›
›
›

Bài tập Vật lí Lớp 12 - Chương 6: Lượng tử ánh sáng - Dạng 1: Bài toán sử dụng công thức Anhxtanh về hiện tượng quang điện (Có lời giải)

doc 22 trang xuanthu 29/08/2022 3080
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài tập Vật lí Lớp 12 - Chương 6: Lượng tử ánh sáng - Dạng 1: Bài toán sử dụng công thức Anhxtanh về hiện tượng quang điện (Có lời giải)", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên.

File đính kèm:

  • docbai_tap_vat_li_lop_12_chuong_6_luong_tu_anh_sang_dang_1_bai.doc

Nội dung text: Bài tập Vật lí Lớp 12 - Chương 6: Lượng tử ánh sáng - Dạng 1: Bài toán sử dụng công thức Anhxtanh về hiện tượng quang điện (Có lời giải)

  1. B. CÁC DẠNG BÀI TẬP VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI 1. Bài toán sử dụng công thức Anhxtanh về hiện tượng quang điện 1.1. Phương pháp Để làm bài toán về sử dụng công thức Anhxtanh về hiện tượng quang điện, ta cần nhớ và nắm vững những công thức và kiến thức cơ bản sau. - Năng lượng của phôtôn ánh sáng:  hf hc Trong chân không:   - Công thức Anhxtanh về hiện tượng quang điện: hc 1 hf A mv2  2 0max Trong đó:  : bước sóng ánh sáng kích thích, (m). A: công thoát của kim loại. (J) v0max : Vận tốc ban đầu cực đại của quang electron. m s hc - Giới hạn quang điện:  0 A hc - Công thoát của electron ra khỏi kim loại: A 0 STUDY TIP - Các hằng số: h 6,625.10 34 Js; c 3.108 m s; 31 me 9,1.10 kg; e 1,6.10 19 C - Đổi đơn vị: 1nm 10 9 m; 0 10 1A 10 m; 1eV 1,6.10 9 J; 1MeV 106 eV 1.2. VÍ DỤ MINH HỌA Ví dụ 1: Giới hạn quang điện của kẽm là 0 0,35m . Tính công thoát của êlectron khỏi kẽm? A. 3,549eVB. 3,549MeVC. 5,349eV D. 5,349MeV Lời giải Ví dụ này chỉ đơn thuần sử dụng công thức, và chú ý thay số cho chuẩn đơn vị. Công thoát của e ra khỏi kim loại: Trang 1
  2. 34 8 hc 6,625.10 .3.10 19 A 6 5,67.10 J 3,549eV 0 0,35.10 Đáp án A. Ví dụ 2: Giới hạn quang điện của kim loại dùng làm catot là 0,66m . Tính: a) Công thoát của kim loại dùng làm catot theo đơn vị J và eV. b) Tính động năng cực đại ban đầu và độ lớn vận tốc cực đại của e quang điện khi bứt ra khỏi catot, biết ánh sáng chiếu vào có bước sóng là 0,5m . Lời giải a) Công thoát của kim loại dùng làm catot là: 34 8 hc 6,625.10 .3.10 19 A 6 3,01.10 J 1,88eV 0 0,66.10 b) Theo công thức Anhxtanh về hiện tượng quang điện, động năng ban đầu cực đại của quang e khi bứt ra khỏi catot là: hc hc 1 2 1 2 1 1 20 mv0max mv0max hc 9,63.10 J.  0 2 2  0 Độ lớn vận tốc ban đầu cực đại của quang e là: 34 8 2hc 1 1 2.6,625.10 .3.10 1 1 5 v0max 31 6 4,6.10 me  0 9,1.10 .10 0,5 0,6 Ví dụ 3: Chiếu lần lượt hai bức xạ có bước sóng 1 600nm và 2 0,3m vào một tấm kim loại thì 5 5 nhận được các quang e có vận tốc cực đại lần lượt là v1 2.10 m s và v2 4.10 m s . Chiếu bằng bức xạ có bước sóng 3 0,2m thì vận tốc cực đại của quang điện tử là A. 5.105 m s B. 2 7.105 m s C. 6.105 m s D. 6.105 m s Lời giải Theo công thức Anhxtanh về hiện tượng quang điện, ta có hc 1 2 A mv1  2 1 1 1 1 2 2 hc m v2 v1 1   2 hc 1 2 2 1 A mv  2 2 2 1 1 1 2 2 hc m v3 v1 2 hc 1 2 3 1 2 A mv3 3 2 Lập tỉ số (2) và (1) ta có: 1 1 v2 v2   v2 4.1010 3 1 3 1 3 2 v 2 7.105 m s v2 v2 1 1 16.1010 4.1010 3 2 1 2 1 Trang 2
  3. Đáp án B. Ví dụ 4: Chiếu lần lượt 3 bức xạ đơn sắc có bước sóng theo tỉ lệ 1 : 2 : 3 1: 2 :1,5 vào catôt của một tế bào quang điện thì nhận được các electron quang điện có vận tốc ban đầu cực đại tương ứng và có tỉ lệ v1 : v2 : v3 2 :1: k , với k bằng: 1 1 A. 3 B. C. 2 D. 3 2 Lời giải Theo công thức Anhxtanh về hiện tượng quang điện, ta có: hc mv2 A 4 (1) 2  2 hc mv 2 (1) (2) 3 hc mv 2 2 3 A (2) 3 k 2 2 2 2 2 hc 2 mv k 1 2 (3) (2) k 1 hc 2 mv 6 2 A k (3) 1,5. 2 Đáp án C. 2. Bài toán hiệu điện thế hãm, hiệu điện thế giữa anot và catot trong tế bào quang điện 2.1. Phương pháp Khảo sát hiện tượng quang điện dùng tế bào quang điện. Tế bào quang điện là một bình bằng thạch anh đã hút hết không khí (tế bào quang điện chân không) bên trong có hai điện cực: - Anot: là một vòng dây kim loại. - Catôt: có dạng 1 chỏm cầu bằng kim loại mà ta cần khảo sát. Chiếu ánh sáng có bước sóng thỏa mãn định luật I quang điện vào catôt thì xảy ra hiện tượng quang điện và trong mạch xuất hiện dòng điện gọi là dòng quang điện, tạo nên bởi các electron bị bật ra từ catôt. Gọi hiệu điện thế giữa anot (A) và catôt (K) là UAK - Khi UAK 0 , giữa A và K xuất hiện một điện trường hướng từ A sang K. Điện trường này gây ra lực điện tác dụng lên các electron bứt ra từ K, làm electron di chuyển từ K sang A tạo ra dòng điện. Khi ta tăng UAK thì I tăng. Khi tăng UAK đến một giá trị U1 nào đó thì I không tăng nữa mà có một giá trị xác định. Tức là khi UAK U1 thì cường độ dòng điện không đổi I Ibh .Giá trị Ibh được gọi là cường độ dòng quang điện bão hòa. - Khi UAK 0 , giữa A và K xuất hiện một điện trường hướng từ K sang A. Điện trường này gây ra lực điện tác dụng lên các electron bứt ra từ K, làm cản trở electron đi từ K sang A. Khi ta giảm UAK cho nó càng âm thì độ lớn của nó càng lớn, điện trường càng lớn, lực điện tác dụng lên electron càng lớn làm cản trở electron càng lớn. Trang 3
  4. - Khi UAK giảm đến một giá trị UAK Uh Uh 0 thì cường độ dòng điện bằng không. Tức là khi UAK Uh thì cường độ dòng điện vẫn bằng không. Đây chính là điều kiện để dòng quang điện triệt tiêu. Trong đó Uh được gọi là hiệu điện thế hãm. - Áp dụng định lí biến thiên động năng, ta có: 1 0 mv2 F .d.cos e E.d eU eU 2 0max d AK h Trong đó e 1,6.10 19 C . Từ đó ta suy ra mối liên hệ giữa động năng ban đầu cực đại của quang e và 1 hiệu điện thế hãm là: mv2 eU 2 0max h - Nếu đặt vào hai đầu A và K một hiệu điện thế UAK thì theo định lí biến thiên động năng, ta có: 1 1 mv2 mv2 eU 2 2 0max AK Trong đó v là vận tốc của electron khi đập vào A. 1 Từ đó suy ra: mv2 eU eU e U U 2 h AK h AK - Nếu chiếu một bức xạ điện từ vào một quả cầu kim loại đặt ra xa các vật khác thì quả cầu được tích điện đến điện thế cực đại Vm chính là hiệu điện thế hãm trong tế bào quang điện. 2.2. Ví dụ minh họa Ví dụ 1: Catốt của một tế bào quang điện có công thoát bằng 3,5eV. a) Tìm tần số giới hạn và giới hạn quang điện của kim loại ấy. b) Khi chiếu vào catốt một bức xạ có bước sóng 250 nm có xảy ra hiện tượng quang điện không? c) Tìm hiệu điện thế giữa A và K để dòng quang điện bằng 0. d) Tìm động năng ban đầu cực đại của các êlectron quang điện e) Tìm vận tốc của các êlectron quang điện khi bật ra khỏi K. Lời giải 19 c A 3,5.1,6.10 15 a) Tần số giới hạn quang điện là: f 34 0,845.10 Hz 0 h 6,625.10 hc 6,625.10 34.3.108 Giới hạn quang điện là  3,55.10 7 m 0,355m 0 A 3,5.10 19 Trang 4
  5. b) Vì  250nm 0,250m 0 0,355m nên xảy ra hiện tượng quang điện. 1 c) Để dòng quang điện triệt tiêu thì: mv2 eU 2 0max h 2 34 8 mv0max 1 hc 1 6,625.10 .3.10 19 Uk A 19 8 3,5.1,6.10 1,47V 2e e  1,6.10 25.10 Vậy để dòng quang điện triệt tiêu thì UAK Uh 1,47V d) Động năng ban đầu cực đại 1 2 1 1 34 8 1 1 18 W mv hc 6,625.10 .3.10 8 8 0,235.10 J 2  0 25.10 3,5.10 e) Vận tốc ban đầu cực đại của êlectron 2W 2.0,235.10 18 v 7,19.105 m s 0 m 9,1.10 31 Ví dụ 2: Chiếu một ánh sáng có bước sóng 0,45m vào catot của một tế bào quang điện. Công thoát kim loại làm catot là 2eV. Tìm hiệu điện thế giữa anot và catot để dòng quang điện triệt tiêu? A.UAK 0,76V B. UAK 0,76V C. UAK 0,38V D. UAK 0,38V Lời giải Để triệt tiêu dòng quang điện thì UAK Uh với Uh được xác định bởi 2 mv0max 1 hc Uh A 0,76V 2e e  Đáp án A. Ví dụ 3: Lần lượt chiếu vào catôt của một tế bào quang điện hai bức xạ đơn sắc có bước sóng 1 0,6m và 2 0,5m thì hiệu điện thế hãm khác nhau ba lần. Giới hạn quang điện của kim loại làm catôt là: A.0,745m B. 0,723m C. 0,667m D. 0,689m Lời giải Khi dùng ánh sáng đơn sắc có bước sóng 1 0,6m ta có hc hc 1 2 hc mv0max eUh1 1 0 2 0 Khi dùng ánh sáng đơn sắc có bước sóng 2 0,5m ta có hc hc 1 2 hc mv0max eUh2 2 0 2 0 Vì 2 1 Uh2 Uh1 Uh2 3Uh1 Trang 5
  6. hc hc 3 3 3 eUh1 1 0 3 1 2 2  Từ đó ta có:  1 2 0,667m hc hc    0 3  3 3eU 1 2 0 2 1 h1 2 0 Đáp án C. Ví dụ 4: Catốt của một tế bào trong quang điện có công thoát electron bằng 3,55eV. Người ta lần lượt chiếu vào catốt này các bức xạ có bước sóng 1 0,390m và 2 0,270m . Với bức xạ nào thì hiện tượng quang điện xảy ra? Tính độ lớn của hiệu điện thế hãm trong trường hợp này. Cho vận tốc ánh sáng trong chân không c 3.108 m s , hằng số Plăng h 6,625.10 34 J.s; độ lớn của điện tích của electron e 1,6.10 19 C;1eV 1,6.10 19 J A.Uh 1,05V B. Uh 1,05V C. Uh 0,38V D. Uh 0,38V Lời giải hc hc 6,625.10 34.3.108 Giới hạn quang điện A 0 19 0,350m 0 A 3,55.1,6.10 Ta có 1 0 : không xảy ra hiện tượng quang điện. 2 0 : xảy ra hiện tượng quang điện. 1 2 hc hc Vì eUh mv0max eUh 2 2 0 hc 0 2 Suy ra độ lớn hiệu điện thế hãm: Uh 1,05V e 02 Đáp án B. Ví dụ 5: Catốt của một tế bào quang điện có công thoát electron A = 1,88 eV. Chiếu một chùm sáng có bước sóng  vào catốt này thì hiện tượng quang điện xảy ra. Để triệt tiêu hoàn toàn dòng quang điện thì hiệu điện thế hãm có độ lớn 1,15V. Biết rằng số Plăng h 6,625.10 34 J.s; vận tốc ánh sáng trong chân không c 3.108 m s; độ lớn điện tích của electron e 1,6.10 19 C;1eV 1,6.10 19 J . Tính bước sóng? A.0,41m B. 0,72m C. 0,67m D. 0,28m Lời giải hc 1 Từ công thức Anhxtanh về hiện tượng quang điện A mv2 A eU  2 0max h 34 8 hc 6,625.10 .3.10 6  19 0,41.10 m A eUh 1,88 1,15 .1,6.10 Đáp án A. Ví dụ 6: Khi chiếu bức xạ có bước sóng  0,180m vào katot của một tế bào quang điện thì hiện tượng quang điện xảy ra. Để triệt tiêu hoàn toàn dòng quang điện thì hiệu điện thế hãm có độ lớn 2,124V. Nếu Trang 6
  7. đặt giữa anốt và catốt của tế bào quang điện hiệu điện thế UAK 8V thì động năng cực đại của electron quang điện khi nó tới anốt bằng bao nhiêu? A. 10,124eVB. 5,062eVC. 3,375eV D. 2,696eV Lời giải 1 1 Theo định lí biến thiên động năng, ta có mv2 mv2 eU 2 2 0max AK Trong đó v là vận tốc của electron khi đập vào anốt. Từ đó suy ra động năng của electron khi tới anốt là: 1 mv2 eU eU e U U 10,124eV 2 h AK h AK Đáp án A. Ví dụ 7: Chiếu ánh sáng bước sóng  0,42m vào catốt của một tế bào quang điện có công thoát A 2eV . Để triệt tiêu dòng quang điện thì hiệu điện thế đặt vào giữa anốt và catốt của tế bào quang điện đó phải thỏa mãn điều kiện gì? Biết rằng số Plăng h 6,625.10 34 J.s; vận tốc ánh sáng trong chân không c 3.108 m s ; độ lớn điện tích của electron e 1,6.10 19 C;1eV 1,6.10 19 J A.UAK 0,958V B. UAK 0,958V C. UAK 0,525V D. UAK 0,525V Lời giải Từ công thức Anhxtanh về hiện tượng quang điện: hc 1 hc A eUh Uh A 0,958V  e  Vậy để triệt tiêu dòng quang điện thì UAK 0,958V Đáp án A. Ví dụ 8: Katốt của tế bào quang điện có công thoát l,5eV, được chiếu bởi bức xạ đơn sắc  . Lần lượt đặt vào tế bào, điện áp UAK 3V và UAK 15V , thì thấy vận tốc cực đại của elêctron khi đập vào anốt tăng gấp đôi. Giá trị của  là: A.0,259m B. 0,795m C. 0,497m D. 0,211m Lời giải Theo định lí biến thiên động năng: 1 1 eU mv2 mv2 AK 2 2 0max mv2 3. e U U 1 1 mv2 1 2 AK AK eU mv 2 mv2 4. mv2 AK 2 2 0max 2 2 0max mv2 1 1 Từ đó ta có 4eV . Suy ra mv2 mv2 eU 1eV 2 2 0max 2 AK Bước sóng của ánh sáng dùng trong thí nghiệm là Trang 7
  8. hc 1 hc A mv2 1,5 1 2,5eV  0,497m  2 0max 2,5eV Đáp án C. Ví dụ 9: Một quả cầu bằng đồng (Cu) cô lập về điện được chiếu bởi 1 bức xạ điện từ có  0,14m . Cho giới hạn quang điện của Cu là 0 0,3 m . Tính điện thế cực đại của quả cầu. A. 4,73VB. 2,69VC. – 4,73V D. – 2,69V Lời giải Ban đầu, quả cầu chưa tích điện. Khi chiếu bức xạ có bước sóng  0,14m vào quả cầu thì electron bị bứt ra khỏi bề mặt quả cầu và quả cầu tích điện dương, quả cầu có một điện thế. Số electron bị bứt ra khỏi bề mặt quả cầu ngày càng tăng, điện thế của quả cầu tăng dần và khi điện thế quả cầu đạt đến giá trị Vmax thì các electron vừa mới bị bứt ra thêm lại bị hút trở lại quả cầu, và điện thế của quả cầu không tăng nữa. Vậy giá trị cực đại Vmax của điện thế quả cầu chính là hiệu điện thế hãm trong tế bào quang điện. 1 Do đó ta có: eU eV mv2 h max 2 0max hc 1 1 6,625.10 34.3.108 1 1 Suy ra Vmax 19 6 6 4,73V e  0 1,6.10 0,14.10 0,3.10 Đáp án A. Ví dụ 10: Công thoát electron khỏi đồng là 4,57eV. Chiếu bức xạ có bước sóng  0,14m 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. A.0,38m và 4,1VB. 0,27m và 4,3V C. 0,38m và 4,57VD. 0,27m và 3,5V Lời giải hc 6,625.10 34.3.108 Giới hạn quang điện của đồng là:  0,27.10 6 m 0 A 4,57.1,6.10 19 Lập luận tương tự bài trên, ta có điện thế cực đại hc 1 hc eVmax A Vmax A 4,3V  e  Đáp án B. Ví dụ 11: Công thoát của êlectron đối với đồng là 4,47 eV. a) Tính giới hạn quang điện của đồng? b) Khi chiếu bức xạ có bước sóng  0,14m vào một quả cầu bằng đồng cách li với vật khác thì tích điện đến điện thế cực đại là bao nhiêu? Tính vận tốc ban đầu cực đại của quang electron. c) Khi chiếu bức xạ có bước sóng  vào quả cầu bằng đồng cách ly với các vật khác thì quả cầu đạt điện thế cực đại 3 (V). Tính  và vận tốc ban đầu cực đại của các êlectron quang điện. Trang 8
  9. 34 8 31 Cho biết: h 6,626.10 J.s ;c 3.10 m s ;me 9,1.19 kg Lời giải hc a) Giới hạn quang điện của đồng là:  27.10 9 m 27nm 0 A b) Gọi điện thế cực đại của quả cầu bằng đồng là Vmax hc 1 Theo công thức Anhxtanh về hiện tượng quang điện: A mv2  2 0max Mà điện thế cực đại của vật tính theo công thức: 1 hc mv2 eV A eV 2 0max max  max 34 8 hc 6,625.10 .3.10 19 A 4,47.1,6.10 0,14.10 6 Suy ra V  4,403V max e 1,6.10 19 1 2. e .V 2.1,6.10 19.4,4 mv2 eV v max 1,244.106 m s 2 0max max 0max m 9,1.10 31 1 2.e.V 2.1,6.10 19.4,403 Lại có: mv2 eV v max 1,244.106 m s 2 0max max 0max m 9,1.10 31 hc c) Bước sóng có giá trị là  0,166 m A eVm ax 2eVm ax 6 Vận tốc ban đầu cực đại v0max 1,027.10 m s me Ví dụ 12: Lần lượt chiếu hai bức xạ có bước sóng 1 0,405 m ,2 0,436 m vào bề mặt của một kim loại và đo hiệu điện thế hãm tương ứng Uh1 1,15 V ;Uh2 0,93 V . Cho biết: h 6,625.10 34 J.s ;c 3.108 m s ;e 1,6.10 19 C . Tính công thoát của kim loại đó. A. 1,92eVB. 1,15eVC. 0,93eV D. 2,1eV Lời giải Theo công thức Anhxtanh về hiện tượng quang điện, ta có hc 1 A mv2 A eU  2 0max h hc A eU h1 1 Từ đó ta có hc A eU h2 2 1 1 1 Suy ra công thoát của kim loại là: A hc e Uh1 Uh2 1,92 eV 2 1 2 Trang 9
  10. Đáp án A. Ví dụ 13: Chiếu bức xạ có tần số f1 vào quả cầu kim loại đặt cô lập thì xảy ra hiện tượng quang điện với điện thế cực đại của quả cầu là V1 và động năng ban đầu cực đại của electron quang điện đúng bằng một nửa công thoát của kim loại. Chiếu tiếp bức xạ có tần số f2 f1 f vào quả cầu đó thì điện thế cực đại của quả cầu là 5V1 . Hỏi chiếu riêng bức xạ có tần số f vào quả cầu trên (đang trung hòa về điện) thì điện thế cực đại của quả cầu là: A. 2V1 B. 2,5V1 C. 4V1 D. 3V1 Lời giải 1 1 Chiếu bức xạ có tần số f thì : hf A mv2 A A 1,5A 1 1 2 2 1 Điện thế cực đại là V1 nên ta có: eV W A 1 d0 max 2 Chiếu bức xạ có tần số f2 f1 f thì: hf2 A eV2 A e5V1 A 5.0,5A 3,5A hf1 hf Chiếu bức xạ có tần số f thì hiệu điện thế cực đại của quả cầu là: 1 1 3,5A 1,5A A A V hf A hf hf A max e e 2 1 e e 1 Mà eV A nên suy ra V 2V 1 2 max 1 Đáp án A. Ví dụ 14: Chiếu bức xạ có tần số f1 vào quả cầu kim loại đặt cô lập thì xảy ra hiện tượng quang điện với điện thế cực đại của quả cầu là V1 và động năng ban đầu cực đại của electron quang điện đúng bằng một phần ba công thoát của kim loại. Chiếu tiếp bức xạ có tần số f2 f1 f vào quả cầu kim loại đó thì điện thế cực đại của quả là 7V1 . Hỏi chiếu riêng bức xạ có tần số f vào quả cầu kim loại trên (đang trung hòa điện) thì điện thế cực đại của quả cầu là: A. 2V1 B. 2,5V1 C. 4V1 D. 3V1 Lời giải Tương tự như câu trên. Đáp án D. 3. Bài toán về hiệu suất lượng tử 3.1. Phương pháp P - Số photon nguồn sáng phát ra trong 1 giây là: N  - Số photon tới catốt trong mỗi giây chính bằng số photon mà nguồn phát ra: Trang 10
  11. P P N  hc  Trong đó: P là công suất của chùm sáng chiếu vào catốt.  là năng lượng của mỗi photon có bước sóng  . - Số electron quang điện bứt ra khỏi bề mặt kim loại trong mỗi giây là: I n bh e Trong đó Ibh là cường độ dòng quang điện bão hòa (A). n - Hiệu suất lượng tử xác định bởi: H .100 0 N 0 3.2. Ví dụ minh họa Ví dụ 1: Một ngọn đèn phát ra ánh sáng đơn sắc có  0,6m sẽ phát ra bao nhiêu photon trong 10s nếu công suất đèn là P = 10W. A.3,0189.1020 B.6.1020 C. 3,0189.1016 D. 6,04.1016 Lời giải Số photon phát ra trong 10s giây là P P 10.0,6.10 6 N 10N 10 10 10. 3,0189.1020  hc 6,625.10 34.3.108 Đáp án A. Ví dụ 2: Chiếu một chùm bức xạ vào tế bào quang điện có catot làm bằng Na thì cường độ dòng quang điện bão hòa là 3A . Số electron bị bứt ra khỏi catot trong hai phút là bao nhiêu? A.3,25.1015 B. 2,35.1014 C. 2,25.1015 D. 4,45.1015 Lời giải Số electron bứt ra khỏi catot trong hai phút là: I 3.10 6 120n 120 bh 120. 2,25.1015 (electron) e 1,6.10 19 Đáp án C. Ví dụ 3: Chiếu vào catốt một ánh sáng có bước sóng 0,546 m , thì dòng quang điện bão hoà có giá trị là 2mA. Công suất bức xạ là 1,515 W. Tính hiệu suất lượng tử. A.3%B. 0,3%C. 0,03% D. 30% Lời giải Số photon tới catot trong mỗi giây là P P 1,515.0,546.10 6 N 4,16.1018  hc 6,625.10 34.3.108 Số electron quang điện bứt ra khỏi bề mặt kim loại trong mỗi giây là Trang 11
  12. I 2.10 3 n bh 1,25.1016 e 1,6.10 19 n 1,25.1016 Hiệu suất lượng tử là H 0,3 0 N 4,16.1018 0 Đáp án B. Ví dụ 4: Một tế bào quang điện có catôt làm bằng Asen có công thoát electron bằng 5,15 eV. Chiếu chùm sáng đơn sắc có bước sóng 0,20m vào catôt của tế bào quang điện thì thấy cường độ dòng quang điện bão hòa là 4,5A. Biết công suất chùm bức xạ là 3 mW. Xác định vận tốc cực đại của electron khi nó vừa bị bật ra khỏi catôt và hiệu suất lượng tử. A.0,093%B. 0,95%C. 100% D. 93% Lời giải Động năng ban đầu cực đại của electron là: 2 mv0max hc 2 hc 6 A v0max A 0,6.10 m s 2  m  P P 0,03.0,2.10 6 Số photon tới catot trong mỗi giây là N 3.1016  hc 6,625.10 34.3.108 Số electron quang điện bứt ra khỏi bề mặt kim loại trong mỗi giây là I 4,5.10 6 n bh 2,8.1013 e 1,6.10 19 n Hiệu suất lượng tử là H 0,093 0 N 0 Đáp án A. Ví dụ 5: Nguồn sáng thứ nhất có công suất P1 phát ra ánh sáng đơn sắc có bước sóng 1 450nm . Nguồn sáng thứ hai có công suất P2 phát ra ánh sáng đơn sắc có bước sóng 2 0,60m . Trong cùng một khoảng thời gian, tỉ số giữa số photon mà nguồn thứ nhất phát ra so với số photon mà nguồn thứ hai phát ra là 3:1. Tỉ số P1 và P2 là: 9 4 A. 4B. C. D. 3 4 3 Lời giải P1 N11 P N  N  0,6 Ta có 1 1 1 1 2 3. 4 P2 N22 P2 N22 N21 0,45 Đáp án A. 4. Bài toán về chiếu đồng thời hai bức xạ vào tế bào quang điện Trang 12
  13. Ví dụ 1: Chiếu bức xạ có bước sóng 1 0,25m vào catot của một tế bào quang điện cần một hiệu điện thế hãm U1 3V để triệt tiêu dòng quang điện. Chiếu đồng thời 1 và 2 0,15m thì hiệu điện thế hãm khi đó là bao nhiêu? A. 6,3VB. 3VC. 4,5V D. 6,5V Lời giải Hiệu điện thế hãm phải có giá trị sao cho nó cản trở được tất cả các electron bứt ra từ catot để triệt tiêu dòng quang điện. Phương trình Anhxtanh về hiện tượng quang điện hc A eU h1 1 hc A eU h2 2 Từ đó suy ra rằng bước sóng càng nhỏ thì hiệu điện thế hãm càng lớn. Vì 2 1 nên hiệu điện thế hãm trong bài này là U h2 1 1 hc 1 1 Ta có hc e U U nên U U 6,306V h2 h1 h2 h1 2 1 e 2 1 Đáp án A. Ví dụ 2: Chiếu bức xạ có bước sóng 1 0,276m vào catot của một tế bào quang điện làm bằng nhôm thì hiệu điện thế hãm để triệt tiêu dòng quang điện là 1,05V. Thay bức xạ trên bằng bức xạ 2 0,248m và catot giờ làm bằng đồng thì hiệu điện thế hãm để triệt tiêu dòng quang điện giờ là 0,86V. Vậy khi chiếu đồng thời cả hai bức xạ 1 và 2 vào catot giờ là hợp kim đồng và nhôm thì hiệu điện thế hãm để triệt tiêu dòng quang điện là A. 1,05VB. 1,55VC. 0,86V D. 1,91V Lời giải Phương trình Anhxtanh về hiện tượng quang điện hc hc A eU A eU 5,521.10 19 J Al h1 Al h1 1 1 hc hc A eU A eU 6,638.10 19 J Cu h2 Cu h2 2 2 hc Vì 2 1 nên nếu hiệu điện thế hãm là Uh thì ta có ACu eUh 2 Từ phương trình trên, nếu công thoát càng nhỏ thì Uh càng lớn, mà công thoát của đồng lớn hơn công hc thoát của nhôm, nên ta có: AAl eUh 2 Trang 13
  14. 1 hc Từ đó suy ra Uh AAl 1,55V e 2 Đáp án B. 5. Bài tập rèn luyện kỹ năng Câu 1: Kết quả nào sau đây khi thí nghiệm với tế bào quang điện là không đúng? A. Hiệu điện thế hãm phụ thuộc vào tần số ánh sáng kích thích. B. Khi hiệu điện thế giữa anốt và catốt là UAK 0 vẫn có dòng quang điện. C. Cường độ dòng quang điện bão hòa tỉ lệ thuận với cường độ chùm sáng kích thích. D. Ánh sáng kích thích phải có tần số nhỏ hơn giới hạn quang điện. Câu 2: Khi nói về thuyết lượng tử ánh sáng, phát biểu nào dưới đây là sai? A. Nguyên tử hay phân tử vật chất không hấp thụ hay bức xạ ánh sáng một cách liên tục mà thành từng phần riêng biệt, đứt quãng. B. Khi ánh sáng truyền đi, lượng tử ánh sáng không bị thay đổi và không phụ thuộc khoảng cách tới nguồn sáng. C. Năng lượng của lượng tử ánh sáng đỏ lớn hơn năng lượng của lượng tử ánh sáng tím. D. Mỗi chùm sáng dù rất yếu cũng chứa một số rất lớn lượng tử ánh sáng. Câu 3: Catốt của một tế bào quang điện làm bằng kim loại có giới hạn quang điện là 0 0,825m .  3 Chiếu đồng thời hai bức xạ có bước sóng  0 và  0 vào catốt. Cho 1 2 2 4 h 6,6.10 34 ,c 3.108 m s,e 1,6.10 19 C. Hiệu điện thế hãm để triệt tiêu dòng quang điện là A. 1,5 VB. 2,0 VC. 0,2 V D. 0,5 V Câu 4: Kết nào sau đây khi thí nghiệm với tế bào quang điện không đúng? A. Khi UAK 0 vẫn có thể có dòng quang điện. B. Đối với mỗi kim loại làm catốt, ánh sáng kích thích phải có bước sóng nhỏ hơn hoặc bằng một giới hạn 0 nào đó. C. Hiệu điện thế hãm phụ thuộc vào cường độ chùm ánh sáng kích thích. D. Cường độ dòng quang điện bão hòa tỉ lệ thuận với cường độ chùm sáng kích thích. Câu 5: Giới hạn quang điện của mỗi kim loại là A. bước sóng giới hạn của ánh sáng kích thích có thể gây ra hiện tượng quang điện. B. bước sóng liên kết với quang electron. C. bước sóng của ánh sáng kích thích. D. công thoát electron ở bề mặt kim loại đó. Câu 6: Chọn câu sai. Chiếu ánh sáng có bước sóng thích hợp vào mặt một tấm đồng cô lập về điện. Ta có: A. Khi công của lực điện trường bằng với động năng ban đầu cực đại của các electron quang điện thì không còn electron quang điện bứt ra khỏi quả cầu. B. Quả cầu tích điện dương sẽ tạo một điện trường có tác dụng kéo các electron trở về quả cầu. C. Các phôtôn bứt electron quang điện ra khỏi quả cầu nên quả cầu này tích điện dương. Trang 14
  15. hc hc 19 D. Điện thế V của quả cầu đạt giá trị cực đại Vmax với Vmax (với e 1,6.10 C ) e e0 Câu 7: Chọn câu đúng. A. Khi tăng cường độ của chùm ánh sáng kích thích lên hai lần thì cường độ dòng quang điện tăng lên hai lần. B. Khi giảm bước sóng của chùm sáng kích thích xuống hai lần thì cường độ dòng quang điện tăng lên hai lần. C. Khi tăng bước sóng của chùm sáng kích thích lên hai lần thì cường độ dòng quang điện tăng lên hai lần. D. Khi ánh sáng kích thích gây ra được hiện tượng quang điện, nếu giảm bước sóng của chùm sáng kích thích thì động năng ban đầu cực đại của electron quang điện tăng lên. Câu 8: Lần lượt chiếu vào catốt của tế bào quang điện hai bức xạ 1 0,26m và 2 1,21 thì vận tốc ban đầu cực đại của electron quang điện bứt ra từ catốt lần lượt là với v1 và v2 ;v2 0,75v1 . Giới hạn quang điện của kim loại làm catốt này bằng A. 0,42m B. 0,2m C. 0,86m D. 1,2m Câu 9: Chiếu ánh sáng có bước sóng thích hợp vào catốt của tế bào quang điện: Để triệt tiêu dòng quang điện cần hiệu điện thế hãm Uh . Phát biểu nào sau đây sai? A. khi cường độ chùm ánh sáng kích thích tăng thì Uh ' Uh B. năng lượng phôtôn ánh sáng bằng công thoát của êlectron khỏi kim loại thì Uh 0 C. khi UAK Uh , sẽ không có êlectron nào đến được anốt. D. khi ánh sáng kích thích có bước sóng giảm thì Uh ' Uh Câu 10: Catốt của một tế bào quang điện làm bằng Xêsi là kim lọai có công thoát electron A, được chiếu bởi bức xạ có bước sóng thích hợp. Cho cường độ dòng điện bão hòa Ibh 2A và hiệu suất quang điện H = 0,5%. Cho e 1,6.10 19 C . Số phôtôn tới catốt trong mỗi giây là A. 2,5.1012 phôtonB. 1,25.1015 phôton.C. 12,5.1015 phôton.D. 2,5.1015 phôton Câu 11: Khi nói về thuyết lượng tử ánh sáng, phát biểu nào sau đây là đúng? A. Ánh sáng được tạo bởi các hạt gọi là phôtôn. B. Phôtôn có thể chuyển động hay đứng yên tùy thuộc vào nguồn sáng chuyển động hay đứng yên. C. Năng lượng phôtôn càng nhỏ khi cường độ chùm ánh sáng càng nhỏ. D. Năng lượng của phôtôn càng lớn khi tần số của ánh sáng ứng với phôtôn đó càng nhỏ. Câu 12: Chiếu vào một tế bào quang điện một chùm sáng đơn sắc có bước sóng 0,48m thì có dòng quang điện xuất hiện, khi đó nếu đặt vào hai đầu cực anốt và catốt một hiệu điện thế hãm có độ lớn bằng 1,88 V thì sẽ làm cường độ dòng quang điện triệt tiêu. Công thoát của kim loại làm catốt bằng A. 0,07eVB. 0,707eVC. 70,7eV D. 7,07eV Câu 13: Dòng quang điện bão hòa xảy ra khi A. có bao nhiêu electron bay ra khỏi catốt thì có bấy nhiêu electron bay trở lại catốt. B. tất cả các electron thoát ra khỏi catốt trong mỗi giây đều về anốt. C. số electron bật ra khỏi catốt bằng số phôtôn ánh sáng chiếu vào catốt. Trang 15
  16. D. các electron có vận tốc v0max đều đến anốt. Câu 14: Hiệu điện thế giữa anốt và catốt của ống Rơn-ghen là 20 kV. Cho h 6,625.10 34 Js;c 3.108 m s;e 1,6.10 19 C . Bước sóng nhỏ nhất của tia Rơn-ghen do ống Rơn-ghen phát ra bằng A. 6,21.10 11 m B. 6,625.10 11 m C. 3,456.10 10 m D. 8,25.10 9 m Câu 15: Năng lượng của phôtôn sẽ được dùng A. một nửa để electron thắng lực liên kết trong tinh thể thoát ra ngoài và một nửa biến thành động 1 năng ban đầu cực đại mv2 2 0max B. để electron bù đắp năng lượng do va chạm với các ion và thắng lực liên kết trong tinh thể thoát ra ngoài. C. để electron thắng lực liên kết trong tinh thể thoát ra ngoài, phần còn lại biến thành động năng ban 1 đầu cực đại mv2 2 0max D. để thắng được lực cản của môi trường ngoài, phần còn lại biến thành động năng ban đầu cực đại 1 mv2 2 0max Câu 16: Kim loại dùng làm catốt của một tế bào quang điện có công thoát electron A = 2,2 eV. Chiếu vào catốt một bức xạ có bước sóng  . Muốn triệt tiêu dòng quang điện, người ta phải đặt vào anốt và catốt một hiệu điện thế hãm. Bước sóng có giá trị A.0,477m B. 0,377m C. 0,677m D. 0,577m Câu 17: Dùng ánh sắc đơn sắc có bước sóng 1 chiếu vào catốt của một tế bào quang điện. Khi đặt vào anốt và catốt của tế bào quang điện này hiệu điện thế hãm Uh1 thì dòng quang điện triệt tiêu. Khi dùng ánh sáng đơn sắc có bước sóng 2 thì dòng quang điện triệt tiêu khi hiệu điện thế hãm Uh2 0,25Uh1 . Tỉ v số vận tốc ban đầu cực đại của electron quang điện 0max1 trên hai trường hợp trên là v0max2 A. 0,5B. 2C. 4 D. 2,5 Câu 18: Trong thí nghiệm Hecxơ: chiếu một chùm sáng, phát ra từ một hồ quang vào một tấm kẽm thì thấy các electron bật ra khỏi tấm kim loại. Khi chắn chùm sáng hồ quang bằng tấm thủy tinh dày thì thấy không có electron bật ra nữa, điều này chứng tỏ A. ánh sáng phát ra từ hồ quang có bước sóng nhỏ hơn giới hạn quang điện của kẽm. B. tấm thủy tinh đã hấp thụ tất cả ánh sáng phát ra từ hồ quang. C. tấm kim loại đã tích điện dương và mang điện thế dương. D. chỉ có ánh sáng thích hợp mới gây ra được hiện tượng quang điện. Câu 19: Electron bật ra khỏi kim loại khi có ánh sáng chiếu vào là vì A. ánh sáng đó có bước sóng xác định. B. vận tốc của electron khi đến bề mặt kim lọai lớn hơn vận tốc giới hạn của kim loại đó. C. năng lượng phôtôn lớn hơn công thoát của electron khỏi kim loại đó. D. năng lượng phôtôn ánh sáng đó lớn hơn năng lượng của electron. Trang 16
  17. Câu 20: Công thoát êlectron của một kim loại là 7,64.10 19 J . Chiếu lần lượt vào bề mặt tấm kim loại này các bức xạ có bước sóng là 1 0,18m,2 0,21m và 3 0,35m . Lấy h 6,625.10 34 J.s,c 3.108 m s Bức xạ nào gây được hiện tượng quang điện đối với kim loại đó? A. Cả ba bức xạ. B. Chỉ có bức xạ 1 C. Không có bức xạ nào trong ba bức xạ trên D. Hai bức xạ ( 1 và 2 ) Câu 21: Chiếu ánh sáng có bước sóng thích hợp vào catốt của tế bào quang điện: Để triệt tiêu dòng quang điện cần hiệu điện thế hãm Uh . Phát biểu nào sau đây sai? A. Khi UAK Uh , sẽ không có êlectron nào đến được anốt. B. Khi ánh sáng kích thích có bước sóng giảm thì Uh Uh C. Khi cường độ chùm ánh sáng kích thích tăng thì Uh không đổi. D. Khi Uh 0, năng lượng phôtôn ánh sáng bằng công thoát của electron khỏi kim loại. Câu 22: Khi chiếu bức xạ có bước sóng 1 0,46m vào một tấm kim loại và electron quang điện bật ra với động năng ban đầu cực đại là W . Thay bức xạ trên bởi bức xạ có bước sóng  0,32m thì d0 max 2 electron quang điện bật ra với động năng ban đầu cực đại là 3W . Giới hạn quang điện của kim loại d0 max bằng A.0,45m B. 0,59m C. 0,625m D. 0,485m Câu 23: Chọn câu đúng A. Hiệu điện thế hãm là hiệu điện thế âm cần đặt giữa catốt và anốt của tế bào quang điện để triệt tiêu dòng quang điện. B. Hiệu điện thế hãm là hiệu điện thế âm cần đặt giữa catốt và anốt của tế bào quang điện để vừa đủ triệt tiêu dòng quang điện. C. Hiệu điện thế hãm là hiệu điện thế dương cần đặt giữa catốt và anốt của tế bào quang điện để triệt tiêu dòng quang điện. D. Hiệu điện thế hãm là hiệu điện thế dương cần đặt giữa catốt và anốt của tế bào quang điện để vừa đủ triệt tiêu dòng quang điện. Câu 24: Phát biểu nào sau đây là không đúng? A. Động năng ban đầu cực đại của electron quang điện không phụ thuộc vào cường độ của chùm ánh sáng kích thích. B. Động năng ban đầu cực đại của electron quang điện phụ thuộc vào bản chất kim loại dùng làm catốt. C. Động năng ban đầu cực đại của electron quang điện không phụ thuộc vào bước sóng của chùm ánh sáng kích thích. D. Động năng ban đầu cực đại của electron quang điện phụ thuộc vào bước sóng của chùm ánh sáng kích thích. Câu 25: Chọn câu Đúng. Nếu chiếu một chùm tia hồng ngoại vào tấm kẽm tích điện âm, thì: A. Tấm kẽm mất dần điện tích dương. Trang 17