Bài 1. Năng lượng photon và hiệu ứng quang điện - Chuyên đề học tập Lí 12 Cánh diều

Câu hỏi tr 48 CHMĐ

Chúng ta đã biết nhiều hiện tượng chứng tỏ ánh sáng là sóng điện từ, ví dụ như sự giao thoa ánh sáng. Ngoài tính chất sóng, ánh sáng còn có tính chất nào khác ? Hiện tượng nào chứng tỏ ánh sáng có tính chất đó?

Phương pháp giải:

Vận dụng lí thuyết năng lượng photon và hiệu ứng quang điện

Lời giải chi tiết:

Ngoài tính chất sóng, ánh sáng còn có tính chất:

- Tính chất lượng tử : Hiện tượng quang điện, hiện tượng quang hoá học

- Tính chất hạt

- Tính chất lưỡng tính sóng, hạt.

Ví dụ: Hiện tượng quang điện: Khi chiếu ánh sáng lên bề mặt kim loại, nếu năng lượng photon lớn hơn hoặc bằng năng lượng tối thiểu cần thiết để giải phóng electron khỏi nguyên tử kim loại, electron sẽ được giải phóng và tạo ra dòng điện.

Câu hỏi tr 49 CH

Vì sao trong thí nghiệm ở  Hình 1.2, hai lá của điện nghiệm lại xoè ra khi tích điện âm cho tấm kẽm?

Phương pháp giải:

Vận dụng lí thuyết năng lượng photon và hiệu ứng quang điện

Lời giải chi tiết:

Bởi vì khi tích điện âm cho tấm kẽm, thì nó nhận thêm electron khiến tấm kẽm thừa điện tích âm, chính điện tích âm thừa này đã tạo ra điện trường, lực hút của điện trường làm cho các điện tích dương trong hai lá kim loại chuyển động về hai đầu lá, dẫn đến hai lá của điện nghiệm xoè ra do lực đẩy của các điện tích dương.

Câu hỏi tr 51 TN

Vẽ được đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa cường độ dòng điện I và hiệu điện thế U_AK giữa anode và cathode của tế bào quang điện.

- Tế bào quang điện chân không, cathode phủ chất nhạy quang Sb-Ce, có hộp bảo vệ (1).

- Hộp gồm ba LED đỏ, lục, lam, công suất mỗi LED 3W và điều chỉnh được cường độ sáng (2).

Hộp chân đế có tích hợp:

- Núm chọn LED (3)

- Núm điều chỉnh cường độ sáng của LED (4)

- Đồng hồ đo cường độ dòng quang điện I (μA) (5)

- Chuyển mạch đo thuận hoặc nghịch (6)

- Điều chỉnh hiệu điện thế U_AK (7)

- Đồng hồ đo hiệu điện thế U_AK (V) (8)

Phương án thí nghiệm

- Tìm hiểu công dụng của từng dụng cụ đã cho

- Thiết kế phương án thí nghiệm khảo sát dòng quang điện bằng dụng cụ này.

Tiến hành

Lắp đặt các dụng cụ như Hình 1.5.

a) Tiến hành thí nghiệm với các ánh sáng đơn sắc khác nhau

Bật công tắc nguồn phía sau hộp chân đế.

• Chọn LED màu lam.

• Điều chỉnh (7) để thay đổi U_AK

• Đọc và ghi số chỉ của vôn kế và ampe kế vào vở theo mẫu ở Bảng 1.1.

• Thực hiện lại các bước thí nghiệm trên với LED màu lục và LED màu đỏ.

b) Tiến hành thí nghiệm khảo sát mối liên hệ giữa cường độ dòng quang điện và hiệu điện thế U_AK

Chọn LED màu lam.

* Với U_AK > 0

• Điều chỉnh (7) để thay đổi U_AK

• Đọc và ghi số chỉ của vôn kế và ampe kế vào vở theo mẫu Bảng 1.2. (Đo ít nhất 10 giá trị khác nhau của U_AK và I; có thể chọn giá trị U_AK ở mỗi lần đo cách nhau 2 V hoặc 4 V).

* Với U_AK < 0

• Làm tương tự các bước thí nghiệm trên (Đo ít nhất 8 giá trị; có thể chọn giá trị U_AK ở mỗi lần đo cách nhau khoảng 0,1 V).

Kết quả

Vẽ đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa cường độ dòng điện I và hiệu điện thế U_AK

Phương pháp giải:

Vận dụng lí thuyết năng lượng photon và hiệu ứng quang điện

Lời giải chi tiết:

Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa cường độ dòng điện I và hiệu điện thế U_AK

Câu hỏi tr 51 CH

Từ kết quả thu được, hãy dự đoán hình dạng của đồ thị khi tăng U_AK. Giải thích dự đoán này.

Phương pháp giải:

Vận dụng lí thuyết năng lượng photon và hiệu ứng quang điện

Lời giải chi tiết:

Khi tăng U_AK thì đến một giá trị nào đấy cường độ dòng điện không tăng nữa

Câu hỏi tr 52 CH

Với một chùm sáng đơn sắc có bước sóng  và cường độ sáng nhất định, vì sao khi tăng hiệu điện thế U_AK đến một giá trị xác định nào đấy thì cường độ dòng quang điện lại không tăng nữa.

Phương pháp giải:

Vận dụng lí thuyết năng lượng photon và hiệu ứng quang điện

Lời giải chi tiết:

Bởi vì số lượng electron quang điện được giải phóng không phụ thuộc vào hiệu điện thế U_AK mà phụ thuộc vào năng lượng photon trong chùm sáng kích thích.

Khi mà hiệu điện thế U_AK đến một giá trị xác định, các electron trong quang điện di chuyển từ catot đến anot thì một lúc nào đó cường độ dòng quang điện sẽ đạt giá trị bão hoà và không tăng thêm nữa.

Câu hỏi tr 52 LT

Cường độ dòng quang điện bão hoà là 4,0.10^-5A. Trong mỗi giây có bao nhiêu electron bị bứt ra khỏi cathode của tế bào quang điện.

Phương pháp giải:

Vận dụng lí thuyết năng lượng photon và hiệu ứng quang điện

Lời giải chi tiết:

Trong mỗi giây có số electron bị bứt ra khỏi cathode của tế bào quang điện là: \(n = \frac{{{{4.10}^{ - 5}}}}{{{{1,6.10}^{ - 19}}}} = {2,5.10^{14}}\)

Câu hỏi tr 54 LT

Tính bước sóng của bức xạ ứng với photon có năng lượng là  8,2.10^-20 J.

Phương pháp giải:

Vận dụng lí thuyết năng lượng photon và hiệu ứng quang điện

Lời giải chi tiết:

Bước sóng của bức xạ ứng với photon có năng lượng là 8,2.10^-20 J: \(\lambda  = \frac{{hc}}{\varepsilon } = \frac{{{{6,626.10}^{ - 34}}{{.3.10}^8}}}{{{{8,2.10}^{ - 20}}}} = {2,42.10^{ - 6}}m\)

Câu hỏi tr 54 CH

Chùm sáng là chùm photon nhưng vì sao ta nhìn thấy chùm sáng liên tục.

Phương pháp giải:

Vận dụng lí thuyết năng lượng photon và hiệu ứng quang điện

Lời giải chi tiết:

Vì: số lượng photon trong chùm sáng thường rất lớn, với mật độ photon trong chùm sáng vượt quá khả năng phân biệt của mắt người khiến ta nhìn thấy chùm sáng liên tục.

Hơn nữa, một phần cũng do hiện tượng nhiễu xạ tạo nên cảm giác về chùm sáng liên tục. Khi ánh sáng truyền qua môi trường, nó bị nhiễu xạ bởi các hạt vật chất, làm mờ các vạch tối giữa các photon và tạo ra hiệu ứng liên tục.

Câu hỏi tr 55 LT 1

Một photon được gia tốc từ trạng thái nghỉ bằng một hiệu điện thế 1500 V. Biết photon có điện tích là 1,60.10^-19C và khối lượng là 1,67.10^-27 kg.

Tính:

a) Động năng của photon sau khi được tăng tốc.

Phương pháp giải:

Vận dụng lí thuyết năng lượng photon và hiệu ứng quang điện

Lời giải chi tiết:

a) Động năng của photon sau khi được tăng tốc là: \({{\rm{W}}_d} = qU = {1,6.10^{ - 19}}.1500 = {2,4.10^{ - 16}}J\)

Câu hỏi tr 55 LT 2

Một photon được gia tốc từ trạng thái nghỉ bằng một hiệu điện thế 1500 V. Biết photon có điện tích là 1,60.10^-19C và khối lượng là 1,67.10^-27 kg.

Tính:

b) Tốc độ của proton.

Phương pháp giải:

Vận dụng lí thuyết năng lượng photon và hiệu ứng quang điện

Lời giải chi tiết:

b) Tốc độ của proton là:

\({{\rm{W}}_d} = \frac{1}{2}m{v^2} \Rightarrow \frac{1}{2}{.1,67.10^{ - 27}}.{v^2} = {2,4.10^{ - 16}} \Rightarrow v = {5,36.10^5}m/s\)

Câu hỏi tr 56 CH

Vì sao các electron ở trong khối kim loại, khi bị bứt ra, lại có động năng ban đầu nhỏ hơn \(\frac{{mv_{o\max }^2}}{2}\)

Phương pháp giải:

Vận dụng lí thuyết năng lượng photon và hiệu ứng quang điện

Lời giải chi tiết:

Khi một electron có năng lượng cao hơn năng lượng công thoát bứt ra khỏi nguyên tử, nó có thể truyền năng lượng cho một electron khác trong nguyên tử, khiến electron này cũng được giải phóng. Hơn nữa electron này có thể có năng lượng động năng nhỏ hơn năng lượng công thoát vì nó không nhận được toàn bộ năng lượng của electron đầu tiên. Một lí do khác nữa là trong kim loại các electron tự do di chuyển và va chạm, các va chạm này có thể làm giảm năng lượng động năng.

Câu hỏi tr 56 LT

Giới hạn quang điện của natri là 0,50 µm. Chiếu vào natri tia tử ngoại có bước sóng 0,25 µm.

Phương pháp giải:

Vận dụng lí thuyết năng lượng photon và hiệu ứng quang điện

Lời giải chi tiết:

Động năng ban đầu cực đại của các electron quang điện là:

\(\frac{{hc}}{\lambda } = \frac{{hc}}{{{\lambda _0}}} + {{\rm{W}}_{d\max }} \Rightarrow \frac{{{{6,626.10}^{ - 34}}{{.3.10}^8}}}{{{{0,25.10}^{ - 6}}}} = \frac{{{{6,626.10}^{ - 34}}{{.3.10}^8}}}{{{{0,5.10}^{ - 6}}}} + {{\rm{W}}_{d\max }} \Rightarrow {{\rm{W}}_{d\max }} = {3,9756.10^{ - 19}}J\)

Câu hỏi tr 57 LT

Vận dụng công thức (1.5), hãy giải thích định luật về động năng ban đầu cực đại của electron quang điện.

Phương pháp giải:

Vận dụng lí thuyết năng lượng photon và hiệu ứng quang điện

Lời giải chi tiết:

Động năng ban đầu cực đại của electron quang điện tỉ lệ nghịch với bước sóng của ánh sáng kích thích.

Bước sóng càng ngắn, năng lượng photon càng cao, động năng ban đầu cực đại của electron quang điện càng lớn.

Bước sóng càng dài, năng lượng photon càng thấp, động năng ban đầu cực đại của electron quang điện càng nhỏ.

Giới hạn quang điện của một kim loại là bước sóng dài nhất có thể làm cho electron kim loại đó bị bứt ra khỏi nguyên tử. Khi chiếu sáng kim loại bằng ánh sáng có bước sóng nhỏ hơn hoặc bằng giới hạn quang điện thì động năng ban đầu cực đại của electron quang điện đạt được giá trị tối đa và không phụ thuộc vào cường độ của ánh sáng kích thích.

Câu hỏi tr 57 VD

Thảo luận với bạn để mô tả sự truyền năng lượng của photon cho kim loại khi photon có bước sóng ngắn hơn giới hạn quang điện của kim loại.

Phương pháp giải:

Vận dụng lí thuyết năng lượng photon và hiệu ứng quang điện

Lời giải chi tiết:

Ví dụ: khi chiếu sáng natri bằng ánh sáng có bước sóng 0,35 µm nó nhỏ hơn giới hạn quang điện của natri là 0,60 µm thì photon có thể bứt ra electron khỏi nguyen tử natri. Năng lượng photon truyền cho electron quang điện dưới dạng động năng.