Mục đích nghiên cứu
Sưu tầm, xây dựng hệ thống câu hỏi và bài tập trắc nghiệm (có đáp án) phần “Quang lƣợng tử”.
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Quang học lƣợng tử
Phạm vi nghiên cứu: Hệ thống câu hỏi và bài tập trắc nghiệm khách quan phần “Quang lượng tử” trong chương trình vật lí đại cương.
Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu các tài liệu liên quan đến phần quang lƣợng tử.
- Sưu tầm, xây dựng hệ thống câu hỏi và bài tập trắc nghiệm khách quan (có đáp án) phần “Quang lƣợng tử”.
- Tìm đọc, nghiên cứu tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu
- Phân dạng, xây dựng các câu hỏi và bài tập trắc nghiệm về Quang lƣợng tử.
- Tổng hợp các kiến thức thu đƣợc để viết khóa luận.
6 Đóng góp của đề tài
Sưu tầm và hệ thống hóa các câu hỏi cùng bài tập trắc nghiệm khách quan về phần "Quang lượng tử" trong chương trình vật lý đại cương, kèm theo đáp án đầy đủ.
7 Bố cục của đề tài
Ngoài phần mở đầu, kết luận và danh mục tài liệu tham khảo, cấu trúc của khóa luận gồm 2 chương:
Chương 1 Các kiến thức cơ bản về tính chất lượng tử của ánh sáng Chương 2 Hệ thống câu hỏi và bài tập trắc nghiệm
CƠ SỞ LÍ THUYẾT VỀ TÍNH CHẤT LƢỢNG TỬ CỦA ÁNH SÁNG
1.1 Hiện tƣợng quang điện (ngoài)
- Hiện tƣợng quang điện (ngoài) là hiện tƣợng ánh sáng làm bật các electron ra khỏi bề mặt kim loại
- Các electron bị bật ra khỏi bề mặt kim loại gọi là các electron quang điện
- Sơ đồ thí nghiệm (Hình 1.2)
Tế bào quang điện bao gồm hai điện cực là catot và anot, được đặt trong một bóng chân không với cửa sổ quang học làm từ thạch anh Catot được chế tạo từ kim loại để nghiên cứu hiện tượng quang điện.
Khi rọi vào catot ch m sáng đơn sắc có bước sóng thích hợp, trong mạch điện có dòng điện- gọi là dòng quang điện
1.1.2.2 Đường đặc trưng Vôn- Ampe của tếbào quang điện
Đường đặc trưng Vôn-Ampe của tế bào quang điện thể hiện mối quan hệ giữa cường độ dòng quang điện và hiệu điện thế U AK, như được minh họa trong Hình 1.3.
Khi UAK > 0, việc tăng UAK sẽ dẫn đến sự gia tăng dòng quang điện cho đến khi UAK đạt giá trị bằng 0, lúc này dòng quang điện không còn thay đổi dù UAK tiếp tục tăng Giá trị này được gọi là dòng quang điện bão hòa và ký hiệu là I0.
Trong đó: là số electron đến anot trong 1 s là điện tích của electron ( e 1,6.10 19 C )
- Khi U AK =0, vẫn có dòng quang điện ( 0)
Khi U AK có giá trị âm, dòng quang điện sẽ bị triệt tiêu, được gọi là hiệu điện thế hãm Hiệu điện thế này liên quan đến động năng ban đầu cực đại của quang electron, được mô tả bằng công thức: \( W = h \cdot \omega_{max} - e \cdot U \).
Chú ý: Hiệu suất lƣợng tử (hiệu suất quang điện): n e
1.1.2.3 Các định luật quang điện a) Định luật về giới hạn quang điện
Hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra đối với mỗi kim loại khi tần số (hay bước sóng) của ánh sáng chiếu vào lớn hơn hoặc bằng một giá trị nhất định, được gọi là tần số (hay bước sóng) giới hạn quang điện.
- Nói cách khác, điều kiện để xảy ra hiện tƣợng quang điện: f f 0 (1.4)
5 hay 0 (1.5) b) Định luật về cường độ dòng quang điện bão hòa
Cường độ dòng quang điện bão hòa tỷ lệ với cường độ chùm sáng mà catot nhận được, khi ánh sáng có tần số không đổi chiếu vào catot Định luật về động năng cũng chỉ ra rằng vận tốc ban đầu cực đại của quang electron phụ thuộc vào cường độ ánh sáng.
Động năng tối đa của quang electron không bị ảnh hưởng bởi cường độ của chùm sáng chiếu vào catot, mà chỉ phụ thuộc vào tần số (bước sóng) của chùm sáng và đặc tính của kim loại làm catot.
1.2 Thuyết lƣợng tử ánh sáng Công thức Einstein Photon
1.2.1 Thuyết lƣợng tử ánh sáng
- Chùm sáng là một ch m các photon (các lƣợng tử ánh sáng) Mỗi photon có năng lƣợng xác định: (1.6)
( là tần số của ánh sáng có bước sóng đơn sắc tương ứng)
Cường độ của chùm sáng tỉ lệ với số photon phát ra trong 1s
- Phân tử, nguyên tử, electron, phát xạ hay hấp thụ ánh sáng, cũng có nghĩa là chúng phát xạ hay hấp thụ photon
Các photon di chuyển với tốc độ ánh sáng c = 3.10^8 m/s trong chân không Mặc dù năng lượng của mỗi photon rất nhỏ, nhưng mỗi chùm sáng, dù yếu, lại chứa một số lượng lớn photon do hàng triệu nguyên tử phát ra Chính vì vậy, chúng ta cảm nhận chùm sáng như một nguồn sáng liên tục.
Năng lƣợng của chùm sáng: E N Nhf (1.7)
Một chùm sáng đơn sắc bao gồm các photon có năng lượng đồng nhất Cường độ ánh sáng tại một điểm tỉ lệ thuận với số lượng photon đi qua một diện tích 1m² vuông góc với tia sáng trong một giây Các photon chỉ tồn tại khi đang chuyển động, không có photon nào đứng yên.
Theo lý thuyết của Einstein, khi một chùm sáng thích hợp chiếu vào catot, các electron tự do trong kim loại sẽ hấp thụ photon Mỗi electron nhận được một năng lượng từ photon, và một phần năng lượng này sẽ giúp electron thoát ra khỏi kim loại, trong khi phần còn lại chuyển hóa thành động năng Động năng ban đầu của electron càng lớn khi chúng ở gần bề mặt kim loại, vì electron sâu bên trong sẽ mất một phần năng lượng trong quá trình di chuyển ra ngoài Do đó, động năng ban đầu đạt cực đại với các electron gần bề mặt Dựa trên định luật bảo toàn năng lượng, Einstein đã phát triển phương trình mô tả hiệu ứng quang điện.
- Các công thức thường dùng:
Công suất của nguồn sáng: hc Nhc
Trong đó là số photon chiếu tới bề mặt catot trong 1s
Khi một vật cô lập về điện được chiếu sáng đúng cách, điện thế cực đại mà vật có thể đạt được xảy ra khi có sự cân bằng động giữa số electron bị bứt ra và số electron bị hút trở lại.
Động năng cực đại của quang electron khi đập vào anot:
(Khi U AK >0, electron đƣợc tăng tốc, khi U AK