Lý thuyết và phương pháp giải các dạng bài bác tập lượng tử ánh sáng không thiếu và chi tiết, các dạng bài bác tập đều có phương thức giải, lấy ví dụ như và bài tập vận dụng.Bạn đang xem: Lý thuyết lượng tử ánh sáng
LÝ THUYẾT, PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP CHƯƠNG LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG
(hay với đầy đủ)
I. HIỆN TƯỢNG quang ĐIỆN NGOÀI
1) phân tích Hertz về hiện tượng lạ quang điện
a) Thí nghiệm
▪ Chiếu chùm tia nắng tử ngoại phát ra từ hồ nước quang vào tấm kẽm tích năng lượng điện âm (tấm kẽm sẽ thừa electron) gắn thêm trên diện nghiệm ta thấy hai lá của năng lượng điện nghiệm húi lại, tấm kẽm mất điện tích âm.
▪ Chắn chùm tia từ ngoại từ hồ nước quang bởi một tấm kính thì hiện tượng lạ không xảy ra.
▪ nắm tấm kẽm tích điện âm bằng tấm kẽm tích năng lượng điện dương, hiện tượng kỳ lạ cũng không xảy ra. Thay tấm kẽm bằng các kim nhiều loại khác tích điện âm hiện tại tượng xẩy ra bình thường.
Kết luận:
Khi chiếu chùm ánh sáng phù hợp có cách sóng ngắn vào bề mặt một tấm kim loại thì nó làm cho những electron ở mặt phẳng tấm kim loai bị bật ra. Hiện tượng kỳ lạ đó hotline là hiện tượng quang điện. Các e bị bật ra gọi là những e quang đãng điện.
b) Khái niệm hiện tượng kỳ lạ quang điện ngoài
Hiện tượng electron bị nhảy ra khi chiếu ánh nắng có bước sóng phù hợp vào một tấm sắt kẽm kim loại được hotline là hiện tượng lạ quang năng lượng điện ngoài, hay hotline tắt là hiện tượng kỳ lạ quang điện.
2) thí điểm với tế bào quang quẻ điện
a) khái niệm về tế bào qung điện
Tế bào quang quẻ điện là một trong bình chân ko (đã được hút hết không khí bên trong), gồm tất cả hai điện cực:
▪ Anot là 1 trong những vòng dây kim loại.
▪ Catot tất cả dạng chỏm cầu bằng kim loại.
▪ Khi chiếu vào catốt của tế bào quang năng lượng điện ánh sáng đơn sắc bao gồm bước sóng phù hợp thì trong mạch lộ diện một cái điện gọi là dòng quang điện.
b) kết quả thí nghiệm
b) kết quả thí nghiệm
▪ với mỗi kim loại dùng có tác dụng catot, ánh nắng kích thích hợp phải tất cả bước
sóng λ nhỏ dại hơn một giới hạn λ0 nào đó thì hiện tượng kỳ lạ mới xảy ra.
▪ Cường độ loại quang điện phụ thuộc vào vào UAK theo trang bị thị sau:
+ UAK > 0: lúc UAK tăng thì I tăng, đến giá trị làm sao đó, I đạt cho giá trị bão hòa. Lúc đó UAK tăng thì I vẫn ko tăng.
+ UAK AK = Uh
Chú ý:
▪ Muốn cho cái quang năng lượng điện triệt tiêu thì phải kê giữa AK một hiệu điện cụ hãm Uh h dựa vào vào cách sóng λ của chùm sáng sủa kích thích.
▪ Dòng quang điện bão hòa khi toàn bộ các electron bứt thoát khỏi Catot những đến được Anot.
▪ Cường độ cái quang điện bão hòa tỉ trọng thuận với độ mạnh chùm sáng kích thích mà không phụ thuộc vào vào cách sóng của ánh sáng kích thích.
▪ Độ phệ của Uh được tính từ biểu thức của định lý rượu cồn năng: (fracmv_0max^22=eginvmatrix eU_h endvmatrix) trong đó e = –1,6.10–19 C là điện tích của electron, m = 9,1.10–31kg là cân nặng của electron.
II. CÁC ĐỊNH LUẬT quang ĐIỆN
1) Định cơ chế I : (Định biện pháp về số lượng giới hạn quang điện)
a) phạt biểu
Đối với mỗi kim loại, tia nắng kích say mê phải bao gồm bước sóng λ ngắn thêm hay bằng số lượng giới hạn quang điện λ0 của sắt kẽm kim loại đó, mới gây ra được hiện tượng kỳ lạ quang điện. Biểu thức: λ ≤ λ0
b) Đặc điểm
Giới hạn quang điện của mỗi kim loại (kí hiệu λ0) là đặc thù riêng cho sắt kẽm kim loại đó.
Giới hạn kim loại của một vài kim một số loại hình:
Tên kim loại | Giới hạn quang điện (λ0) |
Bạc (Ag) | 0,26 μm |
Đồng (Cu) | 0,3 μm |
Kẽm (Zn) | 0,35 μm |
Nhôm (Al) | 0,36μm |
Canxi (Ca) | 0,43 μm |
Natri (Na) | 0,5 μm |
Kali (K) | 0,55 μm |
Xesi (Cs) | 0,58 μm |
Chú ý:
Quan sát bảng giá trị giới hạn quang điện của các kim loại điển hình nổi bật hay dùng ta thấy rằng các kim các loại kiềm có giới hạn quang năng lượng điện khá lớn nên những lúc chiếu tia nắng vào hiện tượng lạ quang điện hoàn toàn có thể dễ xẩy ra hơn với các kim nhiều loại Kẽm tuyệt Đồng rộng là những kim nhiều loại kiềm.
2) Định vẻ ngoài II : (Định phương pháp về cường độ loại quang năng lượng điện bão hòa)
Với tia nắng kích thích có bước sóng tương thích (λ ≤ λ0) thì cường độ loại quang điện bão hòa tỉ lệ với độ mạnh của chùm sáng sủa kích thích.
3) Định luật pháp III : (Định hiện tượng về hễ năng lúc đầu cực đại của những electron quang điện)
Động năng ban đầu cực đại của những electrong quang điện không phụ thuộc vào độ mạnh của chùm sáng sủa kích thích nhưng mà chỉ phụ thuộc vào vào bước sóng của tia nắng kich thích cùng bản chất sắt kẽm kim loại dùng có tác dụng catốt.
Chú ý:
▪ Kí hiệu cồn năng ban đầu cực đại là Wđmax thì theo định hiện tượng quang điện III ta thấy Wđmax chỉ nhờ vào vào λ và thực chất kim loại dùng làm Catot, bởi mỗi kim loại có một số lượng giới hạn quang năng lượng điện nhất định đề nghị nói một giải pháp khác, hễ năng lúc đầu cực đại phụ thuộc vào vào λ với λ0.
▪ Trong câu chữ của chương trình chuẩn thì chỉ tạm dừng ở Định qui định quang năng lượng điện I, những định công cụ II và III chỉ mang ý nghĩa tham khảo.
III. THUYẾT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG
1) trả thuyết về lượng tử tích điện Planck
Theo nhà chưng học fan Đức, Planck, Lượng tích điện mà các lần một nguyên tử xuất xắc phân tử hấp thụ hay vạc xạ có mức giá trị trọn vẹn xác định, được cam kết hiệu là ε và tất cả biểu thức ε = h.f
Trong đó:
f là tần số của ánh sáng bị kêt nạp hay phân phát ra
h là 1 trong hằng số, được điện thoại tư vấn là hằng số Plack có mức giá trị h = 6,625.10–34 J.s
2) Sự bất lực của thuyết sóng ánh sáng
Theo thuyết sóng ánh thì ánh sáng là 1 trong chùm sóng điện từ. Khi đạp vào bề mặt kim các loại sẽ làm cho những e ở mặt phẳng kim các loại dao động, cường độ chùm sáng càng béo thì những e xê dịch càng to gan và bật ra phía bên ngoài tạo thành loại quang điện. Cho nên vì thế bất kì chùm sáng sủa nào tất cả cường độ đủ mạnh cũng gây ra hiện tượng quang điện (trái với định mức sử dụng I) và động năng ban sơ cực đại của những e chỉ phụ thuộc vào cường độ của chùm sáng sủa kích phù hợp (trái cùng với định hiện tượng III).
3) Thuyết lượng tử ánh sáng
Nội dung của thuyết lượng tử ánh sáng do nhà bác bỏ học Anhxtanh nêu ra có 3 văn bản chính: ε
▪ Ánh sáng sủa được chế tác thành bởi các hạt điện thoại tư vấn là phôtôn, từng phôtôn còn được gọi là các lượng tử gồm năng lượng khẳng định ε = h.f, cường độ của chùm sáng tỉ lệ cùng với số phôtôn phạt ra trong 1 giây.
▪ Phôtôn bay với vận tốc c = 3.108m/s dọc theo những tia sáng.
▪ mỗi lần một nguyên tử hay phân tử vạc xạ xuất xắc hấp thụ ánh nắng thì bọn chúng phát ra hay dung nạp phôtôn.
Chú ý:
▪ Những nguyên tử tốt phân tử vật hóa học không hấp thụ hay bức xạ tia nắng một cách liên tiếp mà thành từng phần hiếm hoi đứt quãng, từng phần đó mang một năng lượng hoàn toàn xác định - Chùm sáng là 1 trong những chùm phân tử mỗi hạt là 1 phôtôn mang 1 năng lượng xác định.
▪ Khi ánh sáng truyền đi, những lượng tử năng lượng không trở nên thay đổi, không phụ thuộc vào cách mối cung cấp sáng xa tốt gần.
IV. GIẢI THÍCH CÁC ĐỊNH LUẬT quang đãng ĐIỆN
1) Hệ thức Anhxtanh
▪ Anhxtanh coi chùm sáng sủa là chùm hạt, từng hạt là 1 phôtôn mang trong mình 1 năng lượng xác định ε = h.f.
▪ Trong hiện tượng kỳ lạ quang điện gồm sự hấp thụ hoàn toàn phô tôn chiếu tới. Mỗi phôtôn bị hấp thụ vẫn truyền tổng thể năng lượng của nó cho một electron. Đối với các electron trên bề mặt năng lượng ε này dùng làm hai việc:
- cung cấp cho electron một công bay A để thắng lực link trong tinh thể với thoát ra ngoài.
Xem thêm: 9 Cách Trị Rỗ Mặt Tại Nhà Tốt Nhất Hiện Nay, Bật Mí 5 Cách Trị Sẹo Rỗ Nhanh Nhất Ngay Tại Nhà
- hỗ trợ cho electron một hễ năng ban đầu cực đại để electron cất cánh đến Anot.
Theo định công cụ bảo toàn tích điện ta bao gồm ε = hf = A + Wđmax =(A+fracmv_0max^22)
Công thức trên được hotline là hệ thức Anhxtanh.
Chú ý:
Thay cách làm tính tần số f = c/λ hoặc hễ năng theo Uh ta được những hệ trái của hệ thức Anhxtanh
ε = hf = A + Wđmax = (A+fracmv_0max^22=A+eginvmatrix eU_h endvmatrixLeftrightarrow frachclambda =A+fracmv_0max^22=A+eginvmatrix eU_h endvmatrix)
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) lý giải các định qui định quang điện
a) lý giải Định nguyên tắc I
Để xảy ra hiện tượng quang điện, năng lượng một phôtôn phải to hơn công bay A (là tích điện để giữ những electron sinh sống lại tấm kim loại).
Khi kia ta tất cả (varepsilon geq ALeftrightarrow hfgeq ALeftrightarrow frachclambda geq ARightarrow lambda leq frachcA) (1)
Đặt (lambda_0 =frachcA), được gọi là giới hạn quang điện. Khi kia (1) được viết lại là λ ≤ λ0
b) phân tích và lý giải Định phép tắc II
Cường độ cái quang năng lượng điện bão hòa tỉ lệ thành phần với số electron quang quẻ điện. Số electron quang điện tỉ lệ với số phô tôn cho đập vào Catot vào một đơn vị thời gian. Số phôton mang lại đập vào Catot trong một đối chọi vị thời hạn tỉ lệ với độ mạnh chùm sáng. Vậy cường độ mẫu quang điện bão hòa tỉ trọng với cường độ chùm sáng.
c) lý giải Định chế độ III
Từ hệ thức Anhxtanh ta có hf = A + Wđmax =(A+fracmv_0max^22Leftrightarrow frachclambda =A+fracmv_0max^22)
Ta thấy động năng lúc đầu cực đại (Wđmax) chỉ phụ thuộc vào λ với A, có nghĩa là bước sóng của chùm sáng sủa chiếu vào sắt kẽm kim loại và bản chất kim các loại làm Catot.
Chú ý:
▪ Từ bí quyết tính số lượng giới hạn quang năng lượng điện (lambda _0=frachcA ightarrow A=frachclambda _0), cầm cố vào hệ thức Anhxtanh ta được
(hf=A+fracmv_0max^22Leftrightarrow frachclambda =A+fracmv_0max^22Leftrightarrow frachclambda =frachc lambda_0+fracmv_0max^22)
▪ Trong các công thức tính toán thì tích số h.c thường xuyên được tái diễn nhiều lần trong công việc tính, để thuận lợi ta lưu cực hiếm của hằng số này hc = 19,875.10–26
▪ Giá trị của v0max dao động trong vòng từ 105(m/s) đến 107(m/s).
5) Lưỡng tính sóng phân tử của ánh sáng
Hiện tượng giao thoa minh chứng ánh sáng có tính chất sóng, hiện tượng lạ quang điện chứng tỏ ánh sáng có đặc thù hạt. Vậy tia nắng có lưỡng tính sóng hạt.
IV. MỘT SỐ VÍ DỤ ĐIỂN HÌNH
Ví dụ 1. Tính năng lượng phôtôn ứng với tia nắng có bước sóng λ1 = 0,768 μm; λ2 = 0,589 μm; λ3 = 0,444 μm.
Hướng dẫn giải:
Áp dụng cách làm tính lượng tử tích điện ta có
CÁC DẠNG BÀI TẬP VỀ LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG – PHẦN 1
DẠNG 1. TÍNH TOÁN CÁC ĐẠI LƯỢNG LIÊN quan liêu TRONG HỆ THỨC ANHXTANH
Cách giải:
Hệ thức Anhxtanh: (hf=A+fracmv_0max^22Leftrightarrow frachclambda =A+fracmv_0max^22Leftrightarrow frachclambda =frachc lambda_0+fracmv_0max^22)
▪ Tính λ0: hoàn toàn có thể tính từ bỏ hệ thức Anhxtanh hoặc công thức (lambda _0=frachcA)
▪ Tính v0max: hoàn toàn có thể tính từ hệ thức hoặc tính theo phương trình (fracmv_omax^22=eginvmatrix eU_h endvmatrix ightarrow v_omax=sqrtfrac2eginvmatrix eU_h endvmatrixm)
▪ Tính |Uh|: Tính theo phương trình (fracmv_omax^22=eginvmatrix eU_h endvmatrix ightarrow U_h=fracmv_omax^22eginvmatrix e endvmatrix)
Chú ý: UAK = –Uh thì cường độ mẫu quang điện triệt tiêu (I = 0).
▪ Tính λ: (varepsilon =frachclambda =hf ightarrow f=frachcvarepsilon =fraccf) hoặc (frachclambda =frachc lambda_0+fracmv_0max^22 ightarrow lambda =frac2hclambda _02hc+lambda _0mv_0max^2)
▪ Tính năng lượng ε: (varepsilon =hf=frachclambda ) hoặc (varepsilon =A+eginvmatrix eU_h endvmatrix=frachclambda _0+fracmv_0max^22)
Chú ý: (Cách chuyển đổi đơn vị)
Ta hiểu được công của lực điện trường A = q.U, nên đơn vị chức năng của công ngoài đơn vị chức năng J còn rất có thể tính theo đơn vị chức năng eV.
1eV = 1,6.10–19J cùng 1J = ( eV ).
Ví dụ 1. Chiếu tia nắng có cách sóng λ = 0,5 (μm) vào một trong những tấm kim loại dùng làm cho Catot của tế bào quang đãng điện tất cả công thoát A = 2,27 (eV).
a) hiện tượng quang năng lượng điện có xảy ra không?
b) Tính vận tốc lúc đầu cực đại của electrong quang quẻ điện.
c) Tính hiệu điện vắt hãm cần đặt vào để triển khai dòng quang điện bị triệt tiêu.
Hướng dẫn giải:
a) Để kiểm tra hiện tượng quang điện gồm xảy ra hay không ta kiểm tra điều kiện λ ≤ λ0
Ta có (lambda _0=frachcA=frac19,875.10^-262,27.1,6.10^-19=0,547(mu m) ightarrow lambda
Vậy hiện tượng kỳ lạ quang điện bao gồm xảy ra.
b) Theo hệ thức Anhxtanh: (frachclambda =A+fracmv_0max^22\_0max=sqrtfrac2(frachclambda -A)m =1,94.10^5(m/s))
c) Từ hệ thức Anhxtanh:(frachclambda =A+eginvmatrix eU_h endvmatrix ightarrow eginvmatrix U_h endvmatrix=sqrtfracleft ( frachclambda -A ight )eginvmatrix e endvmatrix=0,463(V))
DẠNG 2. HIỆU SUẤT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG
Cách giải:
▪ Cường độ dòng quang điện bão hòa (I_bh=fracqt=fracneginvmatrix e endvmatrixt), cùng với n là số electron bật ra khỏi Catot để cho Anot và t là thời hạn mà số electron di chuyển. Khi t = 1 (s) thì ta bao gồm Ibh = n.|e|
Từ kia ta tính được số electron bứt ra sau khoảng thời hạn t là (n=fracI_bheginvmatrix e endvmatrix=fracI_bh1,6.10^-9)
▪ Chiếu chùm sáng bao gồm bước sóng λ vào Catot của tế bào quang năng lượng điện thì sau khoảng thời gian t năng suất phát xạ p. Của chùm sáng sủa là (P=fracWt=fracNvarepsilon t=fracNfrachclambda t=fracN.hct.lambda ), với N là số phôtôn đập vào Catot trong thời gian t, và W là tích điện của chùm photon chiếu vào Catot.
Từ đó ta tính được số phôtôn đập vào Catot trong thời hạn t là (N=fracP.lambda .thc) . Khi t = 1 (s) thì (N=fracP.lambda hc)
▪ công suất lượng tử:
Là tỉ số giữa số electron bứt ra và số phô tôn đập vào Catot vào khoảng thời hạn t.
Ta tất cả công thức thống kê giám sát hiệu suất: (H=fracnN=fracfracI_bheginvmatrix e endvmatrixfracPlambda hc=fracI_bh.hcP.lambda .eginvmatrix e endvmatrix)
Ví dụ 1. Một ngọn đèn phân phát ra ánh sáng 1-1 sắc bao gồm bước sóng λ = 0,6 μm vẫn phát ra bao nhiêu phôtôn trong 30(s) nếu công suất phát xạ của đèn là 10 (W)?
Hướng dẫn giải:
Theo bài xích ta tất cả (P=fracWt=fracNvarepsilon t= fracNfrachclambda t ightarrow N=fracPtlambda hc=frac10.30.0,6.10^-619,875.10^-26) (photon)
DẠNG 3. TÍNH ĐIỆN THẾ CỰC ĐẠI CỦA VẬT DẪN CÔ LẬP VỀ ĐIỆN
Cách giải :
Khi chiếu ánh sáng vào một vật dẫn cô lập về điện, thì sau một khoảng thời gian các electron bị bứt ra và vật tích năng lượng điện dương (đạt được một năng lượng điện thế). Số electron bị bật ra càng những thì điện cố kỉnh của thiết bị càng tạo thêm và khi đồ dùng đạt năng lượng điện thế cực lớn Vmax thì số electron bị bứt ra lại bị hút trở lại. Điện vậy của đồ vật không tăng nữa, lúc đó giá trị điện nạm cực đại chính là độ bự hiệu điện ráng hãm trong tế bào quang đãng điện.
Ta bao gồm eVmax = eUh
Theo định lý hễ năng (eV_max=eeginvmatrix U_h endvmatrix=fracmv_0max^22)
Chú ý:
▪ Khi chiếu đồng thời những bức xạ gồm bước sóng λ1, λ2, λ3… vào tấm kim loại và đều sở hữu hiện tượng quang năng lượng điện xảy ra, cùng với mỗi phản xạ sẽ cho 1 giá trị năng lượng điện thế cực to V1max, V2max, V3max…. Khi đó điện thế cực to của tấm sắt kẽm kim loại là Vmax = maxhay một giải pháp dễ nhớ hơn là điện gắng Vmax đã ứng với bức xạ gồm bước sóng nhỏ dại nhất trong số bức xạ.
▪ Xét vật cô lập về điện, gồm điện thế cực đại Vmax và khoảng tầm cách cực lớn dmax mà lại electron chuyển động trong năng lượng điện trường cản bao gồm cường độ E được tính theo công thức (eV_max=fracmv_0max^22=eginvmatrix e endvmatrixEd_max)
Ví dụ 1. Một tấm sắt kẽm kim loại có công thoát electron là A = 7,23.10-19 (J).
a) khẳng định giới hạn quang điện của kim loại.
b) sử dụng tấm kim loại đó để cô lập, được rọi sáng sủa đồng thời vị hai bức xạ, bức xạ trước tiên có tần số f1 = 1,5.1015 (Hz) và bức xạ thứ hai có bước sóng λ2 = 0,18 (μm). Tính điện thế cực to trên tấm kim loại.
c) khi rọi bức xạ có tần số f1 vào tế bào quang đãng điện tất cả catốt được thiết kế bằng kim loại kể trên, để không một electron làm sao về được anốt thì hiệu điện cầm cố UAK bằng bao nhiêu?
Hướng dẫn giải:
a) Giới hạn quang năng lượng điện của tấm kim loại (h_0=frachclambda ) = 0, 275(μm).
b) Ta bao gồm f1 = 1, 5.1015 Hz ( ightarrow lambda _1=fraccf_1=frac3.10^81,5.10^15=0,2(mu m))
Như vậy lúc chiếu cả hai bức xạ vào tấm kim loại thì đều phải có hiện tượng quang điện xảy ra.
Điện thế cực đại tương ứng của các bức xạ là
Khi đó năng lượng điện thế cực to của tấm kim loại là Vmax = V2max = 2,38 (V).
c) Khi chiếu sáng bằng bức xạ tất cả tần số f1 để không tồn tại electron nào mang lại được Anot thi yêu cầu đặt thân Anot cùng Katot hiệu điện cố kỉnh UAK = Uh
Theo hệ thức Anhxtanh ta có (hf=A+eginvmatrix eU_h endvmatrixLeftrightarrow eginvmatrix U_h endvmatrix=frachf_1-Aeginvmatrix e endvmatrix=1,71(V) ightarrow U_AK=-1,71(V)) Vậy đề xuất đặt UAK = –1,71 (V).
Tải về
Luyện bài bác tập trắc nghiệm môn thứ lý lớp 12 - coi ngay