Giáo án điện tử chuyên đề Vật lí 12 chân trời Bài 7: Hiệu ứng quang điện và năng lượng của photon

CHÀO MỪNG CẢ LỚP ĐẾN VỚI BÀI HỌC MỚI

KHỞI ĐỘNG

Đến cuối thế kỉ XIX, ánh sáng vẫn được xem có bản chất sóng (sóng điện từ). Tuy nhiên, lí thuyết sóng ánh sáng không thể giải thích được một số khám phá sau đó như hiệu ứng quang điện. Hiệu ứng này, cùng một số hiệu ứng khác mà ánh sáng gây ra, chỉ có thể giải thích thoả đáng với quan niệm ánh sáng có tính chất hạt.

Đặt vấn đề

Em nghĩ sao về vấn đề trên?

HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN VÀ NĂNG LƯỢNG CỦA PHOTON

BÀI 7

NỘI DUNG BÀI HỌC

Hiệu ứng quang điện

1

Tính lượng tử của bức xạ điện từ

2

Giải thích các định luật quang điện

3

Lưỡng tính sóng hạt của bức xạ điện từ

4

1. HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN

1.1. Thí nghiệm Hertz về hiệu ứng quang điện

Thảo luận 1

Dự đoán hiện tượng xảy ra nếu trong thí nghiệm của Hertz ở Hình 7.1, ta thay đèn hồ quang bằng nguồn phát ánh sáng nhìn thấy.

Góc giữa hai lá kim loại trước và sau khi chiếu ánh sáng không thay đổi, tức là không xảy ra hiệu ứng quang điện.

Trả lời

Thảo luận 2

Dự đoán hiện tượng xảy ra khi chiếu tia tử ngoại vào bản kẽm tích điện dương trong thí nghiệm của Hertz ở Hình 7.1.

Góc giữa hai lá kim loại vẫn được giữ như trước và sau khi chiếu ánh sáng không thay đổi, tức là không xảy ra hiệu ứng quang điện.

Trả lời

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

Hiệu ứng quang điện

(Hiệu ứng quang điện ngoài)

Quang electron

(electron quang điện)

Hiệu ứng các electron bị bứt ra khỏi bề mặt kim loại khi được chiếu bởi bức xạ điện từ có bước sóng thích hợp.

Các electron bị bật ra khỏi bề mặt kim loại trong hiệu ứng quang điện.

1.2. Thí nghiệm khảo sát dòng quang điện

Mục đích

• Vẽ đường đặc trưng vôn – ampe của tế bào quang điện.
• Khảo sát sự phụ thuộc của cường độ dòng quang điện vào cường độ chùm sáng.

Dụng cụ

Tìm hiểu SCĐ và trình bày Phương án thí nghiệm khảo sát dòng quang điện.

Gợi ý

Tham khảo trong SCĐ - tr44 để thiết kể phương án thí nghiệm vẽ đường đặc trưng vôn – ampe của tế bào quang điện.

Dựa vào các dụng cụ được gọi ý trong Hình 7.2 để thiết kế phương án thí nghiệm vẽ đường đặc trưng vôn - ampe của tế bào quang điện.

Giải thích vì sao vỏ của tế bào quang điện thường bằng thạch anh.

Thạch anh không hoặc rất ít hấp thụ tia tử ngoại.

Thạch anh được dùng làm vỏ tế bào quang điện để tia tử ngoại có thể đi vào bên trong tế bào quang điện.

Trả lời

1.3. Các định luật quang điện

A

Định luật quang điện thứ nhất về giới hạn quang điện

Đối với mỗi kim loại, hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi bước sóng bức xạ điện tử kích thích nhỏ hơn hoặc bằng một giá trị xác định, gọi là giới hạn quang điện của kim loại đó.

B

Định luật quang điện thứ hai về dòng quang điện bão hòa

Khi xảy ra hiệu ứng quang điện, cường độ dòng quang điện bão hoà tỉ lệ thuận với cường độ của bức xạ điện từ kích thích.

B

Định luật quang điện thứ ba về động năng ban dầu cực đại của quang electron

Động năng ban đầu cực đại của quang electron không phụ thuộc vào cường độ của bức xạ điện từ kích thích mà chỉ phụ thuộc vào bước sóng của bức xạ điện từ kích thích và bản chất của kim loại.

Quan sát Hình 7.4 và sắp xếp các đường đồ thị (1), (2). (3) theo thứ tự tăng dần của cường độ bức xạ điện từ kích thích.

Trả lời

Do cường độ dòng quang điện bão hoà tỉ lệ thuận với cường độ của bức xạ điện từ kích thích nên ta có thể sắp xếp như sau: (3), (2), (1).

• Giả thuyết lượng tử của Planck.
• Cách tính đơn vị đo năng lượng eV.

2. TÍNH LƯỢNG TỬ CỦA BỨC XẠ ĐIỆN TỪ

2.1

Giả thuyết lượng tử của Planck

Tìm hiểu nội dung và trả lời các câu hỏi

GHI NHỚ

Các nguyên tử hay phân tử chỉ phát xạ hoặc hấp thụ năng lượng theo từng lượng nhỏ, gián đoạn. Mỗi lượng nhỏ này được gọi là lượng tử năng lượng và có giá trị xác định bởi biểu thức:

Trong đó

• ƒ là tần số của bức xạ điện từ mà nguyên tử hoặc phân tử hấp thụ hay bức xạ
• là hằng số Planck.

GHI NHỚ

Đơn vị đo năng lượng eV: Là độ lớn của công cần thực hiện để dịch chuyển một điện tích nguyên tố e giữa hai điểm có hiệu điện thế 1 V.

Năng lượng của sóng điện từ phụ thuộc như thế nào vào bước sóng?

Một cách tổng quát, năng lượng của sóng điện từ chỉ phụ thuộc biên độ và tần số của sóng.

• Trình bày ý tưởng về tính chất hạt của ánh sáng do Albert Einstein đề xuất.
• Năng lượng của mỗi photon được tính như thế nào?

2.2

Khái niệm photon. Năng lượng photon

Tìm hiểu nội dung và trả lời các câu hỏi

• Ánh sáng là tập hợp các photon (hạt ánh sáng) chuyển động với tốc độ c = 3.108 m/s trong chân không.
• Mỗi photon của bức xạ có tần số f mang năng lượng được tính theo biểu thức:
• Năng lượng của mỗi photon là:

Sử dụng biểu thức để giải thích vì sao các tia X và tia gamma có khả năng đâm xuyên lớn qua một số vật liệu.

Theo biểu thức , năng lượng của bức xạ điện từ tỉ lệ nghịch với bước sóng. Vì các tia X và tia gamma có bước sóng rất ngắn nên mang năng lượng lớn, dẫn đến có khả năng đâm xuyên lớn qua một số vật liệu, lớn hơn so với ánh sáng nhìn thấy.

Trả lời

Một bút laser có công suất 5,00 mW phát ánh sáng đơn sắc có bước sóng 650 nm. Tính số photon phát ra bởi bút laser này trong thời gian 1 phút.

Năng lượng của mỗi photon:

Số photon phát ra bởi bút laser trong thời gian 1 phút:

photon

3. GIẢI THÍCH CÁC ĐỊNH LUẬT QUANG ĐIỆN

3.1

Phương trình Einstein về hiệu ứng quang điện

Phương trình Einstein về hiệu ứng quang điện có dạng:

Trong đó

• m là khối lượng của electron
• là động năng ban đầu cực đại của quang electron.

3.2

Giải thích các định luật quang điện

Nhóm 1

Nhóm 2

Nhóm 3

Định luật quang điện thứ nhất

Định luật quang điện thứ hai

Định luật quang điện thứ ba

Thảo luận 7,8,9

Thảo luận 10

Thảo luận 11

Giải thích định luật 1

• Công thoát (A): Năng lượng mà các electron dẫn (electron chuyển động tự do) cần được cung cấp để thoát ra khỏi bề mặt một tấm kim loại.
• Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi:
• Năng lượng cung cấp bởi bức xạ điện từ kích thích cho mỗi electron không phụ thuộc cường độ của bức xạ điện từ chiếu vào kim loại mà chỉ phụ thuộc năng lượng của mỗi photon (hoặc bước sóng) của bức xạ điện từ tương ứng.

Đáp án Thảo luận 7

Giới hạn quang điện ở của các kim loại trong Bảng 7.2 đều nằm trong vùng tử ngoại, do đó, để tạo ra hiệu ứng quang điện trong thí nghiệm Herzt, ta phải sử dụng chùm tia tử ngoại có bước sóng , theo định luật quang điện thứ nhất.

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

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