HIỆN TƯỢNG QUANG ðIỆN NGOÀI 1 Thí nghiệm Hertz về hiện tượng quang ñiện a Thí nghiệm Chiếu chùm ánh sáng tử ngoại phát ra từ hồ quang vào tấm kẽm tích ñiện âm tấm kẽm ñang thừa electr
Trang 1I HIỆN TƯỢNG QUANG ðIỆN NGOÀI
1) Thí nghiệm Hertz về hiện tượng quang ñiện
a) Thí nghiệm
Chiếu chùm ánh sáng tử ngoại phát ra từ hồ quang vào tấm
kẽm tích ñiện âm (tấm kẽm ñang thừa electron) gắn trên diện
nghiệm ta thấy hai lá của ñiện nghiệm cụp lại, tấm kẽm mất ñiện
tích âm
Chắn chùm tia từ ngoại từ hồ quang bằng một tấm kính thì
hiện tượng không xảy ra
Thay tấm kẽm tích ñiện âm bằng tấm kẽm tích ñiện dương,
hiện tượng cũng không xảy ra Thay tấm kẽm bằng các kim loại
khác tích ñiện âm hiện tượng xảy ra bình thường
Kết luận:
Khi chiếu chùm ánh sáng thích hợp có bước sóng ngắn vào bề mặt một tấm kim loại thì nó làm cho các
electron ở bề mặt tấm kim loai bị bật ra Hiện tượng ñó gọi là hiện tượng quang ñiện Các e bị bật ra gọi là
các e quang ñiện
b) Khái niệm hiện tượng quang ñiện ngoài
Hiện tượng electron bị bật ra khi chiếu ánh sáng có bước sóng thích hợp vào một tấm kim loại ñược gọi là hiện tượng quang ñiện ngoài, hay gọi tắt là hiện tượng quang ñiện
2) Thí nghiệm với tế bào quang ñiện
a) Khái niệm về tế bào quang ñiện
Tế bào quang ñiện là một bình chân không (ñã ñược hút hết
không khí bên trong), gồm có hai ñiện cực:
Anot là một vòng dây kim loại
Catot có dạng chỏm cầu bằng kim loại
Khi chiếu vào catốt của tế bào quang ñiện ánh sáng ñơn sắc có
bước sóng thích hợp thì trong mạch xuất hiện một dòng ñiện gọi
là dòng quang ñiện
b) Kết quả thí nghiệm
Với mỗi kim loại dùng làm catot, ánh sáng kích thích phải có
bước sóng λ nhỏ hơn một giới hạn λ0 nào ñó thì hiện tượng mới
xảy ra
Cường ñộ dòng quang ñiện phụ thuộc vào UAK theo ñồ thị sau:
+ UAK > 0: Khi UAK tăng thì I tăng, ñến giá trị nào ñó, I ñạt ñến
giá trị bão hòa Lúc ñó UAK tăng thì I vẫn không tăng
+ UAK < 0: I không triệt tiêu ngay mà phải ñến giá trị UAK = Uh
< 0 nào ñó
Chú ý:
Muốn cho dòng quang ñiện triệt tiêu thì phải ñặt giữa AK một hiệu ñiện thế hãm U h < 0, trị số của U h phụ thuộc vào bước sóng λ của chùm sáng kích thích
Zn
-
-
-
HIỆN TƯỢNG QUANG ðIỆN NGOÀI
(TÀI LIỆU BÀI GIẢNG)
Giáo viên: ðặng Việt Hùng
Trang 2Dòng quang ñiện bão hòa khi tất cả các electron bứt ra khỏi Catot ñều ñến ñược Anot
Cường ñộ dòng quang ñiện bão hòa tỉ lệ thuận với cường ñộ chùm sáng kích thích mà không phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng kích thích
ðộ lớn của U h ñược tính từ biểu thức của ñịnh lý ñộng năng:
2
2omax =
h
mv
eU , trong ñó e = –1,6.10 –19 C là ñiện tích của electron, m = 9,1.10 –31 kg là khối lượng của electron
II CÁC ðỊNH LUẬT QUANG ðIỆN
1) ðịnh luật I : (ðịnh luật về giới hạn quang ñiện)
a) Phát biểu
ðối với mỗi kim loại, ánh sáng kích thích phải có bước sóng λ ngắn hơn hay bằng giới hạn quang ñiện λ0 của kim loại ñó, mới gây ra ñược hiện tượng quang ñiện
Biểu thức: λ ≤ λo
b) ðặc ñiểm
Giới hạn quang ñiện của mỗi kim loại (kí hiệu λo) là ñặc trưng riêng cho kim loại ñó
Giới hạn kim loại của một số kim loại hình:
Chú ý:
Quan sát bảng giá trị giới hạn quang ñiện của các kim loại ñiển hình hay dùng ta thấy rằng các kim loại kiềm
có giới hạn quang ñiện khá lớn nên khi chiếu ánh sáng vào hiện tượng quang ñiện có thể dễ xảy ra hơn với các kim loại Kẽm hay ðồng hơn là các kim loại kiềm
2) ðịnh luật II : (ðịnh luật về cường ñộ dòng quang ñiện bão hòa)
Với ánh sáng kích thích có bước sóng thích hợp (λ ≤ λo) thì cường ñộ dòng quang ñiện bão hòa tỉ lệ với cường
ñộ của chùm sáng kích thích
3) ðịnh luật III : (ðịnh luật về ñộng năng ban ñầu cực ñại của các electron quang ñiện)
ðộng năng ban ñầu cực ñại của các electrong quang ñiện không phụ thuộc vào cường ñộ của chùm sáng kích thích mà chỉ phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng kich thích và bản chất kim loại dùng làm catốt
Chú ý:
Kí hiệu ñộng năng ban ñầu cực ñại là W ñmax thì theo ñịnh luật quang ñiện III ta thấy W ñmax chỉ phụ thuộc vào
λ và bản chất kim loại dùng làm Catot, do mỗi kim loại có một giới hạn quang ñiện nhất ñịnh nên nói một cách khác, ñộng năng ban ñầu cực ñại phụ thuộc vào λ và λ o
Trong nội dung của chương trình Chuẩn thì chỉ dừng lại ở ðịnh luật quang ñiện I, các ñịnh luật II và III chỉ mang tính tham khảo
III THUYẾT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG
1) Giả thuyết về lượng tử năng lượng Planck
Tên kim loại Giới hạn quang ñiện (λ o )
Trang 3Theo nhà bác học người ðức, Planck, Lượng năng lượng mà mỗi lần một nguyên tử hay phân tử hấp thụ hay
phát xạ có giá trị hoàn toàn xác ñịnh, ñược ký hiệu là ε và có biểu thức ε = h.f
Trong ñó:
f là tần số của ánh sáng bị hấp thụ hay phát ra
h là một hằng số, ñược gọi là hằng số Plack có giá trị h = 6,625.10–34 J.s
2) Sự bất lực của thuyết sóng ánh sáng
Theo thuyết sóng ánh thì ánh sáng là một chùm sóng ñiện từ Khi ñạp vào bề mặt kim loại sẽ làm cho các e ở
bề mặt kim loại dao ñộng, cường ñộ chùm sáng càng lớn thì các e dao ñộng càng mạnh và bật ra ngoài tạo thành dòng quang ñiện Do ñó bất kì chùm sáng nào có cường ñộ ñủ mạnh cũng gây ra hiện tượng quang ñiện (trái với ñịnh luật I) và ñộng năng ban ñầu cực ñại của các e chỉ phụ thuộc cường ñộ của chùm sáng kích thích (trái với ñịnh luật III)
3) Thuyết lượng tử ánh sáng
Nội dung của thuyết lượng tử ánh sáng do nhà bác học Anhxtanh nêu lên có 3 nội dung chính:
Ánh sáng ñược tạo thành bởi các hạt gọi là phôtôn, mỗi phôtôn còn gọi là các lượng tử có năng lượng xác ñịnh ε = h.f, cường ñộ của chùm sáng tỉ lệ với số phôtôn phát ra trong 1 giây
Phôtôn bay với tốc ñộ c = 3.108
m/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 phôtôn
Chú ý:
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 ñứt quãng, mỗi phần ñó mang một năng lượng hoàn toàn xác ñịnh - Chùm sáng là một chùm hạt mỗi hạt là một phôtôn mang một năng lượng xác ñịnh
Khi ánh sáng truyền ñi, các lượng tử năng lượng không bị thay ñổi, không phụ thuộc cách nguồn sáng xa hay gần
4) Giải thích các ñịnh luật quang ñiện
Cơ sở tiền ñề:
Anhxtanh coi chùm sáng là chùm hạt, mỗi hạt là một phôtôn mang một năng lượng xác ñịnh ε = h.f
Trong hiện tượng quang ñiện có sự hấp thụ hoàn toàn phô tôn chiếu tới Mỗi phôtôn bị hấp thụ sẽ truyền toàn
bộ năng lượng của nó cho một electron ðối với các electron trên bề mặt năng lượng ε này dùng làm hai việc:
- Cung cấp cho electron một công thoát A ñể thắng lực liên kết trong tinh thể và thoát ra ngoài
- Cung cấp cho electron một ñộng năng ban ñầu cực ñại ñể electron bay ñến Anot
Theo ñịnh luật bảo toàn năng lượng ta có
2 0max d.max
mv
2
Công thức trên ñược gọi là hệ thức Anhxtanh
Chú ý:
Thay công thức tính tần số f = c/λ hoặc ñộng năng theo U h ta ñược các hệ quả của hệ thức Anhxtanh
Các hằng số : h = 6,625.10 –34 J.s, c = 3.10 8 m/s, m = 9,1.10 –31 kg, e = –1,6.10 –19 C
a) Giải thích ðịnh luật I
ðể xảy ra hiện tượng quang ñiện, năng lượng một phôtôn phải lớn hơn công thoát A (là năng lượng ñể giữ các electron ở lại tấm kim loại)
A
Trang 4Khi ñó (1) ñược viết lại là λ ≤ λ0
b) Giải thích ðịnh luật II
Cường ñộ dòng quang ñiện bão hòa tỉ lệ với số electron quang ñiện Số electron quang ñiện tỉ lệ với số phô tôn ñến ñập vào Catot trong một ñơn vị thời gian Số phôton ñến ñập vào Catot trong một ñơn vị thời gian tỉ lệ với cường ñộ chùm sáng Vậy cường ñộ dòng quang ñiện bão hòa tỉ lệ với cường ñộ chùm sáng
c) Giải thích ðịnh luật III
Từ hệ thức Anhxtanh ta có
d.max
λ
Ta thấy ñộng năng ban ñầu cực ñại (Wñ.max) chỉ phụ thuộc vào λ và A, tức là bước sóng của chùm sáng chiếu vào kim loại và bản chất kim loại làm Catot
Chú ý:
Từ công thức tính giới hạn quang ñiện 0
0
λ = → =
λ
A
0
mv hc mv hc hc mv
Trong các công thức tính toán thì tích số h.c thường ñược lặp lại nhiều lần trong các bước tính, ñể thuận tiện
ta lưu giá trị của hằng số này hc = 19,875.10 –26
Giá trị của v omax dao ñộng trong khoảng từ 10 5 (m/s) ñến 10 7 (m/s)
5) Lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng
Hiện tượng giao thoa chứng tỏ ánh sáng có tính chất sóng, hiện tượng quang ñiện chứng tỏ ánh sáng có tính chất hạt Vậy ánh sáng có lưỡng tính sóng hạt
IV MỘT SỐ VÍ DỤ ðIỂN HÌNH
Ví dụ 1 Tính năng lượng phôtôn ứng với ánh sáng có bước sóng λ 1 = 0,768 µm; λ 2 = 0,589 µm; λ 3 = 0,444
µm
Hướng dẫn giải:
Áp dụng công thức tính lượng tử năng lượng ta có
20
1
20
2
20
3
hc 6,625.10 3.10
λ 0,768.10
hc 6, 625.10 3.10
λ 0,589.10
hc 6, 625.10 3.10
λ 0, 444.10
−
−
−
−
−
−
−
−
−
Ví dụ 2 Tính bước sóng và tần số của ánh sáng có năng lượng phôtôn là 2,8.10 –19 (J)
Hướng dẫn giải:
Ta có
19
14 34
16
19
ε 2,8.10
h 6, 625.10 hc
ε hf
ε 2,8.10
−
−
−
−
Ví dụ 3 Tìm giới hạn quang ñiện của kim loại Biết rằng năng lượng dùng ñể tách một electron ra khỏi kim loại ñược dùng làm catốt của một tế bào quang ñiện là 3,31.10 –19 (J)
Hướng dẫn giải:
Năng lượng ñể tách electron ra khỏi kim loại là công thoát A của kim loại ñó, vậy A = 3,31.10–19 (J)
Theo công thức tính giới hạn quang ñiện ta có
26
hc 19,975.10
A 3,31.10
−
−
Trang 5Vắ dụ 4 Một tế bào quang ựiện có giới hạn quang ựiện λ 0 = 600 nm ựược chiếu bởi một tia sáng ựơn sắc
có bước sóng λ = 400 nm Tắnh
a) công thoát A của kim loại
b) vận tốc cực ựại của electron bứt ra
Hướng dẫn giải:
a) Theo công thức tắnh giới hạn quang ựiện
26
19
0
hc hc 19,975.10
−
−
−
b) Theo hệ quả từ hệ thức Anhxtanh ta có :
26
omax
0
mv
−
−
Vậy vomax = 6.105 (m/s)
Vắ dụ 5 Công thoát electron ra khỏi kim loại A = 6,625.10 Ờ19 J, hằng số Plăng h = 6,625.10Ờ34 J.s, vận tốc ánh sáng trong chân không c = 3.108 m/s Tắnh giới hạn quang ựiện của kim loại ựó
đáp số : λ o = 0,300 ộm Vắ dụ 6 Chiếu bức xạ tử ngoại có λ = 0,25 ộm vào một tấm kim loại có công thoát 3,45 eV Vận tốc ban ựầu cực ựại của êlectron quang ựiện là bao nhiêu?
đáp số : v omax = 7,3.10 5 m/s Vắ dụ 7 Catốt của một tế bào quang ựiện làm bằng Cesi có giới hạn quang ựiện là 0,66 ộm Chiếu vào catốt ánh sáng tử ngoại có bước sóng 0,33 ộm động năng ban ựầu cực ựại của quang electron có giá trị bao nhiêu?
đáp số: W d.max = 3,01.10 Ờ19 J Vắ dụ 8 Giới hạn quang ựiện của kẽm là 0,36 ộm, công thoát e của kẽm lớn hơn natri 1,4 lần Giới hạn quang ựiện của natri có giá trị là bao nhiêu ?
đáp số : λ o = 0,504 ộm
Trang 6Vắ dụ 9 Chiếu bức xạ có bước sóng λ1 = 0,405 ộm vào catôt của 1 tế bào quang ựiện thì vận tốc ban ựầu cực ựại của electrôn là v1, thay bức xạ khác có tần số f2 = 16.1014 Hz thì vận tốc ban ựầu cực ựại của electrôn là v2
= 2v1 Công thoát của electrôn ra khỏi catôt là
đáp số : A = 3.10 Ờ19 J Vắ dụ 10 Catốt của một tế bào quang ựiện có giới hạn quang ựiện λ = 322 nm Tắnh a) công thoát của electron b) vận tốc ban ựầu cực ựại của electron bắn ra từ catốt khi chiếu vào nó chùm sáng ựơn sắc có bước sóng 250 nm
đáp số: a) A = 3,74.10 Ờ3 eV b) v omax = 1,31.10 6 m/s Vắ dụ 11 Một lá Niken có công thoát là 5 eV, ựược chiếu bằng ánh sáng tử ngoại có bước sóng λ = 0,2 ộm Xác ựịnh vận tốc ban ựầu cực ựại của các electron bắn ra từ catôt đáp số: v omax = 6,65.10 6 m/s
Vắ dụ 12 Catốt của một tế bào quang ựiện có công thoát bằng 3,5eV a) Tìm tần số giới hạn và giới hạn quang ựiện của kim loại ấy b) Khi chiếu vào catốt một bức xạ có bước sóng 250 nm - Tìm hiệu ựiện thế giữa A và K ựể dòng quang ựiện bằng 0 - Tìm ựộng năng ban ựầu cực ựại của các êlectron quang ựiện - Tìm vận tốc của các êlectron quang ựiện khi bật ra khỏi K
Trang 7
Giáo viên : ðặng Việt Hùng