Luyện thi Vật lí Lớp 12 - Chủ đề 19: Hiện tượng quang điện - Chu Văn Biên

Nội dung text: Luyện thi Vật lí Lớp 12 - Chủ đề 19: Hiện tượng quang điện - Chu Văn Biên

1. Chương 6: LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG Chủ đề 19. HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN A. TÓM TẮT LÍ THUYÉT I− HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN NGOÀI. THUYẾT PHÔTÔN 1. Hiện tượng quang điện a. Thí nghiệm của Héc về hiện tượng quang điện (1887) Gắn một tấm kẽm tích điện âm vào cần của một tĩnh điện kế, kim điện kế lệch đi một góc nào đó. L G Zn Chiếu chùm ánh sáng hồ quang vào tấm kẽm thì góc lệch của kim điện kế giảm đi. Thay kẽm bằng kim loại khác, ta cũng thấy hiện tượng tương tự. Kết luận: Ánh sáng hồ quang đã làm bật êlectron khỏi mặt tấm kẽm. b. Định nghĩa Hiện tượng ánh sáng (hoặc bức xạ điện từ) làm bật các êlectron ra khỏi mặt kim loại gọi là hiện tượng quang điện (ngoài). 2. Định luật về giới hạn quang điện Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi ánh sáng kích thích chiếu vào làm loại có bước sóng nhỏ hơn hoặc bằng bước sóng λ0 . λ0 được gọi là giới hạn quang điện của làm loại đó: λ λ0 (2) Trừ kim loại kiềm và một vài kim loại kiềm thổ có giới hạn quang điện trong miền ánh sáng nhìn thấy, các kim loại thường dùng khác đều có giới hạn quang điện trong miền từ ngoại. Thuyết sóng điện từ về ánh sáng không giải thích được mà chỉ có thể giải thích được bằng thuyết lượng tử. 3. Thuyết lượng tử ánh sáng a. Giả thuyết Plăng Lượng năng lượng mà mỗi làn một nguyên tử hay phân tử hấp thụ hay phát xạ có giá trị hoàn toàn xác định và hằng hf; trong đó f là tần số của ánh sáng bị hấp thụ hay phát ra; còn h là một hằng số. Lượng tử năng lượng: ε = hf, h gọi là hằng số Plăng: h = 6,625.10−34J.s b. Thuyết lượng tử ánh sáng + Ánh sáng được tạo thành bởi các hạt gọi là phôtôn. + Với mỗi ánh sáng đơn sắc có tần số f, các phôtôn đều giống nhau, mỗi phôtôn mang năng lượng bằng hf. + Trong chân không, phôtôn bay với tốc độ c = 3.108m/s dọc theo các tia sáng. + Mỗi lần một nguyên tử hay phân tử phát xạ hay hấp thụ ánh sáng thì chúng phát ra hay hấp thụ một phôtôn. Phôtôn chỉ tồn tại trong trạng thái chuyển động. Không có phôtôn đứng yên. c. Giải thích định luật giới hạn quang điện bằng thuyết lượng tử ánh sáng Anh−xtanh cho rằng, hiện tượng quang điện xảy ra do êlectron trong kim loại hấp thụ phôtôn của ánh sáng kích thích. Phôtôn bị hấp thụ truyền toàn bộ năng lượng của nó cho êlectron. Năng lượng ε này được dùng để. − Cung cấp cho êlectron một công A, gọi là công thoát, để êlectron thẳng được lực liên kết với mạng tinh thể và thoát ra khỏi bề mặt kim loại; − Truyền cho êlectron đó một động năng ban đầu; − Truyền một phần năng lượng cho mạng tinh thể. Nếu êlectron này nằm ngay trên lớp bề mặt kim loại thì nó có thể thoát ra ngay mà không mất năng lượng truyền cho mạng tinh thể. Động năng ban đầu của êlectron này có giá trị cực đại mv2 W 0 max 0d 2 456
2. mv2 Áp dụng định luật hảo toàn năng lượng, ta có: W 0 max 0d 2 c hc * Để hiên tương quang điện xảy ra:  A hay h A   A hc Đặt    0 A 0 4. Lưỡng tính sóng − hạt của ánh sáng * Có nhiều hiện tượng quang học chứng tỏ ánh sáng có tính chất sóng (như giao thoa, nhiễu xạ ); lại cũng có nhiều hiện tượng quang học khác chứng tỏ ánh sáng có tính chất hạt. Điều đó chứng tỏ: Ánh sáng có lưỡng tính sóng − hạt. * Trong mỗi hiện tượng quang học, ánh sáng thường thể hiện rõ một trong hai tính chất trên. Khi tính chất sóng thể hiện rõ, thì tính chất hạt lại mờ nhạt, và ngược lại. Sóng điện từ có bước sóng càng ngắn, phôtôn ứng với nó có năng lượng càng lớn thì tính chất hạt thể hiện càng rõ, như ở hiện tượng quang điện, ở khả năng đâm xuyên, ở tác dụng phát quang , còn tính chất sóng càng mờ nhạt. Trái lại, sóng điện từ có bước sóng càng dài, phôtôn ứng với nó có năng lượng càng nhỏ, thì tính chất sóng lại thể hiện rõ hơn (ở hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ, tán sắc, ), còn tính chất hạt thì mờ nhạt. Lưu ý: + Dù tính chất nào của ánh sáng thể hiện ra thì ánh sáng vẫn có bản chất là sóng điện từ. + Lưỡng tính sóng − hạt được phát hiện đầu tiên ở ánh sáng, về sau lại được phát hiện ở các hạt vi mô, như êlectron, prôtôn, Có thể nói: lưỡng tính sóng − hạt là tính chất tổng quát của mọi vật. Tuy nhiên, với các vật có kích thước thông thường, phép tính cho thấy sóng tương ứng với chúng có bước sóng quá nhỏ, nên tính chất sóng của chúng khó phát hiện ra. II− HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN TRONG 1. Chất quang dẫn và hiện tượng quang điện trong a. Chất quang dẫn Là chất bán dẫn có tính chất cách điện khi không bị chiếu sáng và trở thành dẫn điện khi bị chiếu sáng. b. Hiện tượng quang điện trong Giải thích hiện tượng quang dẫn: Khi không bị chiếu sáng, các electron trong chất quang dẫn liên kết với các nút mạng tinh thể và hầu như không có electron tự do. Khi bị chiếu sáng, mỗi phô tôn của ánh sáng kích thích sẽ truyền toàn bộ năng lượng cho một electron liên kết làm cho electron giải phóng ra khỏi liên kết trở thành electron tự do đồng thời để lại một lỗ trống. Cả electron và lỗ trống đều tham gia vào quá trình dẫn điện nên chất nói trên trở nên dẫn điện tốt. Hiện tượng ánh sáng (hoặc bức xạ điện từ) giải phóng các êlectron liên kết để chúng trở thành các êlectron dẫn đồng thời giải phóng các lỗ trống tự do gọi là hiện tượng quang điện trong. 2. Quang điện trở 4 3 3 4 2 G 1 R 5 6 Người ta phủ len trên đế cách điện (1) (bằng thủy tinh hay bằng chất dẻo) một lớp bán dẫn mỏng (2), bề dày chừng 20  30 µm (như chì sunfua hay cađimi sunfua). Từ hai đầu của lóp bán dẫn, người ta làm các điện cực (3) bằng kim loại và dẫn ra ngoài bằng các dây dẫn (4) ; mạch ngoài nối với điện kế (5), một điện trở tải R và nguồn điện (6). Khi cường độ ánh sáng chiếu vào quang điện 457
3. trở thay đổi, thì cườg độ dòng điện trong mạch cũng thay đổi và hiệu điện thế hai đầu điện trở tải B. cũng thay đổi, phù hợp với sự biến thiên của cường độ ánh sáng. Là một điện trở làm bằng chất quang dẫn. Cấu tạo: 1 sợi dây bằng chất quang dẫn gắn trên một đế cách điện. Điện trở có thể thay đổi từ vài MΩ → vài chục Ω. 3. Pin quang điện a. Khái niệm: Là pin chạy bằng năng lượng ánh sáng. Nó biến đổi trực tiếp quang năng thành điện năng. + Hiệu suất trên dưới 10% b. Cấu tạo: Pin có 1 tấm bán dẫn loại n, bên trên có phủ một lớp mỏng bán dẫn loại p, trên cùng là một lóp kim loại rất mỏng. Dưới cùng là một đế kim loại. Các kim loại này p I E qd đóng vai trò các điện cực trơ. Lớp chặn tx Giữa p và n hình thành một lớp tiếp xúc p − n. Lớp này G ngăn không cho e khuếch tán từ n sang p và lỗ trống khuyếch tán từ p sang n → gọi là lớp chặn. Khi chiếu ánh sáng có  0 sẽ gây ra hiện tượng quang điện trong. Êlectron đi qua lớp chặn xuống bán dẫn n, lỗ trống bị giữ lại → Điện cực kim loại mỏng ở hên nhiễm điện (+) → điện cực (+), còn đế kim loại nhiễm điện (−) → điện cực (−). Suất điện động của pin quang điện từ 0,5 V → 0,8 V. c. Ứng dụng Pin quang điện đã trở thành nguồn cung cấp điện năng cho các vùng sâu, vùng xa ở nước ta, trên các vệ tinh nhân tạo, con tàu vũ trụ, trong các máy đo ánh sáng, máy tính bỏ túi, B. PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC DẠNG TOÁN 1. Bài toán liên quan đến vận dụng các định luật quang điện. 2. Bài toán liên quan đến electron quang điện chuyển động trong điện từ trường. Dạng 1. BÀI TOÁN LIÊN QUAN ĐẾN VẬN DỤNG CÁC ĐỊNH LUẬT QUANG ĐIỆN 1. Sự truyền phôtôn hc Năng lượng phôtôn:  hf .  Gọi N là số phôtôn chiếu vào hay phát ra trong 1 giây thì công suất của chùm sáng: P P P P N N .  hf hc Ví dụ 1: Công suất của một nguồn sáng là P = 2,5 W. Biết nguồn phát ra ánh sáng đơn sắc đơn sắc có bước sóng λ = 0,3 µm. Cho hằng số Plăng 6,625.10 −34 Js và tốc độ ánh sáng trong chân không 3.108 m/s. Số phôtôn phát ra từ nguồn sáng trong một phút là A. 2,26.1020. B. 5,8.1018. C. 3,8.1019. D. 3,8.1018. Hướng dẫn P P P 2,5.0,3.10 6 Số phôtôn phát ra từ nguồn sáng trong 1 giây: N 3,37.108  hf hc 19,875.10 26 Số phôtôn phát ra từ nguồn sáng trong 1 phút: 60.N 60.3,77.1018 2,26.1020 Chọn A. hc Chú ý: Trong công thức  với λ là bước sóng ánh sáng đơn sắc trong chân không.  hc hc Nếu cho bước sóng truyền trong môi trường có chiết suất n là λ’ thì  n ' và    ' 458
4. Ví dụ 2: Một bức xạ hồng ngoại truyền trong môi trường có chiết suất 1,4 thì có bước sóng 3 µm và một bức xạ tử ngoại truyền trong môi trường có chiết suất 1,5 có bước sóng 0,14 µm. Tỉ số năng lượng pho ton 2 và pho ton 1 là A. 24 lần. B. 50 lần. C. 20 lần. D. 230 lần. Hướng dẫn hc hc   n ' n ' 3.1,4 2 2 2 2 1 1 20 Chọn A. hc hc ' 1 n22 0,14.1,5 ' 1 n21 Ví dụ 3: (CĐ−2008) Trong chân không, ánh sáng đỏ có bước sóng 720 nm, ánh sáng tím có bước sóng 400 nm. Cho hai ánh sáng này truyền trong một môi trường trong suốt thì chiết suất tuyệt đối của môi trường đó đối với hai ánh sáng này lần lượt là 1,33 và 1,34. Tỉ số năng lượng của photon đỏ và năng lượng photon tím trong môi trường trên là A. 133/134. B. 5/9. C. 9/5. D. 2/3. Hướng dẫn  hc  400 5 2 1 Chọn B 1  ' d 720 9 Ví dụ 4: Nếu trong một môi trường ta biết được bước sóng của lượng tử bằng λ và năng lượng là e, thì chiết suất tuyệt đối của môi trường đó bằng bao nhiêu? (Biết h là hằng số Plăng, c là tốc độ ánh sáng trong chân không). hc h h h A. n . B. n . C. n D. n  c  c Hướng dẫn Bước sóng truyền trong môi trường có chiết suất n là λ thì bước sóng trong chân không là hc hc hc 0 n nên  n Chọn A. 0 n  Ví dụ 5: (ĐH−2012) Laze A phát ra chùm bức xạ có bước sóng 0,45 µm với công suất 0,8W. Laze B phát ra chùm bức xạ có bước sóng 0,60 µm với công suất 0,6 W. Tỉ số giữa số phôtôn của laze B và số phôtôn của laze A phát ra trong mỗi giây là A. 1. B. 20/9. C. 2. D. 3/4. Hướng dẫn hc N hc P B  N P  P N N B B B B . B 1 Chọn A. hc  PA NA PA A NA A Ví dụ 6: (ĐH−2012) Theo thuyết lượng tử ánh sáng, phát biểu nào sau đây là sai? A. Trong chân không, phôtôn bay với tốc độ c = 3.108 m/s dọc theo các tia sáng. B. Phôtôn của các ánh sáng đơn sắc khác nhau thì mang năng lượng khác nhau. C. Năng lượng của một phôtôn không đổi khi truyền trong chân không. D. Phôtôn tồn tại trong cả trạng thái đứng yên và trạng thái chuyển động. Hướng dẫn Phôtôn chỉ tồn tại trong trạng thái chuyển động. Không có phôtôn đứng yên Chọn D. 459
5. Chú ý: Nếu nguồn sáng phát ra từ O với công suất P (số phô tôn phát ra trong 1 giây là N = P/ε) phân bố đều theo mọi hướng thì số phôtôn đập vào diện tích S đặt cách O một khoảng R là R N P 1 P 1 n S S S. Nếu S có dạng hình tròn bán O 4 R 2  4 R 2 hc 4 R 2 kính r hoặc đường kính d thì S r2 d2 / 4 P 1 d2 Do đó: n . hc 4 R 2 4 Ví dụ 7: Một nguồn sáng có công suất 3,58 W, phát ra ánh sáng tỏa ra đều theo mọi hướng mà mỗi phổ tôn có năng lượng 3,975.10−19 J. Một người quan sát đứng cách nguồn sáng 300 km. Bỏ qua sự hấp thụ ánh sáng bởi khí quyển. Tính số phôtôn lọt vào mắt người quan sát trong mỗi giây. Coi bán kính con ngươi là 2 mm. A. 70. B. 80. C. 90. D. 100 Hướng dẫn N P 1 3,58 n .S r2 .4.10 6 100 Chọn D 4 R 2  4 R 2 3,975.10 19.4 .3000002 Ví dụ 8: Một nguồn sáng có công suất 2,4 W, phát ra ánh sáng có bước sóng 0,6 µm tỏa ra đều theo mọi hướng. Hãy xác định khoảng cách xa nhất người còn trông thấy được nguồn sáng này. Biết rằng mắt còn cảm nhận được ánh sáng khi có ít nhất 100 phôtôn lọt vào mắt trong mỗi giây. Cho hằng số Plăng 6,625.10−34 Js và tốc độ ánh sáng trong chân không 3.108 m/s. Coi đường kính con ngươi vào khoảng 4 mm. Bỏ qua sự hấp thụ ánh sáng bởi khí quyển. A. 470 km. B. 274 km. C. 220 m. D.269km. Hướng dẫn P4 R 2 1 pd2 2,4.0,6.10 6 .0,042 Á dụng: n 100 hc 4 R 2 4 19,875.10 26 4 R 269 km Chọn D Chú ý: Cường độ sáng (I − đơn vị W/m ) là năng lượng được ánh sáng truyền trong một đơn vị thời gian qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền: A J P I P IS N IS. S m2 t s S Ví dụ 9: Ánh sáng đơn sắc với bước sóng 0,39.10 −6 m chiếu vuông góc vào một diện tích 4 cm 2. Cho hằng số Plăng 6,625.10−34 Js và tốc độ ánh sáng trong chân không 3.108 m/s. Nếu cường độ ánh sáng bằng 0,15 (W/m2) thì số photon đập lên diện tích ấy trong một đơn vị thời gian là A. 5.8.1013. B. 1,888.1014. C. 3.118.1014. D. 1.177.1014. Hướng dẫn hc IS 0,15.4.10 4 ,0,39.10 6 IS P N N 1,177.1014 Chọn D.  hc 19,875.10 26 Ví dụ 10: Có hai tia sáng đơn sắc khác nhau (1) và (2) (1) cùng chiếu tới một thấu kính lồi (làm bằng thuỷ tinh) theo A phương song song với trục chính (hình vẽ). Phát biểu nào sau đây là chính xác: O A. Chiết suất của thuỷ tinh đối với ánh sáng ứng với (2) tia sáng (1) lớn hơn chiết suất của thuỷ tinh đối với ánh sáng ứng với tia sáng (2). B. Năng lượng của photon ứng với tia sáng (1) nhỏ hơn năng lượng của photon ứng với tia sáng (2). C. Tiêu điểm chung của thấu kính cho cả hai tia sáng là A. 460
6. D. Ánh sáng ứng với tia sáng (1) có bước sóng ngắn hơn ánh sáng ứng với tia sáng (2). Hướng dẫn Tia 1 hội tụ tại điểm xa thấu kính hơn nên chiết suất của nó bé hơn, tức là bước sóng lớn hơn. Do đó, năng lượng phôtôn nhỏ hơn Chọn B. 2. Điều kiện để xảy ra hiện tượng quang điện Để xảy ra hiện tượng quang điện thì:  0  A. hc  hf  26 hc 19,875.10 Js hc  0 A Ví dụ 1: Công thoát êlectrôn (êlectron) ra khỏi một kim loại là A = 1,88 eV. Biết hằng số Plăng h = 6,625.10−34 J.s, vận tốc ánh sáng trong chân không c = 3.10 8m/s và 1 eV = 1,6.10−19 J. Giới hạn quang điện của kim loại đó là A. 0,33 µm. B. 0,22 µm. C. 0,66. 10−19 µm. D. 0,66 µm. Hướng dẫn hc 19,875.10 26 Cách 1:  0,66.10 6 m Chọn D. 0 A 1,88.1,6.10 19 hc 6,625.10 34.l3.108 1,242.10 6 1,242 Cách 2:  m 0 A A eV .1,6.10 19 A eV A eV 1,242  0,66 m . 0 1,88 Ví dụ 2: Công thoát của một kim loại là 4,5 eV. Trong các bức xạ λ 1 = 0,180 µm; λ2 = 0,440 µm.; λ3 = 0,280 µm; λ4 = 0,210 µm.; λ5 = 0,320 µm., những bức xạ nào gây ra hiện tượng quang điện nếu chiếu vào bề mặt kim loại trên? Cho hằng số Plăng 6,625.10−34 Js, tốc độ ánh sáng trong chân không 3.108 m/s và leV = 1,6.10−19 J. A. λ1, λ4 và λ3. B. λ1 và λ4, C. λ2, λ5 và λ3. D. Không có bức xạ nào. Hướng dẫn hc 19,975.10 26  0,276.10 6 m    Chọn B 0 A 4,5.1,6.10 19 1 4 0 Ví dụ 3: (ĐH−2012) Biết công thoát electron của các kim loại: canxi, kali, bạc và đồng lần lượt là: 2,89 eV; 2,26 eV; 4,78 eV và 4,14 eV. Chiếu ánh sáng có bước sóng 0,33 µm vào bề mặt các kim loại trên. Hiện tượng quang điện không xảy ra với các kim loại nào sau đây? A. Kali và đồng. B. Canxi và bạc. C. Bạc và đồng. D. Kali và canxi. Hướng dẫn hc 19,875.10 26 1eV  x 3,76 eV A A : Gây ra hiện tượng quang điện cho  0,33.10 6 1,6.10 19 Ca K Ca, K và không gây ra hiện tượng quang điện cho Bạc và Đồng Chọn C Ví dụ 4: Trong thí nghiệm Hécxơ, nếu chiếu ánh sáng hồng ngoại vào lá kẽm tích điện âm thì A. điện tích âm của lá kẽm mất đi. B. tấm kẽm sẽ trung hòa về điện. C. điện tích của tấm kẽm không thay đổi. D. tấm kẽm tích điện dương. Hướng dẫn Các kim loại thông thường có giới hạn quang điện ngoài nằm trong vùng tử ngoại (trừ các kim loại kiềm và một vài kiềm thổ nằm trong vùng nhìn thấy). Tia hồng ngoại không gây được hiện tượng quang điện ngoài nên điện tích của tấm kẽm không thay đổi ChọnC. 461
7. Ví dụ 5: Khi chiếu chùm tia tử ngoại liên tục vào tấm kẽm tích điện âm thì thấy tấm kẽm: A. mất dần electron và trở thành mang điện dương. B. mất dần điện tích âm và trở nên trung hòa điện. C. mất dần điện tích dương. D. vẫn tích điện âm. Hướng dẫn Tia tử ngoại làm bứt electron ra khỏi tấm kẽm làm cho tấm kẽm mất dần điện tích âm đến khi tấm kẽm trung hòa điện vẫn chưa dừng lại, electron tiếp tục bị bứt ra làm cho tấm kém tích điện dương Chọn A. 3. Công thức Anhxtanh mv2 * Công thức Anhxtanh:  A W với W 0 max 0d 0d 2 Cường độ dòng quang điện bão hoà: Ibh n e (n là so electron bị bứt ra trong 1 giây). * Vì chương trình cơ bản không học công thức Anhxtanh nên muốn ra đề dạng bài toán này thì phải kèm theo giả thiết “năng lượng phô tôn = công thoát + động năng ban đầu cực đại của electron” hay “động năng ban đầu cực đại của electron = năng lượng phô tôn − công thoát” Ví dụ 1: (CĐ − 2013) Chiếu bức xạ có tần số f vào một kim loại có công thoát A gây ra hiện tượng quang điện. Giả sử một electron hấp thụ phôtôn sử dụng một phần năng lượng làm công thoát, phần còn lại biến thành động năng K của nó. Nếu tần số của bức xạ chiếu tới là 2f thì động năng của electron quang điện đó là A. 2K − A. B. K − A. C. K + A. D. 2K + A. Hướng dẫn hf A K K ' 2hf A 2 A K A 2K A Chọn D. 2hf A K ' Ví dụ 2: Chiếu chùm photon có năng lượng 5,678.10−19 (J) vào tấm kim loại có công thoát 3,975.10−19 (J) thì động năng ban đầu cực đại của electron quang điện là A. 1,703. 10−19 J. B. 17,00. 10 −19 J. C. 0,76. 10−19 J. D. 70,03. 10−19 J. Hướng dẫn 9 19 19 W0d  A 5,678.10 3,975.10 1,703.10 J Chọn A. Ví dụ 3: Chiếu chùm photon có năng lượng 9,9375.10−19 (J) vào tấm kim loại có công thoát 8,24.10−19 (J). Biết động năng cực đại của electron bằng hiệu năng lượng của phôtôn và công thoát, khối lượng của êlectron là 9,1.10−31 kg. Tốc độ cực đại electron khi vừa bứt ra khỏi bề mặt là A. 0,4.106 (m/s). B. 0,8.106 (m/s). C. 0,6.106 (m/s). D. 0,9.10 6 (m/s). Hướng dẫn mv2 2  A 0 max v  A 0,6.106 m / s Chọn C. 2 0 max m Ví dụ 4: (ĐH−2012) Chiếu đồng thời hai bức xạ có bước sóng 0,542 µm và 0,243 µm vào catôt của một tế bào quang điện. Kim loại làm catôt có giói hạn quang điện là 0,500 µm. Biết khối lượng của êlectron là me = 9,1.10−31 kg. Vận tốc ban đầu cực đại của các êlectron quang điện bằng A. 9,61.105 m/s. B. 9,24.105 m/s. C. 2,29.106 m/s. D. l,34.106m/s. Hướng dẫn 2 hc hc mv0 max 2 hc hc 15 v0 max 9,61.10 m / s Chọn A.  0 2 m  0 Ví dụ 5: Cho hằng số Plăng 6,625.10 −34 Js và tốc độ ánh sáng trong chân không 3.1034m/s. Chiếu vào tấm kim loại có công thoát electron là 1,88 eV, ánh sáng bước sóng 0,489 µm. Cho rằng năng lượng mà quang electron hấp thụ một phần dùng để giải phóng nó, phần còn lại hoàn toàn biến thành động năng của nó. Động năng đó bằng 462
8. A. 3,927.10−19 (J). B. 1,056. 10−19 (J). C. 2,715. 10−19 (J). D. 1,128. 10−19 (J). Hướng dẫn hc 6,625.10 34.3.108 W A 1,88.1,6.10 19 1,056.10 19 J Chọn B o max  0,489.10 6 Chú ý: Dựa vào công thức Anhxtanh có thể xây dựng các thí nghiệm để xác định lại các hằng 2 hc mv1 1 hf1 A A eUh1 1 2 số cơ bản như me, h, c, A, λ0, e, Uh. hc mv2  hf A 2 A eU 2 2 h2 2 2 Ví dụ 6: (ĐH−2007) Lần lượt chiếu vào catốt của một tế bào quang điện các bức xạ điện từ gồm bức xạ có bước sóng λ1 = 0,26 µm và bức xạ có bước sóng λ2 = 1,2λ1 thì tốc độ ban đầu cực đại của các êlectrôn quang điện bứt ra từ catốt lần lượt là v 1 và v2 với v2 = 0,75v1. Giói hạn quang điện λ 0 của kim loại làm catốt này là A. 1,00 pm. B. 1,45 fim. C. 0,42 pm. D. 0,90 pm. Hướng dẫn 2 2 hc hc mv1 hc 2 hc 2 mv1 0,75. 0,75 . 0,75 . 1 0 2 1 0 2 hc hc vm2 hc hc 0,752.mv2 2 1 2 0 2 1,21 0 2 13hc hc 0,4375. 0 0,42 um Chọn C. 481 0 4. Tế bào quang điện *Gọi N, n và n’ lần lượt là số phô tôn chiếu vào K trong 1 s, số eclectron bứt ra khỏi K trong 1 s và số electron đến A trong 1s: hc P N. N. n  H N n ' A K Ibh n e hH n ' N I n ' e h n A Trong đó, H gọi là hiệu suất lượng tử và h là phần trăm electron đến được A * Vì chương trình cơ bản không học tế bào quang điện nên khi ra đề dạng bài toán này thì người ra đề thường thay thế cụm từ “tế bào quang điện” bằng cụm từ “hai điện cực kim loại A và K đặt trong chân không được nối kín bằng nguồn điện 1 chiều, chùm sáng chiếu vào K làm bứt elecừon, các electron bay về phía A”. Ví dụ 1: (Dành cho hs học ban nâng cao) Một tế bào quang điện, khi chiếu bức xạ thích hợp và điện áp giữa anot và catot có một giá trị nhất định thì chỉ có 30% quang electron bứt ra khỏi catot đến được anot. Người ta đo được cường độ dòng điện chạy qua tế bào lúc đó là 3 mA. Cường độ dòng quang điện bão hòa là A. 6 mA. B. 1 mA. C. 9 mA. D. 10 mA. Hướng dẫn 30 n ' I' h I 10 mA Chọn D. 100 n Ibh 463
9. Ví dụ 2: Hai tấm kim loại phẳng A và B đặt song song đối diện nhau và được nối kín bằng một ămpe kế. Chiếu chùm bức xạ vào tấm kim loại A, làm bứt các quang electron và chỉ có 25% bay về tấm B. Nếu số chỉ của ampe kế là 1,4 µA thì electron bứt ra khỏi tấm A trong 1 giây là A. 1,25.1012 . B. 35.1011. C. 35.1012. D. 35.1013. Hướng dẫn n ' I I 1,4.10 6 h n 35.1012 Chọn C. n e n e h 1,6.10 19.0,25 Ví dụ 3: (Dành cho hs học ban nâng cao) Khi chiếu bức xạ có bước sóng 0,41 µm vào catốt của một tế bào quang điện, với công suất 3,03 W thì cường độ dòng quang điện bão hoà 2 mA. Hãy xác định hiệu suất lượng tử của tế bào quang điện A. 0,2%. B. 0,3 %. C. 0,02%. D. 0,1%. Hướng dẫn Ibh n e I .hc H bh 0,2% Chọn A. N P e P hc Ví dụ 4: (Dành cho hs học ban nâng cao) Công thoát êlectron của natri là A = 3,968.10−19J. Cho h = 6,625.10−34Js, c = 3.108 m/s. Chiếu chùm bức xạ có bước sóng λ vào tế bào quang điện catốt làm bằng Na thì cường độ dòng quang điện bão hòa là 0,3 µA. Biết rằng cứ hai trăm phôtôn đập vào catốt thì có một êlectron quang điện bứt ra khỏi catot. Công suất chùm bức xạ chiếu vào catốt là 207 µW. Bước sóng λ có giá trị A. 0,3 µm. B. 0,46 µm. C. 0,36 µm. D. 0,4 µm. Hướng dẫn Ibh n e I .hc 0,3.10 6.19,875.10 26 H bh 0,005  0,36 m N P e P 1,6.10 10.207.10 6  hc Ví dụ 5: (Dành cho hs học ban nâng cao) Chiếu chùm bức xạ đơn sắc có bước sóng 0,2 µm thích hợp vào catốt của tế bào quang điện với công suất là 3 mW. Cứ 10000 phôtôn chiếu vào catôt thì có 94 electron bị bứt ra. Biết điện tích êlectrôn, tốc độ ánh sáng trong chân không và hằng số Plăng lần lượt là −1,6.10−19 C, 3.108 m/s và 6,625.10−34 J.s. Nếu cường độ dòng quang điện là 2,25 µA thì có bao nhiêu phần trăm electron đến được anốt. A. 0,9%. B. 30%. C. 50%. D. 19%. Hướng dẫn I I n ' e e Ihc 94 2,25.10 6.19,875.10 26 hH h. N P P e P 10000 1,6.10 19.3.10 3.0,2.10 6  hc h 0,5 50% Chọn C. Ví dụ 6: Hai tấm kim loại phẳng A và B đặt song song đối diện nhau và được nối kín bằng một ămpe kế. Chiếu chùm bức xạ công suất là 3 mW mà mỗi phôtôn có năng lượng 9,9.10−19 (J) vào tấm kim loại A, làm bứt các quang electron. Cứ 10000 phôtôn chiếu vào A thì có 94 electron bị bứt ra và chỉ một số đến được bản B. Nếu số chỉ của ampe kế là 3,375 µA thì có bao nhiêu phần trăm electron không đến được bản B? A. 74%. B. 30%. C. 26%. D. 19%. Hướng dẫn 464
10. I I n ' e e Ihc 94 3,375.10 6.9,9.10 19 hH h. h 0,74 74% N P P e P 10000 1,6.10 19.3.10 3  hc Phần trăm không đến được B là 100% − 74% = 26% Chọn C. 5. Điện thế cực đại của vật dẫn trung hoà đặt cô lập Khi các photon có bước sóng thích hợp (  0 ) chiếu vào điện cực làm bứt các electron ra điện cực và điện cực tích điện dương, do đó điện cực hút các electron quang điện (làm cản trở chuyển động của các electron quang điện). Càng mất nhiều electron, điện tích và do đó điện thế của điện cực càng tăng, lực cản trở lên chuyển động của các electron càng lớn. Khi điện thế của điện cực đạt giá trị cực đại vmax thì trong cùng một đơn vị thời gian có bao nhiêu electron bứt ra khỏi bề mặt do phôtôn cung cấp năng lượng thì có bấy nhiêu electron bị điện cực tích điện dương hút về, và điện thế của điện cực không tăng nữa. Lúc này động năng ban đầu cực đại của electron quang điện bằng thế năng của điện trường, tức là: mv2 e V W 0 max  A eU V U max 01 2 h max h Điện lượng cực đại của vật: Qmax = CVmax. Khi nối vật với đất bằng dây dẫn có điện trở R thì dòng điện cực đại chạy qua:Imax = Vmax/R. Điện lượng cực đại chạy qua điện trở sau thời gian t: qmax = Imaxt. Ví dụ 1: Công thoát êlectrôn của quả cầu kim loại là 2,36 eV. Chiếu ánh sáng kích thích mà photon có năng lượng 4,78 eV vào quả cầu kim loại trên đặt cô lập thì điện thế cực đại của quả cầu là: A. 2,11 V. B. 2,42 V. C. 1,1 V. D. 11 V. Hướng dẫn  A e V 4,78eV 2,36eV e Vmax Vmax 2,42 V Chọn B Ví dụ 2: Chiếu bức xạ điện từ có bước sóng λ vào tấm kim loại có giới hạn quang điện 0,3624 µm (được đặt cô lập và trung hoà điện) thì điện thế cực đại của nó là 3 (V). Cho hằng số Plăng, tốc độ ánh sáng trong chân không và điện tích electron lần lượt là 6,625.10−34 Js, 3.108 (m/s) và −1,6.10−19 (C). Tính bước sóng λ . A. 0,1132 µm. B. 0,1932 µm. C. 0,4932 µm. D. 0,0932 µm. Hướng dẫn hc hc  A e Vmax e Vmax  0,1932 m Chọn B.  0 Ví dụ 3: Chiếu chùm photon có năng lượng 10 eV vào một quả cầu bằng kim loại có công thoát 3 (eV) đặt cô lập và trung hòa về điện. Sau khi chiếu một thời gian quả cầu nối với đất qua một điện trở 2 (Ω.) thì dòng điện cực đại qua điện trở là A. 1,32 A. B. 2,34 A. C. 2,64 A. D. 3,5 A. Hướng dẫn 1 V V U  A 7 V I max 3,5 A Chọn D. max h e R Ví dụ 4: Chiếu đồng thời ba bức xạ có bước sóng lần lượt 0,2 µm, 0,18 µm và 0,25 µm vào một quả cầu kim loại (có công thoát electron là 7,23.10−19 (J) đặt cô lập và trung hòa về điện. Cho hằng số Plăng, tốc độ ánh sáng trong chân không và điện tích electron lần lượt là 6,625.10−34 Js, 3.108 (m/s) và −1,6.10−19 (C). Sau khi chiếu một thời gian điện thế cực đại của quả cầu đạt được là A. 2,38 V. B. 4,07 V. C. 1,69 V. D. 0,69 V. Hướng dẫn Khi chiếu đồng thời nhiều bức xạ thì ta chỉ cần tính phổ tôn có năng lượng lớn nhất, bước sóng nhỏ nhất (λ = 0,18 µm) 465
11. 1 hc Vmax Uh A 2,38 V Chọn A. e  Ví dụ 5: Khi chiếu bức xạ có tần số f1 vào một quả cầu kim loại đặt cô lập và trung hòa về điện thì xảy ra hiện tượng quang điện với điện thế cực đại của quả cầu là V 1 và động năng ban đầu cực đại của electron quang điện đúng bằng công thoát của kim loại. Chiếu tiếp bức xạ có tần số f 2 = f1 + f vào quả cầu này thỉ điện thế cực đại của nó là 5V 1. Hỏi chiếu riêng bức xạ có tần số f vào quả cầu nói trên đang trung hòa về điện thì điện thế cực đại của quả cầu là A. 4V1. B. 2,5V1. C. 2V1. D. 3V1. Hướng dẫn hf1 A e V1 A e V1 Áp dụng công thức:  A e Vmax h f1 f A e 5V1 hf 4 e V1 hf A e Vmax Vmax 3V1 Chọn D. Ví dụ 6: Khi chiếu bức xạ có bước sóng λ1 vào một quả cầu kim loại đặt cô lập và trung hòa về điện thì xảy ra hiện tượng quang điện với điện thế cực đại của quả cầu là V 1 và động năng ban đầu cực đại của electron quang điện đúng bằng nửa công thoát của kim loại. Chiếu tiếp bức xạ có bước sóng λ2 = λ1− λ. vào quả cầu này thì điện thế cực đại của nó là 5V1. Hỏi chiếu riêng bức xạ có bước sóng λ vào quả cầu nói trên đang trung hòa về điện thì điện thế cực đại của quả cầu là A. 4V1. B. 2,5V1. C. 2V1. D. 3,25V1. Hướng dẫn hc 1 hc hcV A e V1 A e V   A e hc   1 A e V2 hc hc A 2 e V1 4hc hc 21  e V1 A e V1 A e V2 21 e V1  4 hc hc 21 A e V e V 2 e V V 3,25V Chọn D.  2  4 1 2 2 1 6. Quãng đường đi được tối đa trong điện trường cản Sau khi bứt ra khỏi bề mặt điện cực electron có một động năng ban đầu cực đại Wođ, nhờ có động năng này mà electron tiếp tục chuyển động. Khi đi trong điện trường cản thì electron mất dần động năng và electron chỉ dừng lại khi mất hết động năng (sau khi đi được quãng đường S). Động năng cực đại ban đầu của electrôn (ε − A) = công của điện trường cản (AC FcS e EsS)  A U ), tức là: S h e EC EC Bây giờ, ta nhớ lại Vmax Uh và S Uh / EC . Viết chung một công thức:  A eUh A e Vmax A e ECS. Ví dụ 1: Một điện cực phẳng làm bằng kim loại có công thoát 3,2.10 −19 (J) được chiếu bởi bức xạ photon có năng lượng 4,8. 10−19 (J). Cho điện tích của electron là −1,6. 10−19 (C). Hỏi electron quang điện có thể rời xa bề mặt một khoảng tối đa bao nhiêu nếu bên ngoài điện cực có một điện trường cản là 5 (V/m). A. 0,2 m. B. 0,4 m. C. 0,1 m. D. 0,3 m. Hướng dẫn 466
12.  A 1,6.10 19  A Wod A e ECS S 19 0,2 m Chọn A. eEcan 1,6.10 .5 Ví dụ 2: Một quả cầu bằng nhôm được chiếu bởi bức xạ tử ngoại có bước sóng 83 nm xảy ra hiện tượng quang điện. Biết giới hạn quang điện của nhôm là 332 nm. Cho hằng số Plăng h = 6.625.10−34J.s, tốc độ ánh sáng trong chân không c = 3.108 m/s. Hỏi electron quang điện có thể rời xa bề mặt một khoảng tối đa bao nhiêu nếu bên ngoài điện cực có một điện trường cản là 7,5 (V/cm). A. 0,018 m. B. 1,5 m. C. 0,2245 m. D. 0,015 m. Hướng dẫn  A hc 1 1  A e ECS S 0,015 m Chọn D eEcan e EC  0 7. Hiện tượng quang điện trong. Quang trở. Pin quang điện Hiện tượng ánh sáng (hoặc bức xạ điện từ) giải phóng các êlectron liên kết để chúng trở thành các êlectron dẫn đồng thời giải phóng các lỗ trống tự do gọi là hiện tượng quang điện trong. Điều kiện để xảy ra hiện tượng quang điện trong:  0  0 E Quang trở khi để trong bóng tối: I 0 r R 0 2 E G 1 Quang trở khi chiếu xáng: I 5 r R UI UI Hiệu suất pin quang điện: H E,r Psang IsangS Ví dụ 1: Một chất bán dẫn có giới hạn quang dẫn là 5 µm. Biết tốc độ ánh sáng trong chân không là 3.108 m/s và hằng số Plank là 6,625.10−34 Js. Tính năng lượng kích hoạt của chất đó. A. 4.10−19J. B. 3,97 eV. C. 0,35 eV. D. 0,25 eV. Hướng dẫn 26 hc 149,875.10 20 A 6 3,97.10 J : 0,25 eV Chọn D. 0 5.10 Ví dụ 2: Một mạch điện gồm một bộ pin có suất điện động 12 V và điện trở trong 4 Ω mắc nối tiếp với quang điện trở. Khi quang trở không được chiếu sáng thì cường độ dòng điện chạy qua mạch chỉ vào khoảng 1,2 µA. Xác định điện trở của quang điện trở ở trong bóng tối. Khi quang trở được chiếu sáng thì cường độ dòng điện trong mạch là 0,5 A. Tính điện trở của quang điện trở lúc được chiếu sáng. Hướng dẫn Điện trở của quang điện trở ở trong bóng tối và khi chiếu sáng lần lượt là: E 6 12 7 I 1,2.10 R 0 10  10 M r R 0 4 R 0 E 12 I 0,5 R 20  r R R 4 Ví dụ 3: Một bộ pin quang điện gồm nhiều pin mắc nối tiếp. Diện tích tổng cộng của các pin là 0,4 m2. Dòng ánh sáng chiếu vào bộ pin có cường độ 1000 W/m 2. Khi cường độ dòng điện mà bộ pin cung cấp cho mạch ngoài là 2,5A thì điện áp đo được hai cực rủa bộ pin là 20 V. Hiệu suất của bộ pin là A. 43,6%. B. 14,25%. C. 12,5%. D. 28,5% Hướng dẫn UI UI 20.2,5 H 0,125 12,5% Chọn C. Psang IsangS 1000.0,4 467