Đề cương ôn tập Vật lí 12 - Phần 6: Lượng tử ánh sáng

Đề cương ôn tập Vật lí 12 - Phần 6: Lượng tử ánh sáng giúp bạn ôn tập kiến thức về hiện tượng quang điện - thuyết lượng tử ánh sáng, hiện tượng quang điện bên trong, mẫu nguyên tử Bo, hấp thụ và phản xạ lọc lựa ánh sáng – màu sắc các vật. Đồng thời nâng cao kỹ năng giải các bài tập về hiện tượng quang điện ngoài, quang phổ vạch của nguyên tử hyđrô – hiện tượng phát quang,... Mời các bạn cùng tham khảo!

VI. LƯỢNG T  ÁNH SÁNGỬ

A. TÓM T T LÝ THUY TẮ Ế

1. Hi n t ệ ượ ng quang đi n ­ Thuy t l ệ ế ượ ng t  ánh sáng ử

* Hi n t ệ ượ ng quang đi n ệ

Hi n tệ ượng ánh sáng làm b t các electron ra kh i m t kim lo i g i là hi n tậ ỏ ặ ạ ọ ệ ượng quang đi n ngoài (g iệ ọ  

t t là hi n tắ ệ ượng quang đi n).ệ

* Các đ nh lu ị ậ t quang đi n ệ

+ Đ nh lu t quang đi n th  nh t (đ nh lu t v  gi i h n quang đi n): ị ậ ệ ứ ấ ị ậ ề ớ ạ ệ

Đ i v i m i kim lo i ánh sáng kích thích ph i có bố ớ ỗ ạ ả ước sóng   ng n h n hay b ng gi i h n quang đi nắ ơ ằ ớ ạ ệ  

0 c a kim lo i đó, m i gây ra đủ ạ ớ ược hi n tệ ượng quang đi n: ệ     0

+ Đ nh lu t quang đi n th  hai (đ nh lu t v  c ị ậ ệ ứ ị ậ ề ườ ng đ  dòng quang đi n b o hòa): ộ ệ ả

Đ i v i m i ánh sáng thích h p (có ố ớ ỗ ợ     0), cường đ  dòng quang đi n b o hòa t  l  thu n v i cộ ệ ả ỉ ệ ậ ớ ườ  ng

đ  chùm ánh sáng kích thích.ộ

+ Đ nh lu t quang đi n th  ba (đ nh lu t v  đ ng năng c c đ i c a quang electron): ị ậ ệ ứ ị ậ ề ộ ự ạ ủ

Đ ng năng ban đ u c c đ i c a quang electron không ph  thu c vào cộ ầ ự ạ ủ ụ ộ ường đ  c a chùm sáng kíchộ ủ   thích, mà ch  ph  thu c vào bỉ ụ ộ ước sóng ánh sáng kích thích và b n ch t kim lo i.ả ấ ạ

* Thuy t l ế ượ ng t  ánh sáng ử

+ Chùm ánh sáng là m t chùm các phôtôn (các lộ ượng t  ánh sáng). M i phôtôn có năng lử ỗ ượng xác đ nh ị  = 

hf (f là t n s  c a sóng ánh sáng đ n s c tầ ố ủ ơ ắ ương  ng). Cứ ường đ  c a chùm sáng t  l  v i s  phôtôn phát raộ ủ ỉ ệ ớ ố   trong 1 giây

+ Phân t , nguyên t , electron… phát x  hay h p th  ánh sáng, cũng có nghĩa là chúng phát x  hay h p thử ử ạ ấ ụ ạ ấ ụ  phôtôn

+ Các phôtôn bay d c theo tia sáng v i t c đ  c = 3.10ọ ớ ố ộ 8 m/s trong chân không

Năng lượng c a m i phôtôn r t nh  M t chùm sáng dù y u cũng ch a r t nhi u phôtôn do r t nhi uủ ỗ ấ ỏ ộ ế ứ ấ ề ấ ề   nguyên t , phân t  phát ra. Vì v y ta nhìn th y chùm sáng liên t c. ử ử ậ ấ ụ

Phôtôn ch  t n t i trong tr ng thái chuy n đ ng. Không có phôtôn đ ng yên.ỉ ồ ạ ạ ể ộ ứ

* Gi i thích các đ nh lu t quang đi n ả ị ậ ệ

Công th c Anhxtanh v  hi n tứ ề ệ ượng quang đi n: hf = ệ hc= A + 

2

1

mv2 max

0 + Gi i thích đ nh lu t th  nh t: Đ  có hi n tả ị ậ ứ ấ ể ệ ượng quang đi n thì năng lệ ượng c a phôtôn ph i l n h nủ ả ớ ơ  

ho c b ng công thoát: hf = ặ ằ hc   A = 

0

hc

         0; v i ớ 0 = 

A

hc

 chính là gi i h n quang đi n c a kimớ ạ ệ ủ  

lo i.ạ

+ Gi i thích đ nh lu t th  hai: Cả ị ậ ứ ường đ  c a dòng quang đi n b o hòa t  l  thu n v i s  quang electronộ ủ ệ ả ỉ ệ ậ ớ ố  

b t ra kh i catôt trong m t đ n v  th i gian. V i các chùm sáng có kh  năng gây ra hi n tậ ỏ ộ ơ ị ờ ớ ả ệ ượng quang đi n,ệ   thì s  quang electron b  b t ra kh i m t catôt trong m t đ n v  th i gian t  l  thu n v i s  phôtôn đ n đ pố ị ậ ỏ ặ ộ ơ ị ờ ỉ ệ ậ ớ ố ế ậ   vào m t catôt trong th i gian đó. S  phôtôn này t  l  v i cặ ờ ố ỉ ệ ớ ường đ  chùm ánh sáng t i. T  đó suy ra, cộ ớ ừ ườ  ng

đ  c a dòng quang đi n b o hòa t  l  thu n v i cộ ủ ệ ả ỉ ệ ậ ớ ường c a chùm sáng chi u vào catôt.ủ ế

+ Gi i thíc đ nh lu t th  ba: Ta có:ả ị ậ ứ Wđ0max = 

2

1

mv02max = hc ­ A, do đó đ ng năng ban đ u c c đ i c a cácộ ầ ự ạ ủ   quang electron ch  ph  thu c vào bỉ ụ ộ ước sóng c a ánh sáng kích thích và công thoát electron kh i b  m tủ ỏ ề ặ   kim lo i mà không ph  thu c vào cạ ụ ộ ường đ  c a chùm ánh sáng kích thích.ộ ủ

* L ưỡ ng tính sóng ­  h t c a ánh sáng ạ ủ

Ánh sáng v a có tính ch t sóng, v a có tính ch t h t. Ta nói  ánh sáng có lừ ấ ừ ấ ạ ưỡng tính sóng ­ h t.ạ

Trong m i hi n tỗ ệ ượng quang h c, ánh sáng thọ ường th  hi n r  m t trong hai tính ch t trên. Khi tínhể ệ ỏ ộ ấ  

ch t sóng th  hi n r  thì tính ch t h t l i m  nh t, và ngấ ể ệ ỏ ấ ạ ạ ờ ạ ượ ạc l i

Sóng đi n t  có bệ ừ ước sóng càng ng n, phôtôn  ng v i nó có năng lắ ứ ớ ượng càng l n thì tính ch t h t thớ ấ ạ ể 

hi n càng r , nh    hi n tệ ỏ ư ở ệ ượng quang đi n,   kh  năng đâm xuyên, kh  năng phát quang…, còn tính ch tệ ở ả ả ấ   sóng càng m  nh t. Trái l i sóng đi n t  có bờ ạ ạ ệ ừ ước sóng càng dài, phôtôn  ng v i nó có năng lứ ớ ượng càng 

nh , thì tính ch t sóng l i th  hi n r  h n nh    hi n tỏ ấ ạ ể ệ ỏ ơ ư ở ệ ượng giao thoa, nhi u x , tán s c, …, còn tính ch tễ ạ ắ ấ  

h t thì m  nh t.ạ ờ ạ

2. Hi n t ệ ượ ng quang đi n bên trong ệ

* Ch t quang d n ấ ẫ

Ch t quang d n là nh ng ch t bán d n, d n đi n kém khi không b  chi u sáng và d n đi n t t khi bấ ẫ ữ ấ ẫ ẫ ệ ị ế ẫ ệ ố ị  chi u ánh sáng thích h p.ế ợ

* Hi n t ệ ượ ng quang đi n trong ệ

Hi n tệ ượng ánh sáng gi i phóng các electron liên k t đ  cho chúng tr  thành các electron d n đ ng th iả ế ể ở ẫ ồ ờ  

t o ra các l  tr ng cùng tham gia vào quá trình d n đi n, g i là hi n tạ ỗ ố ẫ ệ ọ ệ ượng quang đi n trong.ệ

* Quang đi n tr ệ ở

Quang đi n tr  đệ ở ược ch  t o d a trên hi u  ng quang đi n trong. Đó là m t t m bán d n có giá tr  đi nế ạ ự ệ ứ ệ ộ ấ ẫ ị ệ  

tr  thay đ i khi cở ổ ường đ  chùm ánh sáng chi u vào nó thay đ i.ộ ế ổ

* Pin quang đi n ệ

Pin quang đi n là ngu n đi n trong đó quang năng đệ ồ ệ ược bi n đ i tr c ti p thành đi n năng. Ho t đ ngế ổ ự ế ệ ạ ộ  

c a pin d a trên hi n tủ ự ệ ượng quang đi n bên trong c a m t s  ch t bán d n nh  đ ng ôxit, sêlen, silic, … .ệ ủ ộ ố ấ ẫ ư ồ  

Su t đi n đ ng c a pin thấ ệ ộ ủ ường có giá tr  t  0,5 V đ n 0,8 Vị ừ ế

Pin quang đi n (pin m t tr i) đã tr  thành ngu n cung c p đi n cho các vùng sâu vùng xa, trên các vệ ặ ờ ở ồ ấ ệ ệ  tinh nhân t o, con tàu vũ tr , trong các máy đo ánh sáng, máy tính b  túi. …ạ ụ ỏ

3. M u nguyên t  Bo ẫ ử

* M u nguyên t  c a Bo ẫ ử ủ

Tiên đ  v  tr ng thái d ng ề ề ạ ừ

Nguyên t  ch  t n t i trong m t s  tr ng thái có năng lử ỉ ồ ạ ộ ố ạ ượng xác đ nh Eị n, g i là các tr ng thái d ng. Khiọ ạ ừ  

 tr ng thái d ng, nguyên t  không b c x

Trong các tr ng thái d ng c a nguyên t , electron chuy n đ ng quanh h t nhân trên nh ng qu  đ o cóạ ừ ủ ử ể ộ ạ ữ ỹ ạ   bán kính hoàn toàn xác đ nh g i là qu  đ o d ng.ị ọ ỹ ạ ừ

Bo đã tìm được công th c tính qu  đ o d ng c a electron trong nguyên t  hyđrô: rứ ỹ ạ ừ ủ ử n = n2r0, v i n là sớ ố  nguyên và r0 = 5,3.10­11  m, g i là bán kính Bo. Đó chính là bán kính qu  đ o d ng c a electron,  ng v iọ ỹ ạ ừ ủ ứ ớ  

tr ng thái c  b n.ạ ơ ả

Bình thường, nguyên t    tr ng thái d ng có năng lử ở ạ ừ ượng th p nh t g i là tr ng thái c  b n. Khi h pấ ấ ọ ạ ơ ả ấ  

th  năng lụ ượng thì nguyên t  chuy n lên tr ng thái d ng có năng lử ể ạ ừ ượng cao h n, g i là tr ng thái kíchơ ọ ạ   thích. Th i gian nguyên t    tr ng thái kích thích r t ng n (c  10ờ ử ở ạ ấ ắ ỡ ­8 s). Sau đó nguyên t  chuy n v  tr ngử ể ề ạ   thái d ng có năng lừ ượng th p h n và cu i cùng v  tr ng thái c  b n.ấ ơ ố ề ạ ơ ả

Tiên đ  v  s  b c x  và h p th  năng l ề ề ự ứ ạ ấ ụ ượ ng c a nguyên t   ủ ử

Khi nguyên t  chuy n t  tr ng thái d ng có năng lử ể ừ ạ ừ ượng En sang tr ng thái d ng có năng lạ ừ ượng Em nhỏ 

h n thì nguyên t  phát ra m t phôtôn có năng lơ ử ộ ượng:    = hfnm = En – Em

Ngượ ạc l i, n u nguyên t    tr ng thái d ng có năng lế ử ở ạ ừ ượng Em mà h p th  đấ ụ ược m t phôtôn có năngộ  

lượng hf đúng b ng hi u Eằ ệ n – Em  thì nó chuy n sang tr ng thái d ng có năng lể ạ ừ ượng En l n h n.ớ ơ

S  chuy n t  tr ng thái d ng Eự ể ừ ạ ừ m sang tr ng thái d ng Eạ ừ n  ng v i s  nh y c a electron t  qu  đ o d ngứ ớ ự ả ủ ừ ỹ ạ ừ  

có bán kính rm sang qu  đ o d ng có bán kính rỹ ạ ừ n và ngượ ạc l i

* Quang ph  phát x  và h p th  c a nguyên t  hidrô ổ ạ ấ ụ ủ ử

+ Nguyên t  hiđrô có các tr ng thái d ng khác nhau Eử ạ ừ K, EL, EM,   . Khi đó electron chuy n đ ng trên cácể ộ  

qu  đ o d ng K, L, M,  ỹ ạ ừ

+ Khi electron chuy n t  m c năng lể ừ ứ ượng cao (Ecao) xu ng m c năng lố ứ ượng th p h n (Eấ ơ th p ấ ) thì nó phát ra 

m t phôtôn có năng lộ ượng hoàn toàn xác đ nh: hf = Eị cao – Eth p ấ

M i phôtôn có t n s  f  ng v i m t sóng ánh sáng đ n s c có bỗ ầ ố ứ ớ ộ ơ ắ ước sóng       =  f c , t c là m t v chứ ộ ạ   quang ph  có m t màu (hay m t v  trí) nh t đ nh. Đi u đó lí gi i t i sao quang ph  phát x  c a nguyên tổ ộ ộ ị ấ ị ề ả ạ ổ ạ ủ ử  hiđrô là quang ph  v ch.ổ ạ

Ngượ ạ ếc l i n u m t nguyên t  hiđrô đang   m t m c năng lộ ử ở ộ ứ ượng Eth pấ  nào đó mà n m trong m t chùmằ ộ   ánh sáng tr ng, trong đó có t t c  các phôtôn có năng lắ ấ ả ượng t  l n đ n nh  khác nhau, thì l p t c nguyênừ ớ ế ỏ ậ ứ  

t  h p th  m t phôtôn có năng lử ấ ụ ộ ượng phù h p ợ  = Ecao – Eth p ấ  đ  chuy n lên m c năng lể ể ứ ượng Ecao. Như 

v y, m t sóng ánh sáng đ n s c đã b  h p th , làm cho trên quang ph  liên t c xu t hi n m t v ch t i. Doậ ộ ơ ắ ị ấ ụ ổ ụ ấ ệ ộ ạ ố  

đó quang ph  h p th  c a nguyên t  hiđrô cũng là quang ph  v ch.ổ ấ ụ ủ ử ổ ạ

4. H p th  và ph n x  l c l a ánh sáng – Màu s c các v t ấ ụ ả ạ ọ ự ắ ậ

* H p th  ánh sáng ấ ụ

+ H p th  ánh sáng là hi n tấ ụ ệ ượng môi trường v t ch t làm gi m cậ ấ ả ường đ  c a chùm sáng truy n qua nó.ộ ủ ề + Đ nh lu t v  s  h p th  ánh sáng: Cị ậ ề ự ấ ụ ường đ  I c a chùm sáng đ n s c khi truy n qua môi trộ ủ ơ ắ ề ường h pấ  

th , gi m theo đ nh lu t hàm mũ c a đ  dài d c a đụ ả ị ậ ủ ộ ủ ường đi tia sáng: I = I0e­ d; v i Iớ 0 là cường đ  c a chùmộ ủ   ánh sáng t i, ớ  được g i là h  s  h p th  c a môi trọ ệ ố ấ ụ ủ ường

+ H p th  l c l a: S  h p th  ánh sáng c a m t môi trấ ụ ọ ự ự ấ ụ ủ ộ ường có tính ch n l c, h  s  h p th  c a môiọ ọ ệ ố ấ ụ ủ  

trường ph  thu c vào bụ ộ ước sóng ánh sáng

Nh ng v t không h p th  ánh sáng trong mi n nhì t y c a quang ph  đữ ậ ấ ụ ề ấ ủ ổ ược g i là v t trong su t khôngọ ậ ố   màu. Nh ng v t h p th  hoàn toàn m i ánh sáng nhìn th y thì có màu đen.ữ ậ ấ ụ ọ ấ

Nh ng v t h p th  l c l a ánh sáng trong mi n nhìn th y thì đữ ậ ấ ụ ọ ự ề ấ ược g i là v t trong su t có màu.ọ ậ ố

* Ph n x  (ho c tán x ) l c l a – Màu s c các v t ả ạ ặ ạ ọ ự ắ ậ

+   m t s  v t, kh  năng ph n x  (ho c tán x ) ánh sáng m nh y u khác nhau ph  thu c và bỞ ộ ố ậ ả ả ạ ặ ạ ạ ế ụ ộ ước sóng  ánh sáng t i. Đó là s  ph n x  (ho c tán x ) l c l a.ớ ự ả ạ ặ ạ ọ ự

+ Các v t th  khác nhau có màu s c khác nhau là do chúng đậ ể ắ ượ ấ ạ ừc c u t o t  nh ng v t li u khác nhau. Khiữ ậ ệ  

ta chi u ánh sáng tr ng vào v t, v t h p th  m t s  ánh sáng đ n s c và ph n x , tán x  ho c cho truy nế ắ ậ ậ ấ ụ ộ ố ơ ắ ả ạ ạ ặ ề   qua các ánh sáng đ n s c khác.ơ ắ

+ Màu s c các v t còn ph  thu c vào màu s c c a ánh sáng r i vào nó: M t v t có màu đ  khi nó đắ ậ ụ ộ ắ ủ ọ ộ ậ ỏ ượ  c chi u b ng ánh sáng tr ng nh ng khi ch  chi u vào nó ánh sáng màu lam ho c màu tím thì nó h p th  hoànế ằ ắ ư ỉ ế ặ ấ ụ   toàn chùm ánh sáng đó và nó tr  thành có màu đen.ở

5. Hi n t ệ ượ ng quang – Phát quang

* S  phát quang ự

+ Có m t s  ch t khi h p th  năng lộ ố ấ ấ ụ ượng dưới m t d ng nào đó, thì có kh  năng phát ra các b c x  đi nộ ạ ả ứ ạ ệ  

t  trong mi n ánh sáng nhìn th y.  Các hi n từ ề ấ ệ ượng đó g i là s  phát quang.ọ ự

+ M i ch t phát quang có m t quang ph  đ c tr ng cho nó.ỗ ấ ộ ổ ặ ư

+ Sau khi ng ng kích thích, s  phát quang c a m t s  ch t còn ti p t c kéo dài thêm m t th i gian nào đó,ừ ự ủ ộ ố ấ ế ụ ộ ờ  

r i m i ng ng h n. Kho ng th i gian t  lúc ng ng kích thích cho đ n lúc ng ng phát quang g i là th iồ ớ ừ ẵ ả ờ ừ ừ ế ừ ọ ờ   gian phát quang

* Hu nh quang và lân quang ỳ

+ S  hu nh quang là s  phát quang có th i gian phát quang ng n (dự ỳ ự ờ ắ ưới 10­8 s), nghĩa là ánh sáng phát quang 

h u nh  t t ngay sau khi t t ánh sáng kích thích. Nó thầ ư ắ ắ ường x y ra v i ch t l ng và ch t khí.ả ớ ấ ỏ ấ

+ S  lân quang là s  phát quang có th i gian phát quang dài (t  10ự ự ờ ừ ­8 s tr  lên); thở ường x y ra v i ch t r n.ả ớ ấ ắ   Các ch t r n phát lân quang g i là ch t lân quang.ấ ắ ọ ấ

* Đ nh lu t Xt c v  s  phát quang ị ậ ố ề ự

Ánh sáng phát quang có bước sóng  ’ dài h n bơ ước sóng c a ánh sáng kích thích ủ :  ’ > 

*  ng d ng c a hi n t Ứ ụ ủ ệ ượ ng phát quang

S  d ng trong các đèn  ng đ  th p sáng, trong các màn hình c a dao đ ng kí đi n t , tivi, máy tính. Sử ụ ố ể ắ ủ ộ ệ ử ử 

d ng s n phát quang quét trên các bi n báo giao thông.ụ ơ ể

6. S  l ơ ượ ề c v  laze

Laze là m t ngu n sáng phát ra m t chùm sáng cộ ồ ộ ường đ  l n d a trên vi c  ng d ng hi n tộ ớ ự ệ ứ ụ ệ ượng phát 

x  c m  ng.ạ ả ứ

* S  phát x  c m  ng ự ạ ả ứ  

N u m t nguyên t  đang   trong tr ng thái kích thích, s n sàng phát ra m t phôtôn có năng lế ộ ử ở ạ ẵ ộ ượng   = hf, 

b t g p m t phôtôn có năng lắ ặ ộ ượng  ’ đúng b ng hf bay lằ ướt qua nó, thì l p t c nguyên t  này cũng phát raậ ứ ử   phôtôn   Phôtôn   có cùng năng lượng và bay cùng phương v i phôtôn ớ ’. Ngoài ra sóng đi n t   ng v iệ ừ ứ ớ   phôtôn   hoàn toàn cùng pha và dao đ ng trong m t m t ph ng song song v i m t ph ng dao đ ng c aộ ộ ặ ẵ ớ ặ ẵ ộ ủ   sóng đi n t   ng v i phôtôn ệ ừ ứ ớ ’

Nh  v y, n u có m t phôtôn ban đ u bay qua m t lo t các nguyên t  đang   trong tr ng thái kích thíchư ậ ế ộ ầ ộ ạ ử ở ạ   thì s  phôtôn s  tăng lên theo c p s  nhân.ố ẽ ấ ố

Tùy theo v t li u phát x , ngậ ệ ạ ười ta đã t o ra laze r n, laze khí và laze bán d n. Laze rubi (h ng ng c)ạ ắ ẫ ồ ọ  

bi n đ i quang năng thành quang năng.ế ổ

* C u t o c a laze rubi ấ ạ ủ

Rubi (h ng ng c) là Alồ ọ 2O3 có pha Cr2O3

Laze rubi g m m t thanh rubi hình tr  Hai m t đồ ộ ụ ặ ược mài nh n vuông góc v i tr c c a thanh. M t (1)ẵ ớ ụ ủ ặ  

được m  b c tr  thành gạ ạ ở ương ph ng (Gẵ 1) có m t ph n x  quay vào phía trong. M t (2) là m t bán m , t cặ ả ạ ặ ặ ạ ứ  

là m  m t l p m ng đ  cho kho ng 50% cạ ộ ớ ỏ ể ả ường đ  chùm sáng chi u t i b  ph n x , còn kho ng 50%ộ ế ớ ị ả ạ ả   truy n qua. M t này tr  thành gề ặ ở ương ph ng (Gẳ 2) có m t ph n x  quay v  phía Gặ ả ạ ề 1. Hai gương G1 và G2 

song song v i nhau.ớ

  Dùng đèn phóng đi n xenon đ  chi u sáng r t m nh thanh rubi và đ a m t s  l n ion crôm lên tr ng tháiệ ể ế ấ ạ ư ộ ố ớ ạ  

ph n x  l i nhi u l n gi a hai gả ạ ạ ề ầ ữ ương và s  làm cho m t lo t ion crôm phát x  c m  ng. Ánh sáng sẽ ộ ạ ạ ả ứ ẽ 

được khu ch đ i lên nhi u l n. Chùm tia laze đế ạ ề ầ ượ ấc l y ra t  gừ ương bán m  Gạ 2

* Đ c đi m c a laze ặ ể ủ

+ Laze có tính đ n s c r t cao. Đ  sai l ch tơ ắ ấ ộ ệ ương đ i ố

f

f

c a t n s  ánh sáng do laze phát ra có th  chủ ầ ố ể ỉ 

b ng 10ằ ­15

+ Tia laze là chùm sáng k t h p (các phôtôn trong chùm có cùng t n s  và cùng pha).ế ợ ầ ố

+ Tia laze là chùm sáng song song (có tính đ nh hị ướng cao)

+ Tia laze có cường đ  l n. Ch ng h n laze rubi (h ng ng c) có cộ ớ ẵ ạ ồ ọ ường đ  t i 10ộ ớ 6 W/cm2

Nh  v y, laze là m t ngu n sáng phát ra chùm sáng song song, k t h p, có tính đ n s c cao và có cư ậ ộ ồ ế ợ ơ ắ ườ  ng

đ  l n (trên 10ộ ớ 6 W/cm2)

* M t s   ng d ng c a  laze ộ ố ứ ụ ủ

+ Tia laze có  u th  đ c bi t trong thông tin liên l c vô tuy n (truy n thông thông tin b ng cáp quang, vôư ế ặ ệ ạ ế ề ằ   tuy n đ nh v , đi u khi n con tàu vũ tr ,  )ế ị ị ề ể ụ

+ Tia laze được dùng nh  dao m  trong ph u thu t m t, đ  ch a m t s  b nh ngoài da (nh  tác d ngư ổ ẩ ậ ắ ể ữ ộ ố ệ ờ ụ   nhi t),  ệ

+ Tia laze được dùng trong các đ u đ c đĩa CD, bút ch  b ng, ch  b n đ , dùng trong các thí nghi m quangầ ọ ỉ ả ỉ ả ồ ệ  

h c   trọ ở ường ph  thông,  ổ

+ Ngoài ra tia laze còn được dùng đ  khoan, c t, tôi,   chính xác các v t li u trong công nghi p.ể ắ ậ ệ ệ

B. CÁC D NG BÀI T PẠ Ậ  

1. Hi n t ệ ượ ng quang di n ngoài ệ

* Các công th c: ứ

Hi n tệ ượng quang đi n ngoài là hi n tệ ệ ượng các electron b  b t ra kh i b n m t kim lo i khi có ánh sángị ậ ỏ ề ặ ạ   thích h p chi u vào.ợ ế

Năng lượng c a phôtôn ánh sáng: ủ  =  hf = hc

Công th c Anhxtanh, gi i h n quang đi n, đi n áp hãm: ứ ớ ạ ệ ệ

hf = hc= A + 

2

1

mv20 max  = 

0

hc

 + Wdmax;  0 = hc A ; Uh = ­  e W d max

Đi n th  c c đ i qu  c u kim lo i cô l p v  đi n đ t đệ ế ự ạ ả ầ ạ ậ ề ệ ạ ược khi chi u chùm sáng có ế     0: Vmax =  e W d max Công su t ngu n sáng, cấ ồ ường đ  dòng quang đi n b o hoà, hi u su t lộ ệ ả ệ ấ ượng t : P = nử hc; Ibh = ne|e|; H = 

n

n e

L c Lorrenx , l c hự ơ ự ướng tâm: Flr = qvBsin  ; Fht = maht =  

R

mv2

* Ph ươ ng pháp gi i:  ả Đ  tìm các đ i lể ạ ượng trong hi n tệ ượng quang đi n ngoài ệ ta vi t bi u th c liên quanế ể ứ  

đ n các đ i lế ạ ượng đã bi t và đ i lế ạ ượng c n tìm t  đó suy ra và tính đ i lầ ừ ạ ượng c n tìm.ầ

* Bài t p minh h a: ậ ọ

Cho h = 6,625.10­34 Js; c = 3.108 m/s; |e| = 1,6.10­19 C; me = 9,1.10­31 kg

1. Công thoát electron kh i đ ng là 4,57 eV. Chi u b c x  có b c sóng ỏ ồ ế ứ ạ ướ  = 0,14  m vào m t qu  c uộ ả ầ  

b ng đ ng đ t xa các v t khác. Tính gi i h n quang đi n c a đ ng và đi n th  c c đ i mà qu  c u đ ngằ ồ ặ ậ ớ ạ ệ ủ ồ ệ ế ự ạ ả ầ ồ   tích được

2. Công thoát electron kh i k m là 4,25 eV. Chi u vào m t t m k m đ t cô l p v  đi n m t chùm b c xỏ ẻ ế ộ ấ ẻ ặ ậ ề ệ ộ ứ ạ 

đi n t  đ n s c thì th y t m k m tích đệ ừ ơ ắ ấ ấ ẻ ược đi n tích c c đ i là 3 V. Tính bệ ự ạ ước sóng và t n s  c a chùmầ ố ủ  

b c x ứ ạ

3. Chi u chùm b c x  đi n t  có t n s  f = 5,76.10ế ứ ạ ệ ừ ầ ố 14 Hz vào m t mi ng kim lo i thì các quang electron cóộ ế ạ  

v n t c ban đ u c c đ i là v = 0,4.10ậ ố ầ ự ạ 6 m/s. Tính công thoát electron và bước sóng gi i h n quang đi n c aớ ạ ệ ủ   kim lo i đó.ạ

4. Công thoát electron kh i kim lo i natri là 2,48 eV. M t t  bào quang đi n có catôt làm b ng natri, khiỏ ạ ộ ế ệ ằ  

được chi u sáng b ng chùm b c x  có bế ằ ứ ạ ước sóng 0,36  m thì cho m t dòng quang đi n có cộ ệ ường đ  b oộ ả  

hòa là      3  A. Tính v n t c ban đ u c c đ i c a electron quang đi n và s  electron b t ra kh i catôt trongậ ố ầ ự ạ ủ ệ ố ứ ỏ  

1 giây

5. Chi u m t b c x  đi n t  có b c sóng ế ộ ứ ạ ệ ừ ướ  vào catôt c a m t t  bào quang đi n. Bi t công thoát electronủ ộ ế ệ ế  

c a kim lo i làm catôt là 3 eV và các electron b n ra v i v n t c ban đ u c c đ i là 7.10ủ ạ ắ ớ ậ ố ầ ự ạ 5 m/s. Xác đ nhị  

bước sóng c a b c x  đi n t  đó và cho bi t b c x  đi n t  đó thu c vùng nào trong thang sóng đi n t ủ ứ ạ ệ ừ ế ứ ạ ệ ừ ộ ệ ừ

6. Chi u b c x  có b c sóng ế ứ ạ ướ  = 0,438  m vào catôt c a m t t  bào quang đi n. Bi t kim lo i làm catôtủ ộ ế ệ ế ạ  

c a t  bào quang đi n có gi i h n quang đi n là ủ ế ệ ớ ạ ệ 0 = 0,62  m. Tìm đi n áp hãm làm tri t tiêu dòng quangệ ệ  

đi n.ệ

7. Chi u b c x  có b c sóng 0,405 ế ứ ạ ướ m vào m t t m kim lo i thì các quang electron có v n t c ban đ uộ ấ ạ ậ ố ầ  

c c đ i là vự ạ 1. Thay b c x  khác có t n s  16.10ứ ạ ầ ố 14 Hz thì v n t c ban đ u c c đ i c a các quang electron làậ ố ầ ự ạ ủ  

v2 = 2v1. Tìm công thoát electron c a kim lo i.ủ ạ

8. M t t  bào quang đi n có catôt làm b ng asen có công thoát electron b ng 5,15 eV. Chi u chùm sángộ ế ệ ằ ằ ế  

đ n s c có bơ ắ ước sóng 0,20  m vào catôt c a t  bào quang đi n thì th y củ ế ệ ấ ường đ  dòng quang đi n b oộ ệ ả   hòa là     4,5  A. Bi t công su t chùm b c x  là 3 mW . Xác đ nh v n t c c c đ i c a electron khi nó v aế ấ ứ ạ ị ậ ố ự ạ ủ ừ  

b  b t ra kh i catôt và hi u su t lị ậ ỏ ệ ấ ượng t ử

9. Chi u b c x  có b c sóng ế ứ ạ ướ  = 0,4  m vào catôt c a m t t  bào quang đi n. Bi t công thoát electronủ ộ ế ệ ế  

c a kim lo i làm catôt là A = 2 eV, đi n áp gi a anôt và catôt là Uủ ạ ệ ữ AK = 5 V. Tính đ ng năng c c đ i c a cácộ ự ạ ủ   quang electron khi t i anôt.ớ

* H ướ ng d n gi i và đáp s : ẫ ả ố

1. Ta có:  0 =  34 19 8

10 6 , 1 57 , 4

10 3 10 625 , 6

A

hc

= 0,27.10­6 m; Wd0 = hc­ A = 6,88.10­19 J; Vmax = 

e

W d 0

= 4,3 V

2. Ta có: Wd0max = eVmax = 3 eV;   = 

d0 ax

W m

hc

A+  = 0,274.10­ 6 m; f = 

c

λ  = 1,1.1014 Hz.

3. Ta có: A = hf ­  2

0

2

1mv = 3,088.10­19

 J;  0 = 

A

hc

= 0,64.10­6 m

4. Ta có: Wd0 = hc­ A = 1,55.10­19 J; v0 = 

m

W d 0

2 = 0,58.106 m/s; ne = 

e

I bh

= 1,875.1013

5. Ta có:   =  2

0

2

1mv

A

hc

= 0,215.10­6 m; b c x  đó thu c vùng t  ngo i.ứ ạ ộ ử ạ

6. Ta có: Wd0 = hc­ 

0

hc

= 1,33.10­19 J; Uh = ­ 

e

W d 0

= ­ 0,83 V

7. Ta có: f1 = 

1

c

= 7,4.1014 Hz;  2

1

2

1

2

2

1

1

2

1

mv = hf2 – A 

 4 = hf hf A A

1

2

 A = 

3

4hf1 hf2

= 3.10­19 J

8. Ta có: Wd0 = hc­ A = 1,7.10­19 J; v0 = 

m

W d 0

2 = 0,6.106 m/s

ne = I e bh = 2,8.1013; n  =  hc

P hc

P

= 3.1015

  H =  n n e = 9,3.10­3 = 0,93%

9. Ta có: Wđ0 = hc­ A = 8,17.10­19 J; Wđmax = Wđ0 + |e|UAK = 16,17.10­19 J = 10,1 eV

2. Quang ph  v ch c a    ổ ạ ủ  nguyên t  hyđrô   ử   – Hi n t   ệ ượ ng phát quang  .

* Ki n th c liên quan: ế ứ

Quang ph  v ch c a nguyên t  hyđrô: Eổ ạ ủ ử n – Em = hf = hc

Bán kính qu  đ o d ng th  n c a electron trong nguyên t  hiđrô: rỹ ạ ừ ứ ủ ử n = n2r1; v i rớ 1 = 0,53.10­11m là bán kính 

Bo (  qu  đ o K).ở ỹ ạ

Năng lượng c a electron trong nguyên t  hiđrô   qu  đ o d ng th  n: Eủ ử ở ỹ ạ ừ ứ n =  ­132,6

n eV; v i n ớ  N*

S  đ  chuy n m c năng lơ ồ ể ứ ượng khi t o thành các dãy quang ph :ạ ổ

Hi n tệ ượng quang đi n trong là hi n tệ ệ ượng t o thành các electron d n và l  tr ng trong bán d n khi có ánhạ ẫ ỗ ố ẫ   sáng thích h p chi u vào.ợ ế

Hi n tệ ượng phát quang là hi n tệ ượng m t s  ch t khi h p th  năng lộ ố ấ ấ ụ ượng dưới m t d ng nào đó thì cóộ ạ  

kh  năng phát ra các b c x  đi n t  trong mi n ánh sáng nhìn th y.ả ứ ạ ệ ừ ề ấ

Đ c đi m c a s  phát quang: ánh sáng phát quang có bặ ể ủ ự ước sóng  ’ dài h n bơ ước sóng c a ánh sáng kíchủ   thích  :  ’ > 

* Bài t p minh h a: ậ ọ

Cho 1 eV = 1,6.10­19 J ; h = 6,625.10­34 Js ; c = 3.108 m/s; me = 9,1.10­31 kg

1. B c sóng c a v ch quang ph  đ u tiên trong dãy Laiman là ướ ủ ạ ổ ầ 0 = 122 nm, c a hai v ch Hủ ạ  và H  trong  dãy Banme l n lầ ượt là  1 = 656nm và  2 = 486 nm. Hãy tính bước sóng c a v ch quang ph  th  hai trongủ ạ ổ ứ   dãy Laiman và v ch đ u tiên trong dãy Pasen.ạ ầ

2. Trong quang ph  v ch c a nguyên t  hiđrô, v ch  ng v i b c sóng dài nh t trong dãy Laiman làổ ạ ủ ử ạ ứ ớ ướ ấ  

1  = 0,1216   m và v ch  ng v i s  chuy n c a electron t  qu  đ o M v  qu  đ o K có bạ ứ ớ ự ể ủ ừ ỹ ạ ề ỹ ạ ước sóng 

2 = 0,1026  m. Hãy tính bước sóng dài nh t ấ 3 trong dãy Banme

3. Các m c năng l ng c a nguyên t  hiđrô   tr ng thái d ng đ c xác đ nh b ng công th c: Eứ ượ ủ ử ở ạ ừ ượ ị ằ ứ n = ­132,6

n

eV v i n là s  nguyên; n = 1  ng v i m c c  b n K; n = 2, 3, 4, … ng v i các m c kích thích L, M, N,…ớ ố ứ ớ ứ ơ ả ứ ớ ứ a) Tính ra Jun năng lượng iôn hoá c a nguyên t  hiđrô.ủ ử

b) Tính ra mét bước sóng c a v ch đ  Hủ ạ ỏ  trong dãy Banme

4  Khi êlectron   qu  đ o d ng th  n thì năng l ng c a nguyên t  hiđrô đ c tính theo công th cở ỹ ạ ừ ứ ượ ủ ử ượ ứ  

En = ­ 13,26

n (eV) (n = 1, 2, 3,…). Tính b c sóng c a b c x  do nguyên t  ướ ủ ứ ạ ử hiđrô phát ra khi êlectron trong nguyên 

t  hiđrô chuy n t  qu  đ o d ng n = 3 sang ử ể ừ ỹ ạ ừ qu  đ o d ng n = 2.ỹ ạ ừ

5. Năng l ng c a các tr ng thái d ng trong nguyên t  hiđrô l n l t là Eượ ủ ạ ừ ử ầ ượ K = ­13,60 eV; EL = ­3,40 eV; 

EM = ­1,51 eV; EN = ­0,85 eV; EO = ­0,54 eV. Hãy tìm bước sóng c a các b c x  t  ngo i do nguyên tủ ứ ạ ử ạ ử  hiđrô phát ra

6. Bi t b c sóng c a hai v ch đ u tiên trong dãy Laiman c a nguyên t  hiđrô là  ế ướ ủ ạ ầ ủ ử L1  = 0,122   m và 

L2 = 103,3 nm. Bi t m c năng lế ứ ượng   tr ng thái kích thích th  hai là ­1,51 eV. Tìm bở ạ ứ ước sóng c a v chủ ạ  

H  trong quang ph  nhìn th y c a nguyên t  hiđrô, m c năng lổ ấ ủ ử ứ ượng c a tr ng thái c  b n và tr ng tháiủ ạ ơ ả ạ   kích thích th  nh t.ứ ấ

7. Chi u ánh sáng đ n s c có b c sóng 0,30 ế ơ ắ ướ m vào m t ch t thì th y ch t đó phát ra ánh sáng có bộ ấ ấ ấ ướ  c sóng 0,50  m. Cho r ng công su t c a chùm sáng phát quang ch  b ng 0,01 công su t c a chùm sáng kíchằ ấ ủ ỉ ằ ấ ủ   thích. Hãy tính t  s  gi a s  phôtôn ánh sáng phát quang và s  phôtôn ánh sáng kích thích phát trong cùngỉ ố ữ ố ố  

m t kho ng th i gian.ộ ả ờ

8. Ng i ta dùng m t thi t b  laze đ  đo kho ng cách t  Trái Đ t đ n M t Trăng. Chi u tia laze d iườ ộ ế ị ể ả ừ ấ ế ặ ế ướ  

d ng xung ánh sáng v  phía M t Trăng. Ngạ ề ặ ười ta đo được kho ng th i gian gi a th i đi m phát và th iả ờ ữ ờ ể ờ  

đi m nh n xung ph n x    m t máy thu đ t   Trái Đ t là 2,667 s. Th i gian kéo dài c a m i xung là tể ậ ả ạ ở ộ ặ ở ấ ờ ủ ỗ 0 = 

10­7 s

a) Tính kho ng cách t  Trái Đ t đ n M t Trăng.ả ừ ấ ế ặ

b) Tính công su t c a chùm laze, bi t năng lấ ủ ế ượng c a m i xung ánh sáng là Wủ ỗ 0 = 10 kJ

* H ướ ng d n gi i và đáp s : ẫ ả ố

1. Ta có:  hc = E3 ­ E1 = E3 ­ E2 + E2 ­ E1 =hc+hc  31 =  0 1 = 103 nm;

hc

= E4 ­ E3 = E4 ­ E2 + E2 ­ E3 = 

2

hc

­ 

1

hc

   43 = 

2 1

2 1

= 1875 nm

2. Ta có: 

3

hc

= EM ­ EL = EM ­ EK + EK ­ EL =  

2

hc

­ 

1

hc

   3 = 

2 1

2 1

= 0,6566  m

3. a) Đ  ion hóa nguyên t  hiđrô thì ph i cung c p cho nó m t năng l ng đ  electron nh y t  qu  đ o Kể ử ả ấ ộ ượ ể ả ừ ỹ ạ   (n = 1) ra kh i m i liên k t v i h t nhân (n = ỏ ố ế ớ ạ ). Do đó  E = E  ­ E1 = 0 ­ (­ 2 19

1

10 6 , 1 6 , 13

) = 21,76.10­19 J

b) Ta có: 

32

hc

= E3 – E2 = ­  2 19

3

10 6 , 1 6 ,

2

19

2

10 6 , 1 6 ,

32 =  19

10 6 , 1 6 , 13 5

36hc

= 0.658.10­6 m

4. Ta có: E3 = ­  2

3

6 , 13

eV = ­ 1,511 eV; E2 = ­  2

2

6 , 13

eV = ­ 3,400 eV;

E3 ­ E2 = 

32

hc

   32 = 

2

3 E E

hc

 = 6,576.10­7 m = 0,6576  m

5. Ta có:  LK = 

K

E

hc

= 0,1218.10­6m;  MK = 

K

E

hc

= 0,1027.10­6m;

NK = 

K

E

hc

= 0,0974.10­6m;  OK = 

K

E

hc

= 0,0951.10­6m

6. Ta có: hc= EM ­ EL = EM ­ EK ­ (EL ­ EK) = 

2

L

hc

­ 

1

L

hc

    =

2 1

2 1

L L

L

L = 0,6739  m

2

L

hc

= EM – EK  EK = ­ EM ­ 

2

L

hc

= ­ 13,54 eV; EL = EK + 

1

L

hc

= ­ 3,36 eV

7. Ta có: n =  hc

W hc

W W

W hc

W

'

' '

'

;  H = 

W

W W

W n

n' ' ' 0,01 '= 0,017 = 1,7 %.

8. a) Ta có: S = c

2

t

= 4.108 m b) Ta có: P = 

0

0

t W

= 1011 W