Thuyết lượng tử ánh sáng giúp giải thích cho nhiều hiện tượng và ứng dụng phổ biến trong đời sống và sản xuất hiện nay. Có rất nhiều bài thi có liên quan đến chủ đề này, vì thế để làm bài tốt yêu cầu các em phải nắm vững lý thuyết và công thức. Tổng hợp về lý thuyết, công thức cũng như các dạng bài tập lượng tử ánh sáng mà chúng tôi mang đến sau đây sẽ rất hữu ích đối với bạn đọc.
Thuyết lượng tử ánh sáng và hiện tượng quang điện
Hiện tượng quang điện
- Thí nghiệm Héc về hiện tượng quang điện: Ta chiếu một chùm sáng do hồ quang phát ra vào tấm kim loại tích điện âm sẽ khiến cho tấm kim loại bị mất điện tích âm. Những thí nghiệm này cho thấy, ánh sáng hồ quang giúp làm bật electron ra khỏi mặt tấm kẽm.
Từ đó ta có định nghĩa như sau: Hiện tượng quang điện ngoài là hiện tượng mà ánh sáng làm bật các electron ra khỏi mặt kim loại.
- Bức xạ tử ngoại là nguyên nhân gây ra hiện tượng quang điện ở kẽm. Nếu chắn chùm sáng hồ quang bằng bằng tấm thủy tinh dày thì sẽ không xảy ra hiện tượng quang điện. Điều này chứng tỏ các bức xạ tử ngoại có khả năng gây ra hiện tượng quang điện ở kẽm, nhưng với ánh sáng nhìn thấy được thì không.
Các định luật quang điện
- Định luật thứ 1 (giới hạn của quang điện):
Hiện tượng quang điện sẽ chỉ xảy ra khi ánh sáng kích thích chiếu vào kim loại với bước sóng λ ≤ λ0. Lúc này, λ0 gọi là giới hạn quang điện của kim loại đó.
- Định luật quang điện 2 (định luật về cường độ dòng quang điện bão hòa):
Mỗi ánh sáng thích hợp (λ ≤ λ0) thì cường độ dòng quang điện bão hòa sẽ được tỉ lệ thuận với cường độ chùm sáng kích thích.
- Định luật quang điện 3 (định luật về động năng cực đại của quang electron):
Động năng ban đầu cực đại của quang electron không bị phụ thuộc vào cường độ chùm sáng kích thích, thay vào đó chỉ bị phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng kích thích, cũng như bản chất kim loại.
Tìm hiểu thuyết lượng tử ánh sáng là gì?
Thuyết lượng tử ánh sáng dùng để giải thích hiện tượng quang – phát quang. Ta có những thuyết như sau:
Giả thuyết về lượng tử năng lượng của Planck
Theo nhà bác học người Đức Planck thì lượng năng lượng mà mỗi lần một nguyên tử hay phân tử phát xạ hay được hấp thụ có giá trị xác định (ký hiệu là ε) sẽ được tính theo biểu thức sau đây:
ε = h.f
Trong đó:
- f: là tần số của ánh sáng được phát ra hay bị hấp thụ
- h: được gọi là hằng số Planck. Giá trị của hằng số Planck h = 6,625.10–34 J.s
Sự bất lực của thuyết sóng ánh sáng
Theo thuyết sóng ánh sáng, thì ánh sáng chính là chùm sóng điện từ. Ánh sáng khi chiếu lên bề mặt kim loại sẽ khiến các electron của bề mặt kim loại dao động.
Cường độ của chùm sáng càng lớn, thì các electron sẽ dao động càng mạnh và bị bật ra ngoài thành dòng quang điện. Với bất kỳ chùm sáng nào nếu như có điều kiện cường độ đủ mạnh cũng sẽ đều tạo ra hiện tượng quang điện và động năng ban đầu cực đại của các electron sẽ chỉ bị phụ thuộc vào cường độ ánh sáng.
Xem thêm: Quang phổ là gì? Các loại quang phổ, ví dụ quang phổ
Thuyết lượng tử ánh sáng Anhxtanh (thuyết photon)
Theo thuyết lượng tử của Anhxtanh, ánh sáng được tạo ra bởi những hạt photon. Mỗi loại ánh sáng đơn sắc có tần số f, thì các photon đều như nhau, mỗi một loại photon đều mang năng lượng tính theo công thức như sau: ε = h.f
Các photon sẽ chỉ tồn tại ở trong trạng thái chuyển động. Nếu như ở môi trường chân không, các phôtôn sẽ chuyển động với vận tốc độ 3×108 m/s (vận tốc ánh sáng) dọc theo các tia sáng.
Mỗi lần phân tử hay một nguyên tử phát xạ, hấp thụ ánh sáng chúng sẽ phát xạ hay hấp thụ 1 photon.
Ánh sáng khi được truyền đi, các lượng tử ánh sáng không bị thay đổi hay phụ thuộc vào khoảng cách tới nguồn sáng
Mỗi lượng tử ánh sáng ε = h.f mang theo năng lượng rất nhỏ, nhưng ở trong chùm sáng lại có rất nhiều lượng tử ánh sáng dịch chuyển, thông qua mắt thường ta thấy được chùm sáng là liên tục.
Lưu ý:
- Phân tử và nguyên tử vật chất không hấp thụ hay bức xạ ánh sáng liên tục mà chúng sẽ thành từng phần đứt đoạn riêng biệt. Các phần mang giá trị năng lượng xác định. Trong đó chùm sáng là chùm hạt với mỗi hạt là một photon mang giá trị năng lượng xác định.
- Khi ánh sáng truyền đi, dựa theo thuyết lượng tử ánh sáng năng lượng của lượng tử có giá trị xác định không đổi, chúng cũng không phụ thuộc vào khoảng cách nguồn sáng xa hay gần.
- Theo thuyết lượng tử ánh sáng, thì hiện tượng giao thoa ánh sáng là không giải thích được.
Hiện tượng lưỡng tính sóng-hạt của ánh sáng
Những hiện tượng như: Phản xạ, khúc xạ, giao thoa ánh sáng, hiện tượng quang điện cho thấy ánh sáng vừa có tính chất hạt, lại vừa có tính chất sóng, ta nói ánh sáng có tính lưỡng tính sóng – hạt. Ngoài ra, ánh sáng còn có bản chất điện từ.
Sơ đồ tư duy lượng tử ánh sáng
Để giúp bạn hiểu rõ hơn về lượng từ ánh sáng, hãy tham khảo ngay sơ đồ tư duy lượng từ ánh sáng sau đây:
Xem thêm: Nhiễu xạ là gì? Thế nào là hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng
Một số bài tập về lượng tử ánh sáng cơ bản
Nội dung sau đây về vấn đề lượng tử ánh sáng bài tập sẽ giúp các em học sinh nắm chắc hơn kiến thức, cũng như vận dụng giải bài tập hiệu quả nhất:
Bài 1: Phát biểu sai sau đây nói về thuyết lượng tử ánh sáng?
- Các nguyên tử hay phân tử vật chất không hấp thụ hay bức xạ ánh sáng liên tục, thay vào đó là thành từng phần riêng biệt, đứt quãng.
- Chùm sáng là dòng hạt, trong đó mỗi hạt là một phôtôn.
- Các phôtôn ánh sáng có năng lượng là như nhau, không bị phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng.
- Các lượng tử ánh sáng không bị thay đổi khi ánh sáng truyền đi, chúng cũng không bị phụ thuộc khoảng cách đến nguồn sáng.
Hướng dẫn:
Đáp án đúng: C.
Bài 2: Phát biểu nào sai khi nói về động năng ban đầu cực đại của các electron quang điện?
- Động năng ban đầu cực đại của các electron quang điện sẽ không bị phụ thuộc vào cường độ chùm sáng kích thích.
- Động năng ban đầu cực đại của các electron quang điện sẽ bị phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng kích thích.
- Động năng ban đầu cực đại của các electron quang điện sẽ không bị phụ thuộc vào bản chất kim loại làm catot.
- Động năng ban đầu cực đại của các electron quang điện bị phụ thuộc vào bản chất của kim loại làm catot.
Hướng dẫn:
Đáp án: C
Bài 3: Trong những công thức sau thì đâu là công thức của Anhxtanh về hiện tượng quang điện ngoài.
Hướng dẫn:
Đáp án đúng: A.
Bài 4: Đáp án nào sai khi nói về bản chất của ánh sáng?
- Ánh sáng mang lưỡng tính sóng-hạt.
- Bước sóng của ánh sáng càng ngắn thì tính chất hạt thể hiện sẽ lại càng rõ nét, còn tính chất sóng lại càng ít thể hiện.
- Khi tính chất hạt thể hiện rõ sẽ giúp cho chúng ta có thể dễ quan sát được hiện tượng giao thoa ánh sáng.
- A hoặc B hoặc C sai.
Hướng dẫn:
Đáp án: C
Bài 5: Thực hiện chiếu 1 chùm ánh sáng đơn sắc có bước sóng 400nm vào catôt của tế bào quang điện làm bằng Na. Được biết giới hạn quang điện của Na là 0,50μm. Vậy vận tốc ban đầu cực đại của electron quang điện là bao nhiêu?
- 3.28.105m/s.
- 4,67.105m/s.
- 5,45.105m/s.
- 6,33.105m/s
Hướng dẫn:
Ta áp dụng vào công thức Anh-xtanh như sau:
Vậy đáp án đúng là: B.
Bài 6: Chiếu vào catốt của một tế bào quang điện chùm bức xạ đơn sắc với bước sóng 0,330μm. Để triệt tiêu dòng quang điện cần có hiệu điện thế hãm với giá trị tuyệt đối là 1,38V. Vậy công thoát của kim loại dùng làm catôt là bao nhiêu?
- 1,16eV.
- 1,94eV.
- 2,38eV.
- 2,72eV
Hướng dẫn:
Áp dụng công thức Anh-xtanh, ta có: (hc/λ) = A + eUh ta suy ra A = 2,38eV
Như vậy => đáp án đúng: C
Bài 7: Chiếu một chùm bức xạ với bước sóng λ = 0,18μm vào catôt của tế bào quang điện. Giới hạn quang điện của kim loại làm catot là λ0 = 0,30μm. Yêu cầu tính hiệu điện thế hãm để triệt tiêu dòng quang điện?
Hướng dẫn:
Ta áp dụng công thức Anh-xtanh như sau: hc/λ = hc/λ0 + e|Uh| suy ra |Uh| = (hc/λ – hc/λ0)/e = 2,76V
Vậy Uh = -2,76V.
Bài viết trên đây đã giúp chúng ta hiểu rõ hơn về thuyết lượng tử ánh sáng là gì, cũng như công thức cùng bài tập vận dụng. Chúc các em sẽ làm tốt được các bài tập liên quan đến nội dung này!
