Kiến thức lượng tử ánh sáng – Vật lý 12

Trong cấu trúc đề thi tốt nghiệp THPT môn Vật Lý các năm vừa qua, chuyên đề lượng tử ánh sáng thường chiếm từ 5-6 câu hỏi trong đề trải dài các mức độ: Nhận biết, thông hiểu, vận dụng và vận dụng cao. Chính vì vậy, đây có thể coi là chuyên đề rất quan trọng và các bạn học sinh cần tập trung ôn luyện và nắm chắc kiến thức. Chính vì vậy, luyenthidgnl xin được tổng hợp kiến thức một cách ngắn gọn và chi tiết nhất về chuyên đề này.

Kiến thức lượng tử ảnh sáng ôn thi tốt nghiệp THPT

I. HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN NGOÀI

1) Thí nghiệm hiện tượng quang điện của Hertz

a) Thí nghiệm thực hiện

• Ta chiếu chùm ánh sáng tử ngoại có khả năng phát ra từ hồ quang vào một tấm kẽm tích điện âm (là tấm kém đang thừa electron). Sau một thời gian nhất định, ta thấy hai lá kẽm được sử dụng trong thí nghiệm cụp lại, điện tích âm của tấm kẽm giảm dần.
• Ta đặt thêm một tấm kính ở giữa nguồn sáng và tấm kẽm thì hiện tượng ngày không còn xảy ra
• Khi thay thế tấm kẽm trên thành tấm kẽm có điện tích dương, tấm kẽm cũng không bị cụp lại.
• Thay tấm kẽm bằng một kim loại khác cũng có điện tích âm, hiện tượng xảy ra tương tự giống với hiện tượng xảy ra với tấm kẽm điện tích âm.

Kết luận:

Khi chiếu chùm ánh sáng có bước sóng ngắn thích hợp lên bề mặt một tấm kim loại sẽ khiến các electron của tấm kim loại bị bật ra. Hiện tượng này chính là hiện tượng quang điện. Các electron bật ra ngoài được gọi là electron quang điện.

b) Khái niệm của hiện tượng quang điện ngoài

Hiện tượng các hạt electron bị bật ra khi chiếu ánh sáng có bước sóng phù hợp lên tấm kim loại được gọi là hiện tượng quang điện ngoài (gọi tắt là hiện tượng quang điện)

2) Thí nghiệm với tế bào quang điện

a) Khái niệm về tế bào quang điện

Tế bào quang điện là một bình chân không (không khí bên trong bình đã được rút hết ra ngoài) bao gồm có 2 điện cực

▪ Cực Anot là một vòng dây kim loại.

▪ Cực Catot mà miếng kim loại có hình chỏm cầu

Khi chiếu ánh sáng đơn sắc có bước sóng phù hợp vào cực catốt của tế bào quang điện thì trong mạch lúc này xuất hiện dòng điện (dòng dịch chuyển có hướng của electron).

=> Dòng điện này được gọi là dòng quang điện

b) Kết quả thí nghiệm

▪ Với các kim loại được sử dụng làm catot, ánh sáng đơn sắc kích thích phải có bước sóng λ phải nhỏ hơn giới hạn λ₀ nào đó thì hiện tượng dòng quang điện mới có thể xảy ra.

▪ Cường độ dòng quang điện sẽ phụ thuộc vào U_AK theo đồ thị dưới dây:

+ U_AK > 0: Khi U_AK thì I tăng tỉ lệ thuận. Tuy nhiên khi chạm tới đến giá trị nào đó, I đạt đến giá trị bão hòa và đi ngang. Lúc này, mặc dù U_AK tiếp tục tăng nhưng I không đổi

+ U_AK < 0: I sẽ giảm dần và bị triệt tiêu hoàn toàn khi U_AK = U_h < 0 nào đó

Lưu ý:

▪ Để dòng quang điện bị triệt tiêu hoàn toàn thì phải đặt giữa AK một hiệu điện thế hãm có giá trị U_h < 0, trị số của U_h không cố định mà phụ thuộc vào bước sóng λ của chùm sáng kích thích phát ra.

▪ Dòng quang điện bão hòa xảy ra khi tất cả các electron phóng ra khỏi Catot đến được hết cực Anot.

▪ Cường độ dòng quang điện bão hòa có tỉ lệ thuận cường độ chùm sáng kích thích và không phụ thuộc vào bước sóng của chùm sáng.

▪ Giá trị U_h được tính theo biểu thức của định lý động năng: 

Trong đó:

+ e là hằng số với giá trị e = –1,6.10^–19 

+ C là điện tích của electron

+ m là khối lượng của electron với m = 9,1.10^–31kg 

II. CÁC ĐỊNH LUẬT QUANG ĐIỆN

1) Định luật I : (Định lý về giới hạn quang điện)

a) Bát biểu định lý giới hạn quang điện

Đối với mỗi loại kim loại, ánh sáng kích thích phải có bước sóng λ ngắn hơn hoặc bằng giới hạn quang điện λ₀ của loại kim loại tương ứng. Khi thỏa mãn điều kiện trên thì hiện tượng quang điện mới xảy ra. Biểu thức: λ ≤ λ₀

b) Đặc điểm

Giới hạn quang điện là đặc trưng riêng của mội loại kim loại (kí hiệu λ₀)

Giới hạn quang điện của một số kim loại thường xuất hiện trong bài tập

Thông thường, giới hạn quang điện của kim loại thường được đề bài cung cấp, tuy nhiên các bạn cũng nên học một số giới hạn quang điện tiêu biểu của các loại kim loại hay xuất hiện trong bài tập hoặc đề thi tốt nghiệp THPT môn Vật Lý.

Lưu ý:

Quan sát bảng giá trị giới hạn quang điện trên, ta có thể thấy được các kim loại có tính kiềm sẽ có giới hạn quang điện tương đối lớn chính vì vậy, hiện tượng quang điện sẽ dễ xảy ra hơn đối với các kim loại như Đồng hay kẽm so với các kim loại có tính kiềm.

2) Định luật II : (Định luật về cường độ dòng quang điện bão hòa)

Với ánh sáng kích thích có bước sóng phù hợp (điều kiện: λ ≤ λ₀) thì cường độ của chùm sáng kích thích sẽ tỉ lệ cường độ dòng quang điện bão hòa.

3) Định luật III : (Định luật về động năng ban đầu cực đại của các electron quang điện)

Động năng ban đầu cực đại của hạt electron quang điện không phụ thuộc bởi cường độ chùm sáng kích thích mà chỉ phụ thuộc vào bước sóng của chùm sáng kích thích thích và bản chất kim loại được sử dụng làm cực catot.

Lưu ý:

• Động năng ban đầu cực đại ký hiệu là W_đmax. Từ định luật quang điện III đã nói ở trên, ta có thể thấy được W_đmax chỉ phụ thuộc vào yếu tố λ và bản chất của kim loại được sử dụng để làm cực Catot, do mỗi loại kim loại đều có giới hạn quang điện nhất định, chính vì vậy, động năng cực đại ban đầu sẽ phụ thuộc vào λ và λ₀.
• Trong nội dung chương trình Chuẩn Vật Lý 12 chỉ dừng lại Định lý quang điện I, Định lý II và định lý III mình đề cập ở trên chỉ mang tính tham khảo để hỗ trợ trong quá giải bài tập và làm bài thi tốt nghiệp THPT môn Vật Lý.

III. THUYẾT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG

1. Giả thuyết lượng tử năng lượng Planck

Theo Planck – nhà bác học người Đức, lượng năng lượng mà mỗi lần một nguyên tử hay phân tử phát xạ hoặc được hấp thụ sẽ có giá trị xác định (được ký hiệu là ε) và được tính theo biểu thức

ε = h.f

Trong đó:

f là tần số của ánh sáng phát ra hoặc bị hấp thụ

h được gọi là hằng số Planck. Hằng số Planck có giá trị h = 6,625.10^–34 J.s

2) Sự bất lực của thuyết sóng ánh sáng

Theo như thuyết sóng ánh sáng thì ánh sáng là chùm sóng điện từ. Khi ánh sáng chiếu lên bề mặt kim loại sẽ làm cho các electron của bề mặt kim loại dao động. Cường độ của chùm sáng càng lớn thì các electron có sự dao động càng mạnh và bật ra ngoài thành dòng quang điện. Do đó, với bất kì chùm sáng nào có điều kiện cường độ đủ mạnh cũng tạo ra hiện tượng quang điện (trái lại với định lý I đã nói ở trên) và động năng ban đầu cực đại của các electron chỉ phụ thuộc vào cường độ ánh sáng (trái với định luật III).

3) Thuyết lượng tử ánh sáng của Anhxtanh (thuyết photon)

– Theo thuyết lượng tử của Anhxtanh, ánh sáng được tạo ra từ các hạt photon

– Với mỗi loại ánh sáng đơn sắc có tần số f, các các photon đều như nhau và mỗi photon mang năng lượng được tính theo công thức ε = h.f

– Các photon chỉ tồn tại trong trạng thái chuyển động. Trong môi trường chân không, các photon chuyển động với vận tốc độ 3×10⁸ m/s (vận tốc ánh sáng) dọc theo các tia sáng.

– Mỗi lần phân tử hoặc một nguyên tử phát xạ hay hấp thụ ánh sáng thì chúng sẽ phát xạ hoặc hấp thụ 1 photon.

– Khi ánh sáng truyền đi, các lượng tử ánh sáng sẽ không bị thay đổi và không phụ thuộc và khoảng cách tới nguồn sáng

– Tuy mỗi lượng tử ánh sáng ε = h.f mang theo năng lượng rất nhỏ nhưng trong chùm sáng có rất nhiều lượng tử ánh sáng dịch chuyển nên qua mắt thường ta thấy chùm sáng là liên tục.

Lưu ý:

• Những phân tử và nguyên tử vật chất không hấp thụ hoặc bức xạ ánh sáng liên tục mà thành từng phần đứt đoạn riêng biệt, mỗi phần mang một giá trị năng lượng hoàn toàn xác định – Chùm sáng là một chùm hạt với mỗi hạt là một photon mang một giá trị năng lượng xác định.
• Khi ánh sáng truyền đi, theo thuyết lượng tử ánh sáng năng lượng của lượng tử sẽ có giá trị xác định không đổi và không bị phụ thuộc vào khoảng cách nguồn sáng xa hay gần.
• Theo thuyết lượng tử ánh sáng không giải thích được hiện tượng giao thoa ánh sáng.

IV. GIẢI THÍCH CÁC ĐỊNH LUẬT QUANG ĐIỆN

1) Giải thích hệ thức của Anhxtanh

Nhà bác học Anhxtanh đã coi chùm sáng là một chùm hạt với mỗi hạt là một photon mang một năng lượng xác định được xác định theo công thức ε = h.f.

Trong hiện tượng quang điện có sự hấp thụ hoàn toàn các hạt photon ở chiếu tới. Mỗi hạt  bị hấp thụ sẽ truyền toàn bộ năng lượng của nó cho electron. Đối với các electron trên bề mặt của vật chất, năng lượng ε được hấp thụ được sử dụng vào hai việc:

– Cung cấp cho electron một công A thắng lực liên kết trong tinh thể và thoát ra ngoài bề mặt của kim loại.

– Cung cấp cho electron một động năng ban đầu cực đại để electron đến được cực Anot

Bên cạnh đó, theo định luật bảo toàn năng lượng ta sẽ có:

Công thức trên được gọi là hệ thức Anhxtanh.

Lưu ý:

Khi thay công suất tính tần số f = c/λ hoặc động năng theo U_h ta có được hệ quả từ hệ thức Anhxtanh như sau:

Trong đó bao gồm các hằng số:

h = 6,625.10^–34J.s,
c = 3.10⁸ m/s,
m = 9,1.10^–31kg,
e = –1,6.10^–19 C.

2) Giải thích về các định luật quang điện vật lý 12

a) Giải thích Định luật I

Để xảy ra hiện tượng quang điện, năng lượng từ một photon phải lớn hơn công thoát A (là năng lượng giữ các electron của kim loại).

Khi đó ta sẽ có bất đẳng thức:

b) Giải thích Định luật II

Cường độ dòng quang điện bão hòa tỉ lệ với số electron quang điện. Số electron quang điện tỉ lệ với số phô tôn đến đập vào Catot trong một đơn vị thời gian. Số phôton đến đập vào Catot trong một đơn vị thời gian tỉ lệ với cường độ chùm sáng. Vậy cường độ dòng quang điện bão hòa tỉ lệ với cường độ chùm sáng.

c) Giải thích Định luật III

Từ hệ thức Anhxtanh ta có:

Ta thấy động năng ban đầu cực đại (W_đmax) chỉ phụ thuộc vào 2 yếu tố λ (bước sóng của chùm sáng) và A (bản chất của kim loại được sử dụng làm cực Catot)

Lưu ý:

• Từ công thức tính giới hạn quang điện ${\lambda }_0=\frac{h\mathrm{c/}}{A}\to A=\frac{h\mathrm{c/}}{{\lambda }_0}$, thay vào hệ thức Anhxtanh ta được
• Trong các công thức tính toán trên thì tích số hc các bạn thấy lặp lại nhiều lần trong các bước tính, để thuận tiện các bạn hãy cố gắng nhớ giá trị của hằng số này hc = 19,875.10^–26
• Giá trị của v_0max dao động từ 10⁵(m/s) đến 10⁷(m/s).
• Các bạn cần học thuộc và nhớ các công thức lượng tử ánh sáng luyenthidgnl đã nêu trên, các công thức này hỗ trợ rất nhiều cho các bạn trong quá trình giải bài tập và trong quá trình thi tốt nghiệp THPT môn Vật Lý.

3. Lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng

Hiện tượng giao thoa là minh chứng cho việc ánh sáng có tính chất sóng bên cạnh đó hiện tượng quang điện lại chứng tỏ ánh sáng có tính chất hạt. Chính vì vậy, ta có thể kết luận ánh sáng có tính chất lưỡng tính sóng hạt.

Sơ đồ tư duy lượng tử ánh sáng

Phương pháp giải các dạng bài tập về lượng tử ánh sáng