáng và dẫn điện tốt khi bị chiếu ánh sáng thích hợp. +Bảng giá trị giới hạn quang điện Chất kim loại λ o (µm) Chất kim loại λ o (µm) Chất bán dẫn λ o (µm) Bạc 0,26 Natri 0,50 Ge 1,88 Đồng 0,30 Kali 0,55 Si 1,11 Kẽm 0,35 Xesi 0,66 PbS 4,14 Nhôm 0,36 Canxi 0,75 CdS 0,90 2. Thuyết lượng tử ánh sáng + lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng a) Ánh sáng được tạo thành bởi các hạt gọi là phôton. b) Với mỗi ánh sáng đơn sắc có tần số f, các phôton đều giống nhau, mỗi phôton mang năng lượng bằng: ε = hf = hc/λ ( lượng tử ánh sáng) c) Phôton chỉ tồn tại trong trạng thái chuyển động dọc theo các tia sáng, không có phôton đứng yên. Phôton bay với tốc độ ánh sáng ( trong chân không tốc độ phôton = 3.10 8 m/s). Chú ý: tốc độ ánh sáng của cùng một bức xạ trong các môi trường khác nhau thì khác nhau còn tần số thì không đổi d) Mỗi lần một nguyên tử hay phân tử phát xạ hoặc hấp thụ ánh sáng thì chúng phát ra hay hấp thụ một phôton. Olympus.210686@gmail.com 1 Page3 e) Ánh sáng vừa có tính chất sóng ( liên quan đến h.tượng giao thoa, nhiễu xạ, khúc xạ, phản xạ , tán sắc) vừa có tính chất hạt ( liên quan đến h.t quang điện trong, h.t quang điện (ngoài), quang-phát quang, tính chất đâm xuyên). f) Bước sóng càng lớn, năng lượng càng nhỏ thì ánh sáng có tính chất sóng. Bước sóng càng nhỏ, năng lượng càng lớn thì ánh sáng càng có tính hạt. 3. Hiện tượng quang - phát quang a) Định nghĩa: Một số chất có khả năng hấp thụ ánh sáng có bước sóng này để phát ra ánh sáng có bước sóng khác. Đây là hiện tượng phát quang. Chất có khả năng phát quang gọi là chất phát quang. → Thời gian phát quang: tính từ lúc tắt ánh sáng kích thích (ánh sáng chiếu đến) cho đến khi ánh sáng của chất phát quang phát ra bị tắt. → Ví dụ: đèn đom đóm, Khi chiếu ánh sáng tử ngoại vào thì flurexêin phát ánh sáng lục ( hóa phát quang) và đèn ống phát ra ánh sáng trắng (điện phát quang), một số sơn phát quang ( quang phát quang) trên đường , trên áo, trên bảng giao thông, đèn hiệu…. b) Phân loại: Huỳnh quang Lân quang * Do chất lỏng và khí phát quang * Thời gian phát quang ngắn ( < 10 -8 s) → Đặc điểm: λ kt < λ hq * Do chất rắn phát quang * Thời gian phát quang dài ( > 10 -8 s) 4. Mẫu nguyên tử Bo: ( Chỉ đúng khi áp dụng với mẫu nguyên tử Hidro ) a) Tiên đề 1 về trạng thái dừng: Nguyên tử chỉ tồn tại trong một số trạng thái có năng lượng xác định, gọi là các trạng thái dừng. Khi ở các trạng thái dừng thì nguyên tử không bức xạ. Trạng thái dừng có mức năng lượng thấp nhât gọi là trạng thái cơ bản, các trạng thái dừng có mức năng lượng cao hơn gọi là trạng thái kích thích. Trong các trạng thái dừng của nguyên tử, electron chỉ chuyển động quanh hạt nhân trên những quỹ đạo có bán kính hoàn toàn xác định gọi là quỹ đạo dừng. → Chú ý: * Các trạng thái kích thích có năng lượng càng cao thì ứng với bán kính quỹ đạo của electro càng lớn và trạng thái đó càng kém bền vững. Bán kính quỹ đạo thứ n : r n = n 2 .r 0 (r 0 = 5,3.10 -11 (m) : bán kính Bo (lúc electron ở quỹ đạo K (n = 1)) * Vận tốc của electron ở quỹ đạo n là: 2 n kq v mr ε = ( dựa theo lực Cu-lông là lực hướng tâm) * Trạng thái dừng không phải là trạng thái đứng yên của nguyên tử. Trạng thái dừng n 1 2 3 4 5 6 Tên quỹ đạo dừng K L M N O P Bán kính: r n = n 2 r 0 r 0 4r 0 9r 0 16r 0 25r 0 36r 0 Năng lượng của trạng thái dừng của Hidro: 2 13,6 ( ) n E eV n =- 2 13,6 1 - 2 13,6 2 - 2 13,6 3 - 2 13,6 4 - 2 13,6 5 - 2 13,6 6 - b) Tiên đề về sự bức xạ và hấp thụ năng lượng của nguyên tử. Khi nguyên phát ra một phôton thì nó chuyển từ trạng thái dừng có mức năng lượng cao (E n ) về trạng thái dừng có mức năng lượng thấp (E m ). Khi nguyên hấp thụ một phôton thì nó chuyển từ trạng thái dừng có mức năng lượng thấp (E m ) lên trạng thái dừng có mức năng lượng cao (E n ). Sự chuyển từ trạng thái dừng E m sang trạng thái dừng E n ứng với sự nhảy của electron từ quỹ đạo dừng có bán kính r m sang quỹ đạo dừng có bán kính r n và ngược lại. Năng lượng phôton bị nguyên tử phát ra ( hay hấp thụ ) có giá trị : ε = h.f nm = hc/λ nm = E n - E m c) Quang phổ phát xạ và hấp thụ của nguyên tử hidrô -Nguyên tử hiđrô có các trạng thái dừng khác nhau E K , E L , E M , . Khi đó electron chuyển động trên các quỹ đạo dừng K, L, M, Olympus.210686@gmail.com 2 hấp thụ bức xạ hf mn E n E m hf nm Page3 -Khi electron chuyển từ mức năng lượng cao (E cao ) xuống mức năng lượng thấp hơn (E thấp ) thì nó phát ra một phôtôn có năng lượng xác định: hf = E cao – E thấp . -Mỗi phôtôn có tần số f ứng với một sóng ánh sáng đơn sắc có bước sóng λ = f c , tức là một vạch quang phổ có một màu (hay một vị trí) nhất định. Điều đó lí giải quang phổ phát xạ của hiđrô là quang phổ vạch. -Ngược lại nếu một nguyên tử hiđrô đang ở một mức năng lượng E thấp nào đó mà nằm trong một chùm ánh sáng trắng, trong đó có tất cả các phôtôn có năng lượng từ lớn đến nhỏ khác nhau, thì lập tức nguyên tử đó sẽ hấp thụ một phôtôn có năng lượng phù hợp ε = E cao – E thấp để chuyển lên mức năng lượng E cao . Như vậy, một sóng ánh sáng đơn sắc đã bị hấp thụ, làm cho trên quang phổ liên tục xuất hiện một vạch tối. Do đó quang phổ hấp thụ của nguyên tử hiđrô cũng là quang phổ vạch. Kết luận: _ Quang phổ của Hidro là quang phổ vạch (hấp thụ hoặc phát xạ). Trong quang phổ của Hidro có 4 vạch nằm trong vùng ánh sáng nhìn thấy: đỏ lam chàm tím _ Nếu một chất có thể hấp thụ được ánh sáng có bước sóng nào (hay có tần số nào) thì nó cũng có thể phát ra bước sóng ấy (hay tần số ấy) 5. Sơ lược về Laze. a) Laze là một nguồn sáng phát ra một chùm sáng cường độ lớn dựa trên việc ứng dụng hiện tượng phát xạ cảm ứng b) Đặc điểm: Có tính đơn sắc, tính định hướng (là chùm sáng song song), tính kết hợp rất cao (cùng tần số, cùng pha) và cường độ lớn. Hiệu suất của tia laze nhỏ hơn 1 c) Nguyên lý hoạt động: dựa trên hiện tượng phát xạ cảm ứng ( kiến thức nâng cao: ngoài ra còn có ứng dụng của tạo ra sự đảo lộn mật độ và buồng cộng hưởng) . d) Cấu tạo của laze: laze rubi (hồng ngọc) phát ánh sáng đỏ có cường độ tới 10 6 W/cm 2 . laze khí, laze rắn, laze bán dẫn( dùng làm bút chỉ bảng). e) Ứng dụng: _Y học: làm dao mổ phẫu thuật, sử dụng tác dụng nhiệt chữa bệnh ngoài da. _ Thông tin liên lạc: liên lạc vô tuyến, liên lạc vệ tinh, điều khiển tàu vũ trụ truyền hình cáp quang _ Công nghiệp: khoan, cắt, tôi…kim loại, vật liệu composit một cách chính xác. _ Trắc địa: đo khoảng cách, tam giác đạc, ngắm đường thẳng. _ Dùng làm mắt đọc đĩa CD, trong bút chỉ bảng, bản đồ BÀI TOÁN 1. CÔNG THỨC LIÊN QUAN HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN. LIÊN QUAN ĐẾN TẾ BÀO QUANG ĐIỆN Lý thuyết: Chiếu anh sáng thích hợp vào Katot tế bào quang điện, làm bật ra electron. 1. NĂNG LƯỢNG PHÔTÔN: hc hf ε λ = = ( J ) h = 6,625 .10 -34 J.s : hằng số Plank ; c = 3.10 8 m/s λ ,f : bước sóng ,tần số của ánh sáng kích thích. 2. CÔNG THOÁT CỦA KIM LOẠI LÀM KATÔT : o c A h λ = với λ 0 : giới hạn quang điện 3. ĐIỀU KIỆN ĐỂ XẢY RA HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN: o λλ ≤ hoặc ε ≥ A 4. ĐIỀU KIỆN ĐỂ XẢY RA HIỆN TƯỢNG PHÁT QUANG: . .k thich ph quang λ λ ≤ 5. DÒNG QUANG ĐIỆN BÃO HÒA (khi electron bật ra khỏi katôt, nó dịch chuyển về phía anôt tạo thành dòng điện): .n e q I t t = = ( n: số hạt electron bật ra khỏi Katôt ) Olympus.210686@gmail.com 3 Page3 6. NĂNG LƯỢNG NGUỒN SÁNG: 0 0 0 hc E N N hf N ε λ = = = 7. CÔNG SUẤT CỦA NGUỒN PHÁT: 0 0 0 N hf N hc E P N t t t t ε λ = = = = (N 0 : số phôtôn nguồn phát ra ) 8. HIỆU SUẤT CỦA HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN: LT n H N = ( n: số electron bật ra khỏi Katôt, N: số phôton đập vào Katôt) Học sinh cần hiểu như sau: Nguồn sáng phát ra N 0 hạt phôton, nhưng khi đập Katôt chỉ có N hạt phôton. Sau khi phôton đập vào Katôt ( nếu thỏa mãn đ/k quang điện) thì có n hạt electron bật ra. Hiệu suất nguồn phát: H phát = N/N 0 ( nếu đề bài không nói gì H phát = 1 lúc này N = N 0 9. BÀI TOÁN MỞ RỘNG: Lý thuyết: Chiếu ánh sáng thích hợp vào bề mặt kim loại làm Katot, làm electron bật ra khỏi Katot T.h.1 : Nếu hiệu điện thế giữa Anot và Katot = U AK = U hãm < 0 , thì dòng electron không đi về được anot, sẽ không có dòng quang điện. ( ) 0 0 . d katot h hc hc hc W eU λ λ λ = + = + T.h.2: Nếu hiệu điện thế giữa Anot và Katot = U AK > 0, thì sẽ xuất hiện dòng quang điện chuyển động nhanh dần đều từ Katot về Anot. ( ) ( ) ( ) 0 0 . d katot d anot AK hc hc hc W W eU λ λ λ = + = + − BÀI TOÁN 2 . BÀI TOÁN QUANG PHỔ CỦA HIDRO. 8.1. Áp dụng hai tiên đề của Bo, ta chú ý đến các hệ thức: Khi nguyên tử chuyển từ quỹ đạo m sang quỹ đạo n thì: mn mn m n mn hc hf E E ε λ = = = − ( E m và E n là năng lượng của trạng thái dừng có quỹ đạo m và n) E m – E n > 0: nguyên tử phát ra phôton có năng lượng bằng ε mn E m – E n < 0: nguyên tử hấp thụ một phôton có năng lượng bằng mn ε Bài toán mở rộng: Khi nguyên tử chuyển giữa các quỹ đạo m , n, a ta có các hệ thức liên hệ sau: ε mn = ε ma + ε an , f mn = f ma + f an , 1 1 1 mn ma an λ λ λ = + làm giống như cộng vector 8.2. Bán kính quỹ đạo dừng thứ n của electron trong nguyên tử Hidro: r n = n 2 r 0 Với r 0 =5,3.10 -11 m là bán kính Bo (ở quỹ đạo K) 8.3. * Năng lượng electron trong nguyên tử hiđrô: 2 13,6 ( ) n E eV n =- Với n ∈ N * . (1eV = 1,6.10 -19 J) BÀI TOÁN 3. LIÊN QUAN ĐẾN ỐNG CU-LIT-GIƠ Lý thuyết: Chiếu electron đến đập vào Anot của ống Cu-li-giơ, làm anot bật ra bức xạ có bước sóng λ min . AK hc eU λ = Olympus.210686@gmail.com 4 . 4,14 Nhôm 0,36 Canxi 0,75 CdS 0,90 2. Thuyết lượng tử ánh sáng + lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng a) Ánh sáng được tạo thành bởi các hạt gọi là phôton. b) Với mỗi ánh sáng đơn sắc có tần số f, các. lúc tắt ánh sáng kích thích (ánh sáng chiếu đến) cho đến khi ánh sáng của chất phát quang phát ra bị tắt. → Ví dụ: đèn đom đóm, Khi chiếu ánh sáng tử ngoại vào thì flurexêin phát ánh sáng lục. mang năng lượng bằng: ε = hf = hc/λ ( lượng tử ánh sáng) c) Phôton chỉ tồn tại trong trạng thái chuyển động dọc theo các tia sáng, không có phôton đứng yên. Phôton bay với tốc độ ánh sáng ( trong