Lý thuyết công thức lượng tử ánh sáng, nội dung thuyết lượng tử ánh sáng

Lý thuyết Hiện tượng quang điện thuyết lượng tử ánh sáng

I) Hiện tượng quang điện.

a. Thí nghiệm của Héc về hiện tượng quang điện

- Chiếu một chùm sáng do hồ quang phát ra vào tấm kim loại tích điện âm thì tấm kim loại bị mất điện tích âm.

- Các thí nghiệm cho thấy, ánh sáng hồ quang đã làm bật electron ra khỏi mặt tấm kẽm.

b. Định nghĩa

- Hiện tượng ánh sáng làm bật các electron ra khỏi mặt kim loại gọi là hiện tượng quang điện ngoài.

c. Bức xạ tử ngoại gây ra hiện tượng quang điện ở kẽm

- Nếu chắn chùm sáng hồ quang bằng bằng một tấm thủy tinh dày (thủy tinh hấp thụ mạnh các tia tử ngoại) thì hiện tượng quang điện không xảy ra. Điều đó chứng tỏ rằng các bức xạ tử ngoại có khả năng gây ra hiện tượng quang điện ở kẽm, còn ánh sáng nhìn thấy được thì không.

II) Các định luật quang điện:

- Định luật quang điện thứ nhất (định luật về giới hạn quang điện)

Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi ánh sáng kích thích chiếu vào kim loại có bước sóng 𝜆 nhỏ hơn hoặc bằng bước sóng λ₀. λ₀ được gọi là giới hạn quang điện của kim loại đó.

     λ ≤ λ₀

- Định luật quang điện thứ hai (định luật về cường độ dòng quang điện bão hòa)

Đối với mỗi ánh sáng thích hợp (λ ≤ λ₀) cường độ dòng quang điện bão hòa tỷ lệ thuận với cường độ của chùm sáng kích thích.

- Định luật quang điện thứ ba (định luật về động năng cực đại của quang electron)

Động năng ban đầu cực đại của quang electron không phụ thuộc vào cường độ chùm sáng kích thích mà chỉ phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng kích thích và bản chất kim loại.

III) Thuyết lượng tử ánh sáng.

- Giả thuyết lượng tử năng lượng của Plăng.

Năng lượng mà mỗi lần một nguyên tử hay phân tử hấp thụ hay phát xạ có giá trị hoàn toàn xác định, gọi là lượng tử năng lượng. KH là ε, có giá trị bằng: ε=hf

Trong đó f là tần số của ánh sáng bị hấp thụ hay phát xạ.

h là hằng số Plăng h = 6,625.10^-34(J.s)

- Thuyết lượng tử ánh sáng:

+ Ánh sáng được tạo thành 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 bằng hf.

+ Trong chân không, phôtôn bay với tốc độ  dọc theo các tia sáng.

+ Mỗi lần nguyên tử hay phân tử phát xạ hoặc hấp thụ ánh sáng thì chúng phát ra hay hấp thụ một phôtôn.

+ Phôtôn chỉ tồn tại trong trạng thái chuyển động. Không có phôtôn đứng yên.

- Giải thích các định luật quang điện

+) Công thức Anh-xtanh về hiện tượng quang điện.

Trong hiện tượng quan điện, phô tôn truyền toàn bộ năng lượng ε cho electron. Năng lượng này dùng để: Cung cấp năng lượng để electron thắng lực liên kết để bứt ra gọi là công thoát A

Truyền cho electrton một động năng ban đầu Wđ.

Truyền một phần năng lượng H cho mạng tinh thể.

Khi electron ở ngay trên bề mặt thì H = 0 khi đó bảo toàn năng lượng ta có:

+) Giải thích các định luật quang điện.

Định luật quang điện thứ nhất:

Theo (1) ta có: 

Định luật quang điện thứ hai:

Cường độ dòng quang điện bão hòa I_bh ~ số electron bật ra n_e ~ số phôtôn chiều tới n_p ~ cường độ chùm sáng.

Định luật quang điện thứ ba:

Theo (1) ta có:

IV) Lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng:

- Có nhiều hiện tượng chứng tỏ ánh sáng có tính chất sóng như: nhiễu xạ, giao thoa, tán sắc,...

- Cũng có nhiều hiện tượng chứng tỏ ánh sáng có tích chất hạt như: hiện tượng quang điện, khả năng đâm xuyên, tác dụng phát quang,...

→ Ánh sáng vừa có tính chất sóng vừa có tính chạt hạt hay ánh sáng có lưỡng tính sóng hạt

Lý thuyết Hiện tượng quang điện trong

I) Chất quang dẫn và hiện tượng quang điện trong:

- Chất quang dẫn: là chất dẫn điện kém khi không bị chiếu sáng và chất dẫn điện tốt khi bị chiếu sáng thích hợp

- Hiện tượng quang điện trong: là hiện tượng tạo thành các electron dẫn và lỗ trống trong bán dẫn, do tác dụng của ánh sáng có bước sóng thích hợp.

- Hiện tượng quang dẫn: là hiện tượng giảm điện trở suất hay tăng độ dẫn điện khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào.

II) Ứng dụng:

Hiện tượng quang điện trong được ứng dụng trong quang điện trở và pin quang điện.

- Quang điện trở: là một điện trở làm bằng chất quang dẫn. có điện trở biến thiên từ vài mêgaôm khi không được chiếu sáng đến vài chục ôm khi được chiếu ánh sáng thích hợp.

 - Pin quang điện (Pin Mặt Trời):

+) Khái niệm: là một nguồn điện chạy bằng năng lượng ánh sáng. Nó biến đổi quang năng thành điện năng.

+) Hiệu suất: khá thấp chỉ khoảng trên dưới 10%.

+) Cấu tạo: gồm một lớp bán dẫn loại n, bên trên có phủ một lớp mỏng bán dẫn loại p để hình thành một lớp tiếp xúc p-n. Trên cùng là một lớp kim loại mỏng trong suốt, dưới cùng là một đế kim loại

Bài 1: 

Một nguồn sáng chỉ phát ra ánh sáng đơn sắc có f = 5.10⁴ Hz. Số phôtôn nguồn phát ra trong mỗi giấy bằng 3.10⁹ hạt. Tìm công suất bức xạ của nguồn?

Hướng dẫn giải: 

Ta có: 
P = N.ε = N.h.f

=> P = 3.10¹⁹.6,625.10^-34.5.10¹⁴

9,9375 (W)

Bài 2: 

Chiếu chùm bức xạ có bước sóng 0,18 μμm vào bề mặt một miếng kim loại có giới hạn quang điện 0,3 μμm. Cho rằng năng lượng của mỗi phôtôn được dùng để cung cấp công thoát electron phần còn lại biến hoàn toàn thành động năng. Tìm vận tốc cực đại của các electon?

Hướng dẫn giải: 

λ = 0,18 μm = 0,18.10^-6m

λ₀ = 0,3 μm = 0,3.10^-6 m

Theo công thức Anhxtanh:  

Bài 3:

Chiếu một bức xạ có λ=0,14 μm vào một quả cầu bằng đồng có công thoát A = 4,57eV đặt cô lập về điện. Tìm điện thế cực đại của quả cầu?

Hướng dẫn giải: