Bài 30: Hiện tượng quang điện và thuyết lượng tử ánh sáng
Bài 30.HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN.THUYẾT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG
I. Định nghĩa hiện tượng quang điện
Hiện tượng ánh sáng làm bật các electron ra khỏi bề mặt kim loại gọi là hiện tượng quang điện (ngoài).
II. Định luật về giới hạn quang điện
a. Định luật 1 quang điện: Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi bước sóng ánh sáng kích thích
(\(\lambda \)) phải nhỏ hơn bằng giới hạn quang điện (\({\lambda _0}\)) của kim loại đó: \(\lambda \le {\lambda _0}\).
b. Định luật 2 quang điện: Cường độ dòng quang điện bão hòa tỉ lệ thuận với cường độ chùm
sáng kích thích: Cường độ chùm ánh sáng kích thích tăng lên bao nhiêu lần thì cường độ dòng quang
điện tăng bây nhiêu lần và số electron bứt ra khỏi bề mặt kim loại tăng lên bấy nhiêu lần.
c. Định luật 3 quang điện: Động năng ban đầu cực đại của các electron quang điện chỉ phụ thuộc
vào bước sóng ánh sáng kích thích và bản chất của kim loại, không phụ thuộc vào cường độ chùm sáng
kích thích: .
III. Thuyết lượng tử ánh sáng :
- Giả thuyết Plăng
Lượng năng lượng mà mỗi lần nguyên tử hay phân tử hâp thụ hay phát xạ có giá trị hoàn toàn xác địnhvà bằng hf ,trong đó ,f là tần số của ánh sáng bị hấp thụ hay được phát ra, còn h là 1 hằng số.
- Lượng tử năng lượng : \(\varepsilon = hf\)= \[\frac{{h.c}}{\lambda }\]
Với h = 6,625.\({10^{ - 34}}\) (J.s): gọi là hằng số Plăng.
- Thuyết lượng tử ánh sáng
Ánh sáng được tạo bởi các hạt gọi là phôtôn
Với mỗi ánh sáng có tần số f, các phôtôn đều giống nhau. Mỗi phô tôn mang năng lượng bằng hf.
Phôtôn bay với vận tốc c=3.\({10^8}\) m/s dọc theo các tia sáng.
Mỗi lần 1 nguyên tử hay phân tử phát xạ hoặc hấp thụ ánh sáng thì chúng phát ra hay hấp thụ 1 phôtôn.
- Hệ thức Anhxtanh: \[hf = \frac{{hc}}{\lambda } = A + \frac{1}{2}mv_0^2\]
\[A = \frac{{hc}}{{{\lambda _0}}}\] công thoát của kim loại ( J)
\[{W_{d0}} = \frac{1}{2}mv_0^2\]: Động năng ban đầu cực đại của electron quang điện ( J )
- Hiệu điện thế hãm Uh: hiệu điện thế để triệt tiêu hoàn toàn dòng quang điện \[\frac{1}{2}mv_0^2 = e\left| {{U_h}} \right|\]
Hệ thức Anhxtanh: \[hf = \frac{{hc}}{\lambda } = A + e\left| {{U_h}} \right|\]
Lưu ý: Trong một số bài toán người ta lấy Uh > 0 thì đó là độ lớn.
* Xét vật cô lập về điện, có điện thế cực đại VMax và khoảng cách cực đại dMax mà electron chuyển động trong điện trường cản có cường độ E được tính theo công thức:
\(\left| e \right|{V_{M{\rm{ax}}}} = \frac{1}{2}mv_{0M{\rm{ax}}}^2 = \left| e \right|E{d_{M{\rm{ax}}}}\)
*Bán kính quỹ đạo của e trong từ trường đều có vectơ B vuông góc với v: R = \(\frac{{mv}}{{B\left| e \right|}}\)
* Với U là hiệu điện thế giữa anốt và catốt, vA là vận tốc cực đại của electron khi đập vào anốt, vK = v0Max là vận tốc ban đầu cực đại của electron khi rời catốt thì:
\(\left| e \right|U = \frac{1}{2}mv_A^2 - \frac{1}{2}mv_K^2\) ( nếu U dương thì điện trường có tác dụng tăng tốc cho e, nếu U âm thì có tác dụng hãm dòng e)
- Hiệu suất lượng tử: \[H = \frac{{{N_e}}}{{{N_\lambda }}}.100\% \]
+ Cường độ dòng quang điện bão hoà \[{I_{bh}} = {N_e}\left| e \right|\], Ne số electron bứt ra khỏi bề mặt kim loại trong 1 giây
+ Công suất bức xạ của nguồn : \[P = {N_\lambda }\frac{{hc}}{\lambda }\], Nl số phôtôn tới bề mặt kim loại trong 1 giây.
Lưu ý: Hiện tượng quang điện xảy ra khi được chiếu đồng thời nhiều bức xạ thì khi tính các đại lượng: Vận tốc ban đầu cực đại v0Max, hiệu điện thế hãm Uh, điện thế cực đại VMax, … đều được tính ứng với bức xạ có lMin (hoặc fMax)
IV. Lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng :
Ánh sáng vừa có tính chất sóng vừa có tính chất hạt. Vậy ánh sáng có lưỡng tính sóng - hạt.