Sáng kiến kinh nghiệm- THPT

Phơng pháp
Giải bài tập
Phần lợng tử ánh sáng
-------------
I-Đặt vấn đề: Trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển, vật lý chiếm một vai
trò rất quan trọng trong khoa học kỹ thuật và đời sống. Chơng lợng tử ánh sáng là
một chơng quan trọng trong chơng trình vật lý lớp 12. Trong những năm gần đây
bài tập về lợng tử ánh sáng luôn luôn có mặt trong các đề thi tuyển sinh, trong khi
đó học sinh giải bài tập này lại thờng lúng túng không biết vận dụng một cách sáng
tạo phơng trình Anhxtanh để giải bài toán đơn giản, ngắn gọn hơn. Để giúp học
sinh có thêm phơng pháp suy luận khi giải bài tập chơng này, trong một số năm
gần đây tôi thờng thực hiện việc hớng dẫn học sinh giải bài tập chơng này theo nội
dung sau:
II- Nội dung:
A- Hệ thống các nội dung cần thiết, để học sinh khắc sâu những kiến thức
liên quan tới bài tập.
- Khi chiếu một bức xạ có bớc sóng thích hợp vào một tấm kim loại M
làm cho các êlectron trong kim loại đó bật ra ngoài, đó là hiện tợng
quang điện, các êlectron bị bật ra gọi là êlectron quang điện.
- Khác sâu nội dung thuyết lợng tử để học sinh thấy đợc ánh sáng coi
nh dòng các phôtôn, lợng tử ánh sáng rất nhỏ, mỗi chùm sáng dù rất
yếu cũng chứa một số rất lớn phôtôn, nên chùm sáng ddợc coi là liên
tục. Khi ánh sáng truyền đi lợng tử ánh sáng không bị thay đổi và
không phụ thuộc vào khoảng cách tới nguồn sáng.
- Khắc sâu các định luật quang điện để:
+ Qua định luật 1 thấy đợc điều kiện để có dòng quang điện:
<
0
hoặc > A
+ Qua định luật thứ 2 thấy đợc khi ánh sáng kích thích thoả mãn định
luật quang điện 1 thì:

I
qđ
n
e
n
e
N
P
N
P
cờng độ chùm sáng kích thích
Suy ra I
qđ
cờng độ chùm sáng kích thích.

+ Qua định luật quang điện thứ 3 thấy đợc vận tốc ban đầu cực đại
của các êlectron quang điện tỉ lệ thuận với tần số ánh sáng kích
thích hay tỉ lệ nghịch với bớc sóng của ánh sáng kích thích
1
- Công thức Anhxtanh về hiện tợng quang điện:

2
max0
mv
A
hc
hf
+==

I

qđ
= 0 khi
2
max0
mv
eUeU
hAK
==
.
- Dựa vào thuyết lợng tử ánh sáng để giải thích 3 định luật quang điện.
- Hiệu suất của hiện tợng quang điện ( hiệu suất lợng tử):

P
e
N
n
H
=
- Hớng dẫn học sinh vận dụng thuyết Bor để giải thích sự tạo thành
quang phổ vạch của nguyên tử Hyđrô.
B- Những kiến thức có liên quan đến bài tập của ch ơng.
Khi êlectron quang điện thoát ra nó có thể gặp vùng điện tr-
ờng hoặc từ trờng
- Khi vào điện trờng, êlectron sẽ chịu tác dụng của lực điện
EeF

=
.
- Khi vào vùng có từ trờng êlectron sẽ chịu tác dụng của lực Lorexơ

sinvBqf
=
nếu
Vf



êlectron sẽ chuyển động trên quỹ đạo tròn, lực Lorenxơ đóng
vai trò lực hớng tâm:

R
mv
vBq
2
=
- Cờng độ dòng điện
t
q
I
=
để tính I
bh
.
C-Phân dạng bài tập.
Dạng 1: Chiếu một bức xạ có thích hợp vào tấm kim loại M.
+ Nếu M là catốt của tế bào quang điện thì sử dụng hệ thống hai công thức
để giải:

2
2

max0
mv
A
hc
+=


2
2
max0
mv
eU
h
=
+ Nếu M cô lập về điện, êlectron bắn ra càng nhiều thì điện thế của nó càng
tăng, điện thế của nó sẽ tăng tới khi
2
2
max0
max
mv
Ve
=
thì M sẽ có điện thế
cực đại V
max
. Trờng hợp này sử dụng các công thức:
2

2

2
max0
mv
A
hc
+=


2
max0
max
mv
Ve
=
.
Dạng 2: Chiếu đồng thời 2 bức xạ
1
,
2
vào tấm kim loại M .
+ So sánh
1
với
0
nếu:
- Nếu chỉ có
1
hoặc
2
thoả mãn định luật 1 thì giải nh dạng 1.

- Nếu cả hai thoả mãn định luật 1:
M là ca tốt của TBQĐ thì giải theo 1 theo 2 cách sau:
Cách 1: Sử dụng các công thức:

2
2
max0
mv
A
hc
+=


2
2
max0
mv
eU
h
=
Từ hai công thức trên ta thấy với càng nhỏ thì V
0max
càng lớn và U
h

càng lớn
Suy ra: Nếu
1
>
2

thì v
0max1
< v
0max2
Nếu v
0max1
= v
0max2
=> U
h1
= U
h2
chỉ cần giải với
2
và
ngợc lại.
Cách 2: Dựa vào công thức

11max01
2
1max0
1
;
2
hh
UveUA
mv
A
hc
+=+=

21max02
2
2max0
2
;
2
hh
UveUA
mv
A
hc
+=+=

Kết luận:
v
0max
= v
0max1
nếu v
0max1
> v
0max2

1hh
UU
=
nếu
21 hh

UU
>
và ngợc lại
- Nếu M là tấm kim loại cô lập về điện, cũng giải tơng tự theo 2 cách
trên nhng thay công thức:

2
2
max0
mv
eU
h
=
bằng công thức

2
2
max0
max
mv
Ve
=
Dạng 3: Chiếu lần lợt hai bức xạ
1
và
2
vào M
+ M là catốt của TBQĐ:
3
Kết hợp

1
2
1max0
1
2
h
eUA
mv
A
hc
+=+=


2
2
2max0
2
2
h
eUA
mv
A
hc
+=+=

để suy ra các đại lợng cần tìm.
+ M cô lập về điện:
Kết hợp
max
2

1max0
1
2
VeA
mv
A
hc
+=+=

1

max
2
2max0
2
2
VeA
mv
A
hc
+=+=

2

để suy ra các đại lợng cần tìm.
Dạng 4: Bài toán về quang phổ Hyđrô:
+ Nếu bài toán cho bớc sóng của một số vạch, tìm bớc sóng của một số
vạch khác.
Cách giải: Viết phơng trình chuyển mức năng lợng cho các vạch
phổ đã biết và các bớc sóng cần tìm:

thấp
cao
EE
hc
=

Kết hợp các phơng trình để giải.
+ Xác định bán kính các quỹ đạo dừng và vận tốc của êlectron trên quỹ
đạo đó.
Cách giải:
áp dụng công thức: r
n
= n
2
r
0
với r
0
=0,53A
áp dụng định luật 2 của Niutơn cho chuyển động tròn, kết hợp với định
Culông :
nn
r
mv
r
e
k
2
2

2
=
C- Các ví dụ minh hoạ:
D- Ví dụ 1(dạng 1): Chiếu một chùm sáng có = 0,48àm lê một tấm kim
loại, công thoát êlectron của lim loại đó là 2,15 eV .
1- Tính giới hạn quang điện .
2- Tấm kim loại trên đợc dùng làm ca tốt của một TBQĐ.
a- Tính vận tốc ban đầu cực đại của êlectron bắn ra từ catốt
b- Tính hiệu điện thế hãm.
c- Biết dòng quang điện bão hoà I
bh
=5mA và công suất của chùm sáng
chiếu vào catốt P=1,25W. Tìm hiệu suất lợng tử.
3- Khi tấm kim loại trên đặt cô lập, hỏi điện thế cự đại của tấm kim loại bằng
bao nhiêu?
Cho h= 6,625.10
-34
Js; c= 3.10
8
m/s.
Hớng dẫn giải:
4
1- Tõ c«ng thøc:
λ
hc
A
=
Suy ra:
A
hc

=
0
λ

)(10.58,0
10.6,1.15,2
10.3.10.625,6
6
19
8.34
0
m
−
−
−
≅=
λ
2-a)¸p dông c«ng thøc:

2
2
max0
mv
A
hc
+=
λ
m
A
hc

v
)(2
max0
−
=⇒
λ


)(10.6,40
10.489,0
10.3.10.625,6
20
6
834
J
hc
−
−
−
≅=
λ

A = 2,15.1,6.10
-19
=3,34.10
-19
=34,4.10
-20
(J)
)/(10.7,3

10.1,9
10).4,346,40(2
)(2
5
31
20
max0
sm
m
A
hc
v
≅
−
=
−
=⇒
−
−
λ
b)Ta cã:
A
hc
mv
eU
h
−==
λ
2
max0

)(39,0
10.6,1
10).4,346,40(
19
20
V
e
A
hc
U
h
≅
−
=
−
=
−
−
λ
c)HiÖu suÊt lîng tö:
P
e
N
n
H
=
(1)

)2(10.125,3

10.6,1
10.5
16
19
3
≅==
−
−
e
I
n
e

)3(10.031,0
10.6,40
25,1
20
20
====
−
hc
PP
N
P
λ
ε
Tõ (1) (2) vµ (3)
%101,0
10.031,0
10.125,3

20
16
===⇒
H
4- TÊm kim lo¹i c« lËp vÒ ®iÖn cã ®iÖn thÕ cùc ®¹i khi:

)(39,0
2
max
2
max0
max
V
e
A
hc
V
mv
Ve
x
=
−
=⇒=
λ
5