TÀI LIỆU BỒI DƯỢNG LUYỆN THI TỐT NGHIỆP &ĐẠI HỌC Ch¬ng 7: Lỵng tư ¸nh s¸ng. I. TĨM TẮT LÝ THUYẾT 1. Hiện tượng quang điện - Thuyết lượng tử ánh sáng. * Hiện tượng quang điện Hiện tượng ánh sáng làm bật các electron ra khỏi mặt kim loại gọi là hiện tượng quang điện ngồi (gọi tắt là hiện tượng quang điện). * 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 điện λ 0 của kim loại đó, mới gây ra được hiện tượng quang điện: λ ≤ λ 0 . + 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 ≤ λ 0 ), 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 khơng 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. * Thuyết lượng tử ánh sáng + Chùm ánh sáng là một chùm các phơtơn (các lượng tử ánh sáng). Mỗi phơtơn có năng lượng xác định ε = hf (f là tần số của sóng ánh sáng đơn sắc tương ứng). Cường độ của chùm sáng tỉ lệ với số phơtơn phát ra trong 1 giây. + Phân tử, ngun tử, electron… phát xạ hay hấp thụ ánh sáng, cũng có nghĩa là chúng phát xạ hay hấp thụ phơtơn. + Các phơtơn bay dọc theo tia sáng với tốc độ c = 3.10 8 m/s trong chân khơng. Năng lượng của mỗi phơtơn rất nhỏ. Một chùm sáng dù yếu cũng chứa rất nhiều phơtơn do rất nhiều ngun tử, phân tử phát ra. Vì vậy ta nhìn thấy chùm sáng liên tục. Phơtơn chỉ tồn tại trong trạng thái chuyển động. Khơng có phơtơn đứng n. * Giải thích các định luật quang điện: + N¨ng lỵng cđa lỵng tư: λ ==ε hc hf ; + C«ng thøc Anh-xtanh vỊ hiƯn tỵng quang ®iƯn. 2 mv A 2 max0 +=ε + Giíi h¹n quang ®iƯn: o 0 hc A A hc λ ==>=λ + HiƯu ®iƯn thÕ h·m: U h vµ ®éng n¨ng cùc ®¹i cđa ªlectron: 2 max0h v.m 2 1 eU = . + C«ng st chïm s¸ng: P = N P .ε; N P : sè photon ¸nh s¸ng trong m«t gi©y. + Cêng ®é dßng quang ®iƯn bµo hoµ: I bh = N e .e; N e lµ sè ªlectron quang ®iƯn trong 1 gi©y. + HiƯu st lỵng tư: P e N N H = + §éng n¨ng ªlectron ®Õn ®èi catèt trong èng tia X: 1AK2 W-e.UW ®® = . + Bíc sãng cùc tiĨu cđa tia X: 2 min W hc ® =λ . C¸c h»ng sè: + 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. + Giải thích định luật thứ nhất: Để có hiện tượng quang điện thì năng lượng của phơtơn phải lớn hơn hoặc bằng cơng thốt: hf = λ hc ≥ A = 0 λ hc  λ ≤ λ 0 ; với λ 0 = A hc chính là giới hạn quang điện của kim loại. GV:Nguyễn Minh Hoàng – 49 Hoàng Hoa Thám – ĐT: 0905.435593 Trang:1 TÀI LIỆU BỒI DƯỢNG LUYỆN THI TỐT NGHIỆP &ĐẠI HỌC + Giải thích định luật thứ hai: Cường độ của dòng quang điện bảo hòa tỉ lệ thuận với số quang electron bật ra khỏi catơt trong một đơn vị thời gian. Với các chùm sáng có khả năng gây ra hiện tượng quang điện, thì số quang electron bị bật ra khỏi mặt catơt trong một đơn vị thời gian tỉ lệ thuận với số phơtơn đến đập vào mặt catơt trong thời gian đó. Số phơtơn này tỉ lệ với cường độ chùm ánh sáng tới. Từ đó suy ra, cường độ của dòng quang điện bảo hòa tỉ lệ thuận với cường của chùm sáng chiếu vào catơt. + Giải thích định luật thứ ba: Ta có: W đ0max = 2 1 mv 2 max0 = λ hc - A, do đó động năng ban đầu cực đại của các quang electron chỉ phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng kích thích và cơng thốt electron khỏi bề mặt kim loại mà khơng phụ thuộc vào cường độ của chùm ánh sáng kích thích. * 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, phơtơn ứng với nó có năng lượng càng lớn thì tính chất hạt thể hiện càng rỏ, như ở hiện tượng quang điện, ở khả năng đâm xun, khả năng phát quang…, còn tính chất sóng càng mờ nhạt. Trái lại sóng điện từ có bước sóng càng dài, phơtơn 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. 2. Hiện tượng quang điện bên trong. * Chất quang dẫn Chất quang dẫn là những chất bán dẫn, dẫn điện kém khi khơng bị chiếu sáng và dẫn điện tốt khi bị chiếu ánh sáng thích hợp. * Hiện tượng quang điện trong Hiện tượng ánh sáng giải phóng các electron liên kết để cho chúng trở thành các electron dẫn đồng thời tạo ra các lỗ trống cùng tham gia vào q trình dẫn điện, gọi là hiện tượng quang điện trong. * Quang điện trở Quang điện trở được chế tạo dựa trên hiệu ứng quang điện trong. Đó là một tấm bán dẫn có giá trị điện trở thay đổi khi cường độ chùm ánh sáng chiếu vào nó thay đổi. * Pin quang điện Pin quang điện là nguồn điện trong đó quang năng được biến đổi trực tiếp thành điện năng. Hoạt động của pin dựa trên hiện tượng quang điện bên trong của một số chất bán dẫn như đồng ơxit, sêlen, silic, … . Suất điện động của pin thường có giá trị từ 0,5 V đến 0,8 V Pin quang điện (pin mặt trời) đã trở thành nguồn cung cấp điện cho các vùng sâu vùng xa, trên các vệ tinh nhân tạo, con tàu vũ trụ, trong các máy đo ánh sáng, máy tính bỏ túi. … 3. Mẫu ngun tử Bo. * Mẫu ngun tử của Bo Tiên đề về trạng thái dừng Ngun tử chỉ tồn tại trong một số trạng thái có năng lượng xác định E n , gọi là các trạng thái dừng. Khi ở trạng thái dừng, ngun tử khơng bức xạ. Trong các trạng thái dừng của ngun tử, electron chuyển động quanh hạt nhân trên những quỹ đạo có bán kính hồn tồn xác định gọi là quỹ đạo dừng. Bo đã tìm được cơng thức tính quỹ đạo dừng của electron trong ngun tử hyđrơ: r n = n 2 r 0 , với n là số ngun và r 0 = 5,3.10 -11 m, gọi là bán kính Bo. Đó chính là bán kính quỹ đạo dừng của electron, ứng với trạng thái cơ bản. Bình thường, ngun tử ở trạng thái dừng có năng lượng thấp nhất gọi là trạng thái cơ bản. Khi hấp thụ năng lượng thì ngun tử chuyển lên trạng thái dừng có năng lượng cao hơn, gọi là trạng thái kích thích. Thời gian ngun tử ở trạng thái kích thích rất ngắn (cỡ 10 -8 s). Sau đó ngun tử chuyển về trạng thái dừng có năng lượng thấp hơn và cuối cùng về trạng thái cơ bản. Tiên đề về sự bức xạ và hấp thụ năng lượng của ngun tử Khi ngun tử chuyển từ trạng thái dừng có năng lượng E n sang trạng thái dừng có năng lượng E m nhỏ hơn thì ngun tử phát ra một phơtơn có năng lượng: ε = hf nm = E n – E m . Ngược lại, nếu ngun tử ở trạng thái dừng có năng lượng E m mà hấp thụ được một phơtơn 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. GV:Nguyễn Minh Hoàng – 49 Hoàng Hoa Thám – ĐT: 0905.435593 Trang:2 TÀI LIỆU BỒI DƯỢNG LUYỆN THI TỐT NGHIỆP &ĐẠI HỌC Sự chuyển từ trạng thái dừng E m sang trạng thái dừng E n ứng với sự nhảy của electron từ quỹ đạo dừng có bán kính r m sang quỹ đạo dừng có bán kính r n và ngược lại. * MÉu nguyªn tư Bo gi¶i thÝch ®ỵc quang phỉ v¹ch cđa hi®r« nhng kh«ng gi¶i thÝch ®ỵc quang phỉ cđa c¸c nguyªn tư phøc t¹p h¬n. * Mn gi¶i thÝch sù t¹o thµnh quang phỉ v¹ch cđa Hy®r« ta ph¶i n¾m ch¾c s¬ ®å møc n¨ng lỵng vµ sù t¹o thµnh c¸c v¹ch quang phỉ. D·y Liman trong vïng tư ngo¹i, t¹o thµnh do ªlÐctron chun tõ q ®¹o ngoµi vỊ q ®¹o K. D·y Banme trong vïng ¸ng s¸ng nh×n thÊy (kh¶ kiÕn) vµ mét phÇn tư ngo¹i, t¹o thµnh do ªlÐctron chun tõ q ®¹o ngoµi vỊ q ®¹o L; v¹ch α t¹o thµnh khi ªlÐctron tõ q ®¹o M vỊ L, v¹ch β t¹o thµnh khi ªlÐctron tõ q ®¹o N vỊ L, v¹ch γ t¹o thµnh khi ªlÐctron tõ q ®¹o O vỊ L, v¹ch δ t¹o thµnh khi ªlÐctron tõ q ®¹o P vỊ q ®¹o L. D·y Pasen trong vïng hång ngo¹i, t¹o thµnh do ªlÐctron chun tõ q ®¹o ngoµi vỊ q ®¹o M. Trong nguyªn tư Hy®« b¸n kÝnh q ®¹o dõng vµ n¨ng lỵng cđa ªlÐctr«n trªn q ®¹o ®ã tÝnh theo c«ng thøc : r n = r 0 .n 2 (A 0 ) vµ E = - E 0 /n 2 (eV) . Trong ®ã r 0 = 5,3.10 -11 m vµ E 0 = 13,6 eV ; n lµ c¸c sè nguyªn liªn tiÕp d¬ng: n = 1, 2, 3, . . . t¬ng øng víi c¸c mùc n¨ng lỵng. * Quang phổ phát xạ và hấp thụ của ngun tử hidrơ + Ngun tử hiđrơ có các trạng thái dừng khác nhau E K , E L , E M , . Khi đó electron chuyển động trên các quỹ đạo dừng K, L, M, + Khi electron chuyển từ mức năng lượng cao (E cao ) xuống mức năng lượng thấp hơn (E thấp ) thì nó phát ra một phơtơn có năng lượng hồn tồn xác định: hf = E cao – E thấp . Mỗi phơtơn có tần số f ứng với một sóng ánh sáng đơn sắc có bước sóng λ = f c , tức là một vạch quang phổ có một màu (hay một vị trí) nhất định. Điều đó lí giải tại sao quang phổ phát xạ của ngun tử hiđrơ là quang phổ vạch. Ngược lại nếu một ngun tử hiđrơ đang ở một mức năng lượng E thấp nào đó mà nằm trong một chùm ánh sáng trắng, trong đó có tất cả các phơtơn có năng lượng từ lớn đến nhỏ khác nhau, thì lập tức ngun tử hấp thụ một phơtơn có năng lượng phù hợp ε = E cao – E thấp để chuyển lên mức năng lượng E cao . Như vậy, một sóng ánh sáng đơn sắc đã bị hấp thụ, làm cho trên quang phổ liên tục xuất hiện một vạch tối. Do đó quang phổ hấp thụ của ngun tử hiđrơ cũng là quang phổ vạch. 4. Hấp thụ và phản xạ lọc lựa ánh sáng – Màu sắc các vật. * Hấp thụ ánh sáng + Hấp thụ ánh sáng là hiện tượng mơi 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 mơi trường hấp thụ, giảm theo định luật hàm mũ của độ dài d của đường đi tia sáng: I = I 0 e - α d ; với I 0 là cường độ của chùm ánh sáng tới, α được gọi là hệ số hấp thụ của mơi trường. + Hấp thụ lọc lựa: Sự hấp thụ ánh sáng của một mơi trường có tính chọn lọc, hệ số hấp thụ của mơi trường phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng. Những vật khơng hấp thụ ánh sáng trong miền nhì tấy của quang phổ được gọi là vật trong suốt khơng màu. Những vật hấp thụ hồn tồn mọi ánh sáng nhìn thấy thì có màu đen. Những vật hấp thụ lọc lựa ánh sáng trong miền nhìn thấy thì được gọi là vật trong suốt có màu. GV:Nguyễn Minh Hoàng – 49 Hoàng Hoa Thám – ĐT: 0905.435593 Trang:3 δ γ β α P O N M L K K Lai-man Ban-me Pa-sen TÀI LIỆU BỒI DƯỢNG LUYỆN THI TỐT NGHIỆP &ĐẠI HỌC * Phản xạ (hoặc tán xạ) lọc lựa – Màu sắc các vật + Ở một số vật, khả năng phản xạ (hoặc tán xạ) ánh sáng mạnh yếu khác nhau phụ thuộc và bước sóng ánh sáng tới. Đó là sự phản xạ (hoặc tán xạ) lọc lựa. + Các vật thể khác nhau có màu sắc khác nhau là do chúng được cấu tạo từ những vật liệu khác nhau. Khi ta chiếu ánh sáng trắng vào vật, vật hấp thụ một số ánh sáng đơn sắc và phản xạ, tán xạ hoặc cho truyền qua các ánh sáng đơn sắc khác. + Màu sắc các vật còn phụ thuộc vào màu sắc của ánh sáng rọi vào nó: Một vật có màu đỏ khi nó được chiếu bằng ánh sáng trắng nhưng khi chỉ chiếu vào nó ánh sáng màu lam hoặc màu tím thì nó hấp thụ hồn tồn chùm ánh sáng đó và nó trở thành có màu đen. 5. Hiện tượng quang – Phát quang. * Sự phát quang + Có một số chất khi hấp thụ năng lượng dưới một dạng nào đó, thì có khả năng phát ra các bức xạ điện từ trong miền ánh sáng nhìn thấy. Các hiện tượng đó gọi là sự phát quang. + Mỗi chất phát quang có một quang phổ đặc trưng cho nó. + Sau khi ngừng kích thích, sự phát quang của một số chất còn tiếp tục kéo dài thêm một thời gian nào đó, rồi mới ngừng hẵn. Khoảng thời gian từ lúc ngừng kích thích cho đến lúc ngừng phát quang gọi là thời gian phát quang. * Huỳnh quang và lân quang + Sự huỳnh quang là sự phát quang có thời gian phát quang ngắn (dưới 10 -8 s), nghĩa là ánh sáng phát quang hầu như tắt ngay sau khi tắt ánh sáng kích thích. Nó thường xảy ra với chất lỏng và chất khí. + Sự lân quang là sự phát quang có thời gian phát quang dài (từ 10 -8 s trở lên); thường xảy ra với chất rắn. Các chất rắn phát lân quang gọi là chất lân quang. * Định luật Xtốc về sự phát quang Ánh sáng phát quang có bước sóng λ’ dài hơn bước sóng của ánh sáng kích thích λ: λ’ > λ. * Ứng dụng của hiện tượng phát quang Sử dụng trong các đèn ống để thắp sáng, trong các màn hình của dao động kí điện tử, tivi, máy tính. Sử dụng sơn phát quang qt trên các biển báo giao thơng. 6. Sơ lược về laze: Laze là một nguồn sáng phát ra một chùm sáng cường độ lớn dựa trên việc ứng dụng hiện tượng phát xạ cảm ứng. * Sự phát xạ cảm ứng Nếu một ngun tử đang ở trong trạng thái kích thích, sẵn sàng phát ra một phơtơn có năng lượng ε = hf, bắt gặp một phơtơn có năng lượng ε’ đúng bằng hf bay lướt qua nó, thì lập tức ngun tử này cũng phát ra phơtơn ε. Phơtơn ε có cùng năng lượng và bay cùng phương với phơtơn ε’. Ngồi ra sóng điện từ ứng với phơtơn ε hồn tồn cùng pha và dao động trong một mặt phẵng song song với mặt phẵng dao động của sóng điện từ ứng với phơtơn ε’. Như vậy, nếu có một phơtơn ban đầu bay qua một loạt các ngun tử đang ở trong trạng thái kích thích thì số phơtơn sẽ tăng lên theo cấp số nhân. Tùy theo vật liệu phát xạ, người ta đã tạo ra laze rắn, laze khí và laze bán dẫn. Laze rubi (hồng ngọc) biến đổi quang năng thành quang năng. * Cấu tạo của laze rubi Rubi (hồng ngọc) là Al 2 O 3 có pha Cr 2 O 3 . Laze rubi gồm một thanh rubi hình trụ. Hai mặt được mài nhẵn vng góc với trục của thanh. Mặt (1) được mạ bạc trở thành gương phẵng (G 1 ) có mặt phản xạ quay vào phía trong. Mặt (2) là mặt bán mạ, tức là mạ một lớp mỏng để cho khoảng 50% cường độ chùm sáng chiếu tới bị phản xạ, còn khoảng 50% truyền qua. Mặt này trở thành gương phẳng (G 2 ) có mặt phản xạ quay về phía G 1 . Hai gương G 1 và G 2 song song với nhau. Dùng đèn phóng điện xenon để chiếu sáng rất mạnh thanh rubi và đưa một số lớn ion crơm lên trạng thái kích thích. Nếu có một ion crơm bức xạ theo phương vng góc với hai gương thì ánh sáng sẽ phản xạ đi phản xạ lại nhiều lần giữa hai gương và sẽ làm cho một loạt ion crơm phát xạ cảm ứng. Ánh sáng sẽ được khuếch đại lên nhiều lần. Chùm tia laze được lấy ra từ gương bán mạ G 2 . * Đặc điểm của laze + Laze có tính đơn sắc rất cao. Độ sai lệch tương đối f f∆ của tần số ánh sáng do laze phát ra có thể chỉ bằng 10 -15 . GV:Nguyễn Minh Hoàng – 49 Hoàng Hoa Thám – ĐT: 0905.435593 Trang:4 TÀI LIỆU BỒI DƯỢNG LUYỆN THI TỐT NGHIỆP &ĐẠI HỌC + Tia laze là chùm sáng kết hợp (các phơtơn 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. Chẵng hạn laze rubi (hồng ngọc) có cường độ tới 10 6 W/cm 2 . Như vậy, laze là một nguồn sáng phát ra chùm sáng song song, kết hợp, có tính đơn sắc cao và có cường độ lớn (trên 10 6 W/cm 2 ). * Một số ứng dụng của laze + Tia laze có ưu thế đặc biệt trong thơng tin liên lạc vơ tuyến (truyền thơng thơng tin bằng cáp quang, vơ tuyến định vị, điều khiển con tàu vũ trụ, ) + Tia laze được dùng như dao mổ trong phẩu thuật mắt, để chữa một số bệnh ngồi da (nhờ tác dụng nhiệt), + Tia laze được dùng trong các đầu đọc đĩa CD, bút chỉ bảng, chỉ bản đồ, dùng trong các thí nghiệm quang học ở trường phổ thơng, + Ngồi ra tia laze còn được dùng để khoan, cắt, tơi, chính xác các vật liệu trong cơng nghiệp. II Bµi tËp : 1. Hiện tượng quang diện ngồi. * Các cơng thức: Hiện tượng quang điện ngồi là hiện tượng các electron bị bật ra khỏi bền mặt kim loại khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào. Năng lượng của phơtơn ánh sáng: ε = hf = λ hc . Cơng thức Anhxtanh, giới hạn quang điện, điện áp hãm: hf = λ hc = A + 2 1 mv 2 max0 = 0 λ hc + W dmax ; λ 0 = A hc ; U h = - e W d max . Điện thế cực đại quả cầu kim loại cơ lập về điện đạt được khi chiếu chùm sáng có λ ≤ λ 0 : V max = e W d max . Cơng suất nguồn sáng, cường độ dòng quang điện bảo hồ, hiệu suất lượng tử: P = n λ λ hc ; I bh = n e |e|; H = λ n n e . Lực Lorrenxơ, lực hướng tâm: F lr = qvBsinα ; F ht = ma ht = R mv 2 . * Phương pháp giải: Để tìm các đại lượng trong hiện tượng quang điện ngồi ta viết biểu thức liên quan đến các đại lượng đã biết và đại lượng cần tìm từ đó suy ra và tính đại lượng cần tìm. * Bài tập minh họa: Cho h = 6,625.10 -34 Js; c = 3.10 8 m/s; |e| = 1,6.10 -19 C; m e = 9,1.10 -31 kg. Bài 1. Cơng thốt electron khỏi đồng là 4,57 eV. Chiếu bức xạ có bước sóng λ = 0,14 µm vào một quả cầu bằng đồng đặt xa các vật khác. Tính giới hạn quang điện của đồng và điện thế cực đại mà quả cầu đồng tích được. Bài 2. Cơng thốt electron khỏi kẻm là 4,25 eV. Chiếu vào một tấm kẻm đặt cơ lập về điện một chùm bức xạ điện từ đơn sắc thì thấy tấm kẻm tích được điện tích cực đại là 3 V. Tính bước sóng và tần số của chùm bức xạ. Bài 3. Chiếu chùm bức xạ điện từ có tần số f = 5,76.10 14 Hz vào một miếng kim loại thì các quang electron có vận tốc ban đầu cực đại là v = 0,4.10 6 m/s. Tính cơng thốt electron và bước sóng giới hạn quang điện của kim loại đó. Bài 4. Cơng thốt electron khỏi kim loại natri là 2,48 eV. Một tế bào quang điện có catơt làm bằng natri, khi được chiếu sáng bằng chùm bức xạ có bước sóng 0,36 µm thì cho một dòng quang điện có cường độ bảo hòa là 3 µA. Tính vận tốc ban đầu cực đại của electron quang điện và số electron bứt ra khỏi catơt trong 1 giây. Bài 5. Chiếu một bức xạ điện từ có bước sóng λ vào catơt của một tế bào quang điện. Biết cơng thốt electron của kim loại làm catơt là 3 eV và các electron bắn ra với vận tốc ban đầu cực đại là 7.10 5 m/s. Xác định bước sóng của bức xạ điện từ đó và cho biết bức xạ điện từ đó thuộc vùng nào trong thang sóng điện từ. GV:Nguyễn Minh Hoàng – 49 Hoàng Hoa Thám – ĐT: 0905.435593 Trang:5 TÀI LIỆU BỒI DƯỢNG LUYỆN THI TỐT NGHIỆP &ĐẠI HỌC Bài 6. Chiếu bức xạ có bước sóng λ = 0,438 µm vào catơt của một tế bào quang điện. Biết kim loại làm catơt của tế bào quang điện có giới hạn quang điện là λ 0 = 0,62 µm. Tìm điện áp hãm làm triệt tiêu dòng quang điện. Bài 7. Chiếu bức xạ có bước sóng 0,405 µm vào một tấm kim loại thì các quang electron có vận tốc ban đầu cực đại là v 1 . Thay bức xạ khác có tần số 16.10 14 Hz thì vận tốc ban đầu cực đại của các quang electron là v 2 = 2v 1 . Tìm cơng thốt electron của kim loại. Bài 8. Một tế bào quang điện có catơt làm bằng asen có cơng thốt electron bằng 5,15 eV. Chiếu chùm sáng đơn sắc có bước sóng 0,20 µm vào catơt của tế bào quang điện thì thấy cường độ dòng quang điện bảo hòa là 4,5 µA. Biết cơng suất chùm bức xạ là 3 mW . Xác định vận tốc cực đại của electron khi nó vừa bị bật ra khỏi catơt và hiệu suất lượng tử. Bài 9. Chiếu bức xạ có bước sóng λ = 0,4 µm vào catơt của một tế bào quang điện. Biết cơng thốt electron của kim loại làm catơt là A = 2 eV, điện áp giữa anơt và catơt là U AK = 5 V. Tính động năng cực đại của các quang electron khi tới anơt. Bài 10. ChiÕu mét chïm ¸nh s¸ng cã bíc sãng λ = 0,489µm vµo mét tÊm kim lo¹i kali dïng lµm c©tèt cđa tÕ bµo quang ®iƯn . BiÕt c«ng tho¸t cđa kali lµ 2,15 eV . a/ T×m giíi h¹n quang ®iƯn cđa kali ? b/ T×m vËn tèc cùc ®¹i cđa ªlÐctr«n quang ®iƯn ra khái catèt ? c/ T×m hiƯu ®iƯn thÕ h·m ? d/ BiÕt I bh = 5 mA . c«ng st chïm tia chiÕu vµo katèt lµ 1,25 W vµ cã 50% chiÕt vµo ca tèt . T×m hiƯu st lỵng tư ? Bài 11. Khi chiÕu vµo mét tÊm kim lo¹i mét chïm s¸ng ®¬n s¾c cã bíc sãng 0,2µm . §éng n¨ng cùc ®¹i cđa c¸c ªlÐctr«n b¾n ra khái catèt 8.10 —19 J . Hái khi chiÕu lÇn lỵt vµo tÊm kim lo¹i ®ã hai chïm s¸ng ®¬n s¾c cã bíc sãng λ 1 = 1,4 µm & λ 2 = 0,1 µm th× cã sÈy ra hiƯn tỵng quang ®iƯn kh«ng ? NÕu sÈy ra th× ®éng n¨ng cùc ®¹i cđa c¸c ªlÐctr«n ra khái catèt lµ bao nhiªu ? Bài 12. HiƯu ®iƯn thÕ gi÷a anèt vµ catèt cđa èng R¬nghen lµ 4,8 kV. H·y t×m: a/ Bíc sãng nhá nhÊt cđa tia r¬nghen mµ nã ph¸t ra ? b/ Sè ªlÐctr«n ®Ëp vµo ®èi catèt trong mçi gi©y vµ vËn tèc cđa ªlÐctr«n khi tíi catèt biÕt r»ng c êng ®é dßng ®iƯn qua èng lµ 1,6 mA ? 13. Tính năng lượng, động lượng và khối lượng của photơn ứng với các bức xạ điện từ sau đây: a) Bức xạ đỏ có λ = 0,76 μm. b) Sóng vơ tuyến có λ = 500 m. c) Tia phóng xạ γ có f = 4.10 17 KHz. d) Cho biết c = 3.10 8 m/s ; h = 6,625.10 -34 J.s 14. Catot của tế bào quang điện làm bằng đồng, cơng thốt khỏi đồng là 4,47 eV. Cho biết: h = 6,625.10 -34 (J.s) ; c = 3.10 8 (m/s) ; e = 1,6.10 -19 (C). a. Tính giới hạn quang điện của đồng. b. Chiếu đồng thời 2 bức xạ điện từ có bước sóng λ 1 = 0,210 (μm) và λ 2 = 0,320 (μm) vào catot của tế bào quang điện trên, phải đặt hiệu thế hãm bằng bao nhiêu để triệt tiêu dòng quang điện. 15. Cơng thốt của êlectron đối với đồng là 4,47 eV. a. Khi chiếu bức xạ có bước sóng λ = 0,14 (μm) vào một quả cầu bằng đồng cách li với vật khác thì tích điện đến hiệu điện thế cực đại là bao nhiêu ? b. Khi chiếu bức xạ có bước sóng λ' vào quả cầu bằng đòng cách ly cới các vật khác thì quả cầu đạt hiệu điện thế cực đại 3 (V). Tính λ' và vận tốc ban đầu của các êlectron quang điện. 16. Kim loại làm catot của tế bào quang điện có giới hạn quang điện 0,32 (μm). Chiếu ánh sáng có bước sóng 0,25 (μm) vào catot của tế bào quang điện trên. a) Tính vận tốc ban đầu cực đại của electron quang điện. b) Biết rằng các electron thốt ra đều bị hút về anot, cường độ dòng quang điện bão hồ bằng 0,7 mA. Tính số electron thốt ra khỏi catot tronh mỗi giây. GV:Nguyễn Minh Hoàng – 49 Hoàng Hoa Thám – ĐT: 0905.435593 Trang:6 TÀI LIỆU BỒI DƯỢNG LUYỆN THI TỐT NGHIỆP &ĐẠI HỌC 17. Cơng thốt của êlectron đối với Natri là 2,48 (eV). Catot của tế bào quang điện làm bằng Natri được chiếu sáng bởi bức xạ có bước sóng λ = 0,36 (μm) thì có dòng quang điện bão hồ I bh = 50 (mA). a) Tính giới hạn quang điện của Natri. b) Tính vận tốc ban đầu cực đại của êlectron quang điện. c) Hiệu suất quang điện bằng 60%, tính cơng suất của nguồn bức xạ chiếu vào catơt. 18. Khi chiếu một chùm sáng vào một kim loại thì có hiện tượng quang điện xảy ra. Nếu dùng hiệu điện thế hãm bằng 3 (V) thì các êlectron quang điện bị giữ lại khơng bay sang anot được. Cho biết giới hạn quang điện của kim loại đó là : λ 0 = 0,5 (μm) ; h = 6,625.10 -34 (J.s) ; c = 3.10 8 (m/s) ; -e = -1,6.10 -19 (C). Tính tần số của chùm ánh sáng tới kim loại. 19. Chiếu bức xạ có bước sóng 0,35 (μm) vào một kim loại, các êlectron kim quang điện bắn ra đều bị giữ lại bởi một hiệu điện thế hãm. Khi thay chùm bức xạ có bước sóng giảm 0,05 (μm) thì hiệu điện thế hãm tăng 0,59 (V). Tính điện tích của êlectron quang điện. Cho biết : h = 6,625.10 -34 (J.s) ; c = 3.10 8 (m/s). 20. Lần lượt chiếu hai bức xạ có bước sóng λ 1 = 0,405 (μm), λ 2 = 0,436 (μm) vào bề mặt của một kim loại và đo hiệu điện thế hãm tương ứng U h1 = 1,15 (V); U h2 = 0,93 (V). Cho biết : h = 6,625.10 -34 (J.s) ; c = 3.10 8 (m/s) ; e = 1,6.10 -19 (C). Tính cơng thốt của kim loại đó. 21. Trong một ống Rơn-ghen. Biết hiệu điện thế giữa anơt va catơt là U = 2.10 6 (V). Hãy tìm bước sóng nhỏ nhất λ min của tia Rơn- ghen do ống phát ra? * Hướng dẫn giải và đáp số: 1. Ta có: λ 0 = 19 834 10.6,1.57,4 10.3.10.625,6 − − = A hc = 0,27.10 -6 m; W d0 = λ hc - A = 6,88.10 -19 J; V max = e W d 0 = 4,3 V. 2. Ta có: W d0max = eV max = 3 eV; λ = d0 ax W m hc A + = 0,274.10 - 6 m; f = c λ = 1,1.10 14 Hz. 3. Ta có: A = hf - 2 0 2 1 mv = 3,088.10 -19 J; λ 0 = A hc = 0,64.10 -6 m. 4. Ta có: W d0 = λ hc - A = 1,55.10 -19 J; v 0 = m W d 0 2 = 0,58.10 6 m/s; n e = e I bh = 1,875.10 13 . 5. Ta có: λ = 2 0 2 1 mvA hc + = 0,215.10 -6 m; bức xạ đó thuộc vùng tử ngoại. 6. Ta có: W d0 = λ hc - 0 λ hc = 1,33.10 -19 J; U h = - e W d 0 = - 0,83 V. 7. Ta có: f 1 = 1 λ c = 7,4.10 14 Hz; 2 1 2 1 mv = hf 1 – A; 2 2 2 1 mv = 4 2 1 2 1 mv = hf 2 – A  4 = Ahf Ahf − − 1 2  A = 3 4 21 hfhf − = 3.10 -19 J. 8. Ta có: W d0 = λ hc - A = 1,7.10 -19 J; v 0 = m W d 0 2 = 0,6.10 6 m/s. n e = e I bh = 2,8.10 13 ; n λ = hc P hc P λ λ = = 3.10 15  H = λ n n e = 9,3.10 -3 = 0,93%. 9. Ta có: W đ0 = λ hc - A = 8,17.10 -19 J; W đmax = W đ0 + |e|U AK = 16,17.10 -19 J = 10,1 eV. 10. a/ Ta cã λ 0 = hc/A . Thay sè : λ 0 = 0,578 µm . b/ Tõ c«ng thøc Anhxtanh suy ra : v max =       − λ A hc m 2 = 3,7.10 5 m/s GV:Nguyễn Minh Hoàng – 49 Hoàng Hoa Thám – ĐT: 0905.435593 Trang:7 TÀI LIỆU BỒI DƯỢNG LUYỆN THI TỐT NGHIỆP &ĐẠI HỌC c/ eU h = 2 2 max0 mv = A hc − λ => U h =       − λ A hc e 1 = 0,39 V d/ N¨ng lỵng mçi ph«t«n lµ : ε = hf = λ hc = 4,064.10 —19 J Sè ph« t«n bËt ra trong mçi gi©y lµ : N = P/ ε = 3,10.10 18 ( h¹t ) Cêng dé dßng quang ®iƯn b·o hoµ : I bh = ne víi n lµ sè ªlÐctr«n tho¸t ra khái kim lo¹i . V× ta tÝnh trong mét ®¬n vÞ thêi gian nªn : n = I bh /e = 3,12.10 16 (h¹t) . H = N n = 10 —2 = 1% . 11. Theo c«ng thøc AnhXtanh => A = λ hc – 2 mv 2 max0 => A = 1,9.10 —19 J Giíi h¹n quang ®iƯn cđa kim lo¹i ®ã lµ : λ 0 = A hc = 1,04.10 —6 m = 1,04 µm Mn hiƯn tỵng quang ®iƯn sÈy ra th× bíc sãng ¸nh s¸ng kÝch thÝch tho¶ m·n ®iỊu kiƯn λ < λ 0 Víi λ 1 : ta thÊy λ 1 > λ 0 nªn hiƯn tỵng quang ®iƯn kh«ng xÈy ra . Víi λ 2 < λ 0 nªn hiƯn tỵng quang ®iƯn sÈy ra . Lóc ®ã : 2 mv 2 max0 = λ hc – A = 1,79.10 —19 J . 12. a/ Gäi U lµ hiƯu ®iƯn thÕ gi÷a catèt vµ anèt , tríc khi ®Ëp vµo ®èi catèt ªlÐctr«n thu ®ỵc ®éng n¨ng W ® = mv 2 /2 = eU (Theo ®Þnh lý vỊ ®éng n¨ng) Khi ®Ëp vµo ®èi catèt mét phÇn ®éng n¨ng chun thµnh n¨ng lỵng cđa ph«t«n cđa tia R¬nghen vµ mét phÇn chun thµnh nhiƯt lỵng lµm nãng ®èi catèt . Do ®ã ta cã : ε X < eU => hf X = X hc λ < eU => λ X > eU hc . Do ®ã bíc sãng nhá nhÊt cđa tia R¬nghen ph¸t ra lµ : λ X > eU hc = 2,56.10 —10 m . b/ Sè ªlÐctr«n ®Ëp vµo ®èi catèt trong mçi gi©y : n = I/e = 10 16 (h¹t/s). Tõ c«ng thøc W ® = eU = mv 2 /2 => v = m/eU2 = 4,1.10 7 (m/s) 13. a) Bức xạ đỏ có λ = 0,76 μm. - Năng lượng: ε = hf = )(10.15,26 10.76,0 10.3.10.625,6 20 6 834 J − − − = - Động lượng: ρ = )/.(10.72,8 28 smkg c − = ε . - Khối lượng: m = 2 c ε = 2,9.10 -36 (kg). b) Sóng vơ tuyến có λ = 500 m. Tương tự, ta có: - Năng lượng: ε = hf = )(10.975,3 28 J − - Động lượng: ρ = )/.(10.325,1 36 smkg c − = ε . GV:Nguyễn Minh Hoàng – 49 Hoàng Hoa Thám – ĐT: 0905.435593 Trang:8 TÀI LIỆU BỒI DƯỢNG LUYỆN THI TỐT NGHIỆP &ĐẠI HỌC - Khối lượng: m = 2 c ε = 4,42.10 -45 (kg). c) Tương tự: - Năng lượng: ε = hf = 26,5.10 -14 (J). - Động lượng: ρ = )/.(10.8,8 22 smkg c − = ε . - Khối lượng: m = 2 c ε = 0,94.10 -31 (kg). 14 a) Tính λ 0 . Giới hạn quang điện của đồng: λ 0 = (278,0 10.6,1.47,4 10.3.10.625,6 19 834 == − − A hc μm). b) Tính U h . λ 1 < λ 0 < λ 2 do đó chỉ có λ 1 gây ra hiện tượng quang điện. Điều kiện để dòng quang điện triệt tiêu hồn tồn: maxđhAK WeUUe >= . )(446,1 1 max VA hc ee W U đ h =       −=> λ 15. a. Điện thế cực đại V max của quả cầu bằng đồng. Khi chiếu bức xạ có bước sóng λ đến quả cầu bằng đồng cách ly với các vật khác, các êlectron quang điện được bứt ra khỏi quả cầu, điện tích dương của quả cầu tăng dần nên điện thế V của quả cầu tăng dần ( Hình 1.2) . Điện thế V đạt giá trị cực đại khi các êlectron quang điện bứt ra khỏi quả cầu đều bị điện trường kéo trở lại. + + Định lý động năng : + + v 0 maxmax 2 0 2 1 eVA hc hayeVmv =−= λ + + Suy ra : V max = )(402,4 V e A hc = − λ . Hình 1.2 b. Tính λ' và v' 0. Tương tự: 2' 0 ' max ' VeVA hc ==− λ Suy ra: )(166,0 ' ' max m eVA hc µλ = + = . Và: v' 0 = )/(10.027,1 '2 6 max sm m eV e = . GV:Nguyễn Minh Hoàng – 49 Hoàng Hoa Thám – ĐT: 0905.435593 Trang:9 TÀI LIỆU BỒI DƯỢNG LUYỆN THI TỐT NGHIỆP &ĐẠI HỌC 16. Ta co: 2 max0 2 1 mvUe AK = . Phương trình Anh-xtanh : λ hc = 2 2 max0 mv A + = A + eU h . Theo điều kiện bài tốn, ta có: ( ) sJ c UUe h eUA hc eUA hc hh h h .10.433,6 11 )( 34 12 12 2 2 1 1 − =         − − =⇔        += += λλ λ λ . 17. a) Tính λ 0 . Giới hạn quang điện : λ 0 = (5,0= A hc μm). b) Tính v 0 . Phương trình Anh-xtanh : λ hc = 2 2 max0 mv A + . Suy ra ( ) smA hc m v e /10.84,5 2 5 max0 =       −= λ c) Tính P. Ta có I bh = n e .e suy ra n e = e I bh . P = n λ .ε suy ra n λ = ε P . λ n n H e = do đó 29,0 . ≈= λ He hcI P bh (W). 18. Các êlectron quang điện bị giữ lại hồn tồn khơng qua được anot nên : 2 max0 2 1 mveUUe hAK == Phương trình Anh-xtanh : hf = A + 2 max0 2 1 mv . Hay hf = eU h + A = eU h + 0 λ hc Suy ra f = 0 λ c h eU h + . Thay số, ta được : )(10.245,13 10.5,0 10.3 10.625,6 3.10.6,1 14 6 8 34 19 Hzf =+= −− − . 19. Ta có λ hc = 2 2 max0 mv A + = A + eU h ( Phương trình Anh-xtanh) GV:Nguyễn Minh Hoàng – 49 Hoàng Hoa Thám – ĐT: 0905.435593 Trang:10 [...]... ngun tử hiđrơ, mức năng lượng của trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích thứ nhất Bài 7 Chiếu ánh sáng đơn sắc có bước sóng 0,30 µm vào một chất thì thấy chất đó phát ra ánh sáng có bước sóng 0,50 µm Cho rằng cơng suất của chùm sáng phát quang chỉ bằng 0,01 cơng suất của chùm GV:Nguyễn Minh Hoàng – 49 Hoàng Hoa Thám – ĐT: 0905.435593 Trang:12 TÀI LIỆU BỒI DƯỢNG LUYỆN THI TỐT NGHIỆP &ĐẠI HỌC sáng. .. Quang phổ vạch của ngun tử hyđrơ: En – Em = hf = Hiện tượng quang điện trong là hiện tượng tạo thành các electron dẫn và lỗ trống trong bán dẫn khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào Hiện tượng phát quang là hiện tượng một số chất khi hấp thụ năng lượng dưới một dạng nào đó thì có khả năng phát ra các bức xạ điện từ trong miền ánh sáng nhìn thấy Đặc điểm của sự phát quang: ánh sáng phát quang có bước... Tính ra Jun năng lượng iơn hố của ngun tử hiđrơ b) Tính ra mét bước sóng của vạch đỏ Hα trong dãy Banme Bài 4 Khi êlectron ở quỹ đạo dừng thứ n thì năng lượng của ngun tử hiđrơ được tính theo cơng thức 13,6 En = - 2 (eV) (n = 1, 2, 3,…) Tính bước sóng của bức xạ do ngun tử hiđrơ phát ra khi êlectron trong n ngun tử hiđrơ chuyển từ quỹ đạo dừng n = 3 sang quỹ đạo dừng n = 2 Bài 5 Năng lượng của các trạng... ngun tử hyđrơ: GV:Nguyễn Minh Hoàng – 49 Hoàng Hoa Thám – ĐT: 0905.435593 Trang:11 TÀI LIỆU BỒI DƯỢNG LUYỆN THI TỐT NGHIỆP &ĐẠI HỌC * Kiến thức liên quan: hc λ Bán kính quỹ đạo dừng thứ n của electron trong ngun tử hiđrơ: r n = n2r1; với r1 = 0,53.10-11m là bán kính Bo (ở quỹ đạo K) 13,6 Năng lượng của electron trong ngun tử hiđrơ ở quỹ đạo dừng thứ n: En = - 2 eV; với n ∈ N* n Sơ đồ chuyển mức năng lượng. .. Trang:12 TÀI LIỆU BỒI DƯỢNG LUYỆN THI TỐT NGHIỆP &ĐẠI HỌC sáng kích thích Hãy tính tỉ số giữa số phơtơn ánh sáng phát quang và số phơtơn ánh sáng kích thích phát trong cùng một khoảng thời gian Bài 8 Người ta dùng một thiết bị laze để đo khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trăng Chiếu tia laze dưới dạng xung ánh sáng về phía Mặt Trăng Người ta đo được khoảng thời gian giữa thời điểm phát và thời điểm nhận xung... năng lượng E1 của êlectron trên quỹ đạo Bo thứ nhất 11 Ngun tử hiđrơ gồm một hạt nhân và một êlectron quay chung quanh hạt nhân này Bán kính quỹ đạo dừng thứ nhất là r1 = 5,3.10-11 (m) a Tính vận tốc và số vòng quay của êlectron trong 1 giây b Tính vận tốc, động năng, thế năng và năng lượng của êlectron trên quỹ đạo thứ hai 12 Êlectron trong ngun tử hiđrơ chuyển từ mức năng lượng thứ 3 về mức năng lượng. .. 2 Bài 5 Năng lượng của các trạng thái dừng trong ngun tử hiđrơ lần lượt là E K = -13,60 eV; EL = -3,40 eV; EM = -1,51 eV; EN = -0,85 eV; EO = -0,54 eV Hãy tìm bước sóng của các bức xạ tử ngoại do ngun tử hiđrơ phát ra Bài 6 Biết bước sóng của hai vạch đầu tiên trong dãy Laiman của ngun tử hiđrơ là λL1 = 0,122 µm và λL2 = 103,3 nm Biết mức năng lượng ở trạng thái kích thích thứ hai là -1,51 eV Tìm bước... phổ thứ hai, thứ ba của dãy Lai-man và của vạch Hβ 14 Khi kích thích ngun tử hiđro ở trạnh thái cơ bản, bán kính quỹ đạo dừng của êlectron tăng lên 9 lần Tính các bước sóng của các bức xạ mà ngun tử hiđro có thể phát ra sau đó, biết rằng năng lượng của 13,6 các trạng thái dừng của ngun tử hiđrơ là En = − 2 (eV ) với n = 1;2;… n lượng thứ n là En = - * Hướng dẫn giải và đáp số: hc hc hc λ0 λ1 1 Ta có:... + EK - EL =  λ3 = = 0,6566 µm λ3 λ2 λ1 λ1 − λ2 3 a) Để ion hóa ngun tử hiđrơ thì phải cung cấp cho nó một năng lượng để electron nhảy từ quỹ đạo K (n 13,6.1,6.10 −19 = 1) ra khỏi mối liên kết với hạt nhân (n = ∞) Do đó ∆E = E∞ - E1 = 0 - () = 21,76.10-19 J 2 1 GV:Nguyễn Minh Hoàng – 49 Hoàng Hoa Thám – ĐT: 0905.435593 Trang:13 TÀI LIỆU BỒI DƯỢNG LUYỆN THI TỐT NGHIỆP &ĐẠI HỌC hc 36hc 13,6.1,6.10 −19... năng, thế năng và năng lượng của êlectron trên quỹ đạo thứ hai 12 Êlectron trong ngun tử hiđrơ chuyển từ mức năng lượng thứ 3 về mức năng lượng thứ nhất Tính năng lượng phơtơn phát ra và tần số của phơtơn đó Cho biết năng lượng của ngun tử hiđro ở mức năng 13,6 (eV ) n2 13 Trong quang phổ hiđrơ, bươc sóng λ (μm) của các vạch quang phổ như sau: Vạch thứ nhất của dãy Lai-man λ21 =0,1216 Vạch Hα của . của chùm sáng kích thích, mà chỉ phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng kích thích và bản chất kim loại. * Thuyết lượng tử ánh sáng + Chùm ánh sáng là một chùm các phơtơn (các lượng tử ánh sáng) . Mỗi. bước sóng của ánh sáng kích thích và cơng thốt electron khỏi bề mặt kim loại mà khơng phụ thuộc vào cường độ của chùm ánh sáng kích thích. * Lưỡng tính sóng - hạt của ánh sáng Ánh sáng vừa có. tử hiđrơ cũng là quang phổ vạch. 4. Hấp thụ và phản xạ lọc lựa ánh sáng – Màu sắc các vật. * Hấp thụ ánh sáng + Hấp thụ ánh sáng là hiện tượng mơi trường vật chất làm giảm cường độ của chùm sáng