Được đăng bởi 11/09/2017 10:32 I. Thí nghiệm Hertz (Hecxơ) Khi chiếu một chùm sáng thích hợp (có bước sóng ngắn) vào mặt một tấm kim loại thì nó làm cho các êlectron ở mặt kim loại đó bật ra. Hiện tượng đó là hiện tượng quang điện. Các êlectron bật ra gọi là êlectron quang điện. + Nếu tấm kim loại tích điện dương thì không có êlectron bật ra vì ở bề mặt tấm kim loại có một điện trường có tác dụng ngăn cản các êlectron bật ra. (Thực ra vẫn có các êlectron bật ra khỏi tấm kim loại nhưng lập tức bị hút trở lại). + Khi chắn chùm tia sáng của hồ quang bằng một tấm thủy tinh không màu thì các êlectron cũng không bật ra vì thuỷ tinh hấp thu mạnh các tia tử ngoại.  II. Kết quả thí nghiệm với tế bào quang điện + Đối với mỗi kim loại catôt, ánh sáng kích thích phải có bước sóng $\lambda $ nhỏ hơn một giới hạn ${\lambda _o}$ nào đó. + Cường độ dòng quang điện bão hòa tỉ lệ thuận với cường độ chùm sáng kích thích. + Muốn dòng quang điện triệt tiêu hoàn toàn thì phải có ${U_h} = {U_{KA}},{U_h}$gọi là điện áp hãm. Điện áp hãm phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng kích thích. Chú ý : + Khi ${U_{KA}} = 0$thì vẫn có dòng quang điện vì các êlectron khi bật ra khỏi catôt có vận tốc ban đầu nên vẫn chuyển động về Anôt tạo ra dòng quang điện. + Khi tăng điện áp ${U_{KA}}$ thì cường độ dòng quang điện chỉ tăng tới giá trị ${I_{bh}}$ thì không tăng nữa vì số phôtôn chiếu vào catôt trong 1s có giới hạn nên số êlectron bật ra trong 1s cũng có giới hạn. III. Các định luật quang điện * Định luật 1: Đối với mỗi kim loại dùng làm catôt có một bước sóng giới hạn ${\lambda _o}$ nhất định gọi là giới hạn quang điện. Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi bước sóng $\lambda $ của ánh sáng kích thích nhỏ hơn giới hạn quang điện $\left( {\lambda \leqslant {\lambda _o}} \right)$ * Định luật 2: Với ánh sáng kích thích có bước sóng thích hợp $\left( {\lambda \leqslant {\lambda _o}} \right)$ thì cường độ dòng quang điện bão hòa tỉ lệ thuận với cường độ của chùm sáng kích thích. * Định luật 3: Động năng ban đầu cực đại của electron quang điện không phụ thuộc vào cường độ của chùm sáng kích thích mà chỉ phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng kích thích và bản chất kim loại dùng làm catôt. IV. Giải thích các định luật quang điện bằng thuyết lượng tử * Giả thuyết lượng tử năng lượng của Plăng: + Năng lượng mà mỗi lần một nguyên tử hay phân tử hấp thụ hay phát xạ có giá trị hoàn toàn xác định, gọi là lượng tử năng lượng. + Lượng tử năng lượng kí hiệu e, có giá trị bằng: $\varepsilon = hf$ (Với h là hằng số Plăng, $h = 6,{625.10^{ - 34}}Js$; f : tần số ánh sáng) * Thuyết lượng tử ánh sáng (hay thuyết phôtôn): Do Anh-xtanh đề xuất, gồm các nội dung cơ bản sau: + Chùm ánh sáng là chùm các phôtôn (các lượng tử ánh sáng). Mỗi phôtôn có năng lượng xác định $\varepsilon = hf$. + Cường độ chùm sáng đơn sắc tỉ lệ với số phôtôn phát ra trong 1 s. + Phân tử, nguyên tử, êlectron … phát xạ hay hấp thu ánh sáng, nghĩa là chúng phát xạ hay hấp thu phôtôn. + Các phôtôn bay dọc theo tia sáng với tốc độ $c \approx {3.10^8}m/s$ trong chân không. Các phôtôn luôn ở trạng thái chuyển động, không có phôtôn đứng yên. + Khi ánh sáng truyền đi, phôtôn không bị thay đổi, không phụ thuộc khoảng cách nguồn sáng xa hay gần. + Một chùm sáng dù yếu cũng chứa rất nhiều phôtôn, do vậy ta cảm thấy chùm sáng liên tục. V. Lưỡng tính sóng – hạt của ánh sáng Hiện tượng giao thoa chứng tỏ ánh sáng có tính chất sóng; hiện tượng quang điện chứng tỏ ánh sáng có tính chất hạt. Như vậy nếu chỉ coi ánh sáng là hạt thì không giải thích được hiện tượng giao thoa, còn nếu chỉ coi ánh sáng là sóng thì không giải thích được hiện tượng quang điện. Nghĩa là ánh sáng có lưỡng tính sóng - hạt. - Những sóng điện từ có bước sóng càng ngắn thì phôton ứng với chúng có năng lượng càng lớn ; tính hạt càng thể hiện rõ, tính sóng càng ít thể hiện. - Những sóng điện từ có bước sóng càng dài thì phôton ứng với chúng có năng lượng càng nhỏ ; tính hạt càng ít thể hiện, tính sóng càng thể hiện rõ. VI. Hiện tượng quang điện trong Hiện tượng tạo thành các êlectron dẫn và lỗ trống trong bán dẫn do tác dụng của ánh sáng có bước sóng thích hợp, gọi là hiện tượng quang điện trong. Để gây ra hiện tượng quang điện trong thì ánh sáng kích thích phải có bước sóng nhỏ hơn hoặc bằng một giá trị l0, gọi là giới hạn quang điện của bán dẫn. Giới hạn này thường nằm trong vùng ánh sáng hồng ngoại. VII. Hiện tượng quang dẫn: Hiện tượng giảm mạnh điện trở suất (nghĩa là tăng độ dẫn điện) của chất bán dẫn khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào gọi là hiện tượng quang dẫn. So sánh hiện tượng quang điện bên trong và hiện tượng quang điện bên ngoài: + Cả hai khi được chiếu sáng thích hợp đều làm bứt êlectron, nhưng đối với hiện tượng quang điện bên ngoài thì các êlectron bứt ra ngoài khối chất còn đối với hiện tượng quang điện bên trong các êlectron bứt khỏi liên kết và ở trong khối chất. + Cả hai đều có bước sóng giới hạn l0, nhưng giới hạn quang điện bên trong có l0lớn (ánh sáng hồng ngoại) do năng lượng cần làm bứt các êlectron liên kết thành êlectron dẫn khá nhỏ. VIII. Quang điện trở Quang trở được chế tạo dựa trên hiệu ứng quang điện trong. Đó là tấm bán dẫn (hay tấm có tính quang dẫn) có giá trị điện trở thay đổi khi thay đổi cường độ chùm sáng chiếu vào nó (từ vài mêgaôm xuống còn vài chục ôm). Quang trở được lắp với mạch khuếch đại trong các thiết bị điều khiển bằng ánh sáng, trong các máy đo ánh sáng…. IX. Pin quang điện (hay Pin Mặt Trời) Pin quang điện là một nguồn điện chạy bằng năng lượng ánh sáng. Pin quang điện biến đổi trực tiếp quang năng thành điện năng. Hoạt động : Dựa trên hiện tượng quang điện bên trong, xảy ra bên cạnh một lớp chặn (hay lớp tiếp xúc giữa hai bán dẫn n và p). Suất điện động trong pin quang điện chỉ xuất hiện khi có ánh sáng chiếu vào pin. Suất điện động này có giá trị nhỏ (từ 0,5 V đến 0,8 V). Pin quang điện có hiệu suất không cao (khoảng 10 %). Ứng dụng : Pin quang điện là nguồn cung cấp điện cho + vùng sâu, vùng xa ở nước ta. + vệ tinh nhân tạo, máy tính bỏ túi, tàu vũ trụ, máy đo ánh sáng, ôtô ....
I.TÓM TẮT LÝ THUYẾT
Hiện tượng quang điện(ngoài) – Thuyết lượng tử ánh sáng. a. Hiện tượng quang điện Bạn đang xem: Công thức Anhxtanh Hiện tượng ánh sáng làm bật các electron ra khỏi mặt kim loại gọi là hiện tượng quang điện ngoài (gọi tắt là hiện tượng quang điện). b. Các định luật quang điện + Định luật quang điện thứ nhất (định luật về giới hạn quang điện): Đối với mỗi kim loại ánh sáng kích thích phải có bước sóng λ ngắn hơn hay bằng giới hạn quang điệnl0 của kim loại đó, mới gây ra được hiện tượng quang điện: λ ≤ λ0. + Định luật quang điện thứ hai (định luật về cường độ dòng quang điện bảo hòa): Đối với mỗi ánh sáng thích hợp (có λ ≤ λ0), cường độ dòng quang điện bảo hòa tỉ lệ thuận với cường độ chùm ánh sáng kích thích. + Định luật quang điện thứ ba (định luật về động năng cực đại của quang electron): Động năng ban đầu cực đại của quang electron không phụ thuộc vào cường độ của chùm sáng kích thích, mà chỉ phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng kích thích và bản chất kim loại. c. Thuyết lượng tử ánh sáng + Chùm ánh sáng là chùm các phôtôn (các lượng tử ánh sáng). Mỗi phôtôn có năng lượng xác định (năng lượng của 1 phô tôn ɛ = hf (J). Nếu trong chân không thì ε=h.f=h.cλε=h.f=h.cλ f là tần số của sóng ánh sáng đơn sắc tương ứng. h=6,625.10-34 J.s : hằng số Plank; c =3.108 m/s : vận tốc ánh sáng trong chân không. + Cường độ chùm sáng tỉ lệ với số phôtôn phát ra trong 1 giây. + Phân tử, nguyên tử, electron… phát xạ hay hấp thụ ánh sáng, nghĩa là chúng phát xạ hay hấp thụ phôtôn. + Các phôtôn bay dọc theo tia sáng với tốc độ c = 3.108 m/s trong chân không. + Năng lượng của mỗi phôtôn rất nhỏ. Một chùm sáng dù yếu cũng chứa rất nhiều phôtôn do rất nhiều nguyên tử, phân tử phát ra. Vì vậy ta nhìn thấy chùm sáng liên tục. +Phôtôn chỉ tồn tại trong trạng thái chuyển động. Không có phôtôn đứng yên. d. Giải thích các định luật quang điện +Bảng giá trị giới hạn quang điện e. Lưỡng tính sóng – hạt của ánh sáng +Ánh sáng vừa có tính chất sóng, vừa có tính chất hạt. Ta nói ánh sáng có lưỡng tính sóng – hạt. +Trong mỗi hiện tượng quang học, ánh sáng thường thể hiện rỏ một trong hai tính chất trên. Khi tính chất sóng thể hiện rỏ thì tính chất hạt lại mờ nhạt, và ngược lại. +Sóng điện từ có bước sóng càng ngắn, phôtôn có năng lượng càng lớn thì tính chất hạt thể hiện càng rõ, như ở hiện tượng quang điện, ở khả năng đâm xuyên, khả năng 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 rỏ hơn như ở hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ, tán sắc, …, còn tính chất hạt thì mờ nhạt. CÁC DẠNG BÀI TẬP1. Các công thức: +Công suất của nguồn sáng: P=nλεP=nλε nλnλ là số photon phát ra trong mỗi giây. εε là lượng tử ánh sáng. +Cường độ dòng quang điện bão hòa: Ibh=nεeIbh=nεe (Giả sử n= ne , với n là số electron đến được Anốt) nene là số quang electron bức ra khỏi catot mỗi giây = n số electron tới anot mỗi giây e là điện tích nguyên tố. +Đổi đơn vị: 1eV=1,6.10-19J. 1MeV=1,6.10-13J. +Các hằng số được cài sẵn trong máy tinh cầm tay Fx570MS; Fx570ES; 570ES Plus bằng các lệnh: [CONST] Number [0 ~40] ( xem các mã lệnh trên nắp của máy tính cầm tay ) +Lưu ý : Khi tính toán dùng máy tính cầm tay, tùy theo yêu cầu đề bài có thể nhập trực tiếp các hằng số từ đề bài đã cho , hoặc nếu muốn kết quả chính xác hơn thì nên nhập các hằng số thông qua các mã lệnh CONST [0~ 40] đã được cài đặt sẵn trong máy tinh! (Xem thêm bảng HẰNG SỐ VẬT LÍ dưới đây) * -Ví dụ1: Máy 570ES: 3. Các dạng bài tập: Cho 1 eV = 1,6.10-19 J ; h = 6,625.10-34 Js ; c = 3.108 m/s; me = 9,1.10-31 kg. Dạng 1: Tính giới hạn quang điện, công thoát và vận tốc cực đại ban đầu của e quang điện khi bật ra khỏi Katot. -Các hằng số : h = 6,625.10-34 Js ; c = 3.108 m/s; e = 1,6.10-19 C; me = 9,1.10-31 kg. Ví dụ 1: Giới hạn quang điện của kẽm là λo = 0,35μm. Tính công thoát của êlectron khỏi kẽm? Bấm máy tính: phân số SHIFT 7 06 h X SHIFT 7 28 Co ↓ 0,35 X10x -6 = 5.6755584×10-19J Đổi sang eV: Chia tiếp cho e: Bấm chia SHIFT 7 23 = Hiển thị: 3,5424 eV Nhận xét: Hai kết quả trên khác nhau là do thao tác cách nhập các hắng số !!! Dạng 2: Liên hệ giữa động năng ban đầu( vận tốc ban đầu)và hiệu điện thế hãm giữa 2 cực của A và K để triệt tiêu dòng quang điện. Ví dụ 1:Ta chiếu ánh sáng có bước sóng0,42μm vào K của một tbqđ. Công thoát của KL làm K là 2eV. Để triệt tiêu dòng quang điện thì phải duy trì một hiệu điện thế hãmUAK bằng bao nhiêu? -Cường độ dòng điện bão hoà : Ibh = ne.e .(ne là số electron quang điện từ catot đến anot trong 1 giây). -Hiệu suất quang điện : H = ne/nλ Ví dụ 1: Một ngọn đèn phát ra ánh sáng đơn sắc có λ=0,6μm sẽ phát ra bao nhiêu photon trong 10s nếu công suất đèn là P = 10W. Giải: Dạng 5: Cho cường độ dòng quang điện bão hoà. Tính số e quang điện bật ra khỏi Katot sau khoảng thời gian t. Dạng 6: Tính hiệu suất lượng tử của tế bào quang điện. PPG:Hiệu suất lượng tử của tế bào quang điện là đại lượng được tính bằng tỉ số giữa số e quang điện bật ra khỏi Katot với số photon đập vào Katot. Ví dụ 1: Khi chiếu 1 bức xạ điện từ có bước sóng 0,5 micromet vào bề mặt của tế bào quang điện tạo ra dòng điện bão hòa là 0,32A. Công suất bức xạ đập vào Katot là P=1,5W. tính hiệu suất của tế bào quang điện. Dạng 7: Ứng dụng của hiện tượng quang điện để tính các hằng số h, e, A. Áp dụng các công thức: Dạng 8: Chiếu ánh sáng kích thích có bước sóng thích hợp vào bề mặt tấm KL (hay quả cầu) được cô lập về điện. Tính hiệu điện thế cực đại mà tấm KL đạt được. PPG: Khi chiếu ánh sáng kích thích vào bề mặt KL thì e quang điện bị bật ra, tấm KL mất điện tử (-) nên tích điện (+) và có điện thế là V. Điện trường do điện thế V gây ra sinh ra 1 công cản AC = e.V ngăn cản sự bứt ra của các e tiếp theo. Nhưng ban đầu AC < Wdmax , nên e quang điện vẫn bị bứt ra. Điện tích (+) của tấm KL tăng dần, điện thế V tăng dần. Khi V =Vmax thì công lực cản có độ lớn đúng bằng Wdmax của e quang điện nên e không còn bật ra. Ta có: 1.Lượng tử năng lượngε=h.f=h.cλε=h.f=h.c/λ Với: h = 6,625.10-34 J.s: hằng số Plăng f: tần số của ánh sáng đơn sắcc = 3.108 m/s: tốc độ của ánh sáng trong chân không λλ (m): bước sóng của ánh sáng trong chân không 2. Công suất bức xạP=Nε=N.h.f=N.hcλP=Nε=N.h.f=N.hc/λP (W): Công suất bức xạ N: số phôtôn phát ra trong 1s 3. Hiệu suất lượng tửH=n/N Với n là số electron bật ra trong 1s 4. Giới hạn quang điệnλ0=hcAλ0=hcAVới A là công thoát của electron khỏi kim loại A (J) ⇒ 1eV = 1,6.10-19 J 5. Công thức AnhxtanhNăng lượng 1 phôtôn εε:+ Nội năng Q+ Công thoát A + Động năng ban đầu Eđo ⇒ εε = Q + A + Eđo Đối với electron ở bề mặt kim loại ⇒ Q = 0; Eđo max Với m = me = 9,1.10-31 kg: khối lượng electron VD1: Một nguồn sáng chỉ phát ra ánh sáng đơn sắc có f = 5.1014 Hz. Số phôtôn nguồn phát ra trong mỗi giấy bằng 3.1019 hạt. Tìm công suất bức xạ của nguồn? ⇒ P = 3.1019.6,625.10-34.5.1014 = 9,9375 W VD2: Chiếu chùm bức xạ có bước sóng 0,18 μμm vào bề mặt một miếng kim loại có giới hạn quang điện 0,3 μμm. 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? Nếu chiếu đồng thời nhiều bước sóng kích thích khác nhau thì bước sóng ngắn nhất quyết định vận tốc ban đầu cực đại và động năng cực đại. Chọn A. Đăng bởi: THPT Sóc Trăng Chuyên mục: Giáo dục Bản quyền bài viết thuộc trường trung học phổ thông Sóc Trăng. Mọi hành vi sao chép đều là gian lận. Nguồn chia sẻ: Trường THPT Thành Phố Sóc Trăng (thptsoctrang.edu.vn) |
