Giải chi tiết chuyên đề Vật lí 12 CTST bài 7: Hiệu ứng quang điện và năng lượng của photon

KHỞI ĐỘNG

1. 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.

Bài làm chi tiết:

Dự đoán hiện tượng: Nếu thay đèn hồ quang bằng nguồn ánh sáng nhìn thấy trong thí nghiệm của hertz sẽ không có dòng điện được tạo ra trong mạch.

Bởi vì: Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi ánh sáng có năng lượng đủ cao để đánh bật các electron ra khỏi bề mặt kim loại. Ánh sáng nhìn thấy có năng lượng photon thấp hơn so với ánh sáng tử ngoại phát ra từ đèn hồ quang. Vì vậy nó không đủ năng lượng để đánh bật electron khỏi bề mặt kim loại.

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.

Bài làm chi tiết:

Dự đoán hiện tượng: hiện tượng không xảy ra khi chiếu tia tử ngoại vào bản kẽm tích điện dương trong thí nghiêm của Hertz.

Bởi vì: bản kẽm mà tích điện dương thì nó sẽ hút các electron về phía nó. Chính vì vậy khi chiếu tia tử ngoại thì electron bị tia tử ngoại đánh bật ra khỏi bản kẽm sẽ bị hút trở lại bởi điện tích dương của bản kẽm. Do đó, electron không di chuyển tự do trong mạch điện để tạo ra dòng điện.

Thảo luận 3: Dựa vào các dụng cụ được gợi ý trong Hình 7.2 để thiết kế phương án thí nghiệm vẽ đường đặc trưng vôn-ampe của tế bào quang điện.

Bài làm chi tiết:

Dụng cụ: tế bào quang điện, nguồn sáng, núm xoay để điêu chỉnh cường độ sáng của đèn, hộp chân đế có gắn biến thế nguồn với điện áp đầu vào 220 V và hiệu điện thế đầu ra tối đa 50 V, núm xoay để thay đổi hiệu điện thế đặt vào hai điện cực của tế bào quang điện, công tắc thuận nghịch, kính lọc sắc F, hai đồng hồ đo hiện đa năng, các dây nối.

Thảo luận 4: Giải thích vì sao vỏ của tế bào quang điện thường bằng thạch anh.

Bài làm chi tiết:

 Vỏ của tế bào quang điện thường bằng thạch anh vì:

- Khả năng truyền ánh sáng tốt

- Chịu được nhiệt độ cao

- Khả năng cách điện tốt

- Khả năng chống ăn mòn tốt

- Dễ dạng chế tạo

Luyện tập: 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.

Bài làm chi tiết:

Các đường đồ thị (1), (2), (3) theo thứ tự tăng dần của cường độ bức xạ điện từ kích thích là: I₃ < I₂ < I₁

2. TÍNH LƯỢNG TỬ CỦA BỨC XẠ ĐIỆN TỪ

Thảo luận 5: Năng lượng của sóng điện từ phụ thuộc như thế nào vào bước sóng?

Bài làm chi tiết:

Năng lượng của sóng điện từ phụ thuộc vào bước sóng theo công thức:

Sóng điện từ có bước sóng ngắn và tần số cao có năng lượng cao hơn sóng điện từ có bước sóng dài và tần số thấp.

Thảo luận 6: Sử dụng biểu thức (7.3) để giải thích vì sao các tia X và tia gamma có khả năng đâm xuyên lớn qua một số vật liệu.

Bài làm chi tiết:

Các tia X và tia gamma có khả năng đâm xuyên lớn qua một số vật liệu vì: 

Tia X và tia gamma có bước sóng ngắn (khoảng từ 10^-11 m đến 10^-15 m).

Nhìn vào công thức năng lượng của một photon tỉ lệ nghịch với bước sóng nên tia X và tia gamma có năng lượng cao hơn so với các loại bức xạ khác. Khả năng đam xuyên của hai tia này tăng lên khi năng lượng photon cao hơn.

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

Bài làm chi tiết:

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

3. GIẢI THÍCH CÁC ĐỊNH LUẬT QUANG ĐIỆN

Thảo luận 7: Tham khảo Bảng 7.2 để giải thích vì sao phải sử dụng chùm tia tử ngoại trong thí nghiệm Hertz để tạo ra hiệu ứng quang điện.

Bài làm chi tiết:

- Nếu sử dụng ánh sáng nhìn thấy, năng lượng của nó thấp hơn năng lượng của kim loại nên không đủ năng lượng để giải phóng electron khỏi bề mặt, không tạo ra hiệu ứng quang điện.

- Tia tử ngoại có năng lượng cao hơn năng lượng của kim loại nên có đủ năng lượng để giải phóng electron ra khỏi bề mặt kim loại, tạo ra hiệu ứng quang điện.

Thảo luận 8: Từ phương trình (7.4), em hãy nghiệm lại định luật quang điện thứ nhất về giới hạn quang điện.

Bài làm chi tiết:

Nghiệm lại định luật quang điện thứ nhất về giới hạn quang điện:

- Xác định công thoát A của kim lại từ thí nghiệm.

- Thay các giá trị như h, f, động năng ban đầu cực đại để tính được bước sóng giới hạn của quang điện kim loại đó.

- Sau đó so sánh bước song giới hạn quang điện và bước sóng của ánh sáng sử dụng trong thí nghiệm

- Cuối cùng đưa ra kết luận.

Thảo luận 9: Vì sao ta không thể sử dụng lí thuyết sóng để giải thích định luật về giới hạn quang điện.

Bài làm chi tiết:

Lý thuyết sóng ánh sáng cho rằng ánh sáng là một dạng sóng điện từ. Theo lý thuyết này, năng lượng của ánh sáng được phân bố đều trên khắp mặt sóng và tỉ lệ nghịch với bình phương bước sóng.

Định luật về giới hạn quang điện: năng lượng của electron quang điện tỉ lệ nghịch với bước sóng của ánh sáng. Hiện tượng quang điện xảy ra khi ánh sáng kích thích chiếu vào kim loại có bước sóng nhỏ hơn hoặc bằng bước sóng  được gọi là giới hạn quang điện.

Lý thuyết sóng không giải thích được hai hiện tượng trên:

- Theo lý thuyết sóng thì năng lượng electron không phụ thuộc vào bước sóng mà phụ thuộc vào cường độ. Thí nghiệm đã chứng minh đươc năng lượng electron tỉ lệ nghịch với buóc sóng.

- Theo lý thuyết sóng thì bất kỳ ánh sáng nào, có bước sóng dài đến đâu cũng có thể gây hiện tượng quang điện với cường độ của ánh sáng đủ mạnh. Thí nghiệm chứng minh được có một bước sóng giới hạn đối với mỗi kim loại, nêu ánh sáng có bước sóng lớn hơn bước sóng giới hạn không thể gây ra hiện tượng quang điện.

Thảo luận 10: Cường độ dòng quang điện bão hoà có phụ thuộc vào bước sóng của bức xạ điện từ kích thích không? Giải thích?

Bài làm chi tiết:

Cường độ dòng quang điện bão hoà không phụ thuộc vào bước sóng của bức xạ điện từ kích thích vì: năng lượng cung cấp bởi bức xạ điện từ kích thích tỉ lệ nghịch với  mà năng lượng này không phụ thuộc vào cường độ dòng quang điện bão hoà nên cũng không phụ thuộc vào bước sóng.

Thảo luận 11: Thảo luận để rút ra công thức (7.8).

Bài làm chi tiết:

Khi U_AK giảm đến một giá trị bằng – U_h (U_h >0) thì cường độ bằng không. Đây là điều kiện để dòng quang điện triệt tiêu. Ta áp dụng định lí biến thiên động năng:

Luyện tập: Biết rằng phải chiếu vào cathode bằng sodium (Na) bức xạ điện từ có bước sóng nhỏ hơn hoặc bằng 504 nm thì hiệu ứng quang điện mới xảy ra. Khi hiệu điện thế giữa anode và cathode nhỏ hơn hoặc bằng -2,46 V thì dòng quang điện tắt.

a) Tính công thoát của sodium (theo đơn vị J và eV).

b) Tính động năng ban đầu cực đại (theo đơn vị eV) và vận tốc ban đầu cực đại của quang electron. Cho biết khối lượng của electron là 9,10.10^-31 kg.

Bài làm chi tiết:

a) Công thoát của sodium là:

J  eV.

b) Động năng ban đầu cực đại là: 

Vận tốc ban đầu cực đại của quang electron là:

m/s

Vận dụng: Hiệu ứng quang điện có nhiều ứng dụng trong thực tế. Một trong các ví dụ là ống nhân quang điện (PMT-Photomultiplier tube). Trong thiết bị này, dòng quang electron được khuyếch đại nhiều lần để tạo thành dòng điện có cường độ lớn. Ống nhân quang điện được sử dụng trong chẩn doán y tế (xét nghiệm máu, quét ảnh), thiết bị nhìn đêm, máy quét hình ảnh cao cấp,… Em hãy tìm hiểu trên sách, báo, internet,… để trình bày tóm tắt về nguyên tắc hoạt động của thiết bị này.

Bài làm chi tiết:

Ống nhân quang điện (PMT - Photomultiplier tube) là một thiết bị điện tử có khả năng khuếch đại tín hiệu ánh sáng yếu thành dòng điện có cường độ lớn. Ống PMT được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: chẩn đoán y tế (xét nghiệm máu, quét ảnh), thiết bị nhìn đêm, máy quét hình ảnh cao cấp,…

Nguyên tắc hoạt động:

Bước 1: Hiệu ứng quang điện: Khi ánh sáng chiếu vào cathode của PMT, các photon ánh sáng được hấp thụ bởi các nguyên tử cathode, giải phóng electron. Năng lượng của photon phải lớn hơn hoặc bằng công thoát của cathode để giải phóng electron.

Bước 2: Khuếch đại điện tử: Các electron được giải phóng bởi hiệu ứng quang điện được tăng tốc bởi một điện trường mạnh và va chạm với dynode đầu tiên. Mỗi va chạm giải phóng nhiều electron thứ cấp hơn. Quá trình này được lặp lại nhiều lần (thường 10-15 giai đoạn) dẫn đến sự khuếch đại tín hiệu điện tử đáng kể.

Bước 3: Anode: Các electron thứ cấp sau giai đoạn nhân được thu thập tại anode, tạo ra một tín hiệu điện mạnh hơn nhiều so với tín hiệu quang ban đầu.

4. LƯỠNG TÍNH SÓNG HẠT CỦA BỨC XẠ ĐIỆN TỪ

5. BÀI TẬP

Câu hỏi 1: Một ứng dụng của laser trong y học là dùng một chùm tia laser để điều chỉnh độ cong của giác mạc, từ đó điểu trị các bệnh lí liên quan tới tật khúc xạ. Biết thời gian của mỗi xung laser bằng 20 ms và công suất trung bình của mỗi xung là 0,60 W. Trong mỗi xung, có 4,0.10¹⁶ photon đập vào võng mạc. Tính bước sóng của chùm tia laser này.

Bài làm chi tiết:

Công suất trung bình của mỗi xung là:

Bước sóng của chùm tia laser này là: 

Câu hỏi 2: Hằng số Planck h có thể được xác định trong thực nghiệm bằng cách đo hiệu điện thế hãm đối với sodium (Hình 7P1). Cho khối lượng và điện tích của electron lần lượt bằng 9,1.10^-31 kg và -1,6.10^-19 C.

a) Từ đồ thị trên, hãy suy ra giá trị của hằng số h và công thoát của sodium.

b) Với giá trị của h ở câu a, hãy tính hiệu điện thế hãm và vận tốc ban đầu cực đại của quang electron nếu ánh sáng chiếu vào bản sodium này có bước sóng 400 nm.

Bài làm chi tiết:

a) Ta có hệ phương trình sau:

b) Vận tốc ban đầu cực đại của quang electron: 

Hiệu điện thế hãm của quang electron: 

Câu hỏi 3: Gọi  là giới hạn quang điện của sodium. Ta thấy khi chiếu vào cathode của một tế bào quang điện bức xạ có bước sóng  thì hiệu điện thế U_AK giữa anode và cathode có giá trị bằng -2,48V để dòng quang điện có giá trị bằng 0. Cho h=6,626.10^-34 J.s, khối lượng và điện tích của electron lần lượt bằng 9,1.10^-31 kg và -1,6.10^-19C.

a) Tính giá trị .

b) Tính vận tốc ban đầu cực đại của quang electron khi bật ra khỏi cathode.

Bài làm chi tiết:

a) Ta có: ;  

b) Vận tốc ban đầu cực đại của quang electron khi bật ra khỏi cathode là: