Lý thuyết Vật lí Lớp 12 - Chương: Lượng tử ánh sáng

Nội dung text: Lý thuyết Vật lí Lớp 12 - Chương: Lượng tử ánh sáng

1. LÝ THUYẾT CƠ BẢN CHƯƠNG LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG I. HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN (NGOÀI) 1. Thí nghiệm của Héc về hiện tượng quang điện - Năm 1887, Héc đã chiếu một chùm sáng do hồ quang phát ra vào tấm kẽm tích điện âm gắn vào cần của một tĩnh điện kế, thì thấy góc lệch của kim tĩnh điện kế giảm đi. Thay kẽm bằng kim loại khác, hiện tượng xảy ra tương tự. - Kết quả: Ánh sáng hồ quang đã làm bật electron ra khỏi bề mặt tấm kẽm tích điện âm. 2. Hiện tượng quang điện Hiện tượng ánh sáng làm bật các electron ra khỏi mặt kim loại gọi là hiện tượng quang điện ngoài (gọi tắt là hiện tượng quang điện). Các electron bật ra được gọi là các electron quang điện, hay quang electron. 3. Các định luật quang điện - Định luật quang điện thứ nhất (định luật về giới hạn quang điện): Đối với mỗi kim loại ánh sáng kích thích phải có bước sóng  nhỏ hơn hoặc bằng giới hạn quang điện 0 của kim loại đó, mới gây ra được hiện tượng quang điện:  0 . - Định luật quang điện thứ hai (định luật về cường độ dòng quang điện bão hòa): Đối với mỗi ánh sáng thích hợp (có  0 ), cường độ dòng quang điện bão hòa tỉ lệ thuận với cường độ chùm ánh 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 của chùm sáng kích thích, mà chỉ phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng kích thích và bản chất kim loại. II. THUYẾT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG (THUYẾT PHOTON) Thuyết sóng điện từ về ánh sáng không giải thích được định luật về giới hạn quang điện nên cần phải có thuyết mới phù hợp. 1. Giả thuyết Plăng - Năm 1900, Plăng đã đề xướng giả thuyết về lượng tử năng lượng. - Lượng 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. Lượng tử năng lượng, kí hiệu là  , có giá trị bằng:  hf . Trong đó: + f : tần số của ánh sáng bị hấp thụ hay được phát ra. + h : là một hằng số, gọi là hằng số Plăng. h 6,625.10 34 J.s Chú ý + Năng lượng của mỗi photon rất nhỏ. Một chùm sáng dù yếu cũng chứa rất nhiều photon do rất nhiều nguyên tử, phân tử phát ra. Vì vậy, ta nhìn thấy chùm sáng liên tục. + Photon chỉ tồn tại trong trạng thái chuyển động. Không có photon đứng yên. 2. Thuyết lượng tử ánh sáng. Photon
2. - Trong mỗi hiện tượng, ánh sáng thường thể hiện rõ một trong hai tính chất trên. Khi tính chất sóng thể hiện rõ thì tính chất hạt lại mờ nhạt, và ngược lại. - Hiện tượng quang điện là bằng chứng thực nghiệm quan trọng khẳng định ánh sáng có tính chất sóng. - Hiện tượng quang điện là bằng chứng quan trọng chứng tỏ ánh sáng có tính chất hạt. - Sóng điện từ có bước sóng càng ngắn, photon có năng lượng càng lớn thì tính chất hạt thể hiện càng rõ, như ở hiện tượng quang điện, ở khả năng đâm xuyên, khả năng phát quang , còn tính chất sóng càng mờ nhạt. Trái lại, sóng điện từ có bước sóng càng dài, photon ứng với nó có năng lượng càng nhỏ, thì tính chất sóng lại thể hiện rõ hơn như ở hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ, tán sắc, , còn tính chất hạt thì mờ nhạt. IV. HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN TRONG 1. Chất quang dẫn Chất quang dẫn là những chất bán dẫn, dẫn điện kém khi không bị chiếu sáng và dẫn điện tốt khi bị chiếu sáng thích hợp. 2. Hiện tượng quang điện trong Hiện tuợng ánh sáng giải phóng các electron liên kết để chúng trở thành các electron dẫn đồng thời tạo ra các lỗ trống cùng tham gia vào quá trình dẫn điện, gọi là hiện tượng quang điện trong. 3. Quang điện trở Được chế tạo dựa trên hiệu ứng quang điện trong. Đó là một tấm bán dẫn có giá trị điện trở thay đổi khi cường độ độ chùm ánh sáng chiếu vào nó thích hợp. 4. Pin quang điện Pin quang điện là nguồn điện trong đó quang năng được biến đổi trực tiếp thành điện năng. Hoạt động của pin dựa trên hiện tượng quang điện trong của một số chất bán dẫn (đồng oxit, selen, silic, ). Suất điện động của pin thường có giá trị từ 0,5 V đến 0,8 V. Pin quang điện (pin Mặt Trời) đã trở thành nguồn cung cấp điện cho các vùng sâu vùng xa, trên các vệ tinh nhân tạo, con tàu vũ trụ, trong các máy đo ánh sáng, máy tính bỏ túi V. SO SÁNH HIỆN TUỢNG QUANG BIỆN NGOÀI VÀ QUANG ĐIỆN TRONG - Hiện tượng quang điện ngoài có sự bứt các electron ra khỏi khối chất, còn hiện tượng quang điện trong chỉ bứt các electron liên kết thành electron dẫn ngay trong khối chất đó. - Năng lượng cần thiết để bứt electron ra khỏi liên kết trong bán dẫn khá nhỏ so với công thoát của electron khỏi kim loại, nên giới hạn quang điện trong lớn hơn giới hạn quang điện ngoài VI. HIỆN TƯỢNG QUANG - PHÁT QUANG 1. Sự phát quang Có một số chất khi hấp thụ năng lượng dưới một dạng nào đó, thì có khả năng phát ra các bức xạ điện từ trong miền ánh sáng nhìn thấy. Các hiện tượng đó gọi là sự phát quang. Mỗi chất phát quang có một quang phổ đặc trưng cho nó. 2. Định luật Xtốc về sự phát quang Ánh sáng phát quang có bước sóng  dài hơn bước sóng của ánh sáng kích thích kt :  kt 3. Ứng dụng của hiện tượng phát quang
3. - Mỗi phôtôn ứng với một sóng điện từ có tần số hay bước sóng xác định. Mỗi sóng điện từ là một sóng ánh sáng đơn sắc. Môi ánh sáng đơn sắc cho lên kính ảnh của máy quang phổ một vạch màu nhất định. Đó là một vạch quang phổ. Chú ý - Khi chụp quang phổ của khí hidrô trong các đèn phóng điện, người ta đã xác định được chính xác bước sóng và quy luật sắp xếp của các vạch trong quang phổ đó. - Dũng mẫu nguyên tử Bohr, người ta giải thích được cấu trúc của quang phổ và tính được bước sóng ứng với các vạch trong quang phổ đó. 2. Sự giải thích sự tạo thành các dãy - Các vạch trong dãy Lai-man (ánh sáng nằm trong miền tử ngoại) được tạo thành khi êlectron trong các nguyên tử hidrô chuyển từ các quỹ đạo bên ngoài về quỹ đạo K: L về K; M về K; N về K; O về K; P về K. - Các vạch trong dãy Ban-me (1 số vạch nằm trong miền tử ngoại và 1 số vạch nằm trong miền ánh sáng nhìn thấy) được tạo thành khi êlectron chuyển từ quỹ đạo bên ngoài về quỹ đạo L: Vạch đỏ H 0,6563m ứng với sự chuyển M về L; Vạch lam H  0,4861m ứng với sự chuyển N về L; Vạch chàm H 0,4340m ứng với sự chuyển O về L; Vạch tím H 0,4103m ứng với sự chuyển P về L. - Các vạch trong dãy Pa-sen (ánh sáng nằm trong miền hồng ngoại) được tạo thành khi các êlectron chuyển từ quỹ đạo bên ngoài về quỹ đạo M. - Nếu biểu diễn mỗi mức năng lượng ứng với một quỹ đạo dừng bằng một vạch nằm ngang thì ta có sơ đồ mức năng lượng. - Trong sơ đồ mức năng lượng, các sự chuyển được biểu diễn bằng các mũi tên hướng từ trên xuống dưới. Phía dưới sơ đồ có vẽ các vạch quang phổ ứng với các sự chuyển đó. Sơ đồ chuyển mức năng lượng của nguyên tử hiđrô khi tạo thành các dãy quang phổ IX. SƠ LƯỢC LAZE