Bài 30. Hiện tượng quang điện. Thuyết lượng tử ánh sáng

HIỆN TƯỢNG
QUANG ĐIỆN

GV: NGUYỄN ANH TUẤN
THPT TRẦN VĂN ƠN
Châu Thành Bến Tre

Chương VII:
LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG
BÀI: HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN
THUYẾT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG
I. HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN
1. Thí nghiệm Héc (Hertz) về hiện tượng quang điện
2. Định nghĩa hiện tượng quang điện
3. Thí nghiệm bổ sung
II. ĐỊNH LUẬT VỀ GIỚI HẠN QUANG ĐIỆN
III. THUYẾT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG
1. Giả thuyết Plăng
2. Lượng tử năng lượng
3. Thuyết lượng tử ánh sáng
4. Giải thích định luật về giới hạn quang điện bằng
thuyết lượng tử ánh sáng
IV. LƯỠNG TÍNH SÓNG & HẠT CỦA ÁNH SÁNG
HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN NGOÀI
1. THÍ NGHIỆM HERTZ V? HI?N TU?NG QUANG DI?N
V
Dụng cụ thí nghiệm
Tĩnh điện kế
Tấm kẽm tích điện âm
Đèn hồ quang
HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN NGOÀI
1.HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN NGOÀI:
(THÍ NGHIỆM HERTZ)
Khi chieáu ñeøn hoà quang, ñieän tích aâm cuûa taám keõm coù bieán ñoåi khoâng ? Kim ñieän keá coù thay ñoåi khoâng ?
HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN NGOÀI
1.HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN NGOÀI:
(THÍ NGHIỆM HERTZ)
Khi chieáu ñeøn hoà quang, electron cuûa taám keõm bị baät
ra khoûi taám keõm. Kim ñieän keá bò lui veà soá khoâng.
Làm thí nghiệm với kim loại khác ?
HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN NGOÀI
1.HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN NGOÀI:
(THÍ NGHIỆM HERTZ)
Khi chieáu ñeøn hoà quang, electron cuûa taám ñoàng coù bieán ñoåi khoâng ? Kim ñieän keá coù thay ñoåi khoâng ?
Làm thí nghiệm với kim loại khác ?
Dùng kim
loại Đồng
HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN NGOÀI
1.HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN NGOÀI:
(THÍ NGHIỆM HERTZ)
Khi chieáu ñeøn hoà quang, electron cuûa taám Baïc coù bieán ñoåi khoâng ? Kim ñieän keá coù thay ñoåi khoâng ?
Dùng kim
loại Bạc
1.HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN NGOÀI
(THÍ NGHIỆM HERZT)
Bây giờ cho tấm kẽm tích
điện dương, điện tích
dương có bật khỏi tấm
kẽm khi bị ánh sáng hồ
quang chiếu vào không ? Tại sao ?
Dùng kẽm
tích điện
dương
1.HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN NGOÀI
(THÍ NGHIỆM HERZT)
Khi cho tấm kẽm tích
điện dương, electron bật ra
bị điện tích dương hút vào
Dùng kẽm
tích điện
dương
2. Định nghĩa: hiện tượng
quang điện ngoài là hiện tượng
ánh sáng làm bật các electron ra
khỏi mặt kim loại
HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN NGOÀI
1. THÍ NGHIỆM HERTZ V? HI?N TU?NG QUANG DI?N
V
Đèn hồ quang phát ánh sáng thấy được và tia tử ngoại
ánh sáng & tia tử ngoại
HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN NGOÀI
1. THÍ NGHIỆM HERTZ V? HI?N TU?NG QUANG DI?N
V
Kính lọc thủy tinh dầy không cho tia tử ngoại đi qua
ánh sáng thấy được,
không có tia tử ngoại
HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN NGOÀI
1.HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN NGOÀI:
(THÍ NGHIỆM HERTZ)
Khi chặn đường đi chùm
sáng hồ quang bằng tấm
thủy tinh (không cho tia Tử
Ngoại qua), điện tích âm của
tấm kẽm có bị bật ra hay
không ?
Không chiếu tia tử ngoại vào tấm
kẽm, electron của tấm kẽm
không bật ra
HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN NGOÀI
1.HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN NGOÀI:
(THÍ NGHIỆM HERTZ)
Khi chặn đường đi chùm
sáng hồ quang bằng tấm
thủy tinh màu tím (chỉ cho
ánh sáng tím tím = 0,38 m
qua), điện tích âm của tấm
kẽm có bị bật ra hay không?
Đối với Kẽm Zn
*Ánh sáng tím (tím = 0,38 m  0,35 m) electron
không bật khỏi tấm kẽm
*Chiếu tia tử ngoại (tử ngoại  0,35 m) , electron
bật khỏi tấm kẽm
Đối với kẽm, dùng tia tử ngoại có bước sóng nhỏ
hơn hoặc bằng 0,35 m mới gây ra hiện tượng
quang điện, còn ánh sáng thấy được không gây ra
hiện tượng nầy
Ta gọi 0 = 0,35 m là giới hạn quang điện của kẽm
HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN NGOÀI
1.HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN NGOÀI:
(THÍ NGHIỆM HERTZ)
Khi chặn đường đi chùm
sáng hồ quang bằng tấm
thủy tinh màu vàng (chỉ cho
ánh sáng vàng vàng = 0,57 m
qua), điện tích âm của tấm
Natri có bị bật ra hay không?
Dùng kim
loại Natri
HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN NGOÀI
1.HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN NGOÀI:
(THÍ NGHIỆM HERTZ)
Dùng kim
loại Natri
Khi chặn đường đi chùm
sáng hồ quang bằng tấm
thủy tinh màu lam (chỉ cho
ánh sáng lam lam = 0,45 m
qua), điện tích âm của tấm
Natri có bị bật ra hay không?
Đối với Natri
*Ánh sáng vàng vàng = 0,57 m  0,50 m
không gây hiện tượng quang điện
*Ánh sáng lam lam = 0,45 m  0,50 m gây
ra hiện tượng quang điện
Giới hạn quang điện của Natri là 0 = 0,50 m
Giới hạn quang điện của Kẽm là 0 = 0,35 m
Mỗi kim loại có một giới hạn quang điện 0
của kim loại đó. Muốn xảy ra hiện tượng
quang điện, bước sóng bức xạ chiếu vào
phải nhỏ hơn giới hạn quang điện của kim
loại đó   0
II. ĐỊNH LUẬT VỀ GIỚI HẠN QUANG
ĐIỆN
Đối với mỗi kim loại, ánh sáng kích
thích phải có bước sóng  ngắn hơn
hay bằng giới hạn quang điện 0 của
kim loại đó (  0) mới gây ra được
hiện tượng quang điện
II. ĐỊNH LUẬT VỀ GIỚI HẠN QUANG
ĐIỆN
Đối với mỗi kim loại, ánh sáng kích
thích phải có bước sóng  ngắn hơn
hay bằng giới hạn quang điện 0 của
kim loại đó (  0) mới gây ra được
hiện tượng quang điện
Giới hạn quang điện 0 là đặc trưng riêng
của kim loại đó
Với Bạc, giới hạn quang điện là 0 = 0,26 m
Với Đồng, giới hạn quang điện là 0 = 0,30 m
Với Kẽm, giới hạn quang điện là 0 = 0,35 m
Với Nhôm, giới hạn quang điện là 0 = 0,36 m
Với Natri, giới hạn quang điện là 0 = 0,50 m
Với Kali, giới hạn quang điện là 0 = 0,55 m
Với Xesi, giới hạn quang điện là 0 = 0,66 m
Với Calci, giới hạn quang điện là 0 = 0,75 m
Nếu chiếu ánh sáng (hay bức xạ)
có bước sóng lớn hơn giới hạn
quang điện của kim loại vào kim
loại ấy,
Sẽ không bao giờ xảy ra hiện
tượng quang điện, dù cho cường
độ chùm sáng có mạnh đến cỡ
nào đi nữa
Theo thuyết sóng ánh sáng, khi sóng ánh
sáng (sóng điện từ) lan truyền đến kim
loại, nó làm electron của kim loại dao động
Cường độ chùm sáng càng lớn, electron
dao động càng mạnh.
Đến lúc cường độ chùm sáng đủ mạnh, nó
sẽ làm cho electron bật ra khỏi kim loại,
ngay cả khi bước sóng ánh sáng chiếu vào
lớn hơn giới hạn quang điện.
Điều nầy không xảy ra trong thực tế
Theo thuyết sóng ánh sáng, nguyên
tử hay phân tử hấp thụ hay phát xạ
năng lượng một cách liên tục và nó
chỉ sinh ra quang phổ liên tục
Thực tế, một số nguyên tố bị kích thích phát
sáng phát ra quang phổ vạch
Vậy quan niệm nguyên tử phát xạ hay hấp
thụ năng lượng liên tục không đúng
Vậy quan niệm nguyên tử phát xạ hay
hấp thụ năng lượng liên tục không
đúng
Năm 1900, Plăng đề ra giả thuyết sau:

“Lượng năng lượng mà mỗi lần nguyên tử
hay phân tử phát xạ hay hấp thụ có giá trị
hoàn toàn xác định bằng hf. Trong đó f là
tần số ánh sáng bị hấp thụ hay phát ra
và h là một hằng số.
III. THUYẾT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG
1. Giả thuyết Plăng: “Lượng năng
lượng mà mỗi lần nguyên tử hay phân
tử phát xạ hay hấp thụ có giá trị hoàn
toàn xác định bằng  = hf. Trong đó f
là tần số ánh sáng bị hấp thụ hay phát
ra và h là một hằng số.
 = hf gọi là lượng tử năng lượng
2. Lượng tử năng lượng:
Mỗi lần nguyên tử phát xạ hay hấp thụ
năng lượng, nó đều phát ra hay hấp thụ một
lượng năng lượng bằng  = h.f gọi là
lượng tử năng lượng hay photon
Trong đó h = 6,625.10 – 34 (J.s) là hằng số
Plăng
2. Lượng tử năng lượng:
Mỗi lần nguyên tử phát xạ hay hấp thụ
năng lượng, nó đều phát ra hay hấp thụ một
lượng năng lượng bằng  = h.f gọi là
lượng tử năng lượng hay photon
Trong đó h = 6,625.10 – 34 (J.s) là hằng số
Plăng
Quan niệm thông thường về sự phát xạ hay
hấp thụ năng lượng của nguyên tử là nó phát
xạ năng lượng liên tục nên lượng năng lượng
phát ra có giá trị lớn, nhỏ bất kỳ, không xác
định.
C2: Nêu sự khác biệt giữa giả thuyết Plăng với
quan niệm thông thường về sự phát xạ hay hấp
thụ năng lượng

*Quan niệm thông thường lượng năng
lượng nguyên tử phát xạ, hay hấp thụ có giá
trị bất kỳ.
*Theo Plăng, một lần nguyên tử phát xạ hay
hấp thụ năng lượng một lượng  = h.f
Lượng năng lượng phát xạ (hấp thụ) bằng
bội số của  = h.f
Giả thuyết Plăng chưa giải thích được
định luật về giới hạn quang điện.
Để giải thích định luật nầy, dựa vào
giả thuyết Plăng, Anhstanh đã đề ra
thuyết lượng tử ánh sáng (thuyết
photon)
3. Thuyết lượng tử ánh sáng:
Ánh sáng tạo thành từ các hạt photon luôn
luôn chuyển động
b. Các photon của mỗi ánh sáng đơn sắc, tần
số f đều giống nhau, mỗi photon mang năng
lượng  = h.f
c. Các photon bay với tốc độ c = 3.108 m/s
trong chân không dọc theo tia sáng
d. Mỗi lần nguyên tử phát xạ hay hấp thụ ánh
sáng, chúng phát ra hay hấp thụ một photon

3. Thuyết lượng tử ánh sáng:
a. Ánh sáng tạo thành từ các hạt photon luôn
luôn chuyển động
b. Các photon của mỗi ánh sáng đơn sắc, tần
số f đều giống nhau, mỗi photon mang năng
lượng  = h.f
c. Các photon bay với tốc độ c = 3.108 m/s
trong chân không dọc theo tia sáng
d. Mỗi lần nguyên tử phát xạ hay hấp thụ ánh
sáng, chúng phát ra hay hấp thụ một photon

II. ĐỊNH LUẬT VỀ GIỚI HẠN QUANG ĐIỆN:
Đối với mỗi kim loại, ánh sáng kích
thích phải có bước sóng  ngắn hơn
hay bằng giới hạn quang điện 0 của
kim loại đó (  0) mới gây ra được
hiện tượng quang điện.
II. ĐỊNH LUẬT VỀ GIỚI HẠN QUANG ĐIỆN:
Đối với mỗi kim loại, ánh sáng kích
thích phải có bước sóng  ngắn hơn
hay bằng giới hạn quang điện 0 của
kim loại đó (  0) mới gây ra được
hiện tượng quang điện.
Giải thích định luật quang điện dựa
vào thuyết lượng tử ánh sáng ?
4. Giải thích định luật quang điện
dựa vào thuyết lượng tử ánh sáng
ĐL:Hiện tượng quang điện là hiện tượng
electron bật ra khỏi mặt kim loại khi bị
chiếu sáng bằng bức xạ thích hợp
GT: Trong kim loại, electron liên kết với
nguyên tử kim loại.
Muốn bứt ra khỏi kim loại, electron phải
thực hiện công lớn hơn công liên kết giữ
nó lại (gọi là công thoát A)
Khi kim loại bị chiếu sáng, mỗi electron hấp thu
toàn bộ năng lượng  = h.f
của một photon
Muốn xảy ra hiện tượng quang điện, năng lượng
electron thu vào phảỉ lớn hơn công thoát A


Đặt
0 là giới hạn quang điện của kim loại
Muốn xảy ra hiện tượng quang điện thì
bước sóng của ánh sáng hay bức xạ chiếu
vào kim loại phải nhỏ hơn giới hạn quang
điện của kim loại ấy
VI. LƯỠNG TÍNH SÓNG - HẠT CỦA ÁNH
SÁNG:
Có nhiều hiện tượng quang học chứng tỏ
ánh sáng có tính chất sóng (nhiễu xạ, giao
thoa…)
Có hiện tượng quang học khác chứng tỏ
ánh sáng có tính chất hạt (hiện tượng
quang điện)
Vậy ánh sáng có lưỡng tính Sóng-Hạt
Lưu ý: Ánh sáng luôn luôn có bản chất
sóng điện từ.


CÂU HỎI ÔN TẬP
Câu 1: Chọn câu đúng. Hiện tượng quang
điện ngoài là:
Hiện tượng nhiệt độ làm bật ra các
electron ở bề mặt kim loại khi nó bị đốt nóng
B. Hiện tượng các electron ở bề mặt kim loại
bị bật ra do chịu tác dụng điện trường
C. Hiện tượng các electron ở bề mặt kim loại
bật ra khi chiếu ánh sáng hay bức xạ thích
hợp vào kim loại
D. Hiện tượng ánh sáng gây ra dòng điện ở
bề mặt kim loại
Câu 2: Chọn câu đúng. Định luật về giới hạn
quang điện
Hiện tượng quang điện xảy ra khi ánh sáng
kích thích có bước sóng   0 (giới hạn
quang điện của kim loại)
B. Hiện tượng quang điện xảy ra khi ánh sáng
kích thích có bước sóng   0 (giới hạn
quang điện của kim loại)
C. Hiện tượng quang điện xảy ra khi chiếu
sáng kim loại bằng chùm sáng mạnh
D. Hiện tượng quang điện xảy ra khi chiếu
sáng kim loại bằng chùm sáng yếu
Câu 3. Chọn câu sai. Theo giả thuyết Plăng
A. Lượng năng lượng nguyên tử phát xạ
có giá trị hoàn toàn xác định
B. Lượng năng lượng nguyên tử phát xạ
có giá trị bằng h.f
C. Lượng năng lượng nguyên tử hấp thụ
có giá trị bằng h.f
D. Lượng năng lượng nguyên tử phát xạ
hay hấp thụ luôn luôn liên tục
Câu 4: Chọn câu đúng nhất. Lượng tử năng
lượng có giá trị
A.

B.

C.

D. Câu B và C đều đúng
Câu 5: Chọn câu sai. Theo thuyết lượng tử
ánh sáng
Ánh sáng được tạo thành bởi các hạt gọi là
photon
B. Các photon của ánh sáng đơn sắc tần số f
đều giống nhau, mỗi photon có năng lượng h.f
C. Photon có thể xuất hiện khi nó đứng yên
D. Mỗi lần nguyên tử phát xạ hay hấp thụ
năng lượng ánh sáng thì nó phát ra hay hấp
thu một photon
Câu 6: Đối với Natri (0 = 0,50 m), ánh
sáng hay bức xạ có thể gây ra hiện
tượng quang điện là:
Ánh sáng đỏ ( = 0,76 m)
B. Ánh sáng vàng  = 0,57 m)
C. Ánh sáng tím ( = 0,40 m)
D. Cả A, B, C đều sai
Câu 7: Năng lượng của photon có tần
số f = 1012 Hz là:
6,625.10 – 46 (J)
6,625.10 – 22 (J)
6,625.10 – 408 (J)
Cả A, B, C đều sai
Câu 8: Năng lượng của photon có
bước sóng 0 = 0,50 m là:
A. 2.975.10 – 19 (J)
B. 4.975.10 – 19 (J)
C. 3.975.10 – 19 (J)
D. Cả A, B, C đều sai
Câu 9: Chọn câu đúng nhất. Trong hiện
tượng quang điện ngoài, electron hấp thu
toàn bộ năng lượng của photon. Năng
lượng nầy dùng để:
Thắng công giữ electron lại nguyên tử
(công thoát A)
B. Cung cấp cho electron động năng ban
đầu Wđ
C. Câu A và B đều sai
D. Câu A và B đều đúng.
Câu 10: Chọn câu đúng nhất. Động năng
ban đầu cực đại của electron quang điện
có thể tính từ công thức
 = A + Wđ0max
 = A - Wđ0max
C. Wđ0max = e.Uhãm
D. Wđ0max = e.Vmax
Câu 11: Chọn câu đúng nhất:
Dựa vào hiện tượng giao thoa, ta nói ánh
sáng chỉ có tính chất sóng
B. Dựa vào hiện tượng quang điện, ta nói ánh
sáng chỉ có tính chất hạt
C. Ánh sáng có lưỡng tính sóng-hạt và nó
luôn có bản chất sóng điện từ
D. Cả A, B, C đều đúng.