Thuyết lượng tử ánh sáng Einstein, Hiện tượng quang điện là gì - Vật lý 12 bài 30

Trong bài viết này chúng ta cùng đi tìm hiểu Hiện tượng quang điện là gì? Thuyết lượng tử ánh sáng Einstein có nội dung như thế nào, được dùng để giải thích vấn đề gì?

I. Hiện tượng quang điện là gì

1. Thí nghiệm của Héc về hiện tượng quang điện

- Gắn một tấm kẽm tích điện âm vào cần của một tĩnh điện kế. Chiếu một chùm sáng do hồ quang phát ra vào tấm kim loại kẽm thì góc lệch của kim điện kế giảm đi.

- Thay kẽm bằng kim loại khác, ta cũng thấy hiện tượng tương tự xảy ra.

- Các thí nghiệm cho thấy, ánh sáng hồ quang đã làm bật electron ra khỏi mặt tấm kim loại

2. Hiện tượng quang điện là gì?

- Định nghĩa: Hiện tượng ánh sáng làm bật các electron ra khỏi mặt kim loại gọi là hiện tượng quang điện ngoài.

3. Bức xạ tử ngoại gây ra hiện tượng quang điện ở kẽm

- Nếu chắn chùm sáng hồ quang bằng một tấm thủy tinh dày thì hiện tượng quang điện không xảy ra do thủy tinh hấp thụ mạnh các tia tử ngoại. 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.

II. 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 điện λ₀ của kim loại đó mới gây ra được hiện tượng quang điện: λ ≤ λ₀

Bảng giá trị giới hạn quang điện λ₀ của một số kim loại

- Định luật về giới hạn quang điện chỉ có thể giải thích được bằng thuyết lượng tử ánh sáng. Nói cách khác, Thuyết lượng tử ánh sáng được dùng để giải thích định luật giới hạn quang điện.

III. Thuyết lượng tử ánh sáng

1. 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.

2. Lượng tử năng lượng

- Lượng năng lượng mà nguyên tử hay phân tử hấp thụ hay phát xạ có giá trị hoàn toàn xác định và bằng hf, được ký hiệu bằng chữ ε:

 ε = hf, trong đó:

 f là tần số của ánh sáng đơn sắc

 h là hằng số Plăng và h = 6,625.10^-34(Js).

3. Thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein

- 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  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.

4. 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:

  hay 

- Từ đó ta có:  với 

 ; với  là giới hạn quang điện của kim loại.

IV. Lưỡng tính sóng - hạt của ánh sáng

- 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.

V. Bài tập về thuyết lượng tử ánh sáng và hiện tượng quang điện

* Bài 1 trang 158 SGK Vật Lý 12: Trình bày thí nghiệm Héc về hiện tượng quang điện.

° Lời giải bài 1 trang 158 SGK Vật Lý 12:

- Gắn một tấm kẽm tích điện âm vào cần của một tĩnh điện kế. Chiếu một chùm sáng do hồ quang phát ra vào tấm kim loại kẽm thì góc lệch của kim điện kế giảm đi.

- Thay kẽm bằng kim loại khác, ta cũng thấy hiện tượng tương tự xảy ra.

- Các thí nghiệm cho thấy, ánh sáng hồ quang đã làm bật electron ra khỏi mặt tấm kim loại

* Bài 2 trang 158 SGK Vật Lý 12: Hiện tượng quang điện là gì?

° Lời giải bài 2 trang 158 SGK Vật Lý 12:

- Hiện tượng quang điện là hiện tượng ánh sáng làm bật electron ra khỏi bề mặt kim loại.

* Bài 3 trang 158 SGK Vật Lý 12: Phát biểu định luật về giới hạn quang điện

° Lời giải bài 3 trang 158 SGK Vật Lý 12:

- 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 (λ ≤ λ₀). Giới hạn quang điện (λ₀) của mỗi kim loại là đặc trưng riêng của kim loại đó.

* Bài 4 trang 158 SGK Vật Lý 12: Phát biểu nội dung của giả thuyết Plăng.

° Lời giải bài 4 trang 158 SGK Vật Lý 12:

- Giả thuyết lượng tử năng lượng của Max-Planck: Lượng năng lượng mà mỗi lần một 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 ánh sáng bị hấp thụ hay phát xạ ra, còn h là một hằng số.

- Lượng tử năng lượng ε = hf trong đó (h = 6,625.10^-34Js).

* Bài 5 trang 158 SGK Vật Lý 12: Lượng tử năng lượng là gì?

° Lời giải bài 5 trang 158 SGK Vật Lý 12:

- Lượng tử năng lượng là lượng năng lượng mà mỗi nguyên tử hay phân tử hấp thụ hay bức xạ. Lượng tử năng lượng kí hiệu là ε và được tính bằng công thức: ε = hf, trong đó:

 f là tần số của ánh sáng bị hấp thụ hay phát xạ ra, còn h là một hằng số và h = 6,625.10^-34Js.

* Bài 6 trang 158 SGK Vật Lý 12: Phát biểu nội dung của thuyết lượng tử ánh sáng.

° Lời giải bài 6 trang 158 SGK Vật Lý 12:

◊ Nội dung thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein:

- 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  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.

* Bài 7 trang 158 SGK Vật Lý 12: Phôtôn là gì?

° Lời giải bài 7 trang 158 SGK Vật Lý 12:

- Phôtôn là một lượng tử năng lượng của dòng ánh sáng. Nó coi như một hạt ánh sáng và chỉ tồn tại khi chuyển động với vận tốc ánh sáng (không có phôtôn đứng yên).

* Bài 8 trang 158 SGK Vật Lý 12: Giải thích định luật về giới hạn quang điện bằng thuyết Phôtôn.

° Lời giải bài 8 trang 158 SGK Vật Lý 12:

◊ Giải thích định luật về giới hạn quang điện bằng thuyết phôtôn.

- Hiện tượng quang điện xảy ra do sự hấp thụ phôtôn của ánh sáng kích thích bởi electron trong kim loại. Mỗi phôtôn bị hấp thụ sẽ truyền toàn bộ năng lượng của nó cho một electron.

- Muốn cho hiện tượng quang điện xảy ra (electron bứt ra khỏi bề mặt kim loại) thì năng lượng của phôtôn của ánh sáng kích thích phải lớn hơn hoặc bằng công thoát (A), tức là:

  hay 

- Đặt  được gọi là giowishanj quang điện của kim loại ⇒ λ ≤ λ₀.

* Bài 9 trang 158 SGK Vật Lý 12: Hiện tượng nào dưới đây là hiện tượng quang điện?

A. Electron bứt ra khỏi kim loại bị nung nóng.

B. Electron bật ra khỏi kim loại khi có ion đập vào.

C. Electron bị bật ra khỏi một nguyên tử khi va chạm với một nguyên tử khác.

D. Electron bị bật ra khỏi mặt kim loại khi bị chiếu sáng.

° Lời giải bài 9 trang 158 SGK Vật Lý 12:

◊ Chọn đáp án: D. Electron bị bật ra khỏi mặt kim loại khi bị chiếu sáng.

* Bài 10 trang 158 SGK Vật Lý 12: Chiếu một ánh sáng đơn sắc vào mặt một tấm đồng. Hiện tượng quang điện sẽ không xảy ra nếu ánh sáng có bước sóng.

 A. 0,1μm   B. 0,2μm   C. 0,3 μm   D. 0,4 μm

° Lời giải bài 10 trang 158 SGK Vật Lý 12:

◊ Chọn đáp án: D. 0,4 μm

- Dựa vào bảng dưới (bảng 30.1 SGK), giới hạn quang điện λ₀ của đồng thời là λ₀ = 0,3μm.

- Theo định luật giới hạn quang điện thì λ ≤ λ₀ mới gây ra hiện tượng quang điện nên ánh sáng có bước sóng λ = 0,4μm > λ₀ nên không gây ra hiện tượng quang điện.

* Bài 11 trang 158 SGK Vật Lý 12: Ánh sáng có bước sóng 0,60 μm có thể gây ra hiện tượng quang điện ở chất nào dưới đây?

 A. canxi     B. Natri     C. Kali      D. Xesi

° Lời giải bài 11 trang 158 SGK Vật Lý 12:

◊ Không gây ra hiện tượng quang điện ở chất nào.

- Dựa vào bảng 30.1, giới hạn quang điện của lần lượt là:

 λ_canxi = 0,43 μm

 λ_natri = 0,50 μm

 λ_kali = 0,55 μm

 λ_xesi = 0,58 μm

⇒ Ta thấy: 0,60 μm đều lớn hơn cả 4 giới hạn quang điện trên nên ánh sáng có bước sóng là 0,60 μm sẽ không gây ra hiện tượng quang điện ở bất kì chất nào ở trên.

* Bài 12 trang 158 SGK Vật Lý 12: Tính lượng tử năng lượng của các ánh sáng đỏ (0,75 μm) và vàng (0,55 μm).

° Lời giải bài 12 trang 158 SGK Vật Lý 12:

- Lượng tử năng lượng của ánh sáng đỏ (λ_d = 0,75μm) là:

- Lượng tử năng lượng của ánh sáng vàng (λ_v = 0,55μm) là:

* Bài 13 trang 158 SGK Vật Lý 12: Giới hạn quang điện của kẽm là 0,35 μm. Tính công thức thoát của electron khỏi kẽm theo đơn vị jun và eV. Cho 1eV = 1,6.10^-19J.

° Lời giải bài 13 trang 158 SGK Vật Lý 12:

- Giới hạn quang điện của kẽm là λ₀ = 0,35.10^-6 (m);

- Công thoát của electron khỏi kẽm là:

- Chuyển A theo đơn vị eV ta được: