Title Vật Lý 12 - CHỦ ĐỀ 25 HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN NGOÀI.doc ✅

Trang 1 CHỦ ĐỀ 25. HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN NGOÀI I. TÓM TẮT LÝ THUYẾT 1. Định nghĩa Hiện tượng ánh sáng làm bật các êlectron ra khỏi mặt kim loại gọi là hiện tượng quang điện (hay còn gọi là hiện tượng quang điện ngoài). Các êlectron bị bật ra trong hiện tượng này gọi là các êlectron quang điện hay quang êlectron. 2. Định luật về giới hạn quang điện: Đối với mỗi kim loại, ánh sáng kích thích phải có bước sóng λ nhỏ hơn hoặc bằng giới hạn quang điện λ 0 của kim loại đó (λ ≤ λ 0 ) mới gây ra được hiện tượng quang điện. Chú ý: Nếu chiếu đồng thời 2 bức xạ λ 1 , λ 2 và cả 2 bức xạ cùng gây ra hiện tượng quang điện thì ta tính toán với bức xạ có bước sóng bé hơn. 3. Giả thuyết Plăng: Lượng năng lượng mà mỗi lần một nguyên tử hay phân tử hấp thụ hoặc phát xạ có giá trị hoàn toàn xác định, được gọi là lượng tử năng lượng và được kí hiệu là ɛ: hc hf  Trong đó: h = 6,625.10 -34 J.s gọi là hằng số Plăng. 4. Giới hạn quang điện: 0 hc A của mỗi kim loại là đặc trưng riêng của kim loại đó và cũng chính là bước sóng lớn nhất của ánh sáng kích thích. Trong đó: A là công thoát của êléctron (đơn vị: Jun). 5. Thuyết lượng tử ánh sáng (thuyết phôtôn) của Anh-xtanh + Ánh sáng được tạo thành bởi các hạt gọi là phôtôn. + Với mỗi ánh sáng đơn sắc có tần số f, các phôtôn đều giống nhau, mỗi phôtôn mang năng lượng ɛ = hf. + Phôtôn chỉ tồn tại trong trạng thái chuyển động. Trong chân không, phôtôn bay với tốc độ c = 3.10 8 m/s dọc theo các tia sáng. + Mỗi lần một nguyên tử hay phân tử phát xạ hoặc hấp thụ ánh sáng thì chúng phát ra hay hấp thụ một phôtôn. + Năng lượng của mỗi phôtôn rất nhỏ. Một chùm sáng dù yếu cũng chứa rất nhiều phôtôn do rất nhiều nguyên tử, phân tử phát ra. Vì vậy ta nhìn thấy chùm sáng là liên tục. + Khi ánh sáng truyền đi, các lượng tử không bị thay đổi, không phụ thuộc khoảng cách tới nguồn sáng. 6. Lưỡng tính sóng - hạt của ánh sáng Ánh sáng vừa có tính chất sóng, vừa có tính chất hạt. Ta nói ánh sáng có lưỡng tính sóng - hạt. Trong mỗi hiện tượng quang học, khi tính chất sóng thể hiện rõ thì tính chất hạt lại mờ, và ngược lại. Thể hiện tính chất sóng Thể hiện tính chất hạt • Hiện tượng giao thoa • Hiện tượng nhiễu xạ • Hiện tượng tán sắc.... • Hiện tượng quang điện. • Hiện tượng gây phát quang. • Tính đâm xuyên, gây ion hóa chất khí,…
Trang 2 7. Công suất bức xạ của nguồn sáng: fff hc Pn.n.hfn.  . Với n f là số phôtôn nguồn phát ra trong 1s. 8. Động lượng của phôtôn: ph h pm.c c    ; Với m ph là khối lượng tương đối tính của phôtôn. 9. Công thức Anh-xtanh: 2 omax 1 Am.v 2 0 omax 11 2hc v m       ; với h.c = 1,9875.10 -25 10. Định lí động năng: E 22 dFtoMNMN 11 WAmvm.vq.UqVV 22 Bài toán 1: Tính điện thế của quả cầu cô lập về điện Trường hợp chiếu bức xạ có bước sóng λ ≤ λ 0 vào quả cầu kim loại cô lập, các êlectron quang điện được bứt ra khỏi quả cầu, điện tích dương của quả cầu tăng dần nên điện thế V của quả cầu tăng dần. Điện thế V = Vmax khi các êlectron quang điện bứt ra khỏi quả cầu đều bị lực điện trường hút trở lại quả cầu. - Áp dụng định lí động năng với lưu ý: V t = 0, V M = V max , V N = V ∞ = 0, ta có: 2 omax max mv e.V 2 - Áp dụng công thức Anh-xtanh, ta có: max hc A V e    - Đối với quả cầu kim loại bán kính R, ta có thể tính được điện tích cực đại Q max của quả cầu: max max Q Vk. R ;với k = 9.10 9 (Nm 2 /C 2 ) Bài toán 2: Cho hiệu điện thế U AK đặt vào tế bào quang điện, tính vận tốc của e khi đập vào anốt - Khi êlectron được tăng tốc: 222 oAKAK 111 mvmve.Umve Ae.U 222  vận tốc v - Khi êlectron bị giảm tốc: 22 oAK 11 mvmve.U 22  vận tốc v Lưu ý đổi đơn vị: 1 MeV = 10 6 eV; 1 eV = 1,6.10 -19 J; 1 MeV = 1,6. 10 -13 J; 1 A 0 = 10 -10 m. 11. Cường độ dòng quang điện bão hòa: bhe q In.e t ; Với n e là số êlectron bứt ra khỏi K trong 1s
Trang 3 12. Hiệu suất lượng tử : e f n H n 13. Điều kiện để dòng quang điện triệt tiêu : U AK £ U h (U h < 0), U h gọi là hiệu điện thế hãm 2 omax hhh 0 m.vhc11 e.Ue.UhfAU 2e     Chú ý: Trong một số bài toán người ta lấy Uh0 thì đó là độ lớn. 14. Tính khoảng cách xa nhất mà mắt còn trông thấy nguồn sáng Gọi P là công suất của nguồn sáng phát ra bức xạ λ đẳng hướng, d là đường kính của con ngươi, n là độ nhạy của mắt (số phôtôn ít nhất lọt vào mắt mà mắt còn phát hiện ra). Ta có: - Số phôtôn của nguồn sáng phát ra trong 1 giây: PP n hc    - Gọi D là khoảng cách từ mắt đến nguồn sáng, thì số phôtôn trên được phân bố đều trên mặt hình cầu có bán kính là D. - Số phôton qua 1 đơn vị diện tích của hình cầu trong 1 giây là: 22 hP k 4Dh.4D    - Số phôtôn lọt vào con ngươi trong 1 giây là: 2 22 22 ddPPd N.k 24hc.4D16hc.D     - Để mắt còn nhìn thấy được nguồn sáng thì: 2 2 PddP NnnD 16hc.D4nhc   max dP D 4n.hc   15. Khi êlectron quang điện bay trong điện trường Lực điện trường tác dụng lên êlectron: F E = e.E; với điện trường đều thì U E d + Khi các quang êlectron bật ra khỏi catốt chịu lực điện trường thì thu gia tốc EFe.EeU a. mmmd Bài toán: Tính khoảng cách S tối đa mà êlectron rời xa được bản cực Nếu điện trường cản là đều có cường độ E và êlectron bay dọc theo đường sức điện thì quãng đường tối đa mà êlectron có thể rời xa được catốt là: 2 omax 2 omaxmaxmax 1 m.v 1A2 m.ve.E.SS 2e.Ee.E   Bài toán: Tính bán kính lớn nhất của vòng tròn trên bề mặt anốt mà các êlectron tới đập vào Êlectron sẽ bị lệch nhiều nhất khi vận tốc ban đầu v 0 vuông góc với bề mặt catốt (vuông góc với các đường sức điện), ta quy về bài toán chuyển động ném ngang. Xét trục tọa độ xOy: + Trục Ox: x = v 0max t = R max
Trang 4 + Trục Oy: y = 2211e.E a.t..td 22m (với d là khoảng cách giữa hai bản cực)  t  R max = v 0max t - Nếu ta thay AKUe a. md thì: e max0max0max AK 2m Rv.tv.d. e.U - Nếu thay tiếp v 0max từ biểu thức 2 omax h m.v e.U 2 thì h max AK U R2d U 16. Khi êlectron quang điện bay trong từ trường + Lực Lorenxơ tác dụng lên êlectron: L0maxFe.B.v.sin + Nếu 0vB→→ thì quỹ đạo êlectron là đường tròn R: 2 0 htL0 v FFmevB R0m.v R e.B Nếu êlectron có v 0max thì: 0max max m.v RR e.B + Nếu 0v→ xiên góc  với B→ thì quỹ đạo êlectron là đường ốc với bán kính vòng ốc: 0m.v R e.Bsin  17. Khi êlectron quang điện bay theo phương ngang trong miền có cả điện trường và từ trường, Để êlectron không bị lệch khỏi phương ban đầu thì: EL0maxFF EB. v CÁC VÍ DỤ ĐIỂN HÌNH Ví dụ 1: Một ngọn đèn ra pha ánh sáng màu đỏ có bước sóng λ = 0,7 µm. Hãy xác định năng lượng của phôtôn ánh sáng? A. 1,77 MeV B. 2,84 MeV C. 1,77 eV D. 2,84 eV Giải Ta có: 38 619 hc6,625.10.3.10 1,77 0,7.10.1,6.10    eV  Chọn đáp án C. Ví dụ 2: Một ngọn đèn phát ra ánh sáng đỏ với công suất P = 2W, bước sóng của ánh sáng λ = 0,7 µm. Xác định số phôtôn đèn phát ra trong 1s? A. 7,04.10 18 hạt B. 5,07.10 20 hạt C. 7.10 19 hạt D. 7.10 21 hạt Giải Ta có: 6 18 248 hcP.2.0,7.10 Pnn7.04.10 hc6,625.10.3.10       Chọn đáp án A. Ví dụ 3: Một tấm kim loại có giới hạn quang điện λ 0 = 0,6 µm, được chiếu sáng bởi bức xạ đơn sắc có bước sóng λ = 0,7µm. Hãy xác định vận tốc cực đại của e quang điện? A. 3,82.10 6 m/s B. 4,57.10 5 m/s C. 5,73.10 4 m/s D. Hiện tượng quang điện không xảy ra.