CHƯƠNG VII: LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG Ánh sáng có lưỡng tính sóng - hạt: Tính chất sóng thể hiện rõ với ánh sáng có bước sóng dài, còn tính chất hạt thể hiện rõ với ánh sáng có bước sóng ngắn. * Để giải thích các hiện tượng quang học, ta đó khẳng định ánh sáng chớnh là sóng điện từ (chương VI). * Ở chương VII ta lại thấy chùm sáng là một chùm các hạt phôtôn. Nhờ thuyết lượng tử ánh sáng, có thể giải thích các hiện tượng quang điện, quang dẫn, sự tạo thành quang phổ vạch, hoạt động của laze… A. TÓM TẮT KIẾN THỨC 1. Hiện tượng quang điện ngoài: Hiện tượng ánh sáng làm bật các êlectron ra khỏi bề mặt kim loại gọi là hiện tượng quang điện ngoài (thường gọi tắt là hiện tượng quang điện). * Các êlectron bị bật ra khỏi bề mặt kim loại bị chiếu sáng gọi là quang êlectron, còn gọi là êlectron quang điện. * Dòng các êlectron quang điện chuyển động có hướng gọi là dòng quang điện. 2. Tế bào quang điện: - Tế bào quang điện là một bình thạch anh đã hút hết không khí (tế bào quang điện chân không), bên trong có hai điện cực: anốt A và catốt K. Nối anốt A với cực dương của nguồn, catốt K với cực âm và chiếu vào catốt chùm ánh sáng có bước sóng ngắn thì xảy ra hiện tượng quang điện. - Khảo sát sự phụ thuộc của I = f(U AK ) ta có: * Khi U ≤ - U h thì dòng quang điện bị triệt tiêu hoàn toàn. Bởi vì lực điện trường ngăn không cho electron đến được anốt sau khi bị bức ra catốt. U h được gọi là hiệu điện thế hãm. * Khi U AK = 0 thì vẫn có dòng quang điện vì một số electron bật ra khỏi catốt có đủ động năng để đến anốt. * Khi U AK  U 1 thì cường độ dòng quang điện giữ giá trị không đổi I bh gọi là cường độ dòng quang điện bão hòa. Dòng quang điện bão hòa phụ thuộc vào cường độ chùm sáng I as . 3. Các định luật quang điện: Định luật 1: Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi ánh sáng kích thích chiếu vào kim loại có bước sóng nhỏ hơn, hoặc bằng bước sóng ở 0 , ở 0 được gọi là giới hạn quang điện của kim loại đó: ở ≤ ở 0 . * Các kim loại khác nhau có giới hạn quang điện khác nhau: Các kim loại thông thường đều có giới hạn quang điện trong miền tử ngoại; kim loại kiềm có giới hạn quang điện trong miền ánh sáng nhìn thấy. Định luật 2: Đối với mỗi ánh sáng thích hợp (có ở ≤ ở 0 ) cường độ dòng quang điện bão hoà tỉ lệ thuận với cường độ của chùm sáng kích thích. Định luật 3: Động năng ban đầu cực đại của các electron quang điện không phụ thuộc cường độ của chùm sáng kích thích, mà chỉ phụ thuộc bước sóng ánh sáng kích thích và bản chất của kim loại làm catốt. 4. Thuyết lượng tử ánh sáng: a. Giả thuyết lượng tử năng lượng của Plăng (giải thích sự phát và hấp thụ bức xạ của các vật, đặc biệt là các vật nóng sáng(bức xạ nhiệt)): Lượng 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. Giá trị một lượng tử năng lượng:   c hhf  ; trong đó h = 6,625.10 -34 J.s gọi là hằng số Plăng; f là tần số của ánh sáng bị hấp thụ hay được phát ra; c = 3.10 8 m/s là tốc độ ánh sáng trong chân không. b. Thuyết lượng tử áng sáng(thuyết phôtôn): - Chùm ánh sáng là một chùm các phôtôn (các lượng tử ánh sáng). Mỗi phôtôn có năng lượng xác định ồ = hf (f là tần số của sóng ánh sáng đơn sắc tương ứng. Cường độ của chùm sáng tỉ lệ với số phôtôn phát ra trong 1 giây - Phân tử, nguyên tử, êlectron … phát xạ hay hấp thụ ánh sáng, cũng có nghĩa là chúng phát xạ hay hấp thụ phôtôn. - Các phôtôn bay dọc theo tia sángvới tốc độ c = 3.10 8 m/s trong chân không 5. Các công thức về hiện tượng quang điện. + Lượng tử năng lượng:   hc hf + Công thức Anh-xtanh về hiện tượng quang điện: 2 mv A 2 max0  + Giới hạn quang điện: 0 hc A   + Hiệu điện thế hãm U h và động năng cực đại của êlectron: 2 0max 1 . 2 h eU m v  + Công suất của chùm sáng chiếu vào catôt: P = N. với N là số hạt photon tới catôt trong 1 giây. + Cường độ dòng quang điện bào hoà: I bh = n.e với n là số êlectron quang điện bứt ra khỏi mặt kim loại và chuyển về anôt trong 1 giây. + Hiệu suất lượng tử: n H N  + Bước sóng nhỏ nhất (tần số lớn nhất) của tia Rơn-ghen phát ra từ ống Rơn- ghen:  X ≥  min với và động năng của electron khi tới đập vào đối âm cực (đối catốt) là: U là hiệu điện thế giữa anốt và catốt của ống Rơn-ghen. Lưu ý các hằng số: h = 6,625.10 -34 J.s; c = 3.10 8 m/s; m e = 9,1.10 -31 kg; e = 1,6.10 -19 C ; 1eV = 1,6.10 -19 J. * Hiện tượng quang điện được ứng dụng trong các tế bào quang điện, trong các dụng cụ để biến đổi các tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện 6. Hiện tượng quang điện trong: Hiện tượng tạo thành các êlectron dẫn và lỗ trống trong chất bán dẫn, do tác dụng của ánh sáng có bước sóng thích hợp chiếu vào chất bán dẫn. Hiện tượng quang điện trong được ứng dụng để chế tạo quang điện trở và pin quang điện. * Nhận xét: Hiện tượng quang điện ngoài và Hiện tượng quang điện trong + Giống nhau: đều có sự giải phóng êlectron khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào. + Khác nhau: Hiện tượng quang điện ngoài: êlectron ra khỏi khối chất, năng lượng giải phóng êlectron lớn. Hiện tượng quang điện trong: êlectron chỉ thoát ra khỏi liên kết trong mạng tinh thể, vẫn ở trong khối chất, năng lượng giải phóng êlectron nhỏ, có thể chỉ cần tia hồng ngoại. 7. Hiện tượng quang dẫn: là hiện tượng giảm mạnh điện trở của chất bán dẫn khi bị chiếu sáng. (Hiện tượng giảm điện trở suất, tức là tăng độ dẫn điện của bán dẫn, khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào) * Hiện tượng quang dẫn được giải thích nhờ hiện tượng quang điện trong: Trong hiện tượng quang dẫn, ánh sáng đã giải phóng các electron liên kết để tạo thành các electron dẫn và lỗ trống tham gia quá trình dẫn điện (lúc này mật độ hạt tải điện trong bán dẫn tăng). * Quang điện trở được chế tạo dựa trên hiện tượng quang điện trong. Đó là một tấm bán dẫn mà điện trở của nó thay đổi khi cường độ chùm sáng chiếu vào nó thay đổi * Pin quang điện. là nguồn điện, trong đó quang năng được biến đổi trực tiếp thành điện năng. Hoạt động của pin quang điện dựa trên hiện tượng quang điện trong. 8. Hấp thụ ánh sáng là hiện tượng môi trường vật chất làm giảm cường độ của chùm sáng truyền qua nó. * Định luật về sự hấp thụ ánh sáng: Cường độ I của chùm sáng đơn sắc khi truyền qua môi trường hấp thụ, giảm theo định luật hàm mũ của độ dài d của đường đi tia sáng: Với I 0 là cường độ của chùm sáng tới môi trường, ỏ là hệ số hấp thụ của môi trường * Nói chung môi trường hấp thụ lọc lựa ánh sáng, hệ số hấp thụ của môi trường phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng: các ánh sáng có bước sóng khác nhau thì bị môi trường hấp thụ nhiều, ít khác nhau. - Những chất hầu như không hấp thụ ánh sáng trong miền nào của quang phổ được gọi là gần trong suốt đối với miền quang phổ đó. - Những vật không hấp thụ ánh sáng trong miền nhìn thấy của quang phổ được gọi là vật trong suốt không màu. Những vật hấp thụ hoàn toàn mọi ánh sáng nhìn thấy thì có màu đen. Những vật hấp thụ lọc lựa ánh sáng trong miền nhìn thấy được gọi là vật trong suốt có màu. Ví dụ: Kính màu là kết quả sự hấp thụ lọc lựa ánh sáng. * Chùm sáng chiếu vào một vật, gây ra phản xạ lọc lựa ánh sáng. Màu sắc các vật là kết quả của sự hấp thụ và phản xạ lọc lựa, tán xạ ánh sáng. Màu sắc các vật còn phụ thuộc màu sắc của ánh sáng rọi vào nó. Nói vật có màu này hay màu khác ta đã giả định nó được chiếu sáng bằng chùm sáng trắng Ví dụ: Tấm gỗ sơn màu đỏ: Hấp thụ ánh sáng màu lục, lam, tím và tán xạ ánh sáng màu đỏ => nếu chiếu chùm sáng trắng vào tấm gỗ thì ta thấy nó có màu đỏ của tấm gỗ; Nếu chiếu chùm sáng lam hoặc tím vào tấm gỗ thì ta thấy nó có màu đen. (Nói thêm kính lọc sắc). 9. Sự phát quang là sự phát ra ánh sáng nhìn thấy của một vật, khi vật hấp thụ năng lượng dưới dạng nào đó (hấp thụ bức xạ điện từ có bước sóng ngắn). * Sự quang phát quang có đặc điểm: + Mỗi chất phát quang cho một quang phổ riêng đặc trưng cho nó. + Sau khi ngừng kích thích, sự phát quang của một số chất còn tiếp tục kéo dài thêm một khoảng thời gian nào đó rồi mới ngừng hẳn. Nếu thời gian phát quang ngắn dưới 10 -8 s (ánh sáng phát quang hầu như tắt ngay sau khi tắt ánh sáng kích thích) gọi là huỳnh quang (thường xảy ra với chất lỏng và khí) Nếu thời gian phát quang dài từ 10 - 8 s trở lên gọi là lân quang (thường xảy ra với chất rắn) * Định luật Xtốc về sự phát quang: Ánh sáng phát quang có bước sóng ’ dài hơn bước sóng của ánh sáng kích thích : (’ > ). ứng dụng: trong đèn ống (đèn huỳng quang), sơn phản quang, màn hình tivi, máy tính … 10. Laze là một nguồn sáng phát ra chùm sáng song song, kết hợp, có tính đơn sắc cao và có cường độ lớn. Chú ý: + Tia laze có tính đơn sắc rất cao. + Tia laze là chùm sáng kết hợp (các photon trong chùm có cùng tần số và cùng pha). + Tia laze là chùm sáng song song (có tính định hướng cao). + Tia laze có cường độ lớn. 11. Mẫu nguyên tử Bo. Các tiên đề của Bo. a. Tiên đề 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 trạng thái dừng, nguyên tử không bức xạ. b. Tiên đề về sự bức xạ và hấp thụ năng lượng của nguyên tử: Khi chuyển từ trạng thái dừng có năng lượng E n sang trạng thái dừng có mức năng lượng E m < E n thì nguyên tử phát ra một phôtôn có tần số f, có năng lượng đúng bằng hiệu E n - E m = hf nm với h là hằng số Plăng, n và m nguyên Ngược lại, nếu nguyên tử đang ở trạng thái có năng lượng E m mà hấp thụ được một phôtôn có năng lượng hf đúng bằng hiệu E n – E m , thì nó chuyển sang trạng thái dừng có năng lượng E n lớn hơn.      P O N M L K Lai-man Ban-me Pa-sen * Mẫu nguyên tử Bo giải thích được cấu trúc quang phổ vạch của hiđrô * Muốn giải thích sự tạo thành quang phổ vạch của Hyđrô ta phải nắm chắc sơ đồ mức năng lượng và sự tạo thành các vạch quang phổ. Dãy Laiman trong vùng tử ngoại, tạo thành do êlectron chuyển từ các quỹ đạo dừng bên ngoài về quỹ đạo K. Dãy Banme trong vùng ánh sáng nhìn thấy (khả kiến) và một phần tử ngoại, tạo thành do êlectron chuyển từ các quỹ đạo dừng bên ngoài về quỹ đạo L; vạch  tạo thành khi êlectron từ quỹ đạo M về L, vạch  tạo thành khi êlectron từ quỹ đạo N về L, vạch  tạo thành khi êlectron từ quỹ đạo O về L, vạch  tạo thành khi êlectron từ quỹ đạo P về quỹ đạo L. Dãy Pasen trong vùng hồng ngoại, tạo thành do êlectron chuyển từ các quỹ đạo dừng bên ngoài về quỹ đạo M. Trong nguyên tử Hyđô bán kính quỹ đạo dừng và năng lượng của êlectrôn trên quỹ đạo đó tính theo công thức: r n = r 0 .n 2 và E = - E 0 /n 2 . Trong đó r 0 = 0,53 A 0 và E 0 = 13,6 eV; n là các số nguyên liên tiếp dương: n = 1, 2, 3, . . . tương ứng với các mức năng lượng. . CHƯƠNG VII: LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG Ánh sáng có lưỡng tính sóng - hạt: Tính chất sóng thể hiện rõ với ánh sáng có bước sóng dài, còn tính chất hạt thể hiện rõ với ánh sáng có bước sóng. ánh sáng bị hấp thụ hay được phát ra; c = 3.10 8 m/s là tốc độ ánh sáng trong chân không. b. Thuyết lượng tử áng sáng( thuyết phôtôn): - Chùm ánh sáng là một chùm các phôtôn (các lượng tử ánh. 4. Thuyết lượng tử ánh sáng: a. Giả thuyết lượng tử năng lượng của Plăng (giải thích sự phát và hấp thụ bức xạ của các vật, đặc biệt là các vật nóng sáng( bức xạ nhiệt)): Lượng năng lượng mà