Sáng kiến kinh nghiệm Một số vấn đề cơ bản về lượng tử ánh sáng

Nội dung text: Sáng kiến kinh nghiệm Một số vấn đề cơ bản về lượng tử ánh sáng

1. Chuyên đề: Một số vấn đề cơ bản về lượng tử ánh sáng A. Nội dung kiến thức: 1. Hiện tượng quang điện ngoài: Hiện tượng ánh sáng làm bật các êlectrôn ra khỏi bề mặt kim loại gọi là hiện tượng quang điện ngoài. Tế bào quang điên: 2. Các định luật quang điện: *Định luật về giới hạn quang điện: Mỗi kim loại tồn tại một bước sóng giới hạn 0 nhất định. Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi ánh sáng kích thích chiếu vào kim loại này có bước sóng nhỏ hơn hoặc bằng sóng 0 . 0 được gọi là giới hạn quang điện của kim loại đó.  0 *Định luật về dòng quang điện bão hoà: +Dòng quang điện là gì:Dòng điện khép kín tạo bởi các êletrôn quang điện Công thức: I = n.e Trong đó e = 1,6.10-19C. n: số êlectrôn đi từ bề mặt kim loại đến cực dương . +Dòng quang điện bão hoà là gì: Là dòng quang điện cực đại khi toàn bộ số êlectrôn bứt ra khỏi kim loại đều đến được cực dương. Công thức: Ibh=n0.e Định luật: Với mỗi ánh sáng thích hợp(có  nhỏ hơn hoặc bằng 0 ),thì cường độ dòng quang điện bão hoà tỉ lệ thuận với cường độ chùm sáng kích thích. *Định luật về động năng cực đại của quang êlectrôn: Động năng ban đầu của quang eeletrôn không phụ thuộc cường độ của chùm sáng kích thích mà chỉ phụ thuộc bước sóng ánh sáng kích thích và bản chất kim loại . 3.Nguồn gốc ra đời của thuyết lượng tử năng lượng: Các hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ . hoàn toàn có thể giải thích đầy đủ khi thừa nhận ánh sáng có tính chất sóng. Thực vậy ánh sáng có bản chất của một sóng điện từ. Dự trên cở sỏ tính chất sóng ánh sáng thì người ta lại không thể giải thích được hiện tượng quang điện, hiệu ứng Comtom ,không thể giải thích sự phát và hấp thụ bức xạ của các vật. Điều này dẫn đến trong vật lí một số các nhà khoa học đã phải tạo ra những hướng đi mới đây cũng chính nguyên nhân thúc đẩy sự ra đời của thuyết lượng tử. 4.Nội dung thuyết lượng tử năng lượng: Lượng năng lượng mà mỗi lần nguyên tử hay phân tử hấp thụ hay phát xạ có gia trị hoàn toàn xác định, gọi là lượng tử năng lượng. Lượng tử năng lượng kí hiệu  , có giá trị bằng  = h.f trong đó h là hàng số Plăng h =6,625.10-34Js,f là tần số ánh sáng được hấp thụ hay phát ra.
2. 5.Nội dung thuyết lượng tử ánh sáng: + Chùm sáng là một chùm hạt các phôtôn (Các lượng tử ánh sáng ). Mỗi phôtôn có năng lượng xác định  = h.f (f là tần số của sóng ánh sáng tương ứng). Cường độ của chùm sáng tỉ lệ với số phôtôn phát ra trong một giây + Với mỗi ánh sáng đơn sắc có tần số f, các phôtôn đều giống nhau mang năng lượng giống nhau bằng hf. Một chùm sáng dù nhỏ cũng chứa rất lớn các phôtôn. + Phân tử , nguyên tử, êlectrôn .phát ra hay hấp thụ ánh sáng cũng có nghĩa là chúng phát ra hay hấp thụ phôtôn. + Các phôtôn bay dọc theo tia sáng với tốc độ c = 3.108m/s trong chân không. 6.Công thoát của kim loại: Êlectrôn tự do ở trong các kim loại luôn được liên kết trong mạng tinh thể chúng bị các iôn kim loại hút lại và không thể tự nhiên mà bật ra khỏi bề mặt. Muốn các êlectrôn bứt ra khỏ các liên kết thì cần phải cung cấp cho nó lượng năng lượng tối thiểu để thực hiện một công pha vỡ sự liên kết đó , công này gọi công thoát A. *Động năng ban đầu cực đại của các êlectron quang điện: +Thực nghiệm đã chứng tỏ rằng trong hiện tượng quang điện các êletrôn được bứt ra bề mặt kim loại, một số các eletrôn có vận tốc khác không nên có động năng khác không. So các êletrôn ở bên trong khi di chuyển từ trong ra ngoài đã mất dần động năng thì các elêctrôn ở ngay bề mặt có động năng ban đầu lớn nhất gọi là động năng ban đầu cực đại kí hiệu: Wđ và 1 2 xác định Wđ= m.v 2 max 7.Công của lực điện trường. +Khi một điện tích điểm q di chuyển trong điện trường từ nơi có điện thế V1 đến nơi có điện thế V2 thì điện trường thực hiện công . A= q(V2-V1) = q. U Trong đó U là hiệu điện thế giữa hai điểm đó . -19 +Nếu là êletrôn thì : A = qe.U với qe= -1,6.10 c. Ta cũng sẽ có nếu chỉ có lực điện thì “Độ biến thiên động năng của êlectrôn bằng công của lực điện trường, tức là : Wđ- W0 đ= A. W0 đ l à động năng ban đầu. 8.Công suất và cường độ chùm sáng kích thích: Cường độ của một chùm sáng tạ một điểm là đại lượng đo bằng lượng năng lượng mà chùm sáng đó mang đến cho mộtmột diện tích bằng một đơn vị đặt vuông góc với tia sáng qua qua điểm đó trong một giây . Cường độ chùm sáng tại điểm cách nguồn phát một khoảng r (Qũi tích những điểm này thuộc mặt cầu bán kính r) là Ir được xác định. P Ir= trong đó P là công suất của nguồn, 4 r2 S = 4. .r2 là diện tích mặt cầu. + Năng lượng mà chùm sáng rọi vào diện tích s đặt vuông góc tia sáng , cách nguồn một khoảng r là
3. E = Ir. s - Nếu biết số phôtôn đập vào s trong một giây là n thì E có thể tính: E = n.h.f ( f là tần số của nguồn đơn sắc phát ra ) - Liên hệ giữa cường độ chùm ssáng và số phôtôn rọi vào s trong một giây là: n.h.f = Ir. s - Liên hệ giữa công suất của nguồn sáng và cường độ của chùm sáng mà nó phát ra tai vị trí r là: 2 P = Ir. 4. .r Công suất chùm sáng là lựơng năng lượng của các phôtôn mà chùm sáng mang đến trong một giây. Nếu trong 1 giây có N0 rọi vào bề mặt kim loại thì công suất của chùm sáng chiếu tới tại bề mặt của kim loại là: P = N0.  = N0. h.f ( f là tần số của ánh sáng chiếu tới) Hiệu suất quang điện(Hiệu suất lượng tử) n H = 0 .100% N0 Trong đó n0 là số êlêctrôn bứt ra khỏi bề mặt kim loại trong một giây. N0 là số phôtôn rọi đến bề mặt kim loại trong một giây. (Ta chỉ xét những chùm sáng có công suất không đổi) Điện áp hãm. 9.Điện thế cực đại trên tấm kim loại cô lập khi có hiện tượng quang điện: Khi chiếu vào bề mặt một tấm kim loại một ánh sáng có bước sóng nhỏ hơn giaói hạn quang điện của kim loại này thì các êlectrn ở bề mặt kim loại bật ra ngoài kết quả làm tấm kim loại mang điện tích dương, hiện tượng vẫn tiếp tục xảy ra thì điện tích của tấm kim loại càng tăng dần làm điện thế V của nó cung tăng dần. Khi điện thế cuat tấm loại tang đến giá trị Vmax thì khi đó các êlctrôn bị bứt ra sẽ lập tức bị hút trở lại kể cả các êlectrôn đã tới nơi có điện thế không. 2 1 2 me.v0max h.f A Khi đó m.v = q .Vmax Vmax= = 2 0max e 2.qe qe + Nếu chỉ dùng ánh sáng kích thích có bước sóng 1 thì điện thế cực đại là V1. + Nếu chỉ dùng ánh sáng kích thích có bước sóng 2 thì điện thế cực đại là V2 (1 >2 ) thì V1<V2 Khi chiếu vào tấm kim loại đồng thời hai bức xạ này thì điện thế cực đại trên tâm sẽ là V2. 11.Bước sóng của tia Rơnghen(Tia X) Khi các êlectrôn bứt ra từ Catốt của ống Cu-lít-giơ được tăng tốc trong điện trường mạnh(Hiệu điện thế giữa hai điện cực của ống cỡ hàng vạn vôn.)tới đập vào anốt và làm cho anốt phát ra tia X. 1 Động năng của êlectrôn khi đến anốt là m .v2 . Giả sử khi êletrôn bị bứt ra có 2 e động năng bằng không thì vận tốc của êletrôn khi đập vào anốt là: 2. q .U v e AK me
4. Tia X có bước sóng ngắn nhất sẽ có năng lượng cao nhất đúng bằng động năng của 1 êletrôn truyền tới, nghĩa là: h.c min qe .U AK Nếu ống Cu-lít- giơ hoạt động với điện áp xoay chiều có giá trị hiệu dụng U thì tốc độ cực đại của êlectrôn là khi điện áp giữa 2 cực là UAK= U. 2 . 10. Hiện tượng quang điện trong: Hiện tượng tạo thànhcác êlectrôn dẫn và lỗ trống trong bán dẫn, do tác dụng của ánh sáng có bước sóng thích hợp, gọi là hiện tượng tượng quang điện trong. Để gây ra hiện tượng thì ánh sáng kích thích phải có bước sóng nhỏ hơn hoặc ' ' bằng một giới hạn 0 nào đó, 0 gọi là giới hạn quang điện của bán dẫn(Giới hạn quang điện trong). Lưu ý: Vì năng lượng cần thiết để giải phóng êlectrôn liên kết thành êlectrôn dẫn không lớn lắm nên giới hạn quang điện của nhiều bán dẫn thuộc vùng hồng ngoại. Tức là giới hạn quang điện trong lớn hơn giới hạn quang điện ngoài. 11. Hiện tượng quang dẫn: Hiện tượng giảm điện trở suất(Điện trở sẽ giảm)tức là tăng độ dẫn điện của bán dẫn, khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào. Ứng dụng của hiện tượng quang điện trong nguời ta chế tạo các quang điện trở và pin quang điện(Pin mặt trời) sử dụng năng lượng của ánh sáng 12. Hiện tượng quang- phát quang: Là hiện tượng một số chất hấp thụ ánh sáng có bước sóng này để phát ra ánh sáng có bước sóng khác.(Tiêu biểu là huỳnh quang và lân quang). Một đặc điểm qaun trọng của ánh sáng huỳnh quang là có bước sóng dài hơn bước sóng của ánh sánh kích thích. Phải phân biệt được hiện tượng quang phát quang và hiện tượng phát quang 13. Mẫu nguyên tử Bo và quang phổ vạch của nguyên tử hiđrô. Mẫu nguyên tử Bo: mẫu hành tinh nguyên tử và các thuyết về lượng tử(2 tiên đề): *Tiên đề về trạng thái dừng: Nguyên tử chỉ tồn tại trong một số trạng thaío có năng lượng xác định En , gọi là các trạng thái dừng. Khi ở trạng thái dùng nguyên tử không bức xạ. Hệ quả: Trong các trạng thái dừng của nguyên tử, các êlectrôn chỉ chuyển động quanh hạt nhân trên những quỹ đạo có bán kính hoàn toàn xác định gọi là quỹ đạo dừng. Với nguyên tử Hiđrô qua nhũng phép tính lượng tủ ta thu được: Bán kính quỹ đạo của êlectrôn: 2 -11 r n = n .r0 Trong đó r0=5,3.10 m bán kính Bo. n = 1, 2, 3, Năng lượng ở trạng thái dừng n : 13,6eV En = n =1, 2, 3 . n2 -11 Trạng thái cơ bản n=1 thì r = r0=5,3.10 m, E = E1=-13,6eV. *Tiên đề về sự bức xạ và hấp thụ năng lượng của nguyên tử:
5. Sự bức xạ: Khi nguyên tử chuyển từ trạng thái dừng En sang trạng thái dừng có năng lượng thấp hơn Em thì nó phất ra một phôtôn có năng lượng đúng bằng hiệu En- Em:  = hfnm= En- Em Sự hấp thụ: Khi nguyên tử đang ở trạng thái dừng có năng lượng Em mà hấp thụ được một phôtôn có năng lượng đúng bằng hiệu En- Em thì nó chuyển lên trạng thái dừng có năng lượng là En. 14. Đặc điểm và sự tạo thành quang phổ vạch phát xạ của nguyên tử hiđrô. Hệ thống gồm 3 dãy(THPT) +Dãy Lai man: Thuộc trọng vẹn trong vùng tử ngoại, các vạch trong dãy này ứng với sự dịch chuyển của nguyên tử từ trạng thái dừng có năng lượng cao hơn về trạng thái cơ bản. Tức là từ các trạng thái L, M, N, O, P .về K. +Dãy Ban me : -Một phần thuộc vùng tử ngoại, ứng với sự dịch chuyển của nguyên tử từ trạng thái dừng có năng lượng cao hơn trạng thái P về trạng thái L. -Một phần thuộc vún ánh sáng nhìn thấy gồm có 4 vạch. Vạch đỏ( ) ứng với sự dịch chuyển từ M về L. Vạch lam(  ) ứng với sự dịch chuyển từ N về L Vạch chàm( ) ứng với sự dịch chuyển từ O về L Vạch tím ( ) ứng với sự dịch chuyển từ P về L +Dãy Pa sen: Thuộc vùng hồng ngoại, các vạch trong dãy này ứng với sự dịch chuyển của nguyên tử từ trạng thái dừng có năng lượng cao hơn về trạng thái M. Năng lượng iôn hoá nguyên tử hiđriô: Là lượng năng lượng tối thiểu cần cung cấp cho nguyên tử để nó chuyển từ trạng thái cơ bản lên trạng thái dừng có năng lượng lớn nhất (êlectrôn chuyển động ở quỹ đạo xa hạt nhân nhất và có thể thaot khỏi nguyên tử). Trạng thái này có thể gọi là cùng có E = 0. Năng lượng Iôn hoá là: EIôn = E - EK. B. Các dạng toán và bài tập vận dụng: Dạng1: Xác định các đặc trưng chung của hiện tượng quang điện: *Với kim loại: Xác dịnh công thoát A, Giới hạn quang điện 0 h.c Phương pháp: Sử dụng mối quan hệ A và 0 là A= 0 Hoặc tính A từ công thức Anhtxanh về hiện tượng quang điện. *Với phôtôn: Xác định năng lượng  của phôtôn và bước sóng  . h.c Phương pháp : Sử dụng công thức  =  *Với êletrôn quang điện: Xác định động năng ban đầu cực đại và vận tốc ban đầu cực đại. c m.v2 Phương pháp : Sử dụng hệ thức: h A Max  2