Lý thuyết và Bài tập Vật lí Lớp 12 - Chủ đề 6: Lượng tử ánh sáng - Chuyên đề 1: Hiện tượng quang điện

Nội dung text: Lý thuyết và Bài tập Vật lí Lớp 12 - Chủ đề 6: Lượng tử ánh sáng - Chuyên đề 1: Hiện tượng quang điện

1. CHỦ ĐỀ 6: LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG CHUYÊN ĐỀ 1: HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN PHẦN 1: LÝ THUYẾT TRỌNG TÂM QUANG ĐIỆN (QUANG – Ánh sáng; ĐIỆN – Điện tử) 1. Hiện tượng quang điện ngoài Định nghĩa: Hiện tượng quang điện ngoài là hiện tượng ánh sáng làm bật các êlectron ra khỏi bề mặt kim loại. Các êlectron này gọi là các quang êlectron. Điều kiện để xảy ra hiện tượng quang điện ngoài: bước sóng của ánh sáng chiếu vào nhỏ hơn hoặc bằng một giá trị  0 nào đó gọi là giới hạn quang điện, đặc trưng cho từng kim loại.  0 Dùng một dây dẫn uốn thành vòng dây rồi nối trở về bản kim loại, nối một điện kế trong mạch thì thấy có dòng điện gọi là dòng quang điện. Tế bào quang điện được cấu tạo gồm 2 điện cực: 1 vòng dây kim loại (gọi là anốt, kí hiệu là A) và một miếng kim loại cần khảo sát (gọi là catốt, kí hiệu là K) Mắc tế bào quang điện vào một nguồn điện một chiều sao cho có thể thay đổi hiệu điện thế giữa hai đầu tế bào quang điện Khi thay đổi giá trị của U thì cường độ dòng quang điện cũng thay đổi. Đặc tuyến vôn-ampe của tế bào quang điện có dạng như hình vẽ bên. Ta thấy Khi U AK Uh thì dòng quang điện bằng 0 ta gọi Uh là hiệu điện thế hãm. Khi U AK U1 thì cường độ dòng quang điện luôn giữ giá trị không đổi I = I bh gọi là cường độ dòng quang điện bão hòa. Ba định luật quang điện 1. Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi ánh sáng Giới hạn quang điện của một số kim loại kích thích chiếu vào kim loại có bước sóng nhỏ hơn Chất Kí hiệu 0 (m) hoặc bằng giới hạn quang điện của kim loại đó. Bạc Ag 0,260 2. Đối với mỗi ánh sáng thích hợp (  0 ), Đồng Cu 0,300 cường độ dòng quang điện bão hòa tỉ lệ thuận với Trang 1
2. cường độ của chùm sáng kích thích. Kẽm Zn 0,350 3. Động năng cực đại của quang êlectron không Nhôm Al 0,360 phụ thuộc vào cường độ chùm sáng kích thích mà chỉ phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng kích thích và Canxi Ca 0,430 bản chất kim loại. Natri Na 0,500 Kali K 0,550 Xesi Cs 0,580 2. Giả thuyết của Plăng Lượng năng lượng mà mỗi lần một nguyên tử hay một phân tử hấp thụ hay phát ra có giá trị hoàn toàn xác định và bằng:  h.f Trong đó: : Lượng tử năng lượng (J) H: hằng số Plăng (J.s) f: Tần số ánh sáng (Hz) Hằng số Plăng được tìm ra bằng thực nghiệm: h 6,625.10 34 J.s 3. Thuyết lượng tử ánh sáng Thuyết lượng tử ánh sáng do Anh-xtanh đề xuất năm 1905 để giải thích các hiện tượng quang điện. - Ánh sáng được tạo thành bởi các hạt gọi là phôtôn. Với mỗi ánh sáng có tần số f, các phôtôn đều giống nhau, mỗi phôtôn đều mang năng lượng hf. - Các phôtôn bay dọc theo tia sáng với tốc độ c 3.108 m / s trong chân không. - Nguyên tử, phân tử, hấp thụ hay phát xạ ánh sáng cũng có nghĩa là chúng phát xạ hay hấp thụ các phôtôn. 4. Lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng Ánh sáng vừa có tính chất sóng, vừa có tính chất hạt, ta nói ánh sáng có lưỡng tính sóng hạt. Tính chất sóng: thể hiện bằng hiện tượng giao thoa, thể hiện khi bước sóng lớn. Tính chất hạt: thể hiện bằng hiện tượng quang điện, thể hiện khi bước sóng nhỏ. 5. Công thức về hiện tượng quang điện Hệ thức Anh-xtanh Ví dụ: Chiếu vào catôt của tế bào quang điện có 1 công thoát bằng 400 nm tia tử ngoại có bước sóng hf A mv2 2 max bằng 300 nm. Tính động năng cực đại của quang Trong đó: êlectron? hf: năng lượng photon chiếu vào Theo hệ thức Anh-xtanh: Trang 2
3. hc c hc hc hc A: Công thoát của kim loại A hf A Wd h. Wd Wd 0  0  0 34 8 34 8 2 6,625.10 .3.10 6,625.10 .3.10 mvmax : Động năng cực đại của quang electron 300.10 9 400.10 9 Liên hệ giữa động năng cực đại và hiệu điện thế 1,66.10 19 J hãm Để triệt tiêu dòng quang điện cần hiệu điện thế hãm 1 2 19 mvmax eUh e 1,6.10 C bằng bao nhiêu? 2 W 1,66.10 19 W e.U U d 1,0375V . d h h e 1,6.10 19 6. Hiện tượng quang điện trong Là hiện tượng tạo thành các êlectron dẫn và lỗ trống trong bán dẫn do tác dụng của ánh sáng thích hợp. Điều kiện: Ánh sáng chiếu vào có bước sóng nhỏ hơn hoặc bằng giới hạn quang điện của chất bán dẫn. Hiện tượng quang dẫn là hiện tượng giảm điện trở suất của chất bán dẫn khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào. Hiện tượng này ứng dụng để làm quang điện trở PHẦN 2: CÁC DẠNG BÀI TẬP Dạng 1: Điều kiện xảy ra hiện tượng quang điện 1. Phương pháp giải Áp dụng điều kiện xảy ra hiện tượng quang điện Ví dụ: Một kim loại có công thoát bằng 3,3.10 19 J. để tính toán các yêu cầu của đề bài. Bước sóng lớn nhất của ánh sáng chiếu vào có thể gây được hiện tượng quang điện là bao nhiêu?  0 Công thoát của kim loại: hc Công thoát: A 34 8 hc hc 6,625.10 .3.10 0 A 0 19 0 A 3,3.10 6.10 7 m 0,6m. 2. Ví dụ minh họa Ví dụ 1: Một kim loại có giới hạn quang điện bằng 400 nm. Công thoát của kim loại này bằng bao nhiêu? A. 2,6eV. B. 3,1eV. C. 3,6eV. D. 4,8eV. Hướng dẫn 34 8 hc 6,625.10 .3.10 19 Công thoát của kim loại tính bởi: A 9 4,97.10 J . 0 400.10 4,97.10 19 Mà: 1eV 1,6.10 19 J A 3,1eV 1,6.10 19 Chọn B Ví dụ 2: Công thoát của một kim loại là 5 eV. Trong các bức xạ 1 0,2m,2 0,25m,3 0,4m , bức xạ nào gây ra được hiện tượng quang điện? Trang 3
4. A. 1 . B. 1 và 2 . C. 2 và 3 . D. Không có bức xạ nào. Hướng dẫn Để xảy ra được hiện tượng quang điện thì bước sóng ánh sáng chiếu vào phải nhỏ hơn hoặc bằng giới hạn quang điện. hc 6,625.10 34.3.108  2,48.10 7 m 0,248m. 0 A 5.1,6.10 19 Để xảy ra hiện tượng quang điện thì:  0  0,248m. Vậy chỉ có bức xạ 1 thỏa mãn điều kiện để xảy ra hiện tượng quang điện. Chọn A Ví dụ 3: Hợp kim tạo bởi ba chất bạc, đồng, kẽm có giới hạn quang điện bằng? A. 0,26m. B. 0,3m. C. 0,35m. D. 0,4m. Hướng dẫn Bạc, đồng, kẽm có giới hạn quang điện lần lượt bằng 0,26m; 0,3m; 0,35m. Suy ra khi chiếu ánh sáng vào hợp kim gồm 3 chất thì khi bước sóng giảm đến 0,35m thì kẽm trong hợp kim xảy ra hiện tượng quang điện. Do đó giới hạn quang điện của hợp kim bằng giới hạn quang điện của kim loại có giới hạn quang điện lớn nhất. Chọn A 3. Bài tập tự luyện Câu 1: Một kim loại có giới hạn quang điện  0 = 0,7m. Hiện tượng quang điện sẽ không xảy ra khi kích thích tấm kim loại đó bằng ánh sáng có bước sóng: A. 0,3m.B. 0,45m.C. 0,6m.D. 0,75m. Câu 2: Một kim loại có giới hạn quang điện  0 = 0,7m. Lần lượt kích thích tấm kim loại bằng ánh sáng có bước sóng  1 = 0,30m,  2 = 0,45m,  3 = 0,60m,  4 = 0,75m. Số ánh sáng sẽ gây ra hiện tượng quang điện là: A. 1.B. 2.C. 3.D. 4. Câu 3: Biết công thoát êlectron của các kim loại canxi, kali, bạc và đồng lần lượt là 2,89 eV; 2,26 eV; 4,78 eV; 4,41 eV. Chiếu ánh sáng có bước sóng 0,33m vào bề mặt các kim loại trên. Hiện tượng quang điện xảy ra với mấy kim loại? A. 1.B. 2.C. 3.D. 4. Đáp án: 1 – D 2 – C 3 - B Dạng 2: Hệ thức Anh-xtanh 1. Phương pháp giải Áp dụng hệ thức Anh-xtanh rồi rút ra đại lượng Ví dụ: Chiếu tia tử ngoại có bước sóng 200 nm vào bài yêu cầu tính rồi thay số và tìm ra. tấm kẽm có giới hạn quang điện bằng 350 nm. Động năng cực đại của các êlectron bật ra bằng bao Trang 4
5. hc hc 1 2 nhiêu? mvmax  0 2 Hướng dẫn Nếu bài cho hiệu điện thế hãm, sử dụng liên hệ: Áp dụng hệ thức Anh-xtanh: 1 2 hc hc hc hc eUh mvmax Wd max Wd max 2  0  0 Bài toán chiếu ánh sáng vào quả cầu cô lập về điện 19 Thay số ta được: Wd max 4,3.10 J thì điện thế cực đại quả cầu đạt được có độ lớn bằng Uh. 2. Ví dụ minh họa Ví dụ 1: Chiếu chùm tia tử ngoại có bước sóng 300 nm vào tế bào quang điện. Biết giới hạn quang điện của kim loại làm catốt bằng 500 nm. Vận tốc cực đại của êlectron bật ra khỏi catốt bằng: A. 5,2.105 m / s. B. 7,63.105 m / s. C. 6,52.105 m / s. D. 6,52.106 m / s. Hướng dẫn Áp dụng hệ thức Anh-xtanh: hc hc 1 2 1 2 hc hc 2hc 1 1 mv mv v  0 2 2  0 m  0 Thay số ta được: 34 8 2.6,625.10 .3.10 1 1 5 v 31 . 9 9 7,63.10 m / s. 9,1.10 300.10 500.10 Chọn B. Ví dụ 2: Chiếu ánh sáng có bước sóng 0,26m vào catốt của một tế bào quang điện thì thấy êlectron bật ra có vận tốc cực đại bằng 5.105 m / s . Giới hạn quang điện của kim loại làm catốt bằng: A. 0,3m. B. 0,4m. C. 0,45m. D. 0,55m. Hướng dẫn Áp dụng hệ thức Anh-xtanh ta có: hc hc 1 hc hc 1 hc mv2 mv2  max max 0 hc 1  0 2 0  2 2 mvmax 0 2 Thay số ta được: 6,625.10 34.3.108 0 34 8 0,3m. 6,625.10 .3.10 1 31 5 2 6 .9,1.10 . 5.10 0,26.10 2 Chọn A. Ví dụ 3: Chiếu ánh sáng cỏ bước sóng thích hợp vào catốt của tế bào quang điện có công thoát 3,1 eV thì thấy êlectron bật ra có vận tốc cực đại bằng 2.105 m/s. Bước sóng ánh sáng chiếu vào là: A. 0,275m. B. 0,305m. C. 0,387m. D. 0,402m. Trang 5
6. Hướng dẫn hc 1 hc Áp dụng hệ thức Anh-xtanh: A mv2  max 1  2 A mv2 2 max 6,625.10 34.3.108 Thay số ta được:  3,87.10 7 0,387m. 1 2 3,1.1,6.10 19 .9,1.10 31. 2.105 2 Chọn C. Ví dụ 4: Chiếu một bức xạ có bước sóng  = 0,3m tới catốt của một tế bào quang điện. Giới hạn quang điện của kim loại dùng làm catốt là  0 = 0,5m. cần phải đặt vào hai đầu anốt và catốt một hiệu điện thế hãm bằng bao nhiêu để triệt tiêu dòng quang điện trong tế bào quang điện? A. 1,50V. B. 1,66V. C. 1,75V. D. 2,01V. Hướng dẫn hc hc 1 2 Theo hệ thức Anh-xtanh ta có: mvmax  0 2 1 Mà động năng liên hệ với hiệu điện thế hãm bởi biểu thức: eU mv2 h 2 max hc hc hc 1 1 Suy ra ta có biểu thức: eUh Uh  0 e  0 6,625.10 34.3.108 1 1 Thay số ta được: Uh 19 . 6 6 1,66V. 1,6.10 0,3.10 0,5.10 Chọn B. Ví dụ 5: Một quả cầu kim loại có giới hạn quang điện 400 nm đặt cô lập. Chiếu chùm tia tử ngoại có bước sóng 200 nm vào quả cầu. Điện thế cực đại mà quả cầu đạt được là A. 2,1V. B. 2,8V. C. 3,1V. D. 4,2V. Hướng dẫn Điện thế cực đại của quả cầu đạt được có độ lớn bằng hiệu điện thế hãm: Vmax Uh Áp dụng hệ thức Anh-xtanh ta có: hc hc 1 2 hc hc 1 1 mvmax e.Vmax Vmax  0 2 0 e  0 Thay số ta được: 6,625.10 34.3.108 1 1 Vmax 19 . 9 9 3,1V. 1,6.10 200.10 400.10 Chọn C. 3. Bài tập tự luyện Câu 1: Chiếu một chùm sáng đơn sắc có bước sóng 0,4m tới một tấm kim loại có giới hạn quang điện là 0,6m. Động năng cực đại của êlectron thoát ra khỏi bề mặt kim loại là A. 1,66.10 19 J. B. 1,79.10 19 J. C. 1,82.10 19 J. D. 2,03.10 19 J. Trang 6
7. Câu 2: Chiếu một chùm sáng đơn sắc tới một tấm kim loại có giới hạn quang điện là 0,7m và gây ra hiện tượng quang điện. Electron bật ra khỏi kim loại có động năng cực đại là 2,13.10 19 J . Bước sóng của chùm sáng kích thích là: A. 0,25m.B. 0,3m.C. 0,35m.D. 0,4m. Câu 3: Chiếu một ánh sáng đơn sắc có bước sóng 0,4m tới một tấm kim loại và gây ra hiện tượng quang điện. Êlectron bật ra khỏi kim loại có động năng cực đại là 9,93.10 20 J . Giới hạn quang điện của tấm kim loại là: A. 0,5m.B. 0,6m.C. 0,7m.D. 0,8m. Câu 4: Catốt của một tế bào quang điện có công thoát là 7,2.10 -19J, bước sóng của ánh sáng kích thích là 0,18m. Để triệt tiêu hoàn toàn dòng quang điện phải đặt vào hai đầu anốt và catốt một hiệu điện thế hãm là: A. 2,39V.B. 2,49V.C. 2,59V.D. 2,69V. Câu 5: Khi chiếu bức xạ có bước sóng  1 = 0,4m vào catốt của một tế bào quang điện thì hiệu điện thế hãm là Uh. Khi thay bức xạ trên bằng bức xạ có bước sóng  2 thì hiệu điện thế hãm tăng gấp đôi. Cho giới hạn quang điện kim loại làm catốt là  0 = 0,6m. Bước sóng 2 có giá trị là: A. 0,2m.B. 0,3m.C. 0,4m.D. 0,5m. Đáp án: 1 – A 2 – D 3 – A 4 – A 5 – B PHẦN 3: BÀI TẬP TỔNG HỢP Câu 1: Tron các trường hợp nào dưới đây có thể xảy ra hiện tượng quang điện? Ánh mặt trời chiếu vào A. mái ngói.B. lá cây.C. nước biển.D. tấm kim loại. Câu 2: Giới hạn quang điện của Na là  0 = 0,50m. Công A cần thiết để tách một êlectron ra khỏi lớp kim loại là: A. 3,97.10 20 J. B. 18,86.10 20 J. C. 39,75.10 20 J. D. 198,6.10 20 J. Câu 3: Công thoát của một kim loại là A = 7,64.10 -19J. 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, 3 = 0,35m. Bức xạ nào gây ra hiện tượng quang điện đối với kim loại đỏ? A. Không có bức xạ nào trong ba bức xạ nói trên.B. Cả ba bức xạ. C. Hai bức xạ 1 và 2.D. Chỉ có bức xạ  1. Câu 4: Chiếu một chùm ánh sáng có bước sóng 0,4m vào một tấm kim loại cỏ công thoát 2,1eV. Vận tốc ban đầu cực đại của êlectron quang điện khi bắn ra khỏi bề mặt quang điện là: A. 4,02.105 m / s. B. 4,84.105 m / s. C. 5,93.105 m / s. D. 6,22.105 m / s. Câu 5: Chiếu một chùm ánh sáng có bước sóng 0,3m tới một tấm kim loại gây ra hiện tượng quang điện. Vận tốc ban đầu cực đại của êlectron quang điện khi bắn ra khỏi bề mặt quang điện là 6,2.10 5 m/s. Công thoát của tấm kim loại đó là: A. 2,03 eV.B. 3,04 eV.C. 3,64 eV.D. 4,02 eV. Trang 7
8. Câu 6: Khi chiếu bức xạ có tần số f = 2,4.10 15 Hz vào catốt của tế bào quang điện thì êlectron bắn ra đều bị giữ lại bởi hiệu điện thế hãm Uh = 8 V. Giới hạn quang điện của kim loại dùng làm catốt là: A. 0,564m.B. 0,644m.C. 0,698m.D. 0,598m. Câu 7: Khi chiếu bức xạ vào catốt của tế bào quang điện thì có êlectron bắn ra. Người ta cần phải đặt một hiệu điện thế hãm U h = 0,3 V để triệt tiêu dòng quang điện. Động năng cực đại của êlectron bắn ra là: A. 0,15 eV.B. 0,30 eV.C. 0,45 eV.D. 0,60 eV. Câu 8: Một tấm kim loại có công thoát A = 2,3 eV. cần dùng bức xạ có tần số ít nhất là bao nhiêu chiếu tới tấm kim loại để xảy ra hiện tượng quang điện? A. 5,02.1014 Hz. B. 6,32.1014 Hz. C. 5,44.1014 Hz. D. 5,56.1014 Hz. Câu 9: Chiếu một bức xạ có tần số f = 2.10 14 Hz có công suất P = 2,7 W tới một tấm kim loại, số phôtôn đập vào bề mặt kim loại mỗi giây là: A. 1,93.1018. B. 2,04.1019. C. 2,04.1018. D. 2,44.1018. Câu 10: Chiếu vào catốt của một tế bào quang điện các bức xạ có bước sóng  = 0,5m và ’ = 0,3m thì thấy vận tốc ban đầu cực đại của êlectron quang điện gấp đôi nhau. Xác định công thoát của kim loại làm catốt? A. 1,93 eV.B. 6,22 eV.C. 5,63 eV.D. 7,13 eV.  Câu 11: Lần lượt chiếu vào catốt của một tế bào quang điện các bức xạ có bước sóng  0 và 1 2 0  (0 là giới hạn quang điện của kim loại làm catốt). Tỉ số hiệu điện thế hãm tương ứng với các 2 4 bước sóng 1, 2 là: 1 1 A. 2.B. . C. 3.D. . 2 3 Câu 12: Chiếu lần lượt hai bức xạ đơn sắc có bước sóng  1 và 2 vào catốt của tế bào quang điện. Các U êlectron bật ra với vận tốc ban đầu cực đại lần lượt là v và v v 3v . Tỉ số các hiệu điện thế hãm h1 1 2 1 2 U h2 để các dòng quang điện triệt tiêu là: 1 1 A. 3.B. . C. 9.D. . 3 9 Đáp án: 1 – D 2 – C 3 – C 4 – C 5 – B 6 – B 7 – B 8 – D 9 – B 10 - A 11– D 12 - C Trang 8