1. Hiện tượng quang điện ngoài Định nghĩa: là hiện tượng ánh sáng làm bật các electron ra khỏi bề mặt kim loại gọi là hiện tượng quang điện ngoài, thường gọi tắt là hiện tượng quang điện. Các electron bị bật ra khỏi bề mặt kim loại khi bị chiếu sáng gọi là quang electron, còn gọi là electron quang điện. Điều kiện xảy ra hiện tượng quang điện là ánh sáng chiếu tới kim loại có bước sóng \(\lambda \leq \lambda_0\)(giới hạn quang điện). Bảng giới hạn quang điện của một số kim loại Chấtλ0(μm)Bạc Ag0,260Đồng Cu0,300Kẽm Zn0,350Nhôm Al0,360Natri Na0,500Kali K0,550Xesi Cs0,660Canxi Ca0,750 Nhận xét các kim loại khác nhau thì có giới hạn quang điện khác nhau. Các kim loại kiềm (Na, K..)và một vài kim loại kiềm thổ (Ca) có giới hạn quang điện trong miền ánh sáng nhìn thấy. Các kim loại khác (Ag, Cu, Zn...) có giới hạn quang điện trong miền ánh sáng tử ngoại. Giải thích một số hiện tượng quang điện ngoài Chiếu tia tử ngoại vào tấm kẽm đang tích điện âm thì hai lá của điện nghiệm khép lại là vì tia tử ngoại là làm bật các electron ra khỏi bề mặt tấm kẽm. Dẫn đến tấm kẽm trở nên trung hòa về điện và hai là của điện nghiệm khép lại. Chiếu tia tử ngoại vào tấm kẽm đang tích điện dương thì điện tích của tấm kẽm không bị thay đổi là do tia tử ngoại đã làm cho electron ở bề mặt kẽm bật ra ngoài nhưng lại bị bản kẽm nhiềm điện dương hút lại. 2. Các định luật quang điện Định luật quang điện thứ nhất (hay định luật về giới hạn quang điện) Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi ánh sáng kích thích chiếu vào kim loại có bước sóng nhỏ hơn hoặc bằng bước sóng λ0. λ0 là giới hạn quang điện của kim loại đó: \(\lambda \leq \lambda_0\). Định luật quang điện thứ hai (định luật về cường độ dòng quang điện bão hòa) Đối với mỗi ánh sáng thích hợp (có \(\lambda \leq \lambda_0\)), cường độ dòng quang điện bão hòa tỉ lệ thuận với cường độ của chùm sáng kích thích. Định luật quang điện thứ ba (hay định luật về động năng cực đại của quang êlectron) Động năng ban đầu cực đại của quang êlectron không phụ thuộc cường độ của chùm sáng kích thích, mà chỉ phụ thuộc bước sóng ánh sáng kích thích và bản chất của kim loại. 3. Thuyết lượng tử ánh sáng a, Giả thuyết lượng tử năng lượng của Plăng Theo Plăng thì năng lượng mà mỗi lần một nguyên tử hay phân tử hấp thụ hay phát xạ có giá trị hoàn toàn xác định, gọi là lượng tử năng lượng. Lượng tử năng lượng, kí hiệu \(\varepsilon\), có giá trị bằng: \(\varepsilon = hf\) Trong đó \(f\) là tần số của ánh sáng bị hấp thụ hay được phát ra. \(h\) là một hằng số, gọi là hằng số Plăng, \(h = 6,625.10^{-34}J.s\). b, Thuyết lượng tử ánh sáng. Phôtôn Để giải thích hiện tượng quang điện, nhà bác học Anh-xtanh đã phát triển giả thuyết của Plăng lên một bước và đề xuất thuyết lượng tử ánh sáng (còn gọi là thuyết phôtôn) có nội dung như sau Chùm sáng ánh là một chùm các phôtôn (các lượng tử ánh sáng). Mỗi phô tôn có năng lượng xác định \(\varepsilon = hf\) (\(f\) là tần số của sóng ánh sáng đơn sắc tương ứng). Cường độ của chùm sáng tỉ lệ với số phôtôn phát ra trong 1 giây. Phân tử, nguyên tử, eelectron... phát xạ hay hấp thụ ánh sáng, cũng có nghĩa là chúng phát xạ hay hấp thụ phôtôn. Các phôtôn bay dọc theo tia sáng với tốc độ \(c = 3.10^8 m/s\) trong chân không. Năng lượng của mỗi phô tôn rất nhỏ. Một chùm sáng dù yếu cũng chứa rất nhiều phô tôn do rất nhiều nguyên tử, phân tử phát ra. Vì vậy ta thấy chùm sáng liên tục. 4. Giải thích định luật về giới hạn quang điện bằng thuyết lượng tử ánh sáng Định luật thứ nhất Muốn cho êlectron thoát khỏi mặt kim loại phải cung cấp cho nó một công để "thắng" các lực liên kết. Công này được gọi là công thoát (\(A\)). Điều kiện xảy ra hiện tượng quang điện \(hf \geq A\) => \(\frac{hc}{\lambda}\geq A\) => \(\lambda\leq \frac{hc}{A}\), đặt \(\lambda_0= \frac{hc}{A}\) Khi đó \(A= \frac{hc}{\lambda_0} \ \ (2)\), \(\lambda_0\) là giới hạn quang điện của kim loại đó. Định luật thứ hai Cường độ dòng quang điện bão hòa tỉ lệ thuận với số êlectron bật ra khỏi catôt trong một đơn vị thời gian. Mà số êlectron bật ra khỏi catôt trong một thời gian tỉ lệ thuận với số phôtôn đến mặt catôt trong một đơn vị thời gian, số phôtôn này lại tỉ lệ thuận với cường độ chùm sáng tới. Chính vì vậy cường độ dòng quang điện bão hòa tỉ lệ thuận với số cường độ chùm sáng chiếu tới.
Theo giả thuyết lượng tử của Plăng thì năng lượng của mọi electron. mọi nguyên tử. phân tử mọi chất. một chùm sáng đơn sắc. phải luôn luôn bằng một số nguyên lần lượng tử năng lượng.
Nếu chiếu một chùm tia hồng ngoại vào tấm kẽm tích điện âm thì tấm kẽm mất dần điện tích dương. tấm kẽm mất dần điện tích âm. tấm kẽm trở nên trung hòa về điện. điện tích âm của tấm kẽm không đổi. Hướng dẫn giải: Tấm kẽm tích điện âm mất dần điện tích âm khi ta chiếu chùm tia tử ngoại chứ không phải hồng ngoại
Giới hạn quang điện của mỗi kim loại là bước sóng của ánh sáng kích thích chiếu vào kim loại gây ra hiện tượng quang điện. công thoát của các electron ở bề mặt kim loại đó. bước sóng giới hạn của ánh sáng kích thích để gây ra hiện tượng quang điện đối với kim loại đó. hiệu điện thế hãm.
Để gây ra hiện tượng quang điện, bức xạ rọi vào kim loại phải thỏa mãn điều kiện nào sau đây ? Tần số nhỏ hơn tần số nào đó. Tần số lớn hơn một tần số nào đó. Bước sóng nhỏ hơn giới hạn quang điện. Bước sóng lớn hơn giới hạn quang điện.
Với một bức xạ có bước sóng thích hợp thì cường độ dòng quang điện bão hòa triệt tiêu, khi cường độ chùm sáng kích thích nhỏ hơn một giá trị giới hạn. tỉ lệ với bình phương cường độ chùm sáng. tỉ lệ với căn bậc hai của cường độ chùm sáng. tỉ lệ thuận với cường độ chùm sáng kích thích. Hướng dẫn giải: Định luật quang điện thứ hai: đối với ánh sáng thích hợp (\(\lambda \leq \lambda_0\)) cường độ dòng quang điện bão hòa tỉ lệ thuận với cường độ của chùm sáng kích thích.
Theo giả thuyết phôtôn của Anh - xtanh, thì năng lượng của mọi phôtôn đều bằng nhau. của một phôtôn bằng một lượng tử năng lượng. giảm dần, khi phôtôn càng rời xa nguồn. của phôtôn không phụ thuộc bước sóng. Hướng dẫn giải: Theo thuyết lượng tử ánh sáng. Chùm ánh sáng là chùm các phôtôn (các lượng tử ánh sáng). Mỗi phôtôn có năng lượng xác định là \(hf\) (phụ thuộc vào tần số của sóng ánh sáng đơn sắc tương ứng).
Chiếu vào catôt của một tế bào quang điện một chùm ánh sáng có bước sóng 0,330 \(\mu m\). Biết rằng để triệt tiêu dòng quang điện, phải đặt một hiệu điện thế hãm bằng 1,38 V giữa anôt và catôt. Công thoát của electron khỏi kim loại và giới hạn quang điện của kim loại làm catôt là ? \(A= 3,815.10^{-19}J,\lambda_0 = 0,52\mu m.\) \(A= 1,815.10^{-19}J,\lambda_0 = 0,75\mu m.\) \(A= 3,815.10^{-17}J,\lambda_0 = 0,52\mu m.\) \(A= 3,815.10^{-17}J,\lambda_0 = 0,75\mu m.\) Hướng dẫn giải: Công thức Anh - xtanh cho hiện tượng quang điện \(hf = \frac{1}{2}mv_{0max}^2+A = eU_h+A.\) Do \(eU_h = \frac{1}{2}mv_{0max}^2.\) Áp dụng : \(h = 6,625.10^{-34}(J.s);c= 3.10^8m/s;e = 1,6.10^{-19}C; \lambda = 0,33.10^{-6}m\) => \(A = hf - eU_h = h\frac{c}{\lambda}-eU_h=3,815.10^{-19}J.\)
Catôt của tế bào quang điện được làm từ kim loại có công thoát electron là A = 2,8 eV. Chiếu vào bề mặt catôt ánh sáng đơn sắc có bước sóng \(\lambda = 0,15 \mu m.\)Xác định giới hạn quang điện của kim loại làm catôt và vận tốc cực đại của electron khi bật ra khỏi bề mặt catôt ? \(\lambda_0 = 0,54 \mu m; v_{0max}= 2,39.10^6m/s.\) \(\lambda_0 = 0,34 \mu m; v_{0max}= 0,39.10^6m/s.\) \(\lambda_0 = 0,44 \mu m; v_{0max}= 1,39.10^6m/s.\) \(\lambda_0 = 0,48 \mu m; v_{0max}= 1,69.10^6m/s.\) Hướng dẫn giải: Đổi \(A = 2,8 eV= 2,8.1,6.10^{-19}J.\) \(\lambda_0 = \frac{hc}{A} = \frac{6,625.10^{-34}.3.10^{8}}{2,8.1,6.10^{-19}}= 4,44.10^{-7}m = 0,44 \mu m.\) Áp dụng công thức Anh - xtanh: \(hf = \frac{1}{2}mv_{0max}^2+A \)=> \(v_{0max} = \sqrt{\frac{2(hf-A)}{m}}=1,39.10^{6}m/s.\)
Catôt của tế bào quang điện được làm từ kim loại có công thoát electron là A = 2,4 eV. Chiếu vào bề mặt catôt ánh sáng đơn sắc có bước sóng \(\lambda = 0,18 \mu m\). Tính hiệu điện thế để triệt tiêu dòng quang điện ? 4,5 V. 4 V. 2,5 V. 2 V. Hướng dẫn giải: \(hf = \frac{1}{2}mv_{omax}^2+A=eU_h +A\) Áp dụng \(h = 6,625.10^{-34}(J.s); c = 3.10^8 m/s, \lambda = 0,18 .10^{6}m; e = 1,6.10^{-19}C.\) => \(U_h = \frac{h\frac{c}{\lambda}-A}{e} = 4,5V.\)
