Bài giảng môn học Vật lý lớp 10 - Chương 8: Lượng tử ánh sáng

Chương 8 LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG A – KIẾN THỨC CƠ BẢN 1. Hiện tượng quang điện: - Khi chiếu một chùm ánh sáng thích hợp (có bước sóng ngắn) vào môt tấm kim loại thì nó làm cho các electron ở bề mặt kim loại đó bật ra. Đó là hiện tượng quang điện. Các electron bị bật ra gọi là các electron quang điện (quang electron) 2. Các định luật quang điện: a) Định luật quang điện thứ nhất: Đối với mỗi kim loại dùng làm catốt có một bước sóng giới hạn lo nhất định, gọi là giới hạn quang điện. HTQĐ chỉ xảy ra khi bước sóng l của ánh sáng kích thích, nhỏ hơn giới hạn quang điện (l lo). b) Định luật quang điện thứ hai: Đối với ánh sáng thích hợp (l lo) cường độ dòng quang điện bão hoà tỷ lệ với cường độ của chùm sáng kích thích. c) Định luật quang điện thứ ba: Động năng ban động cực đại của các electron quang điện không phụ thuộc vào cường độ của chùm sáng kích thích mà chỉ phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng kích thích và bản chất của kim loại dùng làm catốt. 3. Thuyết lượng tử: a) Những hạn chế của thuyết sóng: Khi ánh sáng chiếu vào K, điện trường biến thiên trong sóng ánh sáng sẽ làm cho các electron trong kim loại dao động. Cường độ của chùm sáng kích thích càng lớn, điện trường càng mạnh và nó làm cho các electron dao động mạnh đến độ bức ra khỏi kim loại ® dòng quang điện. Do đó: - HTQĐ xảy ra bất kỳ với ánh sáng nào, miễn là có cường độ đủ lớn. Điều này mâu thuẫn với định luật QĐ 1. - Wđomax phụ thuộc cường độ chùm sáng kích thích: điều này mâu thuẫn với định luật QĐ 3. - Mặt khác theo thuyết sóng, cường độ ánh sáng phải đủ lớn mới có hiện tượng quang điện. Thực tế l lo thì cường độ ánh sáng kích thích nhỏ ® xảy ra HTQĐ. b) Nội dung: - Những 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. Mỗi phần đó mang một năng lượng hoàn toàn xác định. Gọi là lượng tử năng lượng. Mỗi lượng tử có độ lớn e = hf. (f: tần số ánh sáng; h: hằng số plank). - Một chùm sóng dù rất yếu cũng chứa một số rất lớn các lượng tử ánh sáng (phôtôn) do đó ta có cảm giác chùm sáng liên tục. Cường độ chùm sáng tỷ lệ với số phô tôn - Các phôtôn chuyển động với vận tốc bằng vận tốc ánh sáng. Khi truyền các phôtôn không thay đổi, không phụ thuộc vào khoảng cách tới nguồn sáng. 4. Công thức Anhstanh về hiện tượng quang điện: Muốn cho dòng quang điện triệt tiêu hoàn toàn thì hiệu điện thế thế giữa anốt và catốt phải đạt tới một giá trị âm – Uh nào đó; Uh được gọi là hiệu điện thế hãm. (e = 1,6.10-19C; m = 9,1.10-31kg: là điện tích và khối lượng của electron) * Hiệu suất của hiện tượng quang điện (hiệu suất lượng tử) số electron bật ra khỏi kim loại (catốt) H = số phôtôn tới kim loại (catốt) * Cường độ dòng quang điện bão hoà: Ibh = n.e Với n là số electron bật ra khỏi catốt (và đi đến anốt) mỗi giây 5. Bước sóng nhỏ nhất của tia Rơnghen (tia X) phát ra từ ống Rơnghen: lX ³ lmin với lmin = Với Wđ là động năng của các electron tới đạp vào đối catốt, có giá trị: , trong đó U là hiệu điện thế giữa anốt và catốt của ống Rơnghen. 6. Mẫu nguyên tử Bohr: a)Hai giả thuyết (tiên đề) Bohr: * Tiên đề 1: (về các trạng thái dừng): Nguyên tử chỉ tồn tại trong những trạng thái có năng lượng hoàn toàn xác định gọi là trạng thái dừng. Trong các trạng thái dừng, nguyên tử không bức xạ. * Tiên đề II: (về bức xạ và hấp thụ năng lượng của nguyên tử). + Khi nguyên tử chuyển từ trạng thái dừng có năng lượng Em sang trạng thái dừng có năng lượng En (với Em > En) thì nguyên tử phát ra 1 phôtôn có năng lượng đúng bằng hiệu: Em – En. (fmn: tần số ánh sáng ứng với phôtôn đó). h.fmn Em En h.fmn + Nếu nguyên đang ở trạng thái dừng có năng lượng En thấp mà hấp thụ 1 phôtôn có năng lượng h.fmn đúng bằng hiệu: Em – En thì nó chuyển lên trạng thái dừng có năng lượng Em cao hån. Với fmn là tần số ánh sáng ứng với phôtôn đó. b) * Hệ quả: - Trong các trạng thái dừng của nguyên tử, electron chỉ chuyển động quanh hạt nhân theo những quĩ đạo có bán kính hoàn toàn xác định gọi là các quĩ đạo dừng, tỷ lệ với bình phương các số nguyên liên tiếp Bán kính: ro, 4ro; 9ro; 16ro; 25ro; 36ro Tên quỹ đạo: K, L; M; N; O; P với ro = 5,3.10-11m: bán kính Bohr. dãy Lyman dãy Balmer dãy Paschen E1 (K) E2 (L) E3 (M) E4 (N) E5 (O) E6 (P) HaHbHgHd 7. Quang phổ vạch của hiđrô: Gồm nhiều vạch xác định, tách rời nhau (xem hình vẽ). Ở trạng thái bình thường (trạng thái cơ bản) nguyên tử H có năng lượng thấp nhất, electron chuyển động trên quĩ đạo K. Khi được kích thích, các electron chuyển lên các quĩ đạo cao hơn (L, M, N, O, P...). Nguyên tử chỉ tồn tại một thời gian rất bé (10-8s) ở trạng thái kích thích sau đó chuyển về mức thấp hơn và phát ra phôtôn tương ứng. - Khi chuyển về mức K tạo nên quang phổ vạch của dãy balmer. - Khi chuyển về mức M: tạo nên quang phổ vạch của dãy Paschen. B – CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP TRẮC NGHIỆM KHÁCH QUAN VIII. 1. Giới hạn quang điện của mỗi kim loại là A. bước sóng của ánh sáng kích thích. B. bước sóng riêng của kim loại đó. C. bước sóng giới hạn của ánh sáng kích thích đối với kim loại đó. D. công thoát của electron ở bề mặt kim loại đó. VIII.1.1. Giới hạn quang điện của mỗi kim loại là A. Böôùc soùng daøi nhaát cuûa böùc xaï chieáu vaøo kim loaïi ñoù gaây ra hieän töôïng quang ñieän. B. Böôùc soùng ngaén nhaát cuûa böùc xaï chieáu vaøo kim loaïi ñoù gaây ra hieän töôïng quang ñieän. C. Coâng nhoû nhaát duøng ñeå böùt eâlectron ra khoûi beà maët kim loaïi ñoù. D. Coâng lôùn nhaát duøng ñeå böùt eâlectron ra khoûi beà maët kim loaïi ñoù. VIII.2. Chọn phát biểu sai. A. Đối với mỗi kim loại dùng làm catốt, ánh sáng kích thích phải có bước sóng nhỏ hơn trị số lo nào đó, thì mới gây ra hiện tượng quang điện. B. Dòng quang điện triệt tiêu khi hiệu điện thế giữa anốt và catốt bằng không. C. Khi hiện tượng quang điện xảy ra, cường độ dòng quang điện bão hoà tỉ lệ với cường độ của chùm sáng kích thích. D. Hiệu điện thế giữa anốt và catốt bằng không vẫn tồn tại dòng quang điện. VIII.2.2. Doøng quang ñieän ñaït ñeán baõo hoaø khi A. Taát caû eâlectron baät ra töø catoât khi catoât ñöôïc chieáu saùng ñeàu veà ñöôïc anoât. B. Taát caû eâlectron baät ra töø catoât khi catoât ñöôïc chieáu saùng ñeàu quay trôû veà ñöôïc catoât. C. Coù söï caân baèng giöõa soá eâlectron baät ra töø catoât vaø soá eâlectron bò huùt trôû laïi catoât. D. Soá eâlectron töø catoât veà anoât khoâng ñoåi theo thôøi gian. VIII.3. Chọn câu đúng. Các electron quang điện bị bứt ra khỏi bề mặt kim loại khi ánh sáng kích thích chiếu vào bề mặt kim loại có A. cường độ sáng rất lớn. B. bước sóng nhỏ hơn hay bằng một giới hạn xác định. C. bước sóng lớn. D. bước sóng nhỏ. VIII.4. Vận tốc ban đầu cực đại của các electron quang điện phụ thuộc vào A. Giao thoa ánh sáng là sự tổng hợp của hai chùm sáng chiếu vào cùng một chỗ. B. Giao thoa của hai chùm sáng từ hai bóng đèn chỉ xảy ra khi chúng cùng đi qua kính lọc sắc. C. Giao thoa ánh sáng chỉ xảy ra đối với các ánh sáng đơn sắc. D. Giao thoa ánh sáng chỉ xảy ra khi hai chùm sóng ánh sáng kết hợp đan xen vào nhau. VIII.5. Chọn phát biểu đúng. Giới hạn quang điện của mỗi kim loại dùng làm catốt tuỳ thuộc A. hiệu điện thế giữa anốt và catốt của tế bào quang điện. B. bước sóng của ánh sáng chiếu vào catốt. C. bản chất của kim loại đó. D. điện trường giữa anốt và catốt. VIII.6. Chọn phát biểu sai. A. Bên trong bóng thuỷ tinh của tế bào quang điện là chân không. B. Dòng quang điện có chiều từ anốt sang catốt. C. Catốt của tế bào quang điện tường được phủ bằng một lớp kẽm hoặc kim loại kiềm D. Trong tế bào quang điện, điện trường hướng từ catốt đến anốt. VIII.7. Một tấm kẽm tích điện âm nếu chiếu vào một chùm tia hồng ngoại sẽ có hiện tượng gì xảy ra ? A. Tấm kẽm mất điện tích âm. B. Tấm kẽm mất bớt electron. C. Tấm kẽm mất bớt điện tích dương. D. Không có hiện tượng gì xảy ra. VIII.8. Tìm phát biểu đúng về thí nghiệm Hertz: A. Chiếu ánh sáng thích hợp có bước sóng đủ lớn vào bề mặt của tấm kim loại thì làm cho các electron ở bề mặt kim loại đó bật ra. B. Khi chiếu ánh sáng thích hợp vào tấm kẽm tích điện dương, thì hai lá điện nghiệm vẫn cụp lại. C. Hiện tượng trong thí nghiệm Hertz gọi là hiện tượng bức xạ nhiệt electron. D. Thí nghiệm của Hertz chỉ có thể giải thích bằng thuyết lượng tử ánh sáng. VIII.9. Chọn câu đúng Công thức liên hệ giữa giới hạn quang điện lo, công thoát A, hằng số plăng h và vận tốc ánh sáng c là: A. B. lo.A = h.c C. D. VIII.10. Công thức đúng về mối liên hệ giữa độ lớn hiệu điện thế hãm (Uh), độ lớn điện tích electron (e), khối lượng electron là (m) và vận tốc ban đầu cực đại của electron (vomax): A. B. C. D. VIII.11. Phương trình nào sau đây sai so với phương trình Anhstanh: A. B. C. D. VIII.12. Cho khối lượng electron là m = 9,1.10-31kg, điện tích electron e = 1,6.10-19C; Tính vận tốc ban đầu cực đại của các electron quang điện biết hiệu điện thế hãm bằng 45,5V. A. 3,2.106m/s B. 1,444.106m/s C. 4.106m/s D. 1,6.10-6m/s VIII.13. Tìm số electron quang điện đến đạp vào bề mặt catốt mỗi giây biết cường độ dòng quang điện bão hoà bằng 24mA. Cho điện tích electron e = 1,6.10-19C A. 1,5.1012hạt B. 3.1013hạt C. 1,5.1014 hạt D. 0,67.1013hạt VIII.14. Tính bước sóng ánh sáng mà năng lượng của phôtôn là 2,8.10-19J. Cho hằng số plăng h = 6,625.10-34Js, vận tốc của ánh sáng trong chân không c = 3.108m/s. A. 0,71mm B. 0,66mm C. 0,45mm D. 0,58mm VIII.15. Một ngọn đèn phát ra ánh sáng đơn sắc có bước sóng 0,6mm sẽ phát ra bao nhiêu phôtôn trong 1s, nếu công suất phát xạ của đèn là 10W ? A. 1,2.1019hạt/s B. 6.1019hạt/s C. 4,5.1019hạt/s D. 3.1019hạt/s VIII.16. Tìm kết luận sai về thuyết lượng tử anh sáng. A. Những 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. Mỗi phần đó mang một năng lượng hoàn toàn xác định gọi là lượng tử năng lượng. C. Ta có cảm giác chùm là liên tục vì số lượng các phôtôn là rất lớn. D. Khi ánh sáng truyền đi, lượng tử không đổi, không phụ thuộc vào khoảng cách tới nguồn sáng. VIII.17. Tìm phát biểu sai về lưỡng tính sóng hạt. A. Hiện tượng giao thoa ánh sáng thể hiện tích chất sóng. B. Hiện tượng quang điện, ánh sáng thể hiện tính chất hạt. C. Sóng điện từ có bước sóng càng ngắn cngà thể hiện rõ tính chất sóng. D. Các sóng điện từ có bước sóng càng dài thì tính chất sóng thể hiện rõ hơn tính chất hạt. VIII.18. Tìm phát biểu sai về hiện tượng quang dẫn và hiện tượng quang điện. A. Công thoát của kim loại lớn hơn công cần thiết để bứt electron liên kết trong bán dẫn. B. Phần lớn tế bào quang điện hoạt động được với ánh sáng hồng ngoại. C. Phần lớn quang trở hoạt động được với ánh sáng hồng ngoại. D. Chỉ có tế bào quang điện có catốt làm bằng kim loại kiềm mới hoạt động được với ánh sáng khả kiến. VIII.19. Tìm phát biểu sai về sự tạo thành quang phổ vạch của hiđrô. A. Các vạch trong dãy Laiman được hình thành khi electron chuyển về quỹ đạo K. B. Các vạch trong dãy Banme được hình thành khi electron chuyển về quỹ đạo N. C. Các vạch trong dãy Pasen được hình thành khi electron chuyển về quỹ đạo M. D. Trong dãy Banme có bốn vạch Hα , Hb , Hg , Hd thuộc vùng ánh sáng nhìn thấy. VIII.20. Các bức xạ trong dãy Laiman thuộc dãy nào của thang sóng điện từ ? A. Tử ngoại B. Hồng ngoại C. Ánh sáng khả kiến. D. Một phần ở vùng tử ngoại vừa ở vùng nhìn thấy. VIII.21. Các bức xạ trong dãy Banme thuộc dãy nào của thang sóng điện từ ? A. Tử ngoại B. Hồng ngoại C. Ánh sáng khả kiến. D. Một phần ở vùng tử ngoại, bốn vạch đầu ở vùng nhìn thấy. VIII.22. Các bức xạ trong dãy Pasen thuộc dãy nào của thang sóng điện từ ? A. Tử ngoại B. Hồng ngoại C. Ánh sáng khả kiến. D. Một phần ở vùng hồng ngoại, một phần ở vùng nhìn thấy. VIII.23. Bốn vạch Hα , Hb , Hg , Hd của nguyên tử hiđrô thuộc dãy nào ? A. Laiman. B. Banme. C. Pasen. D. Vừa banme vừa laiman. VIII.24. Hiệu điện thế giữa anốt và catốt của ống Rơnghen là 3.104V. Cho điện tích electron e = 1,6.10-19C; hằng số plank h = 6,625.10-34 J.s, vận tốc của ánh sáng trong chân không c = 3.108m/s. Bước sóng nhỏ nhất của chùm tia Rơnghen phát ra: A. 4,14.10-11m B. 3,14.10-11m C. 2,25.10-11m D. 1,6.10-11m VIII.25. Một ống Rơnghen phát ra bứt xạ có bước sóng nhỏ nhất là 5. Cho điện tích electron e = 1,6.10-19C; hằng số plăng h = 6,625.10-34 J.s, vận tốc của ánh sáng trong chân không c = 3.108m/s. Tính hiệu điện thế giữa anốt và catốt. A. 2500V B. 2475V C. 3750V D. 1600V VIII.26. Công thoát đối với Cêsi là A = 1eV. Cho khối lượng electron là m = 9,1.10-31kg, điện tích electron e = 1,6.10-19C; hằng số plăng h = 6,625.10-34 J.s, vận tốc của ánh sáng trong chân không c = 3.108m/s. Vận tốc ban đầu cực đại của các electron quang điện khi chiếu vào cêsi ánh sáng có bước sóng 0,5mm là: A. 7,3.105m/s B. 4.106m/s C. 5.105m/s D. 6,25.105m/s. VIII.27. Chọn câu sai. Tia Rơnghen có những tính chất: A. Tia Rơnghen làm phát quang một số chất. B. Tia Rơnghen gây ra hiệu ứng quang điện. C. Tia Rơnghen làm ion hoá môi trường. D. Xuyên qua được tấm chì dầy vài centimét. VIII.28. Thuyết lượng tử có thể giải thích được các hiện tượng nào ? Chọn câu sai. A. Sự phát quang của các chất. B. Hiện tượng quang điện ngoài. C. Hiện tượng quang hoá. D. Hiện tượng ion hoá môi trường. VIII.29. Giới hạn quang điện của Cs là 6600. Cho hằng số plăng h = 6,625.10-34 J.s, vận tốc của ánh sáng trong chân không c = 3.108m/s. Tính công thoát A của Cs ra đơn vị eV. A. 3,74eV B. 2,14eV C. 1,52eV D. 1,88eV VIII.30. Trong thời gian 1phút, có 1,2.107 electron tách khỏi catốt của tế bào quang điện để về anốt. Tính cường độ dòng quang điện bão hoà. Biết điện tích electron e = 1,6.10-19C. A. 0,16mA B. 0,32mA C. 0,5mA D. 0,5mA VIII.31. Catốt của tế bào quang điện làm bằng Cs có l =0,6mm. Cho khối lượng electron là m = 9,1.10-31kg, điện tích electron e = 1,6.10-19C; hằng số plăng h = 6,625.10-34Js, vận tốc của ánh sáng trong chân không c = 3.108m/s. Chiếu vào ca tốt bức xạ có bước sóng l = 0,33mm. Để triệt tiêu dòng quang điện UAK phải thoả mãn : A. UAK £ -1,88V B. UAK £ - 2,04 V C. UAK £ - 1,16 V D. UAK £ - 2,35 V VIII.32. Trong các nguồn sáng sau đây, nguồn nào cho quang phổ vạch phát xạ ? A. Thỏi thép cácbon nóng sáng trong lò nung. B. Mặt trời. C. Dây tóc của bóng đèn làm vonfram nóng sáng. D. Bóng đèn nêon trong bút thử điện. VIII.33. Trong các nguồn sáng sau đây, nguồn nào cho quang phổ vạch hấp thụ ? A. Mặt trời. B. Ngọn lửa đèn cồn có vài hạt muối rắc vào bấc. C. Đèn ống huỳnh quang D. Hợp kim đồng nóng sáng trong lò luyện kim. VIII.34. Một đèn Na chiếu sáng có công suất phát xạ P = 100W. Bước sóng của ánh sáng vàng do đèn phát ra là 0,589mm. Hỏi trong 30s, đèn phát ra bao nhiêu phôtôn ? Cho hằng số plăng h = 6,625.10-34Js, vận tốc của ánh sáng trong chân không c = 3.108m/s. A. 6.1024 B. 9.1018 C. 9.1024 D. 12.1022 VIII.35. Cường độ dòng quang điện bão hoà trong mạch là 0,32mA. Tính số e- tách ra khỏi catốt của tế bào quang điện trong thời gian t = 20s, biết rằng chỉ có 80% electron tách ra được chuyển về anốt. Cho e = 1,6.10-19C. A. 5.1016 B. 3.1018 C. 2,5.1016 D. 3.1020 VIII.36. Mẫu nguyên tử Bohr có thể áp dụng cho ... A. nguyên tử hiđrô. B. hêli. C. các ion. D. hiđrô và các ion tương tự hiđrô. VIII.37. Phát biểu nào sau đây sai. A. Giả thiết sóng ánh sáng không giải thích được các dịnh luật quang điện. B. Ánh sáng có bản chất là sóng điện từ. C. Ánh sáng có tính chất hạt, mỗi hạt được gọi là một phôtôn. D. Vì ánh sáng có tính chất hạt nên gây ra được hiện tượng quang điện đối với mọi kim loại. VIII.38. Chọn phát biểu đúng. Trong phản ứng hạt nhân, prôtôn ... A. có thể biến thành nơtrôn và ngược lại B. có thể biến thành nuclôn và ngược lại C. được bảo toàn. D. có thể biến thành các hạt nhân khác. VIII. 39. Chọn phát biểu đúng. Dãy Lyman trong quang phổ vạch của hiđrô ứng với sự dịch chuyển của các electron từ các quỹ đạo dừng có năng lượng cao về quỹ đạo : A. K B. L C. M D. N VIII.40. Chiếu tia tử ngoại có bước sóng 0,25mm vào catốt của tế bào quang điện phủ Na có giới hạn quang điện 0,5mm. Tìm động năng ban đầu cực đại của các electron quang điện. Cho hằng số plăng h = 6,625.10-34 J.s, vận tốc của ánh sáng trong chân không c = 3.108m/s. A. 2,75.10-19J B. 3,97.10-19J C. 4,15.10-19J D. 3,18.10-19J C. ĐÁP ÁN VIII.1 C VIII.11 B VIII.21 D VIII.31 A VIII.2 B VIII.12 C VIII.22 B VIII.32 D VIII.3 D VIII.13 C VIII.23 B VIII.33 A VIII.4 D VIII.14 A VIII.24 A VIII.34 C VIII.5 D VIII.15 D VIII.25 B VIII.35 A VIII.6 A VIII.16 C VIII.26 A VIII.36 D VIII.7 C VIII.17 C VIII.27 D VIII.37 D VIII.8 D VIII.18 B VIII.28 D VIII.38 A VIII.9 B VIII.19 B VIII.29 D VIII.39 A VIII.10 A VIII.20 A VIII.30 B VIII.40 B