Tài liệu Luyện tập ôn thi lượng tử ánh sáng ppt

+ Hiện tượng ánh sáng làm bật các electron ra khỏi bề mặt kim loại gọi là hiện tượng quang điện ngoài, thường gọi tắt là hiện tượng quang điện.. Nối Ibh anôt A với cực dương của nguồn đ

LỜI NÓI ĐẦU

Nhằm giúp các bạn học sinh và giáo viên ban Khoa Học tự nhiên (THPT) có tài liệu ôn luyện về phần Lượng tử ánh sáng - bộ môn Vật Lý để chuẩn bị cho kỳ thi học kỳ, cuối năm và nhất là kỳ thi Tốt nghệp THPT và kỳ thi tuyển sinh váo các trường Đại học, Cao đẳng Chúng tôi - những tác giả nghệp dư hợp tác với nhau biên soạn tập tài liệu (CÊMINA): Lượng Tử Ánh Sáng

Tập tài liệu này được biên soạn theo chương trình giáo dục Trung Học Phổ Thông, môn Vật Lý 12 Để đáp ứng được sự chặt chẽ của phần Lượng Tử Ánh Sáng, chúng tôi chia nội dung cuốn sách được thành 3 phần

Phần 1: Kiến thức cơ bản và nâng cao

Tóm tắt các kiến thức trong chương trính SGK và một số sách tham khảo với mức độ cần đạt ghi trong chương trình Các kiến thức này rất cần thiết cho việc học sinh ôn tập để làm bài, nhất là các bài thi trắc nghiệm

Phần 2: Các dạng bài tập và phương pháp giải

Nêu ra các dạng bài tập căn bản và nâng cao, hướng dẫn phương pháp giải với

nhiều ví dụ áp dụng cho từng dạng Đây là phần quan trọng bởi các phương pháp giải toán Vật Lý - Lượng Tử Ánh Sáng đếu được chúng tôi nói đến trong phần này

Phần 3: Các bài tập ôn luyện

Phần này bao gồm các bài tập tự luận, trắc nghệm để bạn đọc ôn tập Trong

phần này chúng tôi sẽ tham khảo thêm các đề thi của Bộ GD-ĐT và một số trường

Chúng tôi hi vọng tập tài liệu (CÊMINA) "Vật Lý 12 - Lượng Tử Ánh

Sáng" sẽ là tài liệu thiết thực và bổ ích, giúp cho các bạn học sinh và các thầy cô

giáo, các bậc phụ huynh có điều kiện ôn tập tốt để chuẩn bị cho các kỳ thi của nhà

trường và Bộ GD-ĐT tổ chức sắp tới

Vì thời gian chuẩn bị và thực hiện còn quá ngắn nên tập CÊMINA của

chúng tôi chắc chắn còn mắc phải những thiếu sót Chúng tôi hi vọng sẽ nhận được nhiều lời góp ý xây dựng của quý bạn đọc để tập tài liệu có "chất" hơn

Chúng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy Đinh Anh Tuấn - giáo viên

Trường THPT Đặng Thúc Hứa và tập thể lớp A-k32 Trường THPT Đặng Thúc Hứa - Nghệ An đã tạo điều kiện thuận lợi để tài liệu này được hoàn thành

A TÓM TẮT KIẾN THỨC

VẤN ĐỀ 1 HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN -

THUYẾT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG

1 Khái niệm 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, thường gọi tắt là hiện tượng quang điện

+) Các electron bị bật ra khỏi bề mặt kim loại gọi là quang electron

2 Tế bào quang điện

+) Tế bào quang điện là một bình I

thạch anh đã hút hết không khí (tế bào

quang điện chân không), bên trong có

hai điện cực anôt A và catôt K Nối Ibh

anôt A với cực dương của nguồn điện,

catôt K với cực âm va chiếu vào catôt

chùm sáng có bứơc sóng ngắn thì xảy

ra hiện tượng quang điện và trong mạch

xuất hiện dòng quang điện với cường độ I

+) Khi UAK  U1 thì I giữ giá trị không đổi

Ibh , gọi là cường độ - Uh O Ui UAK

quang điện bão hoà; Ibh tăng tỉ lệ với cường độ

chùm sáng chiếu vào catôt Đặc tuyến vôn-ampe (Hình 1.1)

của tế bào quang điện trên Hình 1.1

3 Các định luật quang điện

a hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi ánh sáng kích thích chiếu vào kim loại có

bước sóng nhỏ hơn hoặc bằng bước sóng λ0 λ0 được gọi là giới hạn quang điện

của kim loại: λ  λ0

b Đối với ánh sáng thích hợp ( có λ  λ0) cường độ dòng quang điện bão hoà tỉ

lệ thuận với với cường độ chùm sáng kích thích

c Động năng ban đầu cực đại của các quang electron không phụ thuộc cường độ

của chùm ánh sáng kích thích mà chỉ phụ thuộc bước sóng của ánh sáng kích thích

và bản chất của kim loại làm catôt

4 Thuyết lượng tử ánh sáng

a Giả thuyết lượng tử năng lượng của Plăng: Lượng năng lượng mà mỗi lần một

nguyên tử hay phân tử hấp thụ hay pháp xạ có các giá trị hoàn toàn xác định, gọi là

lượng tử năng lượng, ký hiệu bằng chữ ε, có giá trị:

ε = hf

trong đó:f là tần số của ánh sáng bị hấp thụ hay được pháp xạ ra,

h là một hằng số gọi là hằng số Plăng

h = 6,625.10-34 (J.s)

b Thuyết phôtôn

+) Chùm ánh sáng là một chùm các phôtôn (các lượng tử ánh sáng) Mỗi phôtôn

có năng lượng xác định ε = hf (f là tần số của sóng ánh sáng đơn sắc tương ứng) Cường độ của chùm sáng tỉ lệ với số phôtôn phát ra trong vòng 1 giây

+) Phân tử, nguyên tử, êlecteron…phát xạ hay hấp thụ ánh sáng, cũng có nghĩa là chúng phát xạ hay hấp thụ phôtôn

+) Các phôtôn bay dọc theo tia sáng với tốc độ ánh sáng Năng lượng của mỗi phôtôn rất nhỏ Một chùm sáng dù yếu cũng chứa rất nhiều phôtôn do rất nhiều nguyên tử, phân tử thoát ra Vì vậy ta nhìn thấy chùm sáng liên tục

5 Công thức Anh- xtanh về hiện tượng quang điện

hf = h

2

2 max 0

mv A

c  

 Giới hạn quang điện : λ0 =

mv

(Uh: độ lớn của hiệu điện thế hãm; e = 1,6.10-19

C; m = 9,1.10-31 kg)

 Hiệu suất của hiệu ứng quang điện (hiệu suất lượng tử)

Số electron bị bật ra từ kim loại

H =

Số phô tôn tới đập vào mặt kim loại

6 Tia Rơn-ghen (tia X)

Bước sóng nhỏ nhất của tia Rơn-ghen phát ra từ ống Rơn-ghen:

λ x = λmin, với λmin =

đ W

U là hiệu điện thế giữa anôt và catôt của ống Rơn-ghen

7 Hiện tượng quang điện trong

Hiện tượng quang điện trong là hiện tượng tạo thành các êlectron và lỗ trống

trong bán dẫn do tác dụng của ánh sáng thích hợp

B CÁC DẠNG BÀI TẬP VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI

Dạng 1: Xác định các đại l-ợng đặc tr-ng của hiện

2

1

mv eU

U

 CHÚ í: Đơn vị năng lượng thường dựng là electron-vụn (eV)

1eV = 1,6.10-19 J

Vớ dụ 1.1: Tớnh năng lượng, động lượng và khối lượng của photụn ứng với cỏc bức

xạ điện từ sau đõy:

a) Bức xạ đỏ cú λ = 0,76 μm

10 3 10 625 ,

6

8 34

a Tính giới hạn quang điện của đồng

b Chiếu đồng thời 2 bức xạ điện từ có bước sóng λ1 = 0,210 (μm) và

λ2 = 0,320 (μm) vào catot của tế bào quang điện trên, phải đặt hiệu

thế hãm bằng bao nhiêu để triệt tiêu dòng quang điện

10 3 10 625 , 6

19

8 34

λ1 < λ0 < λ2 do đó chỉ có λ1 gâyra hiện tượng quang điện

Điều kiện để dòng quang điện triệt tiêu hoàn toàn:

max

đ h

U

) ( 446 , 1 1

max

V A

hc e e

Ví dụ 1.3: Công thoát của êlectron đối với đồng là 4,47 eV

a Khi chiếu bức xạ có bước sóng λ = 0,14 (μm) vào một quả cầu bằng đồng cách li với vật khác thì tích điện đến hiệu điện thế cực đại là bao nhiêu ?

b Khi chiếu bức xạ có bước sóng λ' vào quả cầu bằng đòng cách ly cới các vật khác thì quả cầu đạt hiệu điện thế cực đại 3 (V) Tính λ' và vận tốc ban đầu của

các êlectron quang điện

Cho biết : h = 6,626.10-34- (J.s) ; c = 3.108 (m/s) ; me = 9,1.19-31 (kg)

Hướng dẫn

a Điện thế cực đại Vmax của quả cầu bằng đồng

Khi chiếu bức xạ có bước sóng λ đến quả

cầu bằng đồng cách ly với các vật khác,

các êlectron quang điện được bứt ra khỏi

quả cầu, điện tích dương của quả cầu tăng

dần nên điện thế V của quả cầu

tăng dần ( Hình 1.2)

Điện thế V đạt giá trị cực đại khi các

êlectron quang điện bứt ra khỏi quả

cầu đều bị điện trường kéo trở lại + +

Định lý động năng : + + v0

2 0

2

1

eV A

hc hay eV





 Hình 1.2

b Tính λ' và v'0

0 ' max

 Công suất của nguồn : P = nλ.ε

(nλ là số photon tương ứng với bức xạ λ phát ra trong 1 giây)

 Cường độ dòng điện bão hoà : Ibh = ne.e

( ne là số electron quang điện từ catot đến anot trong 1 giây)

 Hiệu suất quang điện : H =



n

n e

Ví dụ 1.4: Kim loại làm catot của tế bào quang điện có giới hạn quang điện 0,32

(μm) Chiếu ánh sáng có bước sóng 0,25 (μm) vào catot của tế bào quang điện trên Cho biết : h = 6,625.10-34 (J.s) ; c = 3.108 (m/s) ; me = 9,1.10-31 (kg) ;

-e = -1,6.10-19 (C)

a) Tính vận tốc ban đầu cực đại của electron quang điện

b) Biết rằng các electron thoát ra đều bị hút về anot, cường độ dòng quang điện bão hoà bằng 0,7 mA Tính số electron thoát ra khỏi catot tronh mỗi giây

Hướng dẫn

max 0

2

1

mv U

A hc

eU A hc

h h

h

h

10 433 , 6 1 1

)

1 2

1 2

2 2

Ví dụ 1.5: Công thoát của êlectron đối với Natri là 2,48 (eV) Catot của tế bào

quang điện làm bằng Natri được chiếu sáng bởi bức xạ có bước sóng λ= 0,36 (μm) thì có dòng quang điện bão hoà Ibh = 50 (mA)

Cho biết : h = 6,625.10-34 (J.s) ; c = 3.10 (m/s) ; me = 9,1.10-31 (kg) ;

- e = - 1,6.10-19 (C)

a) Tính giới hạn quang điện của Natri

b) Tính vận tốc ban đầu cực đại của êlectron quang điện

c) Hiệu suất quang điện bằng 60%, tính công suất của nguồn bức xạ chiếu vào catôt

max 0

2

1

mv eU

U

Ví dụ 1.6: Khi chiếu một chùm sáng vào một kim loại thì có hiện tượng quang

điện xảy ra Nếu dùng hiệu điện thế hãm bằng 3 (V) thì các êlectron quang điện bị giữ lại không bay sang anot được Cho biết giới hạn quang điện của kim loại đó là :

2

1

mv eU

U

e AK  h 

max 0

eU h

 Thay số, ta được :

) ( 10 245 , 13 10

5 , 0

10 3 10

625 , 6

3 10 6 ,

6 8 34

19

Hz

Ví dụ 1.7: Chiếu bức xạ có bước sóng 0,35 (μm) vào một kim loại, các êlectron

kim quang điện bắn ra đều bị giữ lại bởi một hiệu điện thế hãm Khi thay chùm

bức xạ có bước sóng giảm 0,05 (μm) thì hiệu điện thế hãm tăng 0,59 (V) Tính điện tích của êlectron quang điện

eU A hc

h h

eU A hc

h h

1

eV U

U e hc

Min

 Công của lực điện :

2

1

mv v

e 

Ví dụ 1.9: Trong một ống Rơn-ghen Biết hiệu điện thế giữa anôt va catôt là

U = 2.106 (V) Hãy tìm bước sóng nhỏ nhất λmin của tia Rơn- ghen do ống phát ra?

λmin = 0 , 62 10 ( ) 0 , 62 ( )

10 3 10 6 , 1

10 3 10 625 ,

8 19

8 34

VẤN ĐỀ 2 THUYẾT BO VÀ QUANG PHỔ CỦA HIĐRÔ

A TÓM TẮT KIẾN THỨC

1 Mẫu nguyên tử Bo

 Trạng thái dừng

- Nguyên tử chỉ tồn tại trong những trạng thái có năng lượng xác định

 Bức xạ và hấp thụ năng lượng của nguyên tử

- Khi nguyên tử chuyển từ trạng thái dừng có năng lượng cao Em sang trạng thái dừng có năng lượng thấp En < Em nó phát ra một phôtôn có năng lượng ε = Em - En = hf (f là tần số ánh sáng ứng với phôtôn đó)

- Ngược lại nếu nguyên tử đang ở trạng thái dừng có năng lượng En mà hấp thụ một phôtôn có năng lượng hf đúng bằng Em - En thì nó chuyển sang trạng thái dừng có năng lượng Em > En

Em

Hấp thụ hf phát xạ hf

En

2 Quang phổ vạch của nguyên tử hiđrô

 Quang phổ vạch phát xạ của nguyên tử hiđrô

- Dãy Lai-man có các vạch trong vòng tử ngoại

- Dãy Ban-me có các vạch trong vòng tử ngoại và một số vạch trong miền

ánh sáng thấy được; vạch đỏ (Hα), vạch lam (Hβ), vạch chàm (Hγ), vạch tím (Hδ)

- Dãy Pa-sen có các vạch trong miền hồng ngoại

Dãy Lai-man Dãy Ban-me Dãy Pa-sen

 Mẫu nguyên tử Bo giải thích được quang phổ vạch của nguyên tử Hiđrô

- Dãy Lai-man được tạo thành khi electron chuyển từ các quỹ đạo bên ngoài

 Các hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ… ánh sáng thể hiện bản chất sóng Các hiện tượng quang điện… ánh sáng thể hiện bản chất hạt Vậy ánh sáng có lưỡng tính sóng - hạt

 Tính chất sóng thể hiện rõ với ánh sáng có bước sóng dài, tính chất hạt mờ nhạt

 Tính chất hạt thể hiện rõ với ánh sáng có bước sóng ngắn, tính chất hạt mờ nhạt

B CÁC DẠNG BÀI TẬP VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI

D¹ng 1: MÉu nguyªn tö Bo

 Năng lượng của nguyên tử gồm đọng năng của êlectron cà thế năng

tương tác giữa êlectron và hạt nhân

- Năng lượng của nguyên tử hiđrô :

En = 13,26(eV)

n

n = 1, 2, 3,… ứng với K, L, M…

- Nguyên tử tồn tại lâu dài ở trạng thái cơ bản có mức năng lượng thấp nhất

 Em > En

Ví dụ 2.1: Bán kính quỹ đạo Bo thứ nhất là r1 = 5,3.10-11 m Tính vận tốc v1, động năng, thế năng và năng lượng E1 của êlectron trên quỹ đạo Bo thứ nhất Cho biết êlectron có khối lượng m = 9,1.10-31

1 2

1

2 1

2 1 2

r

v m r

e k r

v m F r

e k F

Suy ra : v1 = e 21 , 85 105( / )

1

s m mr

e  

Năng lượng của êlectron trên quỹ đạo Bo thứ nhất :

W = Wđ + Wt = -13,6 (eV)

Ví dụ 2.2: Nguyên tử hiđrô gồm một hạt nhân và một êlectron quay chung quanh

hạt nhân này Bán kính quỹ đạo dừng thứ nhất là r1 = 5,3.10-11 (m)

a Tính vận tốc và số vòng quay của êlectron trong 1 giây

b Tính vận tốc, động năng, thế năng và năng lượng của êlectron trên quỹ đạo

thứ hai

Cho biết me = 9,1.10-31 (kg) ; -e = -1,6.10-19 (C)

Hướng dẫn

a Tính v1, n1

Lực Cu-lông giữa hạt nhân với êlectron là lực hướng tâm

1

2 1 2

1 2

1

2 1

2 1 2

r

v m r

e k r

v m F

r

e k F

Ta có v1 = r1.2n1 suy ra n1 = 6 , 6 10 ( / )

2

15 1

W2 = Wđ2 + Wt2 = -3,396 (eV)

Ví dụ 2.3: Êlectron trong nguyên tử hiđrô chuyển từ mức năng lượng thứ 3 về mức

năng lượng thứ nhất Tính năng lượng phôtôn phát ra và tần số của phôtôn đó Cho

biết năng lượng của nguyên tử hiđro ở mức năng lượng thứ n là En = -13,26(eV)

1 6 ,







 Chú ý: Khi nguyên tử ở trạng thái kích thích, bước sóng của các dãy :

- Dãy Lai-man ứng với n = 1 và m = 2; 3;…

Vạch đầu của dãy có bước sóng λ21

- Dãy Ban-me ứng với n = 2 và m = 3; 4;…

Vạch đầu của dãy có bước sóng λHα = λ32

- Dãy Pa-sen ứng với n = 3 và m = 4; 5;…

Vạch đầu của dãy có bước sóng λ43

Khi nghiên cứu quang phổ của hiđrô, Ban-me đã lập được công thức tính bước sóng của các vạch quang phổ :

R



Với m, n là những số nguyên dương m > n và R là hằng số Rit-be

Ví dụ 2.4: Trong quang phổ hiđrô, bươc sóng λ (μm) của các vạch quang phổ như

sau:

Vạch thứ nhất của dãy Lai-man λ21 =0,1216

Vạch Hα của dãy Ban-me λHα = 0,6563

Vạch đầu của dãy Pa-sen λ43 = 1,8751

Tính bước sóng của hai vạch quang phổ thứ hai, thứ ba của dãy Lai-man và của vạch Hβ







Dãy Lai-man :

21 32

1 2 2 3 1 3 31

1 1 1

E E hc

E E

suy ra λ31 = 0,1026 (μm)

32 43 42

1 1 1





Ví dụ 2.5: Khi kích thích nguyên tử hiđro ở trạnh thái cơ bản, bán kính quỹ đạo

dừng của êlectron tăng lên 9 lần Tính các bước sóng của các bức xạ mà nguyên tử hiđro có thể phát ra sau đó, biết rằng năng lượng của các trạng thái dừng của

 Dãy Lai-man M

) ( 121 , 0

1

) ( 103 , 0 1

21

1 2 21 31

1 3 31

m hc

E E

m hc

E E

1

32 2

3 32

m hc

Câu 1: Chiếu chùm bức xạ có bước sóng λ = 0,2 (μm) vào một tấm kim loại, các êlectron quang điện bắn racos động năng cực đại bằng 5 (eV) Khi chiếu vào tấm kim loại đó 2 bức xạ có bước sóng λ1 = 1,6 (μm) và λ2 = 0,1 (μm) thì có hiện tượng quang điện xảy ra không ? Nếu có, hãy tính động năng cực đại của các êlectron quang điện bắn ra

Cho h = 6,625.10-34 (J.s) ; c = 3.108 (m/s)

Câu 2: Chiếu một chùm sáng có tần số f = 7.108 (Hz) lần lượt vào hai bản kim loại nhôm và kali Giới hạn quang điện của nhôm là λ01 = 0,36 (μm), của kali là λ02 = 0,55 (μm)

a Tính bước sóng của chùm ánh sáng đó

b Hiện tượng gì sẽ xảy ra khi chiếu chùm ánh sáng đó vào bản nhôm và bản kali Tính vận tốc ban đầu cực đại của êlectron quang điện khi bứt ra khỏi bản kim loại

R

dương, n = 1 cho dãy Lai-man, n = 2 cho dãy Ban-me, m = n +1, n + 2,…

R = 1,09737.107 (m-1) cho hằng số Rit-be Hãy kiểm lại rằng công thức này cho ta tính bước sóng các vạch H α , Hβ , Hγ , Hδ của dãy Ban-me

Câu 4: Lần lượt chiếu hai bức xạ có tần số f1 = 75.1013 (Hz) và

f2 = 39.1013 (Hz) vào bề mặt một tấm kim loại và đo hiệu điện thế hãm

tương ứng là U1 = 2 (V) và U2 = 0,5 (V) Tính hằng số P-lăng

Cho biết : c = 3.108 (m/s) ; e = 1,6.10-19 (C)

Câu 5: Lần lượt chiếu hai bức xạ có tần số f1 = 0,75.1015 (Hz) và f2 =

0,5.1015 (Hz) vào bề mặt của Natri và đo hiệu điện thế hãm tương ứng U1 = 1,05 (V) và U2 = 0,03 (V) Tính công thoát ra của Natri

Cho biết: h = 6,625.10-34 (J.s)

Câu 6: Lần lượt chiếu hai bức xạ có tần số f1 = 9,375.1014 (Hz) và f2 =

5,769.1014 (Hz) vào một tấm kim loại làm catôt của tế bào quang điện, người

ta đo được tỉ số các vận tốc ban đầu của các êlectron quang điện bằng 2

Tính công thoát ra của kim loại đó

Cho biết: h = 6,625.10-34 (J.s)