Đang tải... (xem toàn văn)
Phương pháp giải bài tập Vật Lí 12 phần lượng tử ánh sáng, thuyết tương đối hẹp
Ơn tập Lý 12 chương trình nâng cao – Biên soạn: Dương Văn Đổng – Trường THPT Nguyễn Văn Linh, Bình Thuận Trang VII LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG A TÓM TẮT LÝ THUYẾT Hiện tượng quang điện - Thuyết lượng tử ánh sáng * Hiện tượng quang điện Hiện tượng ánh sáng làm bật electron khỏi mặt kim loại gọi tượng quang điện (gọi tắt tượng quang điện) * Các định luật quang điện + Định luật quang điện thứ (định luật giới hạn quang điện): Đối với kim loại ánh sáng kích thích phải có bước sóng λ ngắn hay giới hạn quang điện λ0 kim loại đó, gây tượng quang điện: λ ≤ λ0 + Định luật quang điện thứ hai (định luật cường độ dòng quang điện bảo hịa): Đối với ánh sáng thích hợp (có λ ≤ λ0), cường độ dịng quang điện bảo hòa tỉ lệ thuận với cường độ chùm ánh sáng kích thích + Định luật quang điện thứ ba (định luật động cực đại quang electron): Động ban đầu cực đại quang electron không phụ thuộc vào cường độ chùm sáng kích thích, mà phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng kích thích chất kim loại * Thuyết lượng tử ánh sáng + Chùm ánh sáng chùm phơtơn (các lượng tử ánh sáng) Mỗi phơtơn có lượng xác định ε = hf (f tần số sóng ánh sáng đơn sắc tương ứng) Cường độ chùm sáng tỉ lệ với số phôtôn phát giây + Phân tử, nguyên tử, electron… phát xạ hay hấp thụ ánh sáng, có nghĩa chúng phát xạ hay hấp thụ phôtôn + Các phôtôn bay dọc theo tia sáng với tốc độ c = 3.108 m/s chân không Năng lượng phôtôn nhỏ Một chùm sáng dù yếu chứa nhiều phôtôn nhiều nguyên tử, phân tử phát Vì ta nhìn thấy chùm sáng liên tục Phôtôn tồn trạng thái chuyển động Không có phơtơn đứng n * Giải thích định luật quang điện hc Công thức Anhxtanh tượng quang điện: hf = = A + mv max λ + Giải thích định luật thứ nhất: Để có tượng quang điện lượng phôtôn phải lớn hc hc hc cơng thốt: hf = ≥A= λ ≤ λ0; với λ0 = giới hạn quang điện kim loại λ0 λ A + Giải thích định luật thứ hai: Cường độ dòng quang điện bảo hòa tỉ lệ thuận với số quang electron bật khỏi catôt đơn vị thời gian Với chùm sáng có khả gây tượng quang điện, số quang electron bị bật khỏi mặt catôt đơn vị thời gian tỉ lệ thuận với số phơtơn đến đập vào mặt catơt thời gian Số phôtôn tỉ lệ với cường độ chùm ánh sáng tới Từ suy ra, cường độ dịng quang điện bảo hòa tỉ lệ thuận với cường chùm sáng chiếu vào catôt hc + Giải thíc định luật thứ ba: Ta có: Wđ0max = mv max = - A, động ban đầu cực đại λ quang electron phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng kích thích cơng electron khỏi bề mặt kim loại mà không phụ thuộc vào cường độ chùm ánh sáng kích thích * Lưỡng tính sóng - hạt ánh sáng Ánh sáng vừa có tính chất sóng, vừa có tính chất hạt Ta nói ánh sáng có lưỡng tính sóng - hạt Trong tượng quang học, ánh sáng thường thể rỏ hai tính chất Khi tính chất sóng thể rỏ tính chất hạt lại mờ nhạt, ngược lại Sóng điện từ có bước sóng ngắn, phơtơn ứng với có lượng lớn tính chất hạt thể rỏ, tượng quang điện, khả đâm xun, khả phát quang…, cịn tính chất sóng mờ nhạt Trái lại sóng điện từ có bước sóng dài, phơtơn ứng với có lượng nhỏ, tính chất sóng lại thể rỏ tượng giao thoa, nhiễu xạ, tán sắc, …, cịn tính chất hạt mờ nhạt Hiện tượng quang điện bên * Chất quang dẫn Chất quang dẫn chất bán dẫn, dẫn điện không bị chiếu sáng dẫn điện tốt bị chiếu ánh sáng thích hợp Ôn tập Lý 12 chương trình nâng cao – Biên soạn: Dương Văn Đổng – Trường THPT Nguyễn Văn Linh, Bình Thuận Trang * Hiện tượng quang điện Hiện tượng ánh sáng giải phóng electron liên kết chúng trở thành electron dẫn đồng thời tạo lỗ trống tham gia vào trình dẫn điện, gọi tượng quang điện * Quang điện trở Quang điện trở chế tạo dựa hiệu ứng quang điện Đó bán dẫn có giá trị điện trở thay đổi cường độ chùm ánh sáng chiếu vào thay đổi * Pin quang điện Pin quang điện nguồn điện quang biến đổi trực tiếp thành điện Hoạt động pin dựa tượng quang điện bên số chất bán dẫn đồng ôxit, sêlen, silic, … Suất điện động pin thường có giá trị từ 0,5 V đến 0,8 V Pin quang điện (pin mặt trời) trở thành nguồn cung cấp điện cho vùng sâu vùng xa, vệ tinh nhân tạo, tàu vũ trụ, máy đo ánh sáng, máy tính bỏ túi … Mẫu nguyên tử Bo * Mẫu nguyên tử Bo Tiên đề trạng thái dừng Nguyên tử tồn số trạng thái có lượng xác định E n, gọi trạng thái dừng Khi trạng thái dừng, nguyên tử không xạ Trong trạng thái dừng nguyên tử, electron chuyển động quanh hạt nhân quỹ đạo có bán kính hồn tồn xác định gọi quỹ đạo dừng Bo tìm cơng thức tính quỹ đạo dừng electron ngun tử hyđrơ: r n = n2r0, với n số nguyên r0 = 5,3.10-11 m, gọi bán kính Bo Đó bán kính quỹ đạo dừng electron, ứng với trạng thái Bình thường, nguyên tử trạng thái dừng có lượng thấp gọi trạng thái Khi hấp thụ lượng nguyên tử chuyển lên trạng thái dừng có lượng cao hơn, gọi trạng thái kích thích Thời gian nguyên tử trạng thái kích thích ngắn (cỡ 10 -8 s) Sau nguyên tử chuyển trạng thái dừng có lượng thấp cuối trạng thái Tiên đề xạ hấp thụ lượng nguyên tử Khi nguyên tử chuyển từ trạng thái dừng có lượng E n sang trạng thái dừng có lượng E m nhỏ ngun tử phát phơtơn có lượng: ε = hfnm = En – Em Ngược lại, nguyên tử trạng thái dừng có lượng E m mà hấp thụ phôtôn có lượng hf hiệu En – Em chuyển sang trạng thái dừng có lượng En lớn Sự chuyển từ trạng thái dừng Em sang trạng thái dừng En ứng với nhảy electron từ quỹ đạo dừng có bán kính rm sang quỹ đạo dừng có bán kính rn ngược lại * Quang phổ phát xạ hấp thụ nguyên tử hidrơ + Ngun tử hiđrơ có trạng thái dừng khác E K, EL, EM, Khi electron chuyển động quỹ đạo dừng K, L, M, + Khi electron chuyển từ mức lượng cao (E cao) xuống mức lượng thấp (E thấp) phát phơtơn có lượng hoàn toàn xác định: hf = Ecao – Ethấp c Mỗi phơtơn có tần số f ứng với sóng ánh sáng đơn sắc có bước sóng λ = , tức vạch quang f phổ có màu (hay vị trí) định Điều lí giải quang phổ phát xạ nguyên tử hiđrô quang phổ vạch Ngược lại nguyên tử hiđrô mức lượng E thấp mà nằm chùm ánh sáng trắng, có tất phơtơn có lượng từ lớn đến nhỏ khác nhau, nguyên tử hấp thụ phơtơn có lượng phù hợp ε = Ecao – Ethấp để chuyển lên mức lượng E cao Như vậy, sóng ánh sáng đơn sắc bị hấp thụ, làm cho quang phổ liên tục xuất vạch tối Do quang phổ hấp thụ nguyên tử hiđrô quang phổ vạch Hấp thụ phản xạ lọc lựa ánh sáng – Màu sắc vật * Hấp thụ ánh sáng + Hấp thụ ánh sáng tượng môi trường vật chất làm giảm cường độ chùm sáng truyền qua + Định luật hấp thụ ánh sáng: Cường độ I chùm sáng đơn sắc truyền qua môi trường hấp thụ, giảm theo định luật hàm mũ độ dài d đường tia sáng: I = I 0e-αd; với I0 cường độ chùm ánh sáng tới, α gọi hệ số hấp thụ môi trường + Hấp thụ lọc lựa: Sự hấp thụ ánh sáng mơi trường có tính chọn lọc, hệ số hấp thụ mơi trường phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng Ơn tập Lý 12 chương trình nâng cao – Biên soạn: Dương Văn Đổng – Trường THPT Nguyễn Văn Linh, Bình Thuận Trang Những vật khơng hấp thụ ánh sáng miền nhì tấy quang phổ gọi vật suốt không màu Những vật hấp thụ hồn tồn ánh sáng nhìn thấy có màu đen Những vật hấp thụ lọc lựa ánh sáng miền nhìn thấy gọi vật suốt có màu * Phản xạ (hoặc tán xạ) lọc lựa – Màu sắc vật + Ở số vật, khả phản xạ (hoặc tán xạ) ánh sáng mạnh yếu khác phụ thuộc bước sóng ánh sáng tới Đó phản xạ (hoặc tán xạ) lọc lựa + Các vật thể khác có màu sắc khác chúng cấu tạo từ vật liệu khác Khi ta chiếu ánh sáng trắng vào vật, vật hấp thụ số ánh sáng đơn sắc phản xạ, tán xạ cho truyền qua ánh sáng đơn sắc khác + Màu sắc vật phụ thuộc vào màu sắc ánh sáng rọi vào nó: Một vật có màu đỏ chiếu ánh sáng trắng chiếu vào ánh sáng màu lam màu tím hấp thụ hồn tồn chùm ánh sáng trở thành có màu đen Hiện tượng quang – Phát quang * Sự phát quang + Có số chất hấp thụ lượng dạng đó, có khả phát xạ điện từ miền ánh sáng nhìn thấy Các tượng gọi phát quang + Mỗi chất phát quang có quang phổ đặc trưng cho + Sau ngừng kích thích, phát quang số chất tiếp tục kéo dài thêm thời gian đó, ngừng hẵn Khoảng thời gian từ lúc ngừng kích thích lúc ngừng phát quang gọi thời gian phát quang * Huỳnh quang lân quang + Sự huỳnh quang phát quang có thời gian phát quang ngắn (dưới 10 -8 s), nghĩa ánh sáng phát quang tắt sau tắt ánh sáng kích thích Nó thường xảy với chất lỏng chất khí + Sự lân quang phát quang có thời gian phát quang dài (từ 10 -8 s trở lên); thường xảy với chất rắn Các chất rắn phát lân quang gọi chất lân quang * Định luật Xtốc phát quang Ánh sáng phát quang có bước sóng λ’ dài bước sóng ánh sáng kích thích λ: λ’ > λ * Ứng dụng tượng phát quang Sử dụng đèn ống để thắp sáng, hình dao động kí điện tử, tivi, máy tính Sử dụng sơn phát quang quét biển báo giao thông Sơ lược laze Laze nguồn sáng phát chùm sáng cường độ lớn dựa việc ứng dụng tượng phát xạ cảm ứng * Sự phát xạ cảm ứng Nếu nguyên tử trạng thái kích thích, sẵn sàng phát phơtơn có lượng ε = hf, bắt gặp phơtơn có lượng ε’ hf bay lướt qua nó, ngun tử phát phơtơn ε Phơtơn ε có lượng bay phương với phơtơn ε’ Ngồi sóng điện từ ứng với phơtơn ε hồn tồn pha dao động mặt phẵng song song với mặt phẵng dao động sóng điện từ ứng với phơtơn ε’ Như vậy, có phơtơn ban đầu bay qua loạt nguyên tử trạng thái kích thích số phơtơn tăng lên theo cấp số nhân Tùy theo vật liệu phát xạ, người ta tạo laze rắn, laze khí laze bán dẫn Laze rubi (hồng ngọc) biến đổi quang thành quang * Cấu tạo laze rubi Rubi (hồng ngọc) Al2O3 có pha Cr2O3 Laze rubi gồm rubi hình trụ Hai mặt mài nhẵn vng góc với trục Mặt (1) mạ bạc trở thành gương phẵng (G1) có mặt phản xạ quay vào phía Mặt (2) mặt bán mạ, tức mạ lớp mỏng khoảng 50% cường độ chùm sáng chiếu tới bị phản xạ, khoảng 50% truyền qua Mặt trở thành gương phẳng (G2) có mặt phản xạ quay phía G1 Hai gương G1 G2 song song với Dùng đèn phóng điện xenon để chiếu sáng mạnh rubi đưa số lớn ion crôm lên trạng thái kích thích Nếu có ion crơm xạ theo phương vng góc với hai gương ánh sáng phản xạ phản xạ lại nhiều lần hai gương làm cho loạt ion crôm phát xạ cảm ứng Ánh sáng khuếch đại lên nhiều lần Chùm tia laze lấy từ gương bán mạ G2 Ôn tập Lý 12 chương trình nâng cao – Biên soạn: Dương Văn Đổng – Trường THPT Nguyễn Văn Linh, Bình Thuận Trang * Đặc điểm laze + Laze có tính đơn sắc cao Độ sai lệch tương đối ∆f tần số ánh sáng laze phát f 10-15 + Tia laze chùm sáng kết hợp (các phơtơn chùm có tần số pha) + Tia laze chùm sáng song song (có tính định hướng cao) + Tia laze có cường độ lớn Chẵng hạn laze rubi (hồng ngọc) có cường độ tới 106 W/cm2 Như vậy, laze nguồn sáng phát chùm sáng song song, kết hợp, có tính đơn sắc cao có cường độ lớn (trên 106 W/cm2) * Một số ứng dụng laze + Tia laze có ưu đặc biệt thơng tin liên lạc vô tuyến (truyền thông thông tin cáp quang, vô tuyến định vị, điều khiển tàu vũ trụ, ) + Tia laze dùng dao mổ phẩu thuật mắt, để chữa số bệnh da (nhờ tác dụng nhiệt), + Tia laze dùng đầu đọc đĩa CD, bút bảng, đồ, dùng thí nghiệm quang học trường phổ thơng, + Ngồi tia laze cịn dùng để khoan, cắt, tơi, xác vật liệu công nghiệp B CÁC DẠNG BÀI TẬP Hiện tượng quang diện * Các cơng thức: Hiện tượng quang điện ngồi tượng electron bị bật khỏi bền mặt kim loại có ánh sáng thích hợp chiếu vào hc Năng lượng phôtôn ánh sáng: ε = hf = λ Công thức Anhxtanh, giới hạn quang điện, điện áp hãm: Wd max hc hc hc hf = = A + mv max = + Wdmax; λ0 = ; Uh = λ0 e λ A Điện cực đại cầu kim loại cô lập điện đạt chiếu chùm sáng có λ ≤ λ0: Vmax = Công suất nguồn sáng, cường độ dịng quang điện bảo hồ, hiệu suất lượng tử: P = nλ Wd max e ne hc ; Ibh = ne|e|; H = nλ λ mv Lực Lorrenxơ, lực hướng tâm: Flr = qvBsinα ; Fht = maht = R * Phương pháp giải: Để tìm đại lượng tượng quang điện ta viết biểu thức liên quan đến đại lượng biết đại lượng cần tìm từ suy tính đại lượng cần tìm * Bài tập minh họa: Cho h = 6,625.10-34 Js; c = 3.108 m/s; |e| = 1,6.10-19 C; me = 9,1.10-31 kg Công thoát electron khỏi đồng 4,57 eV Chiếu xạ có bước sóng λ = 0,14 µm vào cầu đồng đặt xa vật khác Tính giới hạn quang điện đồng điện cực đại mà cầu đồng tích Cơng electron khỏi kẻm 4,25 eV Chiếu vào kẻm đặt cô lập điện chùm xạ điện từ đơn sắc thấy kẻm tích điện tích cực đại V Tính bước sóng tần số chùm xạ Chiếu chùm xạ điện từ có tần số f = 5,76.10 14 Hz vào miếng kim loại quang electron có vận tốc ban đầu cực đại v = 0,4.106 m/s Tính cơng electron bước sóng giới hạn quang điện kim loại Cơng electron khỏi kim loại natri 2,48 eV Một tế bào quang điện có catơt làm natri, chiếu sáng chùm xạ có bước sóng 0,36 µm cho dịng quang điện có cường độ bảo hịa µA Tính vận tốc ban đầu cực đại electron quang điện số electron bứt khỏi catôt giây Chiếu xạ điện từ có bước sóng λ vào catơt tế bào quang điện Biết cơng electron kim loại làm catôt eV electron bắn với vận tốc ban đầu cực đại 7.10 m/s Xác định bước sóng xạ điện từ cho biết xạ điện từ thuộc vùng thang sóng điện từ Chiếu xạ có bước sóng λ = 0,438 µm vào catôt tế bào quang điện Biết kim loại làm catơt tế bào quang điện có giới hạn quang điện λ0 = 0,62 µm Tìm điện áp hãm làm triệt tiêu dòng quang điện Chiếu xạ có bước sóng 0,405 µm vào kim loại quang electron có vận tốc ban đầu cực đại v1 Thay xạ khác có tần số 16.10 14 Hz vận tốc ban đầu cực đại quang electron v2 = 2v1 Tìm cơng electron kim loại Ơn tập Lý 12 chương trình nâng cao – Biên soạn: Dương Văn Đổng – Trường THPT Nguyễn Văn Linh, Bình Thuận Trang Một tế bào quang điện có catơt làm asen có cơng electron 5,15 eV Chiếu chùm sáng đơn sắc có bước sóng 0,20 µm vào catơt tế bào quang điện thấy cường độ dịng quang điện bảo hịa 4,5 µA Biết công suất chùm xạ mW Xác định vận tốc cực đại electron vừa bị bật khỏi catôt hiệu suất lượng tử Chiếu xạ có bước sóng λ = 0,4 µm vào catơt tế bào quang điện Biết cơng electron kim loại làm catơt A = eV, điện áp anôt catôt U AK = V Tính động cực đại quang electron tới anôt * Hướng dẫn giải đáp số: hc 6,625.10 −34.3.108 hc W = Ta có: λ0 = = 0,27.10-6 m; Wd0 = - A = 6,88.10-19 J; Vmax = d = 4,3 V −19 A 4,57.1,6.10 λ e hc c Ta có: Wd0max = eVmax = eV; λ = = 0,274.10- m; f = = 1,1.1014 Hz A + Wd0max λ hc Ta có: A = hf - mv0 = 3,088.10-19 J; λ0 = = 0,64.10-6 m A hc I 2Wd Ta có: Wd0 = - A = 1,55.10-19 J; v0 = = 0,58.106 m/s; ne = bh = 1,875.1013 λ e m hc = 0,215.10-6 m; xạ thuộc vùng tử ngoại Ta có: λ = A + mv0 hc hc W Ta có: Wd0 = = 1,33.10-19 J; Uh = - d = - 0,83 V λ λ0 e c 2 Ta có: f1 = = 7,4.1014 Hz; mv1 = hf1 – A; mv2 = mv1 = hf2 – A λ1 2 hf − A 4hf1 − hf 4= A= = 3.10-19 J hf1 − A hc 2Wd Ta có: Wd0 = - A = 1,7.10-19 J; v0 = = 0,6.106 m/s λ m P Pλ ne I = ne = bh = 2,8.1013; nλ = hc hc = 3.1015 H = = 9,3.10-3 = 0,93% nλ e λ hc Ta có: Wđ0 = - A = 8,17.10-19 J; Wđmax = Wđ0 + |e|UAK = 16,17.10-19 J = 10,1 eV λ Quang phổ vạch nguyên tử hyđrô – Hiện tượng phát quang * Kiến thức liên quan: hc Quang phổ vạch nguyên tử hyđrô: En – Em = hf = λ Bán kính quỹ đạo dừng thứ n electron nguyên tử hiđrô: r n = n2r1; với r1 = 0,53.10-11m bán kính Bo (ở quỹ đạo K) 13,6 Năng lượng electron nguyên tử hiđrô quỹ đạo dừng thứ n: En = - eV; với n ∈ N* n Sơ đồ chuyển mức lượng tạo thành dãy quang phổ: Hiện tượng quang điện tượng tạo thành electron dẫn lỗ trống bán dẫn có ánh sáng thích hợp chiếu vào Hiện tượng phát quang tượng số chất hấp thụ lượng dạng có khả phát xạ điện từ miền ánh sáng nhìn thấy Ơn tập Lý 12 chương trình nâng cao – Biên soạn: Dương Văn Đổng – Trường THPT Nguyễn Văn Linh, Bình Thuận Trang Đặc điểm phát quang: ánh sáng phát quang có bước sóng λ’ dài bước sóng ánh sáng kích thích λ: λ’ > λ * Bài tập minh họa: Cho eV = 1,6.10-19 J ; h = 6,625.10-34 Js ; c = 3.108 m/s; me = 9,1.10-31 kg Bước sóng vạch quang phổ dãy Laiman λ0 = 122 nm, hai vạch H α Hβ dãy Banme λ1 = 656nm λ2 = 486 nm Hãy tính bước sóng vạch quang phổ thứ hai dãy Laiman vạch dãy Pasen Trong quang phổ vạch ngun tử hiđrơ, vạch ứng với bước sóng dài dãy Laiman λ1 = 0,1216 µm vạch ứng với chuyển electron từ quỹ đạo M quỹ đạo K có bước sóng λ2 = 0,1026 µm Hãy tính bước sóng dài λ3 dãy Banme 13,6 Các mức lượng nguyên tử hiđrô trạng thái dừng xác định công thức: E n = - eV n với n số nguyên; n = ứng với mức K; n = 2, 3, 4, …ứng với mức kích thích L, M, N,… a) Tính Jun lượng iơn hố ngun tử hiđrơ b) Tính mét bước sóng vạch đỏ Hα dãy Banme Khi êlectron quỹ đạo dừng thứ n lượng ngun tử hiđrơ tính theo cơng thức 13,6 En = - (eV) (n = 1, 2, 3,…) Tính bước sóng xạ nguyên tử hiđrô phát êlectron nguyên n tử hiđrô chuyển từ quỹ đạo dừng n = sang quỹ đạo dừng n = Năng lượng trạng thái dừng nguyên tử hiđrô EK = -13,60 eV; EL = -3,40 eV; EM = -1,51 eV; EN = -0,85 eV; EO = -0,54 eV Hãy tìm bước sóng xạ tử ngoại nguyên tử hiđrô phát Biết bước sóng hai vạch dãy Laiman nguyên tử hiđrô λL1 = 0,122 µm λL2 = 103,3 nm Biết mức lượng trạng thái kích thích thứ hai -1,51 eV Tìm bước sóng vạch H α quang phổ nhìn thấy ngun tử hiđrơ, mức lượng trạng thái trạng thái kích thích thứ Chiếu ánh sáng đơn sắc có bước sóng 0,30 µm vào chất thấy chất phát ánh sáng có bước sóng 0,50 µm Cho công suất chùm sáng phát quang 0,01 cơng suất chùm sáng kích thích Hãy tính tỉ số số phôtôn ánh sáng phát quang số phơtơn ánh sáng kích thích phát khoảng thời gian Người ta dùng thiết bị laze để đo khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trăng Chiếu tia laze dạng xung ánh sáng phía Mặt Trăng Người ta đo khoảng thời gian thời điểm phát thời điểm nhận xung phản xạ máy thu đặt Trái Đất 2,667 s Thời gian kéo dài xung t0 = 10-7 s a) Tính khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trăng b) Tính cơng suất chùm laze, biết lượng xung ánh sáng W0 = 10 kJ * Hướng dẫn giải đáp số: hc hc hc λ0 λ1 Ta có: = E3 - E1 = E3 - E2 + E2 - E1 = + λ31 = = 103 nm; λ31 λ1 λ0 λ0 + λ1 hc hc hc λ1λ2 = E4 - E3 = E4 - E2 + E2 - E3 = λ43 = = 1875 nm λ43 λ2 λ1 λ1 − λ2 hc hc hc λ1λ2 Ta có: = EM - EL = EM - EK + EK - EL = λ3 = = 0,6566 µm λ3 λ2 λ1 λ1 − λ2 a) Để ion hóa ngun tử hiđrơ phải cung cấp cho lượng để electron nhảy từ quỹ đạo K (n = 13,6.1,6.10 −19 1) khỏi mối liên kết với hạt nhân (n = ∞) Do ∆E = E∞ - E1 = - () = 21,76.10-19 J −19 −19 hc 36hc 13,6.1,6.10 13,6.1,6.10 b) Ta có: = E3 – E2 = - () λ32 = = 0.658.10-6 m λ32 5.13,6.1,6.10 −19 22 13,6 13,6 Ta có: E3 = - eV = - 1,511 eV; E2 = - eV = - 3,400 eV; hc hc E3 - E2 = λ32 = = 6,576.10-7 m = 0,6576 µm λ32 E3 − E2 Ơn tập Lý 12 chương trình nâng cao – Biên soạn: Dương Văn Đổng – Trường THPT Nguyễn Văn Linh, Bình Thuận Trang hc hc = 0,1218.10-6m; λMK = = 0,1027.10-6m; E L − EK EM − EK hc hc λNK = = 0,0974.10-6m; λOK = = 0,0951.10-6m E N − EK EO − E K hc hc hc λL1λL Ta có: = EM - EL = EM - EK - (EL - EK) = λα = = 0,6739 µm λα λL λL1 λL1 − λL hc hc hc = EM – EK EK = - EM = - 13,54 eV; EL = EK + = - 3,36 eV λL λL λL1 W W Wλ W ' W ' W 'λ' n' W ' λ ' 0,01Wλ ' = = = = = hc hc ; n’ = ε ' hc Ta có: n = ε = 0,017 = 1,7 % hc ; H = = n Wλ Wλ λ λ' W0 t a) Ta có: S = c = 4.108 m b) Ta có: P = = 1011 W t0 C MỘT SỐ CÂU TRẮC NGHIỆM LUYỆN TẬP * Đề thi ĐH – CĐ năm 2009: Khi nói thuyết lượng tử ánh sáng, phát biểu sau đúng? A Năng lượng phôtôn nhỏ cường độ chùm ánh sáng nhỏ B Phơtơn chuyển động hay đứng yên tùy thuộc vào nguồn sáng chuyển động hay đứng yên C Năng lượng phôtôn lớn tần số ánh sáng ứng với phôtôn nhỏ D Ánh sáng tạo hạt gọi phôtôn Nguyên tử hiđtô trạng thái có mức lượng -13,6 eV Để chuyển lên trạng thái dừng có mức lượng -3,4 eV ngun tử hiđrơ phải hấp thụ phơtơn có lượng A 10,2 eV B -10,2 eV C 17 eV D eV Một đám nguyên tử hiđrơ trạng thái kích thích mà êlectron chuyển động quỹ đạo dừng N Khi êlectron chuyển quỹ đạo dừng bên quang phổ vạch phát xạ đám nguyên tử có vạch? A B C D 4 Trong chân khơng, xạ đơn sắc vàng có bước sóng 0,589 µm Lấy h = 6,625.10-34 Js; c = 3.108 m/s e = 1,6.10-19 C Năng lượng phơtơn ứng với xạ có giá trị A 2,11 eV B 4,22 eV C 0,42 eV D 0,21 eV Cơng electron kim loại 7,64.10-19J Chiếu vào bề mặt kim loại xạ có bước sóng λ1 = 0,18 µm, λ2 = 0,21 µm λ3 = 0,35 µm Lấy h = 6,625.10-34 Js, c = 3.108 m/s Bức xạ gây tượng quang điện kim loại đó? A Hai xạ (λ1 λ2) B Khơng có xạ ba xạ C Cả ba xạ (λ1, λ2 λ3) D Chỉ có xạ λ1 Pin quang điện nguồn điện, A hóa biến đổi trực tiếp thành điện B quang biến đổi trực tiếp thành điện C biến đổi trực tiếp thành điện D nhiệt biến đổi trực tiếp thành điện Đối với nguyên tử hiđrô, êlectron chuyển từ quỹ đạo M quỹ đạo K ngun tử phát phơtơn có bước sóng 0,1026 µm Lấy h = 6,625.10-34 Js, e = 1,6.10-19 C c = 3.108 m/s Năng lượng phôtôn A 1,21 eV B 11,2 eV C 12,1 eV D 121 eV Chiếu đồng thời hai xạ có bước sóng 0,452 µm 0,243 µm vào catơt tế bào quang điện Kim loại làm catôt có giới hạn quang điện 0,5 µm Lấy h = 6,625 10-34 Js, c = 3.108 m/s me = 9,1.10-31 kg Vận tốc ban đầu cực đại êlectron quang điện A 2,29.104 m/s B 9,24.103 m/s C 9,61.105 m/s D 1,34.106 m/s Dùng thuyết lượng tử ánh sáng khơng giải thích A tượng quang – phát quang B tượng giao thoa ánh sáng C nguyên tắc hoạt động pin quang điện D tượng quang điện 10.Gọi lượng phôtôn ánh sáng đỏ, ánh sáng lục ánh sáng tím εĐ, εL εT A εT > εL > eĐ B εT > εĐ > eL C εĐ > εL > eT D εL > εT > εĐ Ta có: λLK = Ôn tập Lý 12 chương trình nâng cao – Biên soạn: Dương Văn Đổng – Trường THPT Nguyễn Văn Linh, Bình Thuận Trang 11 Đối với nguyên tử hiđrô, mức lượng ứng với quỹ đạo dừng K, M có giá trị là: -13,6 eV; -1,51 eV Cho biết h = 6,625.10 -34 Js; c = 3.108 m/s e = 1,6.10-19 C Khi êlectron chuyển từ quỹ đạo dừng M quỹ đạo dừng K, ngun tử hiđrơ phát xạ có bước sóng A 102,7 µm B 102,7 mm C 102,7 nm D 102,7 pm 12 Khi chiếu vào chất lỏng ánh sáng màu chàm ánh sáng huỳnh quang phát A ánh sáng màu tím B ánh sáng màuvàng C ánh sáng màu đỏ D ánh sáng màu lục 13 Trong quang phổ vạch ngun tử hiđrơ, bước sóng dài vạch quang phổ dãy Lai-man dãy Ban-me λ1 λ2 Bước sóng dài thứ hai thuộc dãy Lai-man có giá trị λ1λ λ1λ λ1λ λ1λ A B C D 2(λ1 + λ ) λ1 + λ λ1 − λ λ − λ1 14 Trong thí nghiệm, tượng quang điện xảy chiếu chùm sáng đơn sắc tới bề mặt kim loại Nếu giữ nguyên bước sóng ánh sáng kích thích mà tăng cường độ chùm sáng A số lectron bật khỏi kim loại giây tăng lên B động ban đầu cực đại êlectron quang điện tăng lên C giới hạn quang điện kim loại bị giảm xuống D vận tốc ban đầu cực đại êlectron quang điện tăng lên 15 Một nguồn phát ánh sáng có bước sóng 662,5 nm với cơng suất phát sáng 1,5.10 -4 W Lấy h = 6,625.10-34 Js; c = 3.108 m/s Số phôtôn nguồn phát giây A 5.1014 B 6.1014 C 4.1014 D 3.1014 Đề thi ĐH – CĐ năm 2010 13,6 16 Khi êlectron quỹ đạo dừng thứ n lượng ngun tử hiđrơ tính theo cơng thức - (eV) n (n = 1, 2, 3,…) Khi êlectron nguyên tử hiđrô chuyển từ quỹ đạo dừng n = sang quỹ đạo dừng n = ngun tử hiđrơ phát phơtơn ứng với xạ có bước sóng A 0,4350 μm B 0,4861 μm C 0,6576 μm D 0,4102 μm 17 Một chất có khả phát ánh sáng phát quang với tần số f = 6.10 14 Hz Khi dùng ánh sáng có bước sóng để kích thích chất khơng thể phát quang? A 0,55 μm B 0,45 μm C 0,38 μm D 0,40 μm 18 Theo tiên đề Bo, êlectron nguyên tử hiđrô chuyển từ quỹ đạo L sang quỹ đạo K ngun tử phát phơtơn có bước sóng λ21, êlectron chuyển từ quỹ đạo M sang quỹ đạo L ngun tử phát phơtơn có bước sóng λ32 êlectron chuyển từ quỹ đạo M sang quỹ đạo K ngun tử phát phơtơn có bước sóng λ31 Biểu thức xác định λ31 λ32 λ21 λ32 λ21 A λ31 = B λ31 = λ32 - λ21 C λ31 = λ32 + λ21 D λ31 = λ21 − λ31 λ21 + λ31 19 Theo mẫu nguyên tử Bo, bán kính quỹ đạo K êlectron nguyên tử hiđrô r Khi êlectron chuyển từ quỹ đạo N quỹ đạo L bán kính quỹ đạo giảm bớt A 12r0 B 4r0 C 9r0 D 16r0 -19 20 Một kim loại có cơng êlectron 7,2.10 J Chiếu vào kim loại xạ có bước sóng λ1 = 0,18 μm, λ2 = 0,21 μm, λ3 = 0,32 μm λ = 0,35 μm Những xạ gây tượng quang điện kim loại có bước sóng A λ1, λ2 λ3 B λ1 λ2 C λ2, λ3 λ4 D λ3 λ4 21 Khi chiếu chùm tia tử ngoại vào ống nghiệm đựng dung dịch fluorexêin thấy dung dịch phát ánh sáng màu lục Đó tượng A phản xạ ánh sáng B quang - phát quang C hóa - phát quang D tán sắc ánh sáng 22 Theo thuyết lượng tử ánh sáng, phát biểu sai? A Ánh sáng tạo thành hạt gọi phôtôn B Năng lượng phôtôn ánh sáng nhau, không phụ thuộc tần số ánh sáng C Trong chân không, phôtôn bay dọc theo tia sáng với tốc độ c = 3.108 m/s D Phân tử, nguyên tử phát xạ hay hấp thụ ánh sáng, có nghỉa chúng phát xạ hay hấp thụ phôtôn 23 Một nguồn sáng phát ánh sáng đơn sắc có tần số 5.10 14 Hz Cơng suất xạ điện từ nguồn 10 W Số phôtôn mà nguồn phát giây xấp xỉ A 3,02.1019 B 0,33.1019 C 3,02.1020 D 3,24.1019 24 Ngun tử hiđrơ chuyển từ trạng thái dừng có lượng E n = -1,5 eV sang trạng thái dừng có lượng Em = -3,4 eV Bước sóng xạ mà nguyên tử hiđrô phát xấp xỉ A 0,654.10-7m B 0,654.10-6m C 0,654.10-5m D 0,654.10-4m Ôn tập Lý 12 chương trình nâng cao – Biên soạn: Dương Văn Đổng – Trường THPT Nguyễn Văn Linh, Bình Thuận Trang 25 Hiện tượng sau khẳng định ánh sáng có tính chất sóng? A Hiện tượng giao thoa ánh sáng B Hiện tượng quang điện C Hiện tượng quang điện D Hiện tượng quang phát quang * Đáp án: D A C A A B C C B 10 A 11 C 12 A 13 B 14 A 15 A 16 C 17 A 18 D 19 A 20 B 21 B 22 A 24 B 25 A VIII SƠ LƯỢC VỀ THUYẾT TƯƠNG ĐỐI HẸP A TÓM TẮT LÝ THUYẾT * Các tiên đề Anhxtanh: - Tiên đề I: Các tượng vật lí diễn hệ qui chiếu quán tính - Tiên đề II: Tốc độ ánh sáng chân không hệ qui chiếu qn tính, khơng phụ thuộc vào phương truyền không phụ thuộc vào tốc độ nguồn sáng hay máy thu: c ≈ 3.108 m/s * Hệ thuyết tương đối hẹp: - Sự co lại độ dài: Khi có độ dài riêng l0 chuyển động dọc theo trục tọa độ hệ qui v2 chiếu đứng yên K với vận tốc v chiều dài hệ qui chiếu K là: l = l0 − c - Sự giãn thời gian: Nếu có tượng xảy thời gian ∆t0 hệ qui chiếu K’ chuyển động với vận tốc v so với hệ qui chiếu K đứng yên thời gian ∆t xảy tượng hệ ∆t0 qui chiếu đứng yên K là: ∆t = v > ∆t0 Điều có nghĩa thời gian để xảy tượng c2 hệ qui chiếu chuyển động dài thời gian xảy tượng hệ qui chiếu đứng yên m0 1− - Khối lượng vật chuyển động (khối lượng tương đối tính): m = 1− v ; với m0 khối lượng nghĩ c2 Điều có nghĩa vật chuyển động khối lượng tăng lên m0 → → - Động lượng tương đối tính: p = m v = → v2 v 1− c m0 c * Năng lượng toàn phần vật có khối lượng tương đối tính m: E = mc2 = 1− v2 c2 * Năng lượng nghĩ: E0 = m0c2 ÷ 2 2 − 1÷ * Động vật khối lượng nghĩ m0 chuyển động với vận tốc v: Wđ = mc – m0c = m0c ÷ v2 1− ÷ c hc h v * Với phôtôn: ε = = mphc2 mph = ; m0ph = mph − = phôtôn chuyển động với vận tốc λ cλ c vận tốc ánh sáng hay nói cách khác khơng có phôtôn đứng yên B CÁC DẠNG BÀI TẬP * Các công thức: v2 + Sự co lại độ dài: l = l0 − ; với l0 chiều dài vật đứng yên, l chiều dài vật chuyển động c dọc theo trục trùng với chiều dài với vận tốc v ∆t0 + Sự giãn thời gian: ∆t = v ; với ∆t0 thời gian xảy hệ qui chiếu chuyển động với vận c2 tốc v, ∆t thời gian xảy hệ qui chiếu đứng n 1− Ơn tập Lý 12 chương trình nâng cao – Biên soạn: Dương Văn Đổng – Trường THPT Nguyễn Văn Linh, Bình Thuận Trang 10 m0 + Khối lượng tương đối tính: m = → 1− v2 c2 m0 → + Động lượng tương đối tính: p = m v = → v2 1− v c + Năng lượng nghĩ: E0 = m0c2 m0 c + Năng lượng toàn phần: E = mc2 = 1− v2 c2 ÷ 2 2 − 1÷ + Động vật khối lượng tĩnh m0 chuyển động với vận tốc v: Wđ = mc – m0c = m0c ÷ v 1− ÷ c h h + Khối lượng tương đối tính phơtơn: mph = Động lượng tương đối tính phơtơn: p = mphc = cλ λ * Phương pháp giải: Để tìm đại lượng liên quan đến thuyết tương đối hẹp ta viết biểu thức liên quan đến đại lượng cần tìm đại lượng biết từ suy tính đại lượng cần tìm * Bài tập minh họa: Một vật có khối lượng nghỉ 60 kg chuyển động với tốc độ 0,6c (c tốc độ ánh sáng chân khơng) Tính khối lượng tương đối tính Một thước nằm yên dọc theo trục tọa độ hệ quy chiếu qn tính K có chiều dài l0 = m Khi thước chuyển động dọc theo trục tọa độ với tốc độ v = 0,6c Tính chiều dài thước hệ K Một kim loại mãnh có chiều dài 60 cm chuyển động dọc theo chiều dài với tốc độ v = 0,8c Tính độ co chiều dài Sau 20 phút tính theo đồng hồ đo, đồng hồ gắn với hệ qui chiếu chuyển động với tốc độ v = 0,6c (c tốc độ ánh sáng chân không) chạy chậm so với đồng hồ gắn với hệ qui chiếu đứng yên? Một hạt có động lượng tương đối tính lớn gấp hai lần động lượng cổ điển (tính theo học newton).vTính tốc độ hạt Cho vận tốc ánh sáng chân không c = 3.108 m/s Tính vận tốc hạt có động gấp đơi lượng nghĩ theo vận tốc ánh sáng chân không Cho vận tốc ánh sáng chân không c = 3.108 m/s Tính khối lượng tương đối tính phơtơn ứng với xạ có bước sóng λ = 0,50 µm Cho c = 3.108 m/s; h = 6,625.10-34 Js Tính động lượng tương đối tính phơtơn ứng với xạ có bước sóng 0,60 µm Cho h = 6,625.10-34 Js Tính tốc độ vật có lượng toàn phần lớn gấp lần lượng nghĩ Cho c = 3.108 m/s * Hướng dẫn giải đáp số: m0 m0 Ta có: m = 1− Ta có: l = l0 − v2 = c2 1− (0, 6c) = 75 kg c2 v2 (0, 6c) = l0 − = 0,8 m c2 c2 v2 v2 ∆l = l0 – l = l0(1 - − ) = 24 cm c2 c Thời gian chậm 20 phút (theo đồng hồ đo t0 = 1200 s): t0 Ta có: l = l0 − ∆t = t – t0 = 1− v - t0 = t0( v - 1) = 300 s = phút 1− c2 c Ôn tập Lý 12 chương trình nâng cao – Biên soạn: Dương Văn Đổng – Trường THPT Nguyễn Văn Linh, Bình Thuận Trang 11 m0 v2 v= c = 2,6.108 m/s v v = 2m0v − = 1− 2 c c ÷ 2 2 ÷ = 2m0c2 −1 Ta có: Wđ = mc – m0c = m0c c = 2,83.108 m/s v2 - = v = ÷ 1− v c 1− ÷ c h Ta có: mph = = 4,4.10-36 kg cλ h Ta có: pph = mphc = = 11.10-28 kgm/s λ m0 Ta có: mc = c = 2,6.108 m/s v c2 = 2m0c2 v = 1− 2 c C MỘT SỐ CÂU TRẮC NGHIỆM LUYỆN TẬP Một vật có khối lượng nghỉ 60 kg chuyển động với tốc độ 0,6c (c tốc độ ánh sáng chân khơng) khối lượng tương đối tính A 75 kg B 80 kg C 60 kg D 100 kg Một thước nằm yên dọc theo trục tọa độ hệ quy chiếu qn tính K có chiều dài riêng l0 Với c tốc độ ánh sáng chân không Khi thước chuyển động dọc theo trục tọa độ với tốc độ v chiều dài thước đo hệ K v v v2 v2 A l0 + B l0 − C l0 − D l0 + c c c c Một đồng hồ chuyển động thẳng với tốc độ v = 0,8c (với c tốc độ ánh sáng chân khơng) Sau 12 phút (tính theo đồng hồ đó), đồng hồ chạy chậm đồng hồ gắn với quan sát viên đứng yên A 7,2 phút B 4,8 phút C phút D 20 phút Một thước Có chiều dài 20 cm chuyển động dọc theo trục tọa độ trùng với phương đặt thước với tốc độ v = 0,6c hệ qui chiếu quán tính (với c tốc độ ánh sáng chân không) Độ co chiều dài thước A cm B cm C cm D cm Một hình vng cạnh 10 cm hệ qui chiếu O gắn liền với Trong hệ qui chiếu O’ chuyển động với tốc độ 0,8c song song với cạnh hình vng hình dạng diện tích hình A hình vơng, 100 cm2 B hình chữ nhật, 60 cm2 C hình thoi, 60 cm D hình thoi, 80 cm2 Một hạt có động năng lượng nghĩ Tốc độ hạt A 2.108 m/s B 2,5.108 m/s C 2,6.108 m/s.D 2,8.108 m/s Năm 25 tuổi, người phi công vũ trụ xuất phát từ Trái Đất để thám hiểm A cách Trái Đất 10 năm ánh sáng, tàu vũ trụ với tốc độ v = 0,8c Khi đến A, tuổi? A 32 tuổi B 37,5 tuổi C 32,5 tuổi D 42,5 tuổi Chiều dài tàu vũ trụ đo nửa độ dài tĩnh Tốc độ tàu vũ trụ hệ qui chiếu người quan sát A 0,132c B 0,356c C 0,642c D 0,866c Một electron chuyển động với tốc độ v = 0,5c lượng tăng thêm % so với lượng nghĩ A 10% B 15,5% C 25% D 32,5% 10 Một electron chuyển động với tốc độ c Khối lượng tương đối tính electron bao nhiêu? Cho khối lượng tĩnh electron 9,1.10-31 kg A 9,1.10-31 kg B 18,2.10-31 kg C 27,3.10-31 kg D 36,4.10-31 kg Đáp án: A B C A B C C D B 10 C Ta có: p = mv = ... ÷ c h h + Khối lượng tương đối tính phơtơn: mph = Động lượng tương đối tính phơtơn: p = mphc = cλ λ * Phương pháp giải: Để tìm đại lượng liên quan đến thuyết tương đối hẹp ta viết biểu thức... C C B 10 A 11 C 12 A 13 B 14 A 15 A 16 C 17 A 18 D 19 A 20 B 21 B 22 A 24 B 25 A VIII SƠ LƯỢC VỀ THUYẾT TƯƠNG ĐỐI HẸP A TÓM TẮT LÝ THUYẾT * Các tiên đề Anhxtanh: - Tiên đề I: Các tượng vật lí... m0 1− - Khối lượng vật chuyển động (khối lượng tương đối tính): m = 1− v ; với m0 khối lượng nghĩ c2 Điều có nghĩa vật chuyển động khối lượng tăng lên m0 → → - Động lượng tương đối tính: p =