Giải thích định luật quang điện bằng thuyết lượng tử ánh sáng

1. Hiện tượng quang điện: 

1.1. Khái niệm hiện tượng quan điện: 

Hiện tượng quang điện ngoài là một trong những hiện tượng quan trọng của vật lý đại cương. Nó là một hiện tượng được quan tâm và nghiên cứu rất nhiều trong lĩnh vực vật lý quang học và điện tử. Hiện tượng này là quá trình mà ánh sáng tác động lên một bề mặt kim loại, gây ra các electron trong kim loại bị kích thích và bị đẩy ra khỏi bề mặt kim loại.

Trong quá trình này, ánh sáng tương tác với các electron ở bề mặt kim loại, truyền năng lượng cho chúng. Nếu năng lượng của ánh sáng đủ lớn, các electron sẽ bị đẩy ra khỏi bề mặt kim loại và tạo ra một dòng điện. Điều này được gọi là hiện tượng quang điện ngoài. Nó thường được gọi tắt là hiện tượng quang điện.

Hiện tượng quang điện ngoài đã được Héc phát hiện vào năm 1887 khi ông thực hiện một loạt các thí nghiệm về dòng điện trong khí thế. Khi ông chiếu ánh sáng lên bề mặt kim loại, ông phát hiện ra rằng các electron trong kim loại bị đẩy ra khỏi bề mặt và tạo ra một dòng điện. Hiện tượng này đã được xác nhận là một hiện tượng quang điện ngoài.

Từ đó, hiện tượng quang điện ngoài đã được áp dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp và khoa học. Nó được sử dụng trong các thiết bị phát điện, các thiết bị xạ kích, và các thiết bị trong lĩnh vực điện tử. Hiện tượng này cũng được sử dụng trong các ứng dụng y tế như chẩn đoán hình ảnh và phẫu thuật.

Vì thế, hiện tượng quang điện ngoài là một trong những hiện tượng quan trọng của vật lý, nó đã đóng một vai trò quan trọng trong việc phát triển các công nghệ và ứng dụng mới.

1.2. Định luật quang điện: 

Định luật về hiện tượng quang điện là một trong những định luật quan trọng của vật lý. Đối với mỗi kim loại được sử dụng làm catot, sẽ có một giới hạn bước sóng giới hạn nhất định được gọi là giới hạn quang điện. Khi ánh sáng kích thích có bước sóng nhỏ hơn giới hạn quang điện của kim loại, hiện tượng quang điện sẽ xảy ra.

Trong hiện tượng này, electron ở trên bề mặt kim loại sẽ bị tổn thất điện tử khi ánh sáng kích thích gây ra sự kích thích của electron này. Sau đó, các electron mới sẽ được phát ra từ kim loại và tạo thành dòng điện. Hiện tượng quang điện có rất nhiều ứng dụng, từ các cảm biến ánh sáng trong các thiết bị điện tử cho đến các ứng dụng trong lĩnh vực y tế.

Vì vậy, việc hiểu rõ về định luật này là rất quan trọng, đặc biệt là đối với các nhà khoa học và kỹ sư điện tử. Họ cần phải hiểu cơ chế của hiện tượng quang điện để có thể thiết kế và phát triển các thiết bị điện tử tốt hơn và hiệu quả hơn.

2. Giải thích định luật quang điện bằng thuyết lượng tử ánh sáng: 

Định luật quang điện là một trong những định luật quan trọng nhất của vật lý hiện đại, có vai trò quan trọng trong việc giải thích và áp dụng các hiện tượng quang học. Theo định luật này, ánh sáng được chứng minh có tính chất hạt – photon, và sẽ phản ứng với các chất quang điện để tạo ra dòng điện.

Điều này được giải thích bởi thuyết lượng tử, một mô hình giải thích hiện tượng của ánh sáng và sự tương tác của nó với vật chất. Theo thuyết lượng tử, ánh sáng được phát ra dưới dạng các hạt – photon, và mỗi photon mang một lượng năng lượng nhất định. Khi một photon chạm vào một chất quang điện, nó có thể kích thích các electron trong chất này, giúp chúng thoát khỏi nguyên tử và tạo ra dòng điện. Quá trình này được gọi là hiệu ứng quang điện.

Trong các thiết bị quang điện như cell pin, các chất quang điện như silic và selenium được sử dụng để chuyển đổi ánh sáng thành điện. Khi ánh sáng chiếu vào cell pin, các photon trong ánh sáng sẽ kích thích các electron trong chất quang điện và giúp chúng thoát khỏi nguyên tử, tạo thành một dòng điện trong cell pin. Dòng điện này được sử dụng để cung cấp điện cho các thiết bị điện tử khác nhau.

Định luật quang điện không chỉ có tầm quan trọng trong việc giải thích hiện tượng quang điện, mà còn có ứng dụng quan trọng trong công nghệ điện tử và vật lý hiện đại. Các nghiên cứu về định luật quang điện đã giúp cho các nhà khoa học hiểu rõ hơn về tính chất của ánh sáng và các vật liệu quang điện, đưa ra các ứng dụng mới trong việc chuyển đổi năng lượng và truyền tín hiệu. Ví dụ, các thiết bị quang điện được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng điện tử, như các màn hình hiển thị, máy tính và thiết bị y tế. Ngoài ra, định luật quang điện cũng đóng vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới như chế tạo chip và các thiết bị vô tuyến.

Câu 1: Chọn phát biểu đúng về hiện tượng quang điện:

A. Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi tần số của ánh sáng kích thích nhỏ hơn tần số giới hạn f_o nào đó.

B. Các phôtôn quang điện luôn bắn ra khỏi kim loại theo phương vuông góc với bề mặt kim loại.

C. Giới hạn quang điện phụ thuộc vào bản chất kim loại.

D. Giới hạn quang điện của kim loại tỉ lệ với công thoát êlectron của kim loại.

Câu 2: Hiện tượng quang điện là hiện tượng êlectron bị bứt ra khỏi bề mặt tấm kim loại:

A. khi tấm kim loại bị nung nóng.

B. nhiễm điện do tiếp xúc với một vật nhiễm điện khác.

C. do bất kì nguyên nhân nào.

D. khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào nó.

Câu 3: Công thoát êlectron của kim loại phụ thuộc vào:

A. bước sóng của ánh sáng kích thích và bản chất của kim loại

B. bản chất của kim loại

C. cường độ của chùm sáng kích thích

D. bước sóng của ánh sáng kích thích

Câu 4: Tìm phát biểu sai khi nói về thuyết lượng tử ánh sáng:

A. Nguyên tử hay phân tử vật chất không hấp thụ hay bức xạ ánh sáng một cách liên tục mà thành từng phần riêng biệt, đứt quãng.

B. Ánh sáng được tạo bởi các hạt gọi là phôtôn.

C. Năng lượng của các phôtôn ánh sáng là như nhau, không phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng.

D. Khi ánh sáng truyền đi, các lượng tử ánh sáng không thay đổi và không phụ thuộc vào khoảng cách tới nguồn sáng.

Chọn đáp án C

Câu 5: Công thoát của êlectron khỏi bề mặt nhôm là 3,46 eV. Điều kiện xảy ra hiện tượng quang điện đối với nhôm là ánh sáng kích thích phải có bước sóng thỏa mãn:

A. λ≤ 0,18 μm        B. λ > 0,18 μm

C. λ ≤0,36 μm        D. λ > 0,36 μm

Câu 6: Một nguồn phát ra ánh sáng đơn sắc bước sóng λ = 0,50 μm. Số photon mà nguồn phát ra trong 1 phút là N=2,5.10¹⁸. Công suất phát xạ của nguồn là:

A. 16,6 mW        B. 8,9 mW

C. 5,72 mW        D. 0,28 mW

Câu 7: Chiếu ánh sáng có bước sóng λ = 0,542 μm vào catôt của một tế bào quang điện (một dụng cụ chân không có hai điện cực là catôt nối với cực âm và anôt nối với cực dương của nguồn điện) thì có hiện tượng quang điện. Công suất của chùm sáng chiếu tới là 0,625 W, biết rằng cứ 100 photon tới catôt thì có 1 êlectron bứt ra khỏi catôt. Khi đó cường độ dòng quang điện bão hòa có giá trị là:

A. 2,72 mA        B. 2,04 mA

C. 4,26 mA        D. 2,57 mA

Câu 8: Cho hằng số Plăng h = 6,625.10^-34 J.s ; tốc độ ánh sáng trong chân không c=3.10⁸ m/s. Một nguồn phát ánh sáng đơn sắc có bước sóng 0,51 μm. Công suất bức xạ của nguồn là 2,65 W. Số photon mà nguồn phát ra trong 1 giây là:

A. 6,8.10¹⁸        B. 2,04.10¹⁹

C. 1,33.10²⁵        D. 2,57.10¹⁷

Câu 9: Công thoát êlectron của một kim loại 2 eV. Trong số bốn bức xạ sau đây, bức xạ không gây ra được hiện tượng quang điện khi chiếu vào tấm kim loại nói trên có

A. bước sóng 450 nm

B. bước sóng 350 nm

C. tần số 6,5.10¹⁴ Hz

D. tần số 4,8.10¹⁴ Hz

Câu 10: Kim loại làm catốt của tế bào quang điện có giới hạn quang điện λ₀. Chiếu lần lượt tới bề mặt catốt hai bức xạ có bước sóng λ₁ = 0,4 µm và λ₂ = 0,5 µm thì vận tốc ban đầu cực đại của các quang electron bắn ra khác nhau 1,5 lần.

– Cho biết năng lượng của một photon khi chiếu tới bề mặt catốt của tế bào quang điện thì bị hấp thụ hoàn toàn, năng lượng đó dùng để cung cấp cho electron ở bề mặt công thoát và cung cấp cho electron đó một động năng ban đầu cực đại. Giới hạn quang điện λ₀ là:

A. 0,6 µm.        B. 0,625 µm.

C. 0,775 µm.      D. 0,25 µm.

Câu 11: Lần lượt chiếu ánh sáng màu tím có bước sóng 0,39µm và ánh sáng màu lam có bước sóng vào một mẫu kim loại có công thoát là 2,48eV. Ánh sáng nào có thể gây ra hiện tượng quang điện?

A. Chỉ có màu lam.

B. Cả hai đều không.

C. Cả màu tím và màu lam.

D. Chỉ có màu tím.

Câu 12: Chiếu một bức xạ có bước sóng 0,48 µm lên một tấm kim loại có công thoát là 2,4.10^-19J. Dùng màn chắn tách ra một chùm hẹp các electron quang điện và cho chúng đi vào không gian có điện trường đều, theo hướng vectơ cường độ điện trường.

– Biết cường độ điện trường có giá trị 1000V/m. Quãng đường tối đa mà electron chuyển động được theo chiều vectơ cường độ điện trường là:

A. 0,83cm      B. 1,53cm

C. 0,37cm      D. 0,109cm

Câu 13: Công thoát của kẽm là 3,5eV. Biết độ lớn điện tích nguyên tố là e = 1,6.10^-19C; hằng số Plang h = 6,625.10^-34 Js; vận tốc ánh sáng trong chân không c = 3.10⁸ m/s. Chiếu lần lượt vào bản kẽm ba bức xạ có bước sóng λ₁ = 0,38µm; λ₂ = 0,35µm; λ₃ = 0,30µm. Bức xạ nào có thể gây ra hiện tượng quang điện trên bản kẽm?

A. không có bức xạ

B. hai bức xạ λ₂ và λ₃

C. cả ba bức xạ

D. chỉ một bức xạ λ₃

Câu 14: Giới hạn quang điện của canxi là λ₀ = 0,45µm . Tìm công thoát electron ra khỏi bề mặt canxi:

A. 3,12.10^-19 J.      B. 4,5.10^-19 J.

C. 4,42.10^-19 J.      D. 5,51.10^-19 J