Chuyên đề Vật lí 12 KNTT Bài 9. Hiệu ứng quang điện và năng lượng của photon có đáp án
8 câu hỏi
Việc áp dụng thuyết lượng tử để giải thích các định luật quang điện đã mang lại giải Nobel cho Einstein năm 1921. Vậy hiệu ứng quang điện là gì và các định luật đó được Einstein giải thích như thế nào?
Theo Einstein, hiệu ứng quang điện xảy ra khi một electron dẫn trong kim loại hấp thụ một photon của bức xạ điện từ kích thích và nhận toàn bộ năng lượng của photon này.
Giải thích các định luật quang điện:
- Định luật 1: Định luật về giới hạn quang điện
Bên trong kim loại có các electron chuyển động tự do, gọi là các electron dẫn. Để thoát ra khỏi bề mặt một tấm kim loại, các electron dẫn cần được cung cấp một năng lượng đủ lớn, gọi là công thoát, để thắng được lực liên kết trong mạng tinh thể.
- Định luật 2: Định luật về cường độ dòng điện bão hòa
Khi xảy ra hiệu ứng quang điện, số quang electron bật khỏi cathode trong một đơn vị thời gian tỉ lệ thuận với số photon đập vào cathode trong một đơn vị thời gian, tức là tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ điện từ kích thích. Vì vậy, khi cường độ của dòng quang điện đạt giá trị bão hòa (tức là khi toàn bộ quang electron bật ra khỏi cathode trong một đơn vị thời gian đều về được anode), giá trị bão hòa này tỉ lệ thuận với cường độ của bức xạ điện từ kích thích.
- Định luật 3: Định luật về động năng ban đầu cực đại của quang electron
Động năng ban đầu cực đại của electron chỉ phụ thuộc vào l của bức xạ điện từ kích thích và công thoát A, tức là bản chất của kim loại.
Góc lệch của kim tĩnh điện kế giảm cho biết điện tích âm của tấm kẽm trong Hình 9.1 tăng hay giảm?
Góc lệch của kim tĩnh điện kế giảm cho biết điện tích âm của tấm kẽm giảm.
Chỉ ra điểm khác biệt giữa thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein và mô hình sóng ánh sáng khi giải thích sự hấp thụ hay phát xạ năng lượng của nguyên tử, phân tử.
Mô hình sóng ánh sáng chỉ ra ánh sáng có tính chất sóng với các dải tần số, bước sóng khác nhau, mang các đặc điểm của sóng cơ như phản xạ, khúc xạ, giao thoa,…
Theo thuyết lượng tự ánh sáng của Einstein thì ánh sáng được cấu tạo từ các hạt photon có năng lượng. Sự phát xạ hay hấp thụ năng lượng của nguyên tử và phân tử không thể giải thích được theo mô hình sóng ánh sáng. Khi photon hấp thụ hay phát xạ năng lượng sẽ có sử nhảy lên các mức năng lượng cao hơn hoặc thấp hơn đồng thời phát xạ hay hấp thụ photon khác.
Hãy ước lượng năng lượng của các photon tương ứng với các bức xạ điện từ cơ bản trong thang sóng điện từ đã học ở Vật lí lớp 11 (sóng vô tuyến, tia hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy, tia tử ngoại, tia X, tia γ).
Sử dụng công thức: \[\varepsilon = hf = \frac{{hc}}{\lambda }\]
| Bước sóng (m) | Tần số (Hz) | Năng lượng (J) |
Sóng vô tuyến | 10-3 - 105 | 3.103 - 3.1011 | 2.10-30 - 2.10-22 |
Tia hồng ngoại | 0,76.10-6 - 10-3 | 3.1011 - 3,9.1014 | 2.10-22 - 2,58.10-19 |
Ánh sáng nhìn thấy | 0,38.10-6 - 0,76.10-6 | 3,9.1014 - 7,9.1014 | 2,28.10-19 - 5,23.10-19 |
Tia tử ngoại | 10-9 - 3,8.10-7 | 7,9.1014 - 3.1017 | 5,23.10-19 - 2.10-16 |
Tia X | 3.10-11 - 3.10-9 | 1017 - 1019 | 6,63.10-17 - 6,63.10-15 |
Tia g | 10-14 - 10-10 | 1018 - 1022 | 6,63.10-16 - 6,63.10-12 |
1. Hãy giải thích tại sao khi sử dụng các loại kính hấp thụ tia tử ngoại trước khi các bức xạ chiếu vào tấm kẽm ở Hình 9.1 thì hiện tượng quang điện không xảy ra.
2. Khi sử dụng bức xạ tử ngoại có bước sóng 320 nm chiếu vào tấm kẽm ở thí nghiệm trong Hình 9.1 thì thấy xuất hiện hiện tượng quang điện. Thí nghiệm này có thể xác định công thoát của electron ở bề mặt tấm kẽm hay không? Hãy giải thích.
1. Nguyên nhân xảy ra hiện tượng quang điện là do tia tử ngoại chiếu vào tấm kẽm làm bật các electron ra khỏi mặt tấm kẽm. Khi sử dụng các loại kính hấp thụ tia tử ngoại, chùm sáng không thể chiếu được đến tấm kẽm nữa nên hiện tượng quang điện không xảy ra.
Hiện tượng này cũng chứng tỏ rằng bức xạ tử ngoại có khả năng gây ra hiện tượng quang điện ở kẽm, còn ánh sáng nhìn thấy thì không.
2. Thí nghiệm này không thể xác định công thoát của electron ở bề mặt tấm kẽm, vì:
- Công thoát (A) là năng lượng đủ lớn để electron thắng được lực liên kết trong mạng tinh thể và thoát ra khỏi bề mặt một kim loại. Công thoát có giá trị khác nhau tùy theo kim loại;
- Năng lượng cung cấp cho electron dẫn đủ để gây ra hiệu ứng quang điện khi: ε=hcλ≥A=hcλ0;A=ε khi λ=λ0.
- Bước sóng l = 320 nm gây ra hiện tượng quang điện, nhưng l có thể lớn hơn l0, nên thí nghiệm này không thể xác định được chính xác công thoát của electron.
Giới hạn quang điện của đồng (Cu) và của kẽm (Zn) lần lượt là 0,3 μm và 0,35 μm. Hãy tính công thoát A của electron khỏi bề mặt các kim loại trên.
Công thoát của đồng là: \[{A_{Cu}} = \frac{{hc}}{{{\lambda _{0Cu}}}} = \frac{{{{6,626.10}^{ - 34}}{{.3.10}^8}}}{{{{0,3.10}^{ - 6}}}} = {6,626.10^{ - 19}}\] (J)
Công thoát của kẽm là: \[{A_{Zn}} = \frac{{hc}}{{{\lambda _{0Zn}}}} = \frac{{{{6,626.10}^{ - 34}}{{.3.10}^8}}}{{{{0,35.10}^{ - 6}}}} = {5,68.10^{ - 19}}\] (J)
Tế bào quang điện chân không có cathode được phủ chất nhạy quang Sb-Ce trong một bộ thí nghiệm khảo sát dòng quang điện. Khi sử dụng ánh sáng màu xanh lam để khảo sát thì ta có hiệu điện thế hãm Uh = 0,8 V. Hãy xác định tốc độ ban đầu cực đại của quang electron.
\[{W_d} = e{U_h} \Rightarrow \frac{1}{2}m{v^2} = e{U_h} \Rightarrow v = \sqrt {\frac{{2e{U_h}}}{m}} = \sqrt {\frac{{{{2.1,6.10}^{ - 19}}.0,8}}{{{{9,1.10}^{ - 31}}}}} = {5,3.10^5}m/s\]
Từ số liệu thực nghiệm thu được, thực hiện các yêu cầu sau:
1. Nhận xét về giới hạn quang điện của chất nhạy quang Sb - Ce.
2. Vẽ đồ thị đường đặc trưng vôn - ampe (tham khảo Bảng 9.3).
3. Xác định U của tế bào quang điện ứng với bước sóng A được khảo sát.
4. Xác định cường độ dòng quang điện bão hoà.
1. Tại I = 0 (khi chưa có dòng điện) có: Uh = - UAK = 0,8 (V) và eUh = A
\[ \Rightarrow e{U_h} = \frac{{hc}}{{{\lambda _0}}} \Rightarrow {\lambda _0} = \frac{{hc}}{{e{U_h}}} = \frac{{{{6,625.10}^{ - 34}}{{.3.10}^8}}}{{{{1,6.10}^{ - 19}}.0,8}} = {1,55.10^{ - 6}}m\]
2.
3. Tại I = 0, Uh = - UAK = 0,8 (V)
4. Cường độ dòng quang điện bão hòa: Ibh = 17,27 (mA).