1. HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN
Thí nghiệm Hertz về hiện tượng quang điện:
- Đặt một tấm kẽm đã được tích điện âm lên trên một điện nghiệm [tấm kẽm nối với điện cực của điện nghiệm] thì thấy hai lá kim loại của điện nghiệm xòe ra.
- Chiếu một chùm ánh sáng hồ quang vào tấm kẽm thì thấy hai lá kim loại của điện nghiệm cụp lại chứng tỏ tấm kẽm bị mất điện tích âm nghĩa là êlectrôn đã bị bật ra khỏi tấm kẽm.
- Hiện tượng trên không xảy ra nếu: Ban đầu ta tích điện dương cho tấm kẽm hoặc Chắn chùm ánh sáng hồ quang bằng một tấm thủy tinh.
a. Định nghĩa:
Hiệntượng ánh sáng làm bật các electron ra khỏi mặt kim loại gọi là hiện tượng quang điện [ngoài]
b. Định luật về giới hạn quang điện [Định luật quang điện thứ nhất]
Ánh sáng kích thích chỉ có thể làm bật electron ra khỏi một kim loại khi bước sóng của nó ngắn hơn hoặc bằng giới hạn quang điện của kim loại đó.
\[\lambda \le {\lambda _0}\]
- \[\lambda \] : bước sóng của ánh sáng kích thích
- \[{\lambda _0}\] : giới hạn quang điện
Giới hạn quang điện phụ thuộc vào bản chất của kim loại
2. THUYẾT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG
a. Lượng tử năng lượng của Plăng
Là lượng năng lượng một nguyên tử hay phân tử hấp thụ hay phát xạ được xác định bằng biểu thức: \[\varepsilon = hf\]
Trong đó:
- ε: lượng tử năng lượng [J]
- h = 6,625.10-34 J.s: hằng số Plăng
- f: tần số của ánh sáng [Hz]
- Khi ánh sáng truyền đi, các lượng tử ánh sáng \[\varepsilon = hf\] không bị thay đổi và không phụ thuộc vào khoảng cách tới nguồn sáng.
- Tuy mỗi lượng tử ánh sáng \[\varepsilon = hf\] mang năng lượng rất nhỏ nhưng trong chùm sáng lại có một số rất lớn lượng tử ánh sáng, vì thế ta có cảm giác chùm sáng là liên tục
b. Thuyết lượng tử ánh sáng
- Ánh sáng được tạo thành bởi các hạt gọi là photon
- Với mỗi ánh sáng đơn sắc có tần số f, các photon đều giống nhau, mỗi photon mang năng lượng bằng hf
- Trong chân không, photon bay với tốc độ c = 3.108 m/s dọc theo các tia sáng.
- Mỗi lần một nguyên tử hay phân tử phát xạ hoặc hấp thụ ánh sáng thì chúng phát ra hay hấp thụ một photon
c. Công thức Anhxtanh
\[\varepsilon = hf = A + {{\rm{W}}_{{d_0}[m{\rm{ax]}}}}\]
Trong đó:
- \[\varepsilon = hf = \frac{{hc}}{\lambda }\]: lượng tử năng lượng [J]
- \[A = \frac{{hc}}{{{\lambda _0}}}\] : công thoát của electron khỏi kim loại [J]
- \[{{\rm{W}}_{{d_0}[m{\rm{ax]}}}} = \frac{1}{2}mv_{0[m{\rm{ax]}}}^2\]: động năng ban đầu cực đại của electron [J]
Video mô phỏng sơ đồ mức năng lượng được sử dụng để biểu diễn các trạng thái năng lượng có trong mỗi nguyên tử
3. LƯỠNG TÍNH SÓNG - HẠT CỦA ÁNH SÁNG
Ánh sáng vừa có tính chất sóng [giao thoa, nhiễu xạ] vừa mang tính chất hạt, hai tính chất này cùng tồn tại song song. Nói cách khác: Ánh sáng có tính chất lưỡng tính sóng - hạt
Dù tính chất nào của ánh sáng thể hiện ra thì ánh sáng vẫn có bản chất điện từ
Sơ đồ tư duy về hiện tượng quang điện. Thuyết lượng tử ánh sáng - Vật lí 12
I. HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN
1.1. Thí nghiệm Hertz
Nhiễm điện âm cho tấm kim loại gắn trên tĩnh điện kế [kim tĩnh điện kế mở ra]. Sau đó, chiếu ánh sáng hồ quang vào tấm kim loại đó, điều gì xảy ra?
Khi ánh sáng hồ quang chiếu vào tấm kim loại nhiễm điện âm, kim tĩnh điện kế khép lại chứng tỏ điều gì?
1.2. Hiện tượng quang điện
“Hiện tượng ánh sáng làm bật các êlectron ra khỏi bề mặt kim loại được gọi là hiện tượng quang điện [ngoài]”.
Các electron bị bật ra gọi là “êlectron quang điện” hay “quang êlectron”.
II. ĐỊNH LUẬT VỀ GIỚI HẠN QUANG ĐIỆN
Nếu dùng tấm kính thủy tinh để chắn chùm tia hồ quang chiếu vào tấm kim loại trên thì điều gì sẽ xảy ra? Lưu ý rằng, hồ quang là một nguồn sáng chứa rất nhiều tia tử ngoại [UV], tia tử ngoại thì bị thủy tinh và nước hấp thụ rất mạnh!
Có phải mọi loại ánh sáng đều có thể gây ra được hiện tượng quang điện ở kim loại?
Hồ quang bao gồm nhiều loại ánh sáng: ánh sáng nhìn thấy, tử ngoại, hồng ngoại. Khi chắn chùm hồ quang bằng tấm thủy tinh thì tia tử ngoại trong chùm hồ quang đã bị tấm thủy tinh hấp thụ, còn ánh sáng nhìn thấy và tia hồng ngoại thì dễ dàng xuyên qua. Khi đó, kim tĩnh điện kế ngừng khép lại [hiện tượng quang điện ngưng xảy ra]. Như vậy, ánh sáng nhìn thấy và tia hồng ngoại không thể gây ra hiện tượng quang điện, ánh sáng gây ra hiện tượng quang điện chính là tia tử ngoại!
Vì nên suy ra rằng ánh sáng có bước sóng càng ngắn thì càng có khả năng gây ra hiện tượng quang điện!
- Định luật về giới hạn quang điện:
“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 λ0 , λ0 được gọi là giới hạn quang điện của kim loại đó”.
III. THUYẾT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG [THUYẾT PHOTON]
1. Chùm sáng là một chùm các phôtôn [lượng tử ánh sáng]. Mỗi phôtôn có một năng lượng xác định:
- ε [J]: năng lượng phôtôn hay lượng tử năng lượng.
- h = 6,625.10-34 [J.s]: hằng số Plank [Plăng].
- f [Hz]: tần số ánh sáng.
- λ [m]: bước sóng ánh sáng trong chân không.
- c = 3.108 m/s: tốc độ ánh sáng trong chân không.
Cường độ của chùm sáng tỉ lệ với số phôtôn phát ra trong một giây.
2. Phân tử, nguyên tử, êlectron,… phát xạ hay hấp thụ ánh sáng cũng có nghĩa là chúng phát xạ hay hấp thụ phôtôn.
3. Các phôtôn bay dọc theo tia sáng với tốc độ c = 3.108 m/s trong chân không.
- Chú ý, khi ánh sáng truyền đi, năng lượng của phôtôn không thay đổi, không phụ thuộc khoảng cách tới nguồn sáng. Không có phôtôn đứng yên.
IV. CÁC CÔNG THỨC TỪ ĐỊNH LUẬT QUANG ĐIỆN
Khi Electron hấp thu năng lượng của photon ánh sáng, năng lượng này một phần chuyển thành công thoát A của electron ra khỏi bề mặt kim loại và phần còn lại chuyển thành động năng ban đầu K của electron!
4.1. Công thức Einstein [Anh-xtanh]
4.2. Giới hạn quang điện λ0
Vì
nên
Đặt =>
[A là công thoát của electron]
V. LƯỠNG TÍNH SÓNG – HẠT CỦA ÁNH SÁNG
- Hiện tượng nhiễu xạ, giao thoa ánh sáng chứng tỏ ánh sáng có tính chất sóng [sóng điện từ]. Hiện tượng quang điện cho thấy ánh sáng có tính chất hạt [phôtôn]. Vậy, ánh sáng vừa có tính chất sóng, vừa có tính chất hạt [lưỡng tính sóng – hạt].
- Ánh sáng [sóng điện từ] có bước sóng λ càng ngắn [tần số f càng cao] thì tính hạt càng thể hiện rõ hơn tính sóng. Ngược lại, đối với ánh sáng có bước sóng λ càng dài [tần số f càng thấp] thì tính sóng lại thể hiện rõ hơn tính hạt.
Tài liệu đọc thêm:
//www.khanacademy.org/science/physics/quantum-physics/photons/a/photoelectric-effect
VI. BÀI TẬP MẪU
Kim loại đồng có giới hạn quang điện là . Chiếu vào tấm đồng lần lượt các bức xạ có các bước sóng , , .
a] Bức xạ nào gây ra hiện tượng quang điện?
b] Tính công thoát A của electron ra khỏi bề mặt tấm đồng.
c] Tính năng lượng photon của các bức xạ trên.
Hướng dẫn giải:
a] Điều kiện xảy ra quang điện:
Ta có:
- : gây ra hiện tượng quang điện.
- : gây ra hiện tượng quang điện.
- : không gây ra hiện tượng quang điện.
b] Công thoát A của electron ra khỏi đồng
Ta có:
- Đổi đơn vị năng lượng giữa J và eV [êlectron vôn]:
c] Năng lượng photon của các bức xạ:
- Năng lượng photon của bức xạ :
- Năng lượng photon của bức xạ :
- Năng lượng photon của bức xạ :