Giáo án điện tử chuyên đề Vật lí 12 kết nối Bài 9: Hiệu ứng quang điện và năng lượng của photon

CHÀO MỪNG CẢ LỚP ĐẾN VỚI BÀI HỌC MỚI

KHỞI ĐỘNG

Việc áp dụng thuyết lượng tử để giải thích cho các định luật của hiệu ứng quang điện đã mang lại giải Nobel cho Einstein năm 1921.

Đặt vấn đề

Các hiệu ứng quang điện là gì và các định luật đó được Einstein giải thích như thế nào?

HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN VÀ NĂNG LƯỢNG CỦA PHOTON

BÀI 9

NỘI DUNG BÀI HỌC

Sự phát hiện hiệu ứng quang điện

I.

Các định luật quang điện

II.

Thuyết lượng tử ánh sáng

III.

Giải thích các định luật quang điện

VI.

Thực hành quan sát dòng quang điện

V.

kenhgiaovien

/

• Bài giảng và giáo án này chỉ có duy nhất trên kenhgiaovien.com
• Bất cứ nơi nào đăng bán lại đều là đánh cắp bản quyền và hưởng lợi bất chính trên công sức của giáo viên.
• Vui lòng không tiếp tay cho hành vi xấu.

Zalo: 0386 168 725

I. SỰ PHÁT HIỆN HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN

Thảo luận nhóm và mô tả lại thí nghiệm của Herzt năm 1887.

Thảo luận 1

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

• 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.
• Các electron bị bứt ra khỏi kim loại khi bị chiếu sáng gọi là quang electron.

GHI NHỚ

Góc lệch của kim tĩnh điện kế giảm cho biết điện tích âm của tấm kẽm trong Hình 9.1 tăng hay giảm?

Tấm kim loại kẽm đang mang điện âm, được chiếu sáng bởi một chùm sáng do hồ quang phát ra thì góc lệch của tĩnh điện kế giảm dần theo thời gian. Chứng tỏ tấm kẽm đã bị mất điện tích âm hay nói cách khác là điện tích âm của tấm kẽm đã giảm dần.

II. CÁC ĐỊNH LUẬT QUANG ĐIỆN

Định luật về giới hạn quang điện

Định luật 1

Đối với mỗi kim loại, hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi bức xạ điện từ kích thích chiếu vào kim loại có bước sóng ngắn hơn hoặc bằng giới hạn quang điện của kim loại đó ( ).

Định luật về cường độ dòng quang điện bão hòa

Định luật 2

Với mỗi bức xạ điện từ có bước sóng thích hợp (), cường độ dòng quang điện bão hoà tỉ lệ thuận với cường độ chùm bức xạ điện từ kích thích.

Định luật về động năng ban đầu cực đại của quang electron

Định luật 3

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

III. THUYẾT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG

Thuyết photon

• Chùm sáng là chùm hạt photon (các lượng tử ánh sáng).
• Cường độ chùm sáng tỉ lệ với số photon phát ra trong một đơn vị thời gian.

Trong chùm ánh sáng đơn sắc với tần số f, các photon đều mang năng lượng giống nhau: với được gọi là hằng số Planck.

Photon chỉ tồn tại trong trạng thái chuyển động.

Trong chân không, photon chuyển động với tốc độ dọc theo các tia sáng.

Mỗi lần một nguyên tử hay phân tử phát xạ hoặc hấp thụ ánh sáng thì chúng phát xạ hoặc hấp thụ một photon.

Chỉ ra điểm khác biệt giữa thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein và mô hình sóng ánh sáng khi giải thích sự hấp thụ hay phát xạ năng lượng của nguyên tử, phân tử.

Trả lời

Trước thuyết lượng tử, người ta cho rằng năng lượng hấp thụ hay bức xạ có giá trị liên tục. Tuy nhiên, Einstein cho rằng quá trình này diễn ra gián đoạn: nguyên tử hấp thụ hoặc bức xạ từng photon, với năng lượng mỗi photon được xác định bởi công thức E=hf, phụ thuộc vào tần số bức xạ.

Hãy ước lượng năng lượng của các photon tương ứng với các bức xạ điện từ cơ bản trong thang sóng điện tử đã học bao gồm (sóng vô tuyến, tia hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy, tia tử ngoại, tia X, tia ).

VI. GIẢI THÍCH CÁC ĐỊNH LUẬT QUANG ĐIỆN

Nhiệm vụ 1

Tìm hiểu về công thoát, giới hạn quang điện

Trình bày khái niệm công thoát.

Năng lượng tối thiểu cần cung cấp để bứt một electron ra khỏi bề mặt kim loại gọi là công thoát A của electron.

Hãy giải thích tại sao khi sử dụng các loại kính hấp thụ tia tử ngoại trước khi các bức xạ chiếu vào tấm kẽm ở Hình 9.1 thì hiện tượng quang điện không xảy ra.

Hiện tượng quang điện không xảy ra khi sử dụng kính lọc sắc hấp thụ tia tử ngoại vì ánh sáng còn lại không đủ năng lượng để kích thích electron. Để hiện tượng quang điện xảy ra, năng lượng photon phải lớn hơn hoặc bằng công thoát A của electron, tương ứng với tần số tia tử ngoại hoặc cao hơn. Khi tia tử ngoại bị loại bỏ, không photon nào đạt mức năng lượng cần thiết.

Khi sử dụng bức xạ tử ngoại có bước sóng 320 nm chiếu vào tấm kẽm ở thí nghiệm trong Hình 9.1 thì thấy xuất hiện hiện tượng quang điện. Thí nghiệm này có thể xác định công thoát của electron ở bề mặt tấm kẽm hay không? Hãy giải thích.

Thí nghiệm không thể xác định công thoát của electron ở bề mặt tấm kẽm. Khi sử dụng bức xạ tử ngoại có bước sóng 320 nm chiếu vào tấm kẽm thì ta chỉ xác định được có xảy ra hiện tượng quang điện tức là công thoát A nhỏ hơn năng lượng của bức xạ chiếu tới.

Mối liên hệ giữa giới hạn quang điện và công thoát A

Giới hạn quang điện là bước sóng của bức xạ điện từ chiếu tới bề mặt kim loại (gọi là bức xạ điện từ kích thích) sao cho năng lượng của photon bằng công thoát A của electron.

Trong đó

• là hằng số Planck.
• là tốc độ ánh sáng trong chân không.
• A (J) là công thoát của electron khỏi bề mặt kim loại.

Lưu ý: Giới hạn quang điện của mỗi kim loại là khác nhau và là đặc trưng riêng của kim loại đó.

Câu hỏi (SGK - tr51)

Giới hạn quang điện của đồng (Cu) và của kẽm (Zn) lần lượt là 0,3 µm và 0,35 µm. Hãy tính công thoát A của electron khỏi bề mặt các kim loại trên.

Trả lời

Nhiệm vụ 2

Tìm hiểu cách giải thích các định luật quang điện

Công thức Einstein về hiện tượng quang điện

Trong đó: là động năng ban đầu cực đại của electron.

GIẢI THÍCH ĐỊNH LUẬT 1

• Sử dụng tính chất sóng của bức xạ điện từ thì ta không thể giải thích được cho định luật về giới hạn quang điện.
• Định luật về giới hạn quang điện chỉ có thể giải thích khi vận dụng công thức Einstein. Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi:

GIẢI THÍCH ĐỊNH LUẬT 2

Với các chùm sáng có khả năng gây ra hiện tượng quang điện thì số quang electron bật ra khỏi bề mặt cathode trong một đơn vị thời gian sẽ tỉ lệ thuận với số photon tới đập vào mặt cathode trong một đơn vị thời gian. Số photon này lại tỉ lệ thuận với cường độ của chùm sáng tới nên cường độ dòng quang điện bão hoà tỉ lệ thuận với cường độ của chùm sáng kích thích.

GIẢI THÍCH ĐỊNH LUẬT 3

Từ công thức Einstein, ta có động năng ban đầu cực đại của electron bằng:

Động năng ban đầu cực đại của electron không phụ thuộc vào cường độ chùm bức xạ điện từ kích thích mà chỉ phụ thuộc vào bước sóng kích thích và công thoát A của electron.

Tế bào quang điện chân không có cathode được phủ chất nhạy quang Sb - Ce trong một bộ thí nghiệm khảo sát dòng quang điện. Khi sử dụng ánh sáng màu xanh lam để khảo sát thì ta có hiệu điện thế hãm Uh = 0,8 V. Hãy xác định tốc độ ban đầu cực đại của quang electron.

Trả lời

Năng lượng đủ để hãm quang electron bật ra khỏi cathode bằng:

Năng lượng nói trên đúng bằng động năng ban đầu cực đại của quang electron min nên ta tính được tốc độ ban đầu cực đại của quang electron:

(m/s)

V. THỰC HÀNH KHẢO SÁT DÒNG QUANG ĐIỆN

Nhiệm vụ 1

Tìm hiểu về công thoát, giới hạn quang điện

Thiết kế phương án

a) Khi điều chỉnh con trỏ sao cho hai con trỏ N và F càng xa nhau thì UAK càng lớn, còn hai con trỏ càng gần nhau thì UAK càng nhỏ.

b) Dòng quang điện đi qua ampe kế có cường độ phụ thuộc vào hiệu điện thế giữa hai đầu anode và cathode, bước sóng ánh sáng tới, cường độ ánh sáng chiếu tới.

V. THỰC HÀNH KHẢO SÁT DÒNG QUANG ĐIỆN

Nhiệm vụ 1

Tìm hiểu về công thoát, giới hạn quang điện

Thiết kế phương án

c) Các phương án thí nghiệm khảo sát từ các dụng cụ trên:

• Thí nghiệm 1: Khảo sát cường độ dòng quang điện phụ thuộc ánh sáng tới.
• Thí nghiệm 2: Khảo sát cường độ dòng quang điện phụ thuộc hiệu điện thế UAK và cường độ bức xạ điện từ kích thích.

PHIẾU BÀI TẬP

THỰC HÀNH KHẢO SÁT DÒNG QUANG ĐIỆN

Thiết kế phương án

Quan sát sơ đồ mạch điện hình bên và trả lời các câu hỏi sau:

a) Tế bào quang điện chân không T được nối với điểm F. Anode của T nối với khoá M (khoá M đóng) tới con trỏ được điều chỉnh tới các vị trí N thích hợp. Khi điều chỉnh con trỏ sẽ làm thay đổi hiệu điện thế UAK như thế nào?

b) Cường độ của dòng quang điện đi qua ampe kế sẽ phụ thuộc vào những đại lượng nào?

c) Hãy thiết kế phương án khảo sát dòng quang điện từ các dụng cụ thí nghiệm.

Tiến hành

• Lắp mạch điện theo sơ đồ trong hộp chân đế, đảm bảo công tắc ngắt và tế bào quang điện không bị ánh sáng ngoài tác động.

2. Ampe kế nối vào chốt "µA" để đo cường độ dòng quang điện, chỉnh về thang đo µA.

3. Vôn kế nối vào chốt "V" để đo UAK, chỉnh về thang đo V.

A. Tiến hành thí nghiệm với các ánh sáng đơn sắc khác nhau

4. Lắp bóng đèn LED màu đỏ vào đui đèn.

5. Bật các công tắc, bật vôn kế và ampe kế.

6. Điều chỉnh biến trở để vôn kế có chỉ số nằm trong khoảng từ 3 V đến 9 V.

7. Đọc chỉ số của ampe kế và ghi kết quả vào vở theo mẫu tương tự Bảng 9.2 (SGK)

8. Lặp lại các bước 6, 7 với chỉ số của vôn kế tăng dần.

9. Tắt các công tắc, tắt vôn kế và ampe kế, tháo bóng đèn LED ra.

10. Thay bóng đèn LED đỏ bằng bóng đèn LED lục rồi lam và lặp lại các bước 5, 6, 7, 8, 9.

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

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