LÝ THUYẾT LƯỢNG TƯ ÁNH SÁNG

Thuyết lượng tử ánh sáng - Giả thuyết Plăng Lượng năng lượng mà mỗi lần một nguyên tử hay phân tử hấp thụ hay phát xạ có giá trị hoàn toàn xác định và bằng hf; trong đó f là tần số của

Chương IV: LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG

LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG

I HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN - THUYẾT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG

1 Hiện tượng quang điện: Hiện tượng á.sáng làm bật các êlectron ra khỏi

mặt kim loại gọi là hiện tượng quang điện (ngoài).

2 Định luật về giới hạn quang điện

- Định luật

Đối với mỗi kim loại, ánh sáng kích thích phải có bước sóng λ ngắn hơn hay bằng giới hạn quang điện λ 0 của kim loại đó, mới gây ra hiện tượng quang điện.

- Giới hạn quang điện của mỗi kloại là đặc trưng riêng của kim loại đó.

- Định luật về giới hạn quang điện chỉ có thể giải thích được bằng thuyết lượng tử ánh sáng.

3 Thuyết lượng tử ánh sáng

- Giả thuyết Plăng

Lượng năng lượng mà mỗi lần một nguyên tử hay phân tử hấp thụ hay

phát xạ có giá trị hoàn toàn xác định và bằng hf; trong đó f là tần số của

ánh sáng bị hấp thụ hay được phát ra; còn h là một hằng số.

- Lượng tử năng luợng

Lượng năng lượng nói ở trên gọi là lượng tử năng lượng và được kí hiệu bằng chữε: ε =hf (1);

Trong đó: h = 6,625.10-34 J.s gọi là hằng số Plăng.

- Thuyết lượng tử ánh sáng: Nội dung của thuyết:

+ 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 = 3.108 m/s dọc theo các tia sáng.

+ Mỗi lần một nguyên tử hay phân tử phát xạ hoặc 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.

- Giải thích định luật về giới hạn quang điện bằng thuyết lượng tử ánh sáng + Anh-xtanh cho rằng hiện tượng quang điện xảy ra do sự hấp thụ phôtôn của ánh sáng kích thích bởi êlectron trong kim loại.

+ Mỗi phôtôn bị hấp thụ sẽ truyền toàn bộ năng lượng của nó cho một êlectron.

+ Muốn cho êlectron bứt ra khỏi mặt kim loại phải cung cấp cho nó một

công để “thắng” các liên kết Công này gọi là công thoát (A).

Vậy, muốn cho hiện tượng quang điện xảy ra thì năng lượng của phôtôn ánh

sáng kích thích phải lớn hơn hoặc bằng công thoát:

A

hf ≥ hay ≥ A

λ

c h

A

hc

≤

⇒ λ Đặt: λ 0 =hc A => λ ≤ λ 0(2)

Chú ý: Dù tính chất nào của ánh sáng thể hiện ra thì ánh sáng vẫn có bản

chất điện từ.

II HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN TRONG

1 Chất quang dẫn và hiện tượng quang điện trong

- Chất quang dẫn là chất dẫn điện kém khi không bị chiếu sáng và trở thành chất dẫn điện tốt khi bị chiếu ánh sáng thích hợp.

- Hiện tượng quang điện trong:

+ Khi không bị chiếu sáng, các êlectron ở trong các chất quang dẫn đều ở trạng thái liên kết với các nút mạng tinh thể => không có êlectron tự do

=> chất dẫn điện kém.

+ Khi bị chiếu sáng, mỗi phôtôn của ánh sáng kích thích sẽ truyền toàn bộ năng lượng của nó cho một êlectron liên kết Nếu năng lượng mà êlectron nhận được đủ lớn thì êlectron đó có thể được giải phóng khỏi mối liên kết

để trở thành êlectron dẫn và tham gia vào quá trình dẫn điện Mặt khác, khi êlectron liên kết được giải phóng thì nó sẽ để lại một lỗ trống Lỗ trống này cũng tham gia vào quá trình dẫn điện Vậy, khối chất nói trên trở thành chất dẫn điện tốt.

+ Hiện tượng ánh sáng giải phóng các êlectron liên kết để cho chúng trở thành các êlectron dẫn đồng thời tạo ra các lỗ trống cùng tham gia vào quá trình dẫn điện, gọi là hiện tượng quang điện trong.

+ Hiện tượng quang điện trong được ứng dụng trong quang điện trở và pin quang điện.

3 Pin quang điện

- Pin quang điện (còn gọi là pin Mặt Trời) là một nguồn điện chạy bằng năng lượng ánh sáng Nó biến đổi trực tiếp quang năng thành điện năng.

- Hiệu suất của các pin quang điện chỉ vào khoảng trên dưới 10%.

* Suất điện động của pin quang điện nằm trong khoảng từ 0,5V đến 0,8V.

- Ứng dụng của pin quang điện

Pin quang điện được ứng dụng trong các máy đo ánh sáng, vệ tinh nhân tạo, máy tính bỏ túi… Ngày nay người ta đã chế tạo thử thành công ô tô

và cả máy bay chạy bằng pin quang điện.

III HIỆN TƯỢNG QUANG – PHÁT QUANG

1 Hiện tượng quang – phát quang

- Khái niệm về sự phát quang

+ Một số chất có khả năng hấp thụ ánh sáng có bước sóng này để phát ra ánh sáng có bước sóng khác Hiện tượng đó gọi là hiện tượng quang – phát quang Chất có khả năng phát quang là chất phát quang.

+ Một đặc điểm quan trọng của sự phát quang là nó kéo dài một thời gian sau khi tắt ánh sáng kích thích Thời gian này dài ngắn khác nhau phụ thuộc vào chất phát quang.

- Huỳnh quang và lân quang

+ Sự phát quang của các chất lỏng và khí có đặc điểm là ánh sáng phát quang bị tắt rất nhanh sau khi tắt ánh sáng kích thích Sự phát quang này gọi là sự huỳnh quang.

+ Sự phát quang của nhiều chất rắn lại có đặc điểm là ánh sáng phát quang có thể kéo dài một khoảng thời gian nào đó sau khi tắt ánh sáng kích thích Sự phát quang này gọi là sự lân quang Các chất rắn phát quang loại này gọi là các chất lân quang.

2 Đặc điểm của ánh sáng huỳnh quang

Ánh sáng huỳnh quang có bước sóng dài hơn bước sóng của ánh sáng kích thích: λ >hq λkt

IV MẪU NGUYÊN TỬ BO

1 Mô hình hành tinh nguyên tử

Năm 1911, Rơdơfo (Rutherford) đã đề xướng ra mẫu hành tinh nguyên

tử Tuy nhiên mẫu này đã gặp phải khó khăn là không giải thích được tính bền vững của các nguyên tử và sự tạo thành các quang phổ vạch của các nguyên tử.

Để khắc phục những khó khăn trên, năm 1913, Bo (Bohr), nhà vật lí Đan Mạch, đã vận dụng tinh thần của thuyết lượng tử vào việc giải thích các hiện tượng của hệ thống nguyên tử Ông đã nêu ra hai giả thuyết sau đây (coi như hai tiên đề).

2 Các tiên đề của Bo về cấu tạo nguyên tử

* Tiên đề về các trạng thái dừng

- Nguyên tử chỉ tồn tại trong một số trạng thái có năng lượng xác định, gọi là các trạng thái dừng Khi ở trong các trạng thái dừng thì nguyên tử không bức xạ.

- Trong các trạng thái dừng của nguyên tử, êlectron chỉ chuyển động quanh hạt nhân trên những quỹ đạo có bán kính hoàn toàn xác định gọi là các quỹ đạo dừng.

- Đối với nguyên tử hiđrô, bán kính quỹ đạo dừng tăng tỉ lệ với bình phương của các số nguyên liên tiếp:

+ Bình thường, nguyên tử ở trạng thái dừng có năng lượng thấp nhất và

êlectron chuyển động trên quỹ đạo gần hạt nhân nhất Đó là trạng thái cơ

bản.

+ Khi hấp thụ năng lượng thì nguyên tử chuyển lên các trạng thái dừng có năng lượng cao hơn và êlectron chuyển động trên những quỹ đạo xa hạt

nhân hơn Đó là trạng thái kích thích.

+ Các trạng thái kích thích có năng lượng càng cao thì ứng với bán kính quỹ đạo của êlectron càng lớn và trạng thái đó càng kém bền vững Thời gian sống trung bình của nguyên tử trong các trạng thái kích thích rất ngắn (chỉ vào cỡ 10-8s) Sau đó nó chuyển dần về các trạng thái có năng lượng thấp hơn, và cuối cùng về trạng thái cơ bản.

- Tiên đề về sự bức xạ và hấp thụ năng lượng của nguyên tử

Khi nguyên tử chuyển từ trạng thái dừng có năng lượng (Ecao) sang trạng thái dừng có năng lượng thấp hơn (Ethấp) thì nó phát ra một phôtôn có năng lượng đúng bằng hiệu Ecao – Ethấp:

ε=hf cao thap- =E cao- E thap (3)

Ngược lại, nếu nguyên tử đang ở trong trạng thái dừng có năng lượng Em

mà hấp thụ được một phôtôn có năng lượng đúng bằng hiệu Ecao – Ethấp thì

nó chuyển lên trạng thái dừng có năng lượng cao En

3 Quang phổ phát xạ và hấp thụ của nguyên tử hiđrô

Dùng mẫu nguyên tử Bo, người ta đã giải thích rất thành công các quy luật của quang phổ nguyên tử hiđrô.

- Dựa vào các tiên đề vê trạng thái dừng và vào số liệu thực nghiệm về quang phổ, người ta đã xác định được năng lượng của êlectron trong nguyên tử hiđrô ở các trạng thái dừng khác nhau (các mức năng lượng của nguyên tử hiđrô EK, EL, EM…).

- Khi êlectron chuyển từ mức năng lượng cao (Ecao) xuống mức năng lượng thấp hơn (Ethấp) thì nó phát ra một phôtôn có năng lượng hoàn toàn xác định:

hf = Ecao - Ethấp

+ Mỗi phôtôn có tần số f ứng với một sóng ánh sáng đơn sắc có bước sóngλ = c f , tức là ứng với một vạch quang phổ có một màu (hay một vị trí) nhất định Điều đó lí giải tại sao quang phổ phát xạ của nguyên tử hiđrô là quang phổ vạch.

+ Ngược lại, nếu một nguyên tử hiđrô đang ở một mức năng lượng Ethấp

nào đó mà nằm trong một chùm sáng trắng, trong đó có tất cả phôtôn có năng lượng từ lớn đến nhỏ khác nhau, thì lập tức nguyên tử đó sẽ hấp thụ ngay một phôtôn có năng lượng phù hợp ε = Ecao - Ethấp để chuyển lên mức năng lượng Ecao Như vậy, một sóng ánh sáng đơn sắc đã bị hấp thụ, làm cho trên quang phổ liên tục xuất hiện một vạch tối Do đó quang phổ hấp thụ của nguyên tử hiđrô cũng là quang phổ vạch

V SƠ LƯỢC VỀ LAZE

1 Cấu tạo và hoạt động của laze

+ Như vậy, nếu có một phôtôn ban đầu bay qua một loạt nguyên tử đang ở trong trạng thái kích thích thì số phôtôn sẽ tăng lên theo cấp số nhân ( Hình 5).

+ Các phôtôn này có cùng năng lượng (ứng với sóng điện từ có cùng bước sóng, do đó tính đơn sắc của chùm sáng rất cao); chúng bay theo cùng

một phương (tính định hướng của chùm sáng rất cao); tất cả các sóng điện

từ trong chùm sáng do các nguyên tử phát ra đều cùng pha (tính kết hợp của chùm sáng rất cao) Ngoài ra vì số phôtôn bay theo cùng một hướng rất lớn nên cường độ của chùm sáng rất lớn.

- Cấu tạo của laze

2 Một vài ứng dụng của laze

Laze được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực:

- Trong y học, lợi dụng khả năng có thể tập trung năng lượng của chùm tia laze vào một vùng rất nhỏ, người ta đã dùng tia laze như một dao mổ trong các phẫu thuật tinh vi như mắt , mạch máu… Ngoài ra người ta cũng sử dụng tác dụng nhiệt của tia laze để chữa một số bệnh như các bệnh ngoài da…

- Trong thông tin liên lạc, do có tính định hướng và tần số rất cao nên tia laze có ưu thế đặc biệt trong liên lạc vô tuyến (vô tuyến định vị, liên lạc

vệ tinh, điều khiển các con tàu vũ trụ…) Do có tính kết hợp và cường độ cao nên các tia laze được sử dụng rất tốt trong việc truyền tin bằng cáp quang.

-Trong công nghiệp, vì tia laze có cường độ lớn và tính định hướng cao nên nó được dùng trong các công việc như cắt, khoan, tôi… chính xác trên nhiều chất liệu như kim loại, compôzít…Người ta có thể khoan được những lỗ có đường kính rất nhỏ và rất sâu mà không thể thực hiện được bằng các phương pháp cơ học.

- Trong trắc địa, laze được dùng trong các công việc như đo khoảng cách , tam giác đạc, ngắm đường thẳng…

- Laze còn được dùng trong các đầu đọc đĩa CD, trong các bút chỉ bảng, bản đồ, trong các thí nghiệm quang học…

c = 3.108m/s là vận tốc ánh sáng trong chân không.

f, λ là tần số, bước sóng của ánh sáng (của bức xạ).

m là khối lượng của phôtôn

2 Hiện tượng quang điện

*Công thức Anhxtanh

2 0Max

mv hc

λ là công thoát của kim loại dùng làm catốt

λ0 là giới hạn quang điện của kim loại dùng làm catốt

v0Max là vận tốc ban đầu của electron quang điện khi thoát khỏi catốt

f, λ là tần số, bước sóng của ánh sáng kích thích

* Để dòng quang điện triệt tiêu (Iqd = 0) thì UAK≤ Uh (Uh < 0), Uh gọi là hiệu điện thế hãm

2 0Max h

mv

eU =

2

Lưu ý: Trong một số bài toán người ta lấy Uh > 0 thì đó là độ lớn.

3 Điện thế cực đại VMax

Xét vật cô lập về điện, có điện thế cực đại VMax và khoảng cách cực đại dMax

mà electron chuyển động trong điện trường cản có cường độ E được tính theo công thức:

Với n và N l là số electron quang điện bứt khỏi catốt và số phôtôn đập vào catốt trong cùng một khoảng thời gian t.

Lưu ý: Hiện tượng quang điện xảy ra khi được chiếu đồng thời nhiều bức

xạ thì khi tính các đại lượng: Vận tốc ban đầu cực đại v0Max, hiệu điện thế hãm Uh, điện thế cực đại VMax, … đều được tính ứng với bức xạ có λMin (hoặc

fMax)

II TIA X 1) Tính bước sóng ngắn nhất của tia X phát ra:

Khi dòng quang electron đến đập vào tấm kim loại có nguyên tử lượng lớn

và đột ngột dừng lại thì phát ra tia X

Theo định luật bảo toàn năng lượng:

Năng lượng dòng electron = năng lượng tia X+ Nhiệt năng (nhiệt năng rất lớn so với năng lượng tia X)

AK

U : điện áp đặt vào Anốt và Katốt của ống Cu - lít - giơ(ống Rơnghen)

2) Tính nhiệt lượng làm nóng đối Katốt.

Nhiệt lượng làm nóng đối Katốt bằng tổng động năng của các quang

electron đến đập vào đối Katốt Q =W = N.Wđ = N.e.U AK

N tổng số quang electron đến đối Katốt.

Mà Q=mC(t2-t1), với C nhiệt dung riêng của kim loại làm đối Katốt

III TIÊN ĐỀ BO - QUANG PHỔ NGUYÊN TỬ HIĐRÔ

1 Tiên đề Bo

cao thap l

Với r0 =5,3.10-11m là bán kính Bo (ở quỹ đạo K)

* Năng lượng electron trong nguyên tử hiđrô:

E =- n 13,6 2 (eV)

n Với n ∈ N*

2 Quang phổ vạch HIĐRÔ

* Sơ đồ mức năng lượng

- Dãy Laiman: Nằm trong vùng tử ngoại

Ứng với e chuyển từ quỹ đạo bên ngoài về quỹ đạo K

* Vạch dài nhất λ21 khi e chuyển từ L → K

M N O

L P

- Dãy Banme: Một phần nằm trong vùng tử ngoại, một phần nằm trong vùng

- Dãy Pasen: Nằm trong vùng hồng ngoại

Ứng với e chuyển từ quỹ đạo bên ngoài về quỹ đạo M

* Vạch dài nhất λ43 khi e chuyển từ N → M.

Dạng 1: HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN NGOÀI

Câu 1.1 Phát biểu nào sau đây là ĐÚNG khi nói về hiện tượng quang điện ?

A Là hiện tượng êlectron bứt ra khỏi bề mặt tấm kim loại khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào nó

B Là hiện tượng êlectron bứt ra khỏi bề mặt tấm kim loại khi tấm kim loại bị nung nóng đến nhiệt độ rất cao

C Là hiện tượng êlectron bứt ra khỏi bề mặt tấm kim loại khi tấm kim loại bị nhiễm điện do tiếp xúc với một vật đã bị nhiễm điện khác

D Là hiện tượng êlectron bứt ra

Câu 1.2 Trong các trường hợp nào sau đây êlectron được gọi là êlectron quang điện ?

A Êlectron trong dây dẫn điện thông thường.

B Êlectron bứt ra từ catot của tế bào quang điện

C Êlectron tạo ra trong chất bán dẫn

D Êlectron bứt ra khỏi tấm kim loại do nhiễm điện tiếp xúc

Câu 1.3 Chọn các cụm từ thích hợp điền vào chỗ trống cho hợp nghĩa:

“ Theo thuyết lượng tử: Những nguyên tử hay phân tử vật chất………….ánh sáng một cách ……….mà thành từng phần riêng biệt mang năng lượng hoàn toàn xác định……ánh sáng”

A Không hấp thụ hay bức xạ / liên tục / tỉ lệ thuận với bước sóng

B Hấp thụ hay bức xạ / không liên tục / tỉ lệ thuận với tần số

C Hấp thụ hay bức xạ / không liên tục / tỉ lệ nghịch với bước sóng

D Không hấp thụ hay bức xạ / liện tục / tỉ lệ nghịch với tần số

Câu 1.4 Phát biểu nào sau đây là SAI khi nói về thuyết lượng tử ánh sáng ?

A Những nguyên tử hay phân tử vật chất không hấp thụ hay bức xạ ánh sáng một cách liên tục mà theo từng phần riêng biệt, dứt quãng

Câu 1.5 Theo quan điểm của thuyết lượng tử, phát biểu nào sau đây là SAI ?

A Chùm ánh sáng là một dòng hạt, mỗi hạt là một phôtôn mang năng lượng

B Cường độ chùm sáng tỉ lệ thuận với số phôtôn trong chùm

C Khi ánh sáng truyền đi các phôtôn ánh sáng không đổi, không phụ thuộc khoảng cách đến nguồn sáng

D Các phôtôn có năng lượng bằng nhau vì chúng lan truyền với vận tốc bằng nhau

Câu 1.6 Chọn phát biểu SAI về nội dung thuyết lượng tử ánh sáng ?

A Những 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, dứt quãng Mỗi phần đó mang một năng lượng hoàn toàn xác định còn gọi là phôtôn

B. Mỗi lượng tử ánh sáng hay phôtôn ánh sáng có năng lượng là: ε = hf, trong đó f là tần số ánh sáng, h là một hằng số gọi là hằng số Plăng

C Khi ánh sáng truyền đi các phôtôn không bị thay đổi, không phụ thuộc khoảng cách tới nguồn sáng

D Chùm ánh sáng là chùm các êlectron

Câu 1.7 Chọn phát biểu ĐÚNG ?

A Ánh sáng có tính chất sóng

B Ánh sáng có tính chất hạt

C Ánh sáng có cả hai tính chất sóng và hạt, gọi là lưỡng tính sóng hạt

D Ánh sáng chỉ có tính sóng thể hiện ở hiện tượng quang điểm

Câu 1.8 Phát biểu nào sau đây là SAI ?

A Hiện tượng quang điện là hiện tượng các êlectron ở mặt kim loại bị bật ra khỏi kim loại khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào

B. Định luật quang điện thứ nhất: Đối với mỗi kim loại dùng làm catot có bước sóng giới hạn λ0 nhất định gọi là giới hạn quang điện Hiện tượng quang điện chỉ xảy

ra khi bước sóng λ của ánh sáng kích thích nhỏ hơn giới hạn quang điện (λ<λ0

Câu 1.9 Giới hạn quang điện của mỗi kim loại là

A Bước sóng dài nhất của bức xạ chiếu vào kim loại đó mà gây ra được hiện tượng quang điện

B Bước sóng ngắn nhất của bức xạ chiếu vào kim loại đó mà gây ra được hiện tượng quang điện

C Công suất nhỏ nhất dùng để bứt êlectron ra khỏi bề mặt kim loại đó

D Công suất lớn nhất dùng để bứt êlectron ra khỏi bề mặt kim loại đó

Câu 1.10 Chọn các cụm từ thích hợp điền vào chổ trống cho hợp nghĩa.

Trong hiện tượng quang điện, khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào catot của tế bào quang điện thì êlectron ……… vì vậy, hiện tượng này còn gọi là hiện tượng quang điện ngoài

A sẽ bị bật ra khỏi catot

B phá vỡ liên kết để trở thành êlectron dẫn

C chuyển động mạnh hơn

D chuyển lên quỹ đạo có bán kính lớn hơn

Câu 1.11 Phát biểu nào sau đây là SAI ?

A Thuyết lượng tử ánh sáng chứng tỏ ánh sáng tính chất sóng

B Giả thuyết sóng không giải thích được hiện tượng quang điện

C Trong cùng một môi trường, vận tốc của ánh sáng bằng vận tốc sóng điện từ

D Ánh sáng có tính chất hạt, mỗi hạt ánh sáng được gọi là phôtôn

Câu 1.12 Điều kiện xảy ra hiện tượng quang điện là

A Ánh sáng kích thích phải là ánh sáng trắng

B Ánh sáng kích thích phải là ánh sáng đơn sắc

C Ánh sáng kích thích có bước sóng nhỏ hơn giới hạn quang điện

D Ánh sáng kích thích có bước sóng lớn hơn giới hạn quang điện

Câu 1.13 Chiếu một chùm tia 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

C Giá trị của hiệu điện thế hãm phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng kích thích

D Dòng quang điện triệt tiêu khi hiệu điện thế giữa anot và catot có giá trị âm nào đó