Giáo án điện tử chuyên đề Vật lí 12 cánh diều Bài 1: Năng lượng photon và hiệu ứng quang điện

NHIỆT LIỆT CHÀO ĐÓN CÁC EM ĐẾN VỚI LỚP HỌC VẬT LÍ!

KHỞI ĐỘNG

Chúng ta đã biết nhiều hiện tượng chứng tỏ ánh sáng là sóng điện từ, ví dụ như sự giao thoa ánh sáng. Ngoài tính chất sóng, ánh sáng còn có tính chất nào khác? Hiện tượng nào chứng tỏ ánh sáng có tính chất đó?

Sóng điện từ

Vân giao thoa của hai nguồn phát ánh sáng trắng

CHUYÊN ĐỀ 3: VẬT LÍ LƯỢNG TỬ

BÀI 1:

NĂNG LƯỢNG PHOTON VÀ HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN

NỘI DUNG BÀI HỌC

I.

Hiệu ứng quang điện

II.

Tính lượng tử của bức xạ điện từ

III.

Giải thích các định luật quang điện

HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN

I.

1. Thí nghiệm của Hertz

Heinrich Rudolf Hertz (1857 - 1894), nhà vật lí

người Đức

Thí nghiệm về hiện tượng quang điện

Hình 1.2. Sơ đồ thí nghiệm về hiệu ứng quang điện

Câu 1 (SGK - tr.49)

Vì sao trong thí nghiệm ở Hình 1.2, hai lá của điện nghiệm lại xòe ra khi tích điện âm cho tấm kẽm?

Hai lá của điện nghiệm được tích điện cùng dấu nên đẩy nhau.

Thế nào là hiệu ứng quang điện? Thế nào là electron quang điện?

Nêu điều kiện để khi chiếu một ánh sáng đơn sắc vào bề mặt tấm kim loại thì xảy ra hiệu ứng quang điện.

Từ thí nghiệm vừa quan sát kết hợp với thông tin SGK, trả lời câu hỏi:

Hiện tượng một chùm bức xạ thích hợp làm bật các electron ra khỏi mặt tấm kim loại được gọi là hiệu ứng quang điện.

KHÁI NIỆM:

Các electron bị bật ra khỏi bề mặt kim loại khi tấm kim loại bị chiếu sáng được gọi là electron quang điện.

Điều kiện xảy ra hiệu ứng quang điện:

• Hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi ánh sáng chiếu vào tấm kim loại (gọi là ánh sáng kích thích) có bước sóng nhỏ hơn hoặc bằng một giá trị .
• Bước sóng được gọi là giới hạn quang điện của kim loại đã cho. Giới hạn quang điện của mỗi kim loại là đặc trưng riêng của kim loại đó.

2. Thí nghiệm khảo sát dòng quang điện

Tế bào quang điện:

Là một bình bằng thạch anh đã hút hết không khí (tế bào quang điện chân không), bên trong có hai điện cực: điện cực dương (anode) là một vòng dây kim loại, điện cực âm (cathode) có dạng một chỏm cầu bằng kim loại hoặc một lá kim loại mỏng uốn thành nửa hình trụ.

Hình 1.3. Ảnh chụp một tế bào quang điện

Tiến hành thí nghiệm SGK - tr.50, 51 theo nhóm:

Hình 1.4. Sơ đồ mạch điện của thí nghiệm với tế bào quang điện

Hình 1.5. Ảnh chụp bộ dụng cụ

Bảng 1.2. Kết quả đo với LED màu lam

Vẽ đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa cường độ dòng điện I và hiệu điện thế UAK.

Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa cường độ dòng điện I và hiệu điện thế UAK

Gợi ý

Đồ thị là một đường đi lên cho đến một giá trị không đổi nào đó, đồ thị là đường nằm ngang.

3. Các định luật quang điện

Câu 2 (SGK - tr.52)

Với một chùm sáng đơn sắc có bước sóng và cường độ sáng nhất định, vì sao khi tăng hiệu điện thế đến một giá trị xác định nào đấy thì cường độ dòng quang điện lại không tăng nữa?

Cường độ dòng quang điện I biến thiên theo hiệu điện thế UAK của một tế bào quang điện

Giải thích

• Khi tăng , cường độ dòng điện tăng theo. Vì hiệu điện thế tăng thì số electron di chuyển về phía anode tăng nên cường độ dòng quang điện tăng theo .
• Khi tăng hiệu điện thế đến một giá trị xác định nào đấy, cường độ dòng quang điện lại không tăng vì tất cả electron thoát ra đều đến cực dương → Dù hiệu điện thế tăng nhưng dòng quang điện không tăng nữa (dòng quang điện bão hòa).

GHI NHỚ

Đối với mỗi ánh sáng thích hợp (có ), mối liên hệ của cường độ dòng quang điện I với hiệu điện thế như đồ thị:

Cường độ dòng quang điện I biến thiên theo hiệu điện thế UAK của một tế bào quang điện

• Khi thì I= 0. Giá trị được gọi là hiệu điện thế hãm.
• Khi thì không đổi. Giá trị được gọi là cường độ dòng quang điện bão hoà.

Định luật về giới hạn quang điện:

Hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi ánh sáng kích thích chiếu vào kim loại có bước sóng ngắn hơn hoặc bằng giới hạn quang điện của kim loại đó.

Đối với mỗi ánh sáng thích hợp (có ), cường độ dòng quang điện bão hoà tỉ lệ thuận với cường độ của chùm sáng kích thích.

Định luật về cường độ dòng quang điện bão hoà:

Định luật về động năng cực đại của electron quang điện:

Động năng ban đầu cực đại của electron quang điện không phụ thuộc cường độ của chùm sáng kích thích, chỉ phụ thuộc bước sóng ánh sáng kích thích và bản chất của kim loại.

Luyện tập 1 (SGK - tr.52)

Cường độ dòng quang điện bão hoà là A. Trong mỗi giây có bao nhiêu electron bị bứt ra khỏi cathode của tế bào quang điện?

Giải

Số electron bị bứt ra khỏi cathode của tế bào quang điện trong mỗi giây là:

TÍNH LƯỢNG TỬ CỦA BỨC XẠ ĐIỆN TỪ

II.

1. Lượng tử năng lượng - photon

Giả thuyết của Planck:

Lượng năng lượng mà mỗi lần một nguyên tử hay phân tử hấp thụ hoặc phát xạ có giá trị hoàn toàn xác định, gọi là một lượng tử năng lượng, kí hiệu là ɛ.

GHI NHỚ

Photon:

Là năng lượng mà sóng điện từ truyền đi. Một photon là một lượng tử năng lượng của bức xạ điện từ.

Chùm

photon:

Ánh sáng là bức xạ điện từ nên chùm ánh sáng là một chùm các photon.

• Năng lượng của mỗi photon tương ứng với ánh sáng đơn sắc có tần số f là:

Với là hằng số Planck và là tần số của ánh sáng tương ứng, đơn vị là Hz.

• Ta có:
• Có thể dùng đơn vị đo năng lượng của photon là: eV

Câu 3 (SGK - tr.54)

Chùm sáng là chùm photon nhưng vì sao ta nhìn thấy chùm sáng là liên tục?

Do chùm sáng nào cũng chứa một số rất lớn photon.

Luyện tập 2 (SGK - tr.54)

Tính bước sóng của bức xạ ứng với photon có năng lượng là

Giải

Bước sóng của bức xạ đó là:

2. Ví dụ áp dụng

Ví dụ 1 (SGK - tr.55)

Tính năng lượng của photon có bước sóng là 3,9.10-9m. Biết tốc độ ánh sáng trong chân không là c = 3,0.108 m/s.

Giải

Năng lượng của photon là:

Ví dụ 2 (SGK - tr.55)

Một photon trong chùm bức xạ có tần số 100 MHz. Tính năng lượng của photon này theo đơn vị eV.

Giải

Ta có:

MHz = Hz

= J

Đổi ra đơn vị eV, ta có năng lượng của photon là:

Luyện tập 3 (SGK - tr.55)

Một proton được gia tốc từ trạng thái nghỉ bằng một hiệu điện thế 1 500 V. Biết proton có điện tích là C và khối lượng là kg. Tính:

a) Động năng của proton sau khi được tăng tốc.

b) Tốc độ của proton.

Giải

a) Động năng của proton sau khi được tăng tốc là:

b) Tốc độ của proton:

Ta có:

GIẢI THÍCH CÁC ĐỊNH LUẬT QUANG ĐIỆN

III.

1. Phương trình Einstein về hiện tượng quang điện

Nghiên cứu thông tin SGK và cho biết:

Thế nào là công thoát?

Nêu định luật bảo toàn năng lượng, từ đó hình thành phương trình Einstein.

Công thoát:

Công A cần để cung cấp cho electron thắng được lực liên kết trong kim loại và thoát ra ngoài.

----------------------------------

----------------------- Còn tiếp -------------------------