Thuyết lượng tử ánh sáng Vật lý 12 (Lý thuyết và bài tập)

Chuyên đề này có các vấn đề: giả thuyết Plang về lượng tử ánh sáng, thuyết tử của (thuyết phôtôn) của Anhtanh. Giải thích định luật về giới hạn quang điện bằng thuyết lượng tử ánh sáng. Lưỡng tính sóng – hạt của ánh sáng

A. LÝ THUYẾT

1. Giả thuyết Plang về lượng tử ánh sáng.

– Nguyên tử, phân tử không hấp thụ năng lượng một cách liên tục và hấp thụ một lượng năng lượng hoàn toàn xác định được gọi là lượng tử năng lượng

\displaystyle \varepsilon =h.f=\frac{h.c}{\lambda }

Trong đó h=6,{{625.10}^{-34}}J.s là hằng số Plăng.

             c={{3.10}^{8}}m/s là vận tốc ánh sáng trong chân không

f: tần số của ánh sáng (của bức xạ)

            \lambda  : bước sóng của ánh sáng (của bức xạ).

=> Năng lượng mà vật hấp thụ hay bức xạ luôn phải là số nguyên lần lượng tử năng lượng.

2. Thuyết lượng tử của (thuyết phôtôn) của Anhtanh

– Ánh sáng được tạo 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 \varepsilon =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 hoặc hấp thụ một phôtôn.

– Khi ánh sáng truyền đi, các lượng tử ánh sáng \varepsilon =hf không bị thay đổi và không phụ thuộc vào khoảng cách tới nguồn sáng.

– Tuy mỗi lượng tử ánh sáng \varepsilon =hf mang năng lượng rất nhỏ nhưng trong chùm sáng lại có một số rất lớn lượng tử ánh sáng, vì thế ta có cảm giác chùm sáng là liên tục.

3. Giải thích định luật về giới hạn quang điện bằng thuyết lượng tử ánh sáng

– Anh-xtanh cho rằng, trong hiện tượng quang điện có sự hấp thụ hoàn toàn phôtôn chiếu tới. Mỗi phôtôn bị hấp thụ sẽ truyền toàn bộ năng lượng \varepsilon  của nó cho một êlêctron. Muốn êlectron bứt ra khỏi mặt kim loại thì bắt buộc năng lượng \varepsilon \ge A (A là công thoát ), tức là hf\ge A=>h\frac{c}{\lambda }\ge A=>\lambda \le \frac{hc}{A}.

Nếu đặt \frac{hc}{A}={{\lambda }_{0}} thì sẽ thu được \lambda \le {{\lambda }_{0}} và {{\lambda }_{0}} chính là giới hạn quang điện của kim loại.

4. Lưỡng tính sóng – hạt của ánh sáng

– Các hiện tượng như phản xạ, khúc xạ, giao thoa đỏ ánh sáng của tính chất sóng ( sóng điện từ ), các hiện tượng khác như quang điện ánh sáng có lưỡng tính sóng – hạt.

– Bước sóng càng dài thì tính chất sóng thể hiện càng rõ, bước sóng càng ngắn thì tính chất hạt thể hiện càng rõ.

5. Hiện tượng quang phát quang

– Định nghĩa: Hiện tượng quang phát quang là hiện tượng một số chất có khả năng hất thụ ánh sáng rồi phát ra các bức xạ thuộc vùng nhìn thấy

– Đặc điểm:

+ Mỗi một chất có một quang phổ đặc trưng

+ Hiện tượng phát quang thường xảy ra ở hiện tượng nhiệt độ thường

+ Sau khi ngừng kích thích hiện tượng phát quang vẫn còn tiếp tục

–  Phân loại: Có hai loại quang phát quang:

+ Sự huỳnh quang là sự phát quang có thời gian phát quang ngắn (dưới 10-8s), thường xảy ra với chất lỏng và khí.

+ Sự lân quang là sự phát quang có thời gian phát quang dài (10-8s trở lên), thường xảy ra với chất rắn.

– Định luật X tốc về sự phát quang:  Ánh sáng phát quang có bước sóng l’ dài hơn bước sóng l của ánh sáng kích thích (ánh sáng mà chất phát quang hấp thụ): λphát’ > λhấp thụ

6. Nguyên cơ phát xạ ra tia Rơnghen

– Đốt nóng K thì electron sẽ bật ra với động năng ban đầu: Wđo

– Sau đó e chuyển động dưới tác dụng của điện trường giữa 2 cực UAK

WđA – WđK = UAK.e

– e chuyển động tới đối A nốt đập vào đối Anot và động năng của e chuyển thành nhiệt và đồng thời giải phóng ra e:

WđA = Q +ε

Công thức xác định bước sóng ngắn nhất của tia Rơnghen

εmax =hc/λmin=WđA = UAK.e

7. Tia Lazer

a. Đặc điểm của tia laze: Laze là một nguồn sáng phát ra chùm sáng song song (có tính định hướng cao), kết hợp, có tính đơn sắc rất cao và có cường độ lớn.

b. Một số ứng dụng của laze:

+ Sử dụng trong thông tin liên lạc vô tuyến: truyền thông tin bằng cáp quang, vô tuyến định vị, điều khiển tàu vũ trụ.

+ Dùng như dao mổ trong phẫu thuật mắt, chữa một số bệnh ngoài da nhờ tác dụng nhiệt.

+ Dùng trong các đầu đọc đĩa CD, bút trỏ bảng.

+ Dùng để khoan, cắt….chính xác các vật liệu trong công nghiệp.

c. Nguyên tắc để phát ra tia laze

+ Dựa trên hiện tượng phát xạ cảm ứng: Khi có một photon bay qua một nguyên tử đang ở trạng thái kích thích thì nguyên tử đó sẽ phát ra một photon có năng lượng đúng bằng, bay cùng chiều và cùng pha với photon bay lướt qua đó.

+ Cần có môi trường hoạt tính: là môi trường có các nguyên tử ở trạng thái kích thích với mật độ lớn hơn các nguyên tử ở trạng thái cơ bản

B. BÀI TẬP

Thuyết lượng tử và những bài tập cơ bản

+ Năng lượng của phôntôn: \displaystyle \varepsilon =h.f=\frac{h.c}{\lambda }

+ Công suất của một chùm sáng : \displaystyle {{P}_{buc\,xa}}={{n}_{p}}.\varepsilon

+ Hiệu suất của hiện tượng phát quang là:   H=\frac{{{P}_{ph\text{ }\!\!\acute{\mathrm{a}}\!\!\text{ t}}}}{{{P}_{k\text{ }\!\!\acute{\mathrm{i}}\!\!\text{ ch}th\text{ }\!\!\acute{\mathrm{i}}\!\!\text{ c}h}}}

Ví dụ 1: Năng lượng của photon ứng với ánh sáng có bước sóng \lambda =768nm là

A. 1,61eV            B.16,1eV          C.1,{{61.10}^{-12}} eV              D. 0,61eV

Hướng dẫn

Với bài tập này ta cần chú ý đổi đơn vị cho đúng

Năng lượng của photon ứng với ánh sáng tính theo đơn vị jun:

\varepsilon =\frac{hc}{\lambda }=\frac{6,{{625.10}^{-34}}{{.3.10}^{8}}}{{{768.10}^{-9}}}=2,{{58.10}^{-19}}J

Nếu tính theo đơn vị eV: \varepsilon =\frac{2,{{58.10}^{-19}}}{1,{{6.10}^{-19}}}=1,61 eV

=> Đáp án A

Ví dụ 2: Một nguồn laze phát ra ánh sáng đỏ bước sóng băng 630nm với công suất P= 40mW. Số photon bức xạ ra trong thời gian t=10s là

A.{{83.10}^{16}}        B.{{83.10}^{16}}         C.{{95.10}^{16}}          D.{{55.10}^{16}}

Hướng dẫn

Ta có: P=\frac{N\varepsilon }{t}=>N=\frac{Pt}{\varepsilon }=\frac{P\lambda t}{hc}=\frac{{{40.10}^{-3}}{{.630.10}^{-9}}.10}{6,{{625.10}^{-34}}{{.3.10}^{8}}}\approx {{95.10}^{16}}

=> Đáp án C

Ví dụ 3: Hai tấm kim loại A,B hình tròn được đặt gần nhau, đối diện và cách điện nhau. A được nối với cực âm và B được nối với cực dương của một nguồn điện 1 chiều. Để làm bứt các e từ mặt trong của tấm A , người ta chiếu chùm bức xạ đơn sắc công suất 4,9mW mà mỗi photon có năng lượng 9,{{8.10}^{-19}}J vào mặt trong của tấm A này. Biết rằng cứ 100 photon chiếu vào A thì có 1 e quang điện bị bứt ra. Một số e này chuyển động đến B để tạo ra dòng điện qua nguồn có cường độ 1,6\mu A. Phần trăm e quang điện bức ra khỏi A không đến được B là

A. 20%                       B. 30%                     C. 70%                      D. 80%

Hướng dẫn

Số e đến được B trong 1s là I={{n}_{e}}\left| e \right|->{{n}_{e}}=\frac{I}{\left| e \right|}={{10}^{13}}

Số photon chiếu vào trong A trong 1s là P={{n}_{f}}\varepsilon ->{{n}_{f}}=\frac{P}{\varepsilon }=\frac{4,{{9.10}^{3}}}{9,{{8.10}^{-19}}}={{5.10}^{15}}

Cứ 100 photon chiếu vào A thì có 1e bật ra, số e bật ra là \frac{{{5.10}^{15}}}{100}={{5.10}^{13}}

Theo đề ra có {{10}^{13}} electron đến được B nên phần trăm e quang điện bức ra khỏi A không đến được B là \frac{{{5.10}^{13}}-{{10}^{13}}}{{{5.10}^{13}}}=0,8=80%

=> Đáp án D