Chuyên đề Vật lí 12 Bài 7 (Chân trời sáng tạo): Hiệu ứng quang điện và năng lượng của photon

Giải Chuyên đề Vật lí 12 Bài 7: Hiệu ứng quang điện và năng lượng của photon

1. Hiệu ứng quang điện

Hình thành kiến thức mới 1 trang 43 Chuyên đề Vật Lí 12: Dự đoán hiện tượng xảy ra nếu trong thí nghiệm của Hertz ở Hình 7.1, ta thay đèn hồ quang bằng nguồn phát ánh sáng nhìn thấy.

Lời giải:

Dự đoán hiện tượng: Nếu thay đèn hồ quang bằng nguồn ánh sáng nhìn thấy trong thí nghiệm của hertz sẽ không có dòng điện được tạo ra trong mạch.

Bởi vì: Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi ánh sáng có năng lượng đủ cao để đánh bật các electron ra khỏi bề mặt kim loại. Ánh sáng nhìn thấy có năng lượng photon thấp hơn so với ánh sáng tử ngoại phát ra từ đèn hồ quang. Vì vậy nó không đủ năng lượng để đánh bật electron khỏi bề mặt kim loại.

Hình thành kiến thức mới 2 trang 43 Chuyên đề Vật Lí 12: Dự đoán hiện tượng xảy ra khi chiếu tia tử ngoại vào bản kẽm tích điện dương trong thí nghiệm của Hertz ở Hình 7.1.

Lời giải:

Dự đoán hiện tượng: hiện tượng không xảy ra khi chiếu tia tử ngoại vào bản kẽm tích điện dương trong thí nghiệm của Hertz.

Bởi vì: bản kẽm tích điện dương thì nó sẽ hút các electron về phía nó. Chính vì vậy khi chiếu tia tử ngoại thì electron bị tia tử ngoại đánh bật ra khỏi bản kẽm sẽ bị hút trở lại bởi điện tích dương của bản kẽm. Do đó, electron không di chuyển tự do trong mạch điện để tạo ra dòng điện.

Hình thành kiến thức mới 3 trang 43 Chuyên đề Vật Lí 12: Dựa vào các dụng cụ được gợi ý trong Hình 7.2 để thiết kế phương án thí nghiệm vẽ đường đặc trưng vôn - ampe của tế bào quang điện.

Lời giải:

* Mục đích:

- Vẽ đường đặc trưng vôn - ampe của tế bào quang điện.

- Khảo sát sự phụ thuộc của cường độ dòng quang điện vào cường độ chùm sáng.

* Dụng cụ:

Bộ dụng cụ thí nghiệm khảo sát hiệu ứng quang điện được cho trong Hình 7.2, gồm:

- Tế bào quang điện (1).

- Nguồn sáng (2).

- Núm xoay (3) để điều chỉnh cường độ sáng của đèn.

- Hộp chân đế (4) có gắn biến thế nguồn với điện áp đầu vào 220 V và hiệu điện thế đầu ra tối đa 50 V.

- Núm xoay (5) để thay đổi hiệu điện thế đặt vào hai điện cực của tế bào quang điện.

- Công tắc thuận nghịch C (6) giúp đảo chiều hiệu điện thế U_AK.

- Kính lọc sắc F (7) đặt vào khe (8).

- Hai đồng hồ đo điện đa năng hiện số (9).

- Các dây nối (10).

* Tiến hành thí nghiệm:

Bước 1: Lắp đặt dụng cụ như Hình 7.2 (sơ đồ thí nghiệm này được minh hoạ trong Hình 7.3). Các núm xoay (3) và (5) để ở vị trí tận cùng trái. Công tắc (6) ở vị trí thuận.

Bước 2: Cắm phích cắm của bộ dụng cụ vào nguồn điện 220 V để cấp điện cho mạch và đèn. Vặn núm xoay (3) để tăng dần độ sáng của đèn đến khi có dòng quang điện thì dừng lại.

Bước 3: Vặn núm xoay (5) để tăng dần hiệu điện thế U_AK từ 0 và đồng thời ghi nhận các số chỉ I của microampe kế tương ứng với từng giá trị của U_AK, ghi vào vở theo mẫu Bảng 7.1.

Bước 4: Vặn núm xoay (5) về lại vị trí tận cùng trái. Chuyển công tắc (6) qua vị trí nghịch. Thực hiện lại bước 3.

Bước 5: Tăng cường độ của chùm sáng bằng cách tiếp tục vặn núm xoay (3) theo chiều cũ đến vị trí mới. Thực hiện lại các bước 3 và 4.

* Báo cáo kết quả thí nghiệm:

Dựa vào bảng số liệu, vẽ đường đặc trưng vôn - ampe của tế bào quang điện. Nhận xét về sự phụ thuộc của I vào U cường độ chùm sáng.

Hình thành kiến thức mới 4 trang 43 Chuyên đề Vật Lí 12: Giải thích vì sao vỏ của tế bào quang điện thường bằng thạch anh.

Lời giải:

Vỏ của tế bào quang điện thường bằng thạch anh vì:

- Khả năng truyền ánh sáng tốt

- Chịu được nhiệt độ cao

- Khả năng cách điện tốt

- Khả năng chống ăn mòn tốt

Luyện tập trang 45 Chuyên đề Vật Lí 12: Quan sát Hình 7.4 và sắp xếp các đường đồ thị (1), (2), (3) theo thứ tự tăng dần của cường độ bức xạ điện từ kích thích.

Lời giải:

Do khi xảy ra hiệu ứng quang điện, cường độ dòng quang điện bão hoà tỉ lệ thuận với cường độ của bức xạ điện từ kích thích.

Các đường đồ thị (1), (2), (3) theo thứ tự tăng dần của cường độ bức xạ điện từ kích thích là: I₃ < I₂ < I₁

_{2. Tính lượng tử của bức xạ điện từ}

Hình thành kiến thức mới 5 trang 46 Chuyên đề Vật Lí 12: Năng lượng của sóng điện từ phụ thuộc như thế nào vào bước sóng?

Lời giải:

Năng lượng của sóng điện từ phụ thuộc vào bước sóng theo công thức: $E=\frac{hc}{\lambda }$

Khi đó năng lượng tỉ lệ nghịch với bước sóng tức là khi bước sóng càng ngắn thì năng lượng càng lớn và ngược lại.

Hình thành kiến thức mới 6 trang 46 Chuyên đề Vật Lí 12: Sử dụng biểu thức (73) để giải thích vì sao các tia X và tia gamma có khả năng đâm xuyên lớn qua một số vật liệu.

Lời giải:

Tia X và tia gamma có khả năng đâm xuyên lớn qua một số vật liệu vì như chúng ta đã biết năng lượng của một photon tỉ lệ nghịch với bước sóng, tia X và tia gamma có bước sóng ngắn nên có năng lượng lớn.

Luyện tập trang 47 Chuyên đề Vật Lí 12: Một bút laser có công suất 5,00 mW phát ánh sáng đơn sắc có bước sóng 650 nm. Tính số photon phát ra bởi bút laser này trong thời gian 1 phút.

Lời giải:

Số photon phát ra bởi bút laser này trong thời gian 1 phút là:

$N_p=\frac{Pt}{\epsilon }=\frac{P\lambda t}{hc}=\frac{{5.10}^{-3}{\mathrm{.650.10}}^{-9}.60}{6,{626.10}^{-34}{\mathrm{.3.10}}^8}={\mathrm{9.8.10}}^{17}$

3. Giải thích các định luật quang điện

Hình thành kiến thức mới 7 trang 48 Chuyên đề Vật Lí 12: Tham khảo Bảng 7.2 để giải thích vì sao phải sử dụng chùm tia tử ngoại trong thí nghiệm Hertz để tạo ra hiệu ứng quang điện.

Lời giải:

Vì tia tử ngoại có bước sóng ngắn, nên năng lượng tác dụng lên tấm kim loại đủ lớn, làm bứt các electron ra khỏi bề mặt kim loại, tạo ra hiệu ứng quang điện.

Hình thành kiến thức mới 8 trang 48 Chuyên đề Vật Lí 12: Từ phương trình (7.4), em hãy nghiệm lại định luật quang điện thứ nhất về giới hạn quang điện.

Lời giải:

Nghiệm lại định luật quang điện thứ nhất về giới hạn quang điện:

- Xác định công thoát A của kim loại từ thí nghiệm.

- Thay các giá trị như h, f, động năng ban đầu cực đại để tính được bước sóng giới hạn quang điện kim loại đó.

- Sau đó so sánh bước sóng giới hạn quang điện và bước sóng của ánh sáng sử dụng trong thí nghiệm

- Cuối cùng đưa ra kết luận.

Hình thành kiến thức mới 9 trang 48 Chuyên đề Vật Lí 12: Vì sao ta không thể sử dụng lí thuyết sóng để giải thích định luật về giới hạn quang điện.

Lời giải:

Ta đã biết rằng ánh sáng là sóng điện từ. Nhưng dùng tính chất sóng của ánh sáng thì không giải thích được các định luật quang điện.

Theo lí thuyết về sóng, khi ánh sáng chiếu vào bề mặt kim loại, 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 thì diện trường đó càng mạnh và nó làm cho electron dao động càng mạnh. Đến một mức nào đó thì electron sẽ bị bật ra, tạo thành dòng quang điện. Vì vậy, bất kì chùm sáng nào có cường độ đủ lớn cũng có thể gây ra hiện tượng quang điện và động năng ban đầu cực đại của electron phải phụ thuộc vào cường độ của chùm sáng kích thích. Điều này mâu thuẫn với kết quả thực nghiệm. Ta chỉ có thể giải thích được các định luật quang điện và nhiều hiện tượng khác nữa bằng tính lượng tử của ánh sáng nói riêng và của bức xạ điện từ nói chung.

Hình thành kiến thức mới 10 trang 48 Chuyên đề Vật Lí 12: Cường độ dòng quang điện bão hoà có phụ thuộc vào bước sóng của bức xạ điện từ kích thích không? Giải thích.

Lời giải:

Khi xảy ra hiệu ứng quang điện, số quang electron bật khỏi cathode trong một đơn vị thời gian tỉ lệ thuận với số photon đập vào cathode trong một đơn vị thời gian, tức là tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ điện từ kích thích. Vì vậy, khi cường độ của dòng quang điện đạt giá trị bão hoà (tức là khi toàn bộ quang electron bật ra khỏi cathode trong một đơn vị thời gian đều về được anode), giá trị bão hoà này tỉ lệ thuận với cường độ của bức xạ điện từ kích thích.

Hình thành kiến thức mới 11 trang 48 Chuyên đề Vật Lí 12: Thảo luận để rút ra công thức 7.8

Lời giải:

+ Khi U_AK ≤ -U_h thì dòng quang điện bị triệt tiêu hoàn toàn (I = 0). Sở đĩ như vậy là vì: electron bị bật ra từ cathode, với tốc độ ban đầu v_omax và động năng ban đầu W_đmax, chịu tác dụng của lực điện trường hướng về cathode (do U_h gây ra); lực này đã ngăn không cho electron tới anode để gây ra dòng quang điện.

Vì vậy, U_h được gọi là hiệu điện thế hãm. Trị số của U_h phụ thuộc bước sóng λ. Như vậy, giữa động năng ban đầu cực đại của quang êlectron và độ lớn của hiệu điện thế hãm có hệ thức: ${\text{W}}_{d\max }=\frac{1}{2}m{v}_{0\max }^2=e{U}_h$

Luyện tập trang 48 Chuyên đề Vật Lí 12: Biết rằng phải chiếu vào cathode bằng sodium (Na) bức xạ điện từ có bước sóng nhỏ hơn hoặc bằng 504 nm thì hiệu ứng quang điện mới xảy ra. Khi hiệu điện thế giữa anode và cathode nhỏ hơn hoặc bằng -2,46 V thì dòng quang điện tắt.

a) Tính công thoát của sodium (theo đơn vị J và eV).

b) Tính động năng ban đầu cực đại (theo đơn vị eV) và vận tốc ban đầu cực đại của quang electron. Cho biết khối lượng của electron là 9,10.10^-31 kg.

Lời giải:

a) Công thoát của sodium là: $A=\frac{hc}{{\lambda }_0}=\frac{6,{625.10}^{-34}{\mathrm{.3.10}}^8}{{504.10}^{-9}}=3,{94.10}^{-19}J=2,46eV$

b) Động năng ban đầu cực đại là: $W=e{U}_h=1,{6.10}^{-19}.2,46=3,{936.10}^{-19}J$

Vận tốc ban đầu cực đại của quang electron là:

$e{U}_h=\frac{1}{2}m{v}^2\Rightarrow v=\sqrt{\frac{2e{U}_h}{m}}=\sqrt{\frac{2.1,{6.10}^{-19}.2,46}{9,{1.10}^{-31}}}=9,{3.10}^{5}m/s$

Vận dụng trang 49 Chuyên đề Vật Lí 12: Hiệu ứng quang điện có nhiều ứng dụng trong thực tế. Một trong các ví dụ là ống nhân quang điện (PMT - Photomultiplier tube). Trong thiết bị này, dòng quang electron được khuếch đại nhiều lần để tạo thành dòng điện có cường độ lớn. Ống nhân quang điện được sử dụng trong chẩn đoán y tế (xét nghiệm máu, quét ảnh), thiết bị nhìn đêm, máy quét hình ảnh cao cấp, ... Em hãy tìm hiểu trên sách, báo, internet, ... để trình bày tóm tắt về nguyên tắc hoạt động của thiết bị này.

Lời giải:

Ống nhân quang điện (PMT - Photomultiplier tube) là một thiết bị điện tử có khả năng khuếch đại tín hiệu ánh sáng yếu thành dòng điện có cường độ lớn. Ống PMT được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: chẩn đoán y tế (xét nghiệm máu, quét ảnh), thiết bị nhìn đêm, máy quét hình ảnh cao cấp,…

Nguyên tắc hoạt động:

Bước 1: Hiệu ứng quang điện: Khi ánh sáng chiếu vào cathode của PMT, các photon ánh sáng được hấp thụ bởi các nguyên tử cathode, giải phóng electron. Năng lượng của photon phải lớn hơn hoặc bằng công thoát của cathode để giải phóng electron.

Bước 2: Khuếch đại điện tử: Các electron được giải phóng bởi hiệu ứng quang điện được tăng tốc bởi một điện trường mạnh và va chạm với dynode đầu tiên. Mỗi va chạm giải phóng nhiều electron thứ cấp hơn. Quá trình này được lặp lại nhiều lần (thường 10-15 giai đoạn) dẫn đến sự khuếch đại tín hiệu điện tử đáng kể.

Bước 3: Anode: Các electron thứ cấp sau giai đoạn nhân được thu thập tại anode, tạo ra một tín hiệu điện mạnh hơn nhiều so với tín hiệu quang ban đầu.

Bài tập (trang 49)

Bài tập 1 trang 49 Chuyên đề Vật Lí 12: Một ứng dụng của laser trong y học là dùng một chùm tia laser để điều chỉnh độ cong của giác mạc, từ đó điều trị các bệnh lí liên quan tới tật khúc xạ. Biết thời gian của mỗi xung laser bằng 20 ms và công suất trung bình của mỗi xung là 0,60 W. Trong mỗi xung, có 4,0.1016 photon đập vào võng mạc. Tính bước sóng của chùm tia laser này.

Lời giải:

Công suất trung bình của mỗi xung là: $P=\frac{\epsilon .N}{t}=\frac{\frac{hc}{\lambda }.N}{t}$

$\Rightarrow 0,6=\frac{\frac{6,{625.10}^{-34}{\mathrm{.3.10}}^8}{\lambda }{\mathrm{.4.10}}^{16}}{{20.10}^{-3}}\Rightarrow \lambda =6,{625.10}^{-7}m$

Bài tập 2 trang 49 Chuyên đề Vật Lí 12: Hằng số Planck h có thể được xác định trong thực nghiệm bằng cách đo hiệu điện thế hãm đối với sodium (Hình 7P.1). Cho khối lượng và điện tích của electron lần lượt bằng 9,1.10-31 kg và -1,6.10-19 C.

a) Từ đồ thị trên, hãy suy ra giá trị của hằng số h và công thoát của sodium.

b) Với giá trị của h ở câu a, hãy tính hiệu điện thế hãm và vận tốc ban đầu cực đại của quang electron nếu ánh sáng chiếu vào bản sodium này có bước sóng bằng 400 nm.

Lời giải:

Bài tập 3 trang 49 Chuyên đề Vật Lí 12: Gọi λ₀ là giới hạn quang điện của sodium. Ta thấy khi chiếu vào cathode của một tế bào quang điện bức xạ có bước sóng $\lambda =\frac{{\lambda }_0}{2}$ thì hiệu điện thế U_AK giữa anode và cathode có giá trị bằng -2,48 V để dòng quang điện có giá trị bằng 0. Cho h = 6,626.10^-34 J.s, khối lượng và điện tích của electron lần lượt bằng 9,1.10^-31 kg và -1,6.10^-19 C.

a) Tính giá trị λ₀.

b) Tính vận tốc ban đầu cực đại của quang electron khi bật ra khỏi cathode.

Lời giải:

a) Ta có: $e{U}_h=\frac{1}{2}m{v}^2\Rightarrow \frac{hc}{\lambda }=A+\frac{1}{2}m{v}^2\Rightarrow \frac{2.hc}{{\lambda }_0}=\frac{hc}{{\lambda }_0}+e{U}_h\Rightarrow \frac{hc}{{\lambda }_0}=e{U}_h$ $\Rightarrow {\lambda }_0={5.10}^{-7}m$

b) Vận tốc ban đầu cực đại của quang electron khi bật ra khỏi cathode là:

$v=\sqrt{\frac{2e{U}_h}{m}}=\sqrt{\frac{2.1,{6.10}^{-19}.2,48}{9,{1.10}^{-31}}}=9,{3.10}^{5}m/s$