Thuyết Lượng Tử Ánh Sáng

THUYẾT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG

A. Lý Thuyết

1. Giả Thuyết Plăng

Nguyên tử, phân tử không hấp thụ năng lượng một cách liên tục và hấp thụ một lượng năng lượng hoàn toàn xác định, lượng năng lượng mà mỗi lần một nguyên tử hay một phân tử hấp thụ hay phát xạ có giá trị hoàn toàn xác định:

Trong đó: là hằng số Plăng.

là vận tốc ánh sáng trong chân không

f: tần số của ánh sáng (của bức xạ)

: bước sóng của ánh sáng (của bức xạ).

Chú ý: Năng lượng mà vật hấp thụ hay bức xạ luôn phải là số nguyên lần lượng tử năng lượng

2. Thuyết lượng tử ánh sáng

Ánh sáng được tạo 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
Phôtôn chỉ tồn tại trong trạng thái chuyển động. Trong chân không, phôtôn bay với tốc độ c = 3.10⁸ dọc theo các tia sáng.
Mỗi lần một nguyên tử hay phân tử phát xạ hoặc hấp thụ ánh sáng thì chúng phát ra hoặc hấp thụ một phôtôn.

Chú ý:

Khi ánh sáng truyền đi, các lượng tử ánh sáng không bị thay đổi và không phụ thuộc vào khoảng cách tới nguồn sáng.
Tuy mỗi lượng tử ánh sáng mang năng lượng rất nhỏ nhưng trong chùm sáng lại có một số rất lớn lượng tử ánh sáng, vì thế ta có cảm giác chùm sáng là liên tục.

3. Giải thích định luật về giới hạn quang điện bằng thuyết lượng tử ánh sáng

Anh-xtanh cho rằng, trong hiện tượng quang điện có sự hấp thụ hoàn toàn phôtôn chiếu tới. Mỗi phôtôn bị hấp thụ sẽ truyền toàn bộ năng lượng của nó cho một êlêctron. Muốn êlectron bứt ra khỏi mặt kim loại thì bắt buộc năng lượng (A là công thoát ), tức là

Nếu đặt thì sẽ thu được và chính là giới hạn quang điện của kim loại.

4. Lưỡng tính sóng – hạt của ánh sáng

Ánh sáng có lưỡng tính sóng – hạt

Chú ý:

Ánh sáng có bản chất là sóng điện từ
Bước sóng càng dài thì tính chất sóng thể hiện càng rõ, bước sóng càng ngắn thì tính chất hạt thể hiện càng rõ.

Chú ý đơn vị quan trọng:

1 eV = 1,6.10^-19J
1 MeV = 10⁶eV = 1,6.10^-13J
Tích h.c = 1,9875.10^-25

B. Ví dụ minh họa

Ví dụ 1: Năng lượng của photon ứng với ánh sáng có bước sóng là:

A. 1,61eV B.16,1eV C. eV D. 0,61eV

Hướng dẫn: ε = = 6,625.10^-34.3.10⁸ / (768.10^-9) = 2,59.10^-19J = 1.61 eV

Chọn A

Ví dụ 2: Công thoát êlectron của một kim loại là A = 4,2eV. Giới hạn quang điện của kim loại này là?

A. 2,958μm. B. 0,757μm. C. 295,8nm. D. 0,518μm.

Hướng dẫn: A = 4,2 eV = 4,2.1,6.10^-19J = 6,72.10^-19J

λ₀= = 2,958.10^-7 m = 295,8 nm

Chọn C

Ví dụ 3: Một nguồn laze phát ra ánh sáng đỏ bước sóng băng 630nm với công suất P= 40mW. Số photon bức xạ ra trong thời gian t=10s là?

A. B. C. D.

Hướng dẫn

Ta có:

Chọn C.

Ví dụ 4: Một chùm phôtôn có f = 4,57.10¹⁴ Hz. Tìm số phôtôn được phát ra trong một giây, biết công suất của nguồn trên là 1W?

A. 3,3.10¹⁸ B. 3,03.10¹⁸ C. 4,05.10¹⁹ D. 4.10¹⁸

Hướng dẫn

Chọn A

C. Bài Tập Tự Luyện

Câu 1: Năng lượng phôtôn của:

A. Tia hồng ngoại lớn hơn của tia tử ngoại.

B. Tia X lớn hơn của tia tử ngoại.

C. Tia tử ngoại nhỏ hơn của ánh sáng nhìn thấy

D. Tia X nhỏ hơn của ánh sáng nhìn thấy.

Câu 2: Khi một photôn đi từ không khí vào thủy tinh , năng lượng của nó :

A . Giảm, vì ε = mà bước sóng lại tăng

B. Giảm, vì một phần của năng lượng của nó truyền cho thủy tinh

C. Không đổi, vì ε = hf mà tần số f lại không đổi

D. Tăng, vì ε = mà bước sóng lại giảm

Câu 3: Phát biểu nào sau đây là sai khi nói về thuyết lượng tử ánh sáng?

A. Khi ánh sáng truyền đi các lượng tử ánh sáng không bị thay đổi, không phụ thuộc khoảng cách tới nguồn sáng.

B. Những nguyên tử hay phân tử vật chất không hấp thụ hay bức xạ ánh sáng một cách liên tục, mà theo từng phần riêng biệt, đứt quãng.

C. Năng lượng của các phôtôn ánh sáng là như nhau, không phụ thuộc vào tần số của ánh sáng.

D. Chùm ánh sáng là chùm hạt, mỗi hạt gọi là một phôtôn.

Câu 4: Chọn câu phát biểu sai về tính lưỡng tính sóng – hạt của ánh sáng.

A. Tính chất sóng được thể hiện rõ nét trong các hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ, tán sắc.

B. Sóng điện từ có bước sóng càng ngắn thì tính chất sóng thể hiện càng rõ nét.

C. Phôtôn ứng với nó có năng lượng càng cao thì tính chất hạt thể hiện càng rõ nét.

D. Tính hạt được thể hiện rõ nét ở hiện tượng quang điện, ở khả năng đâm xuyên, ở tác dụng phát quang.

Câu 5: Với điều kiện nào của ánh sang kích thích thì hiện tượng quang điện xảy ra với một tấm kim loại xác định? Chọn câu trả lời đúng.

A. Bước sóng của ánh sáng kích thích phải không lớn hơn giới hạn quang điện của kim loại đó.

B. Bước sóng của ánh sáng kích thích có giá trị tùy ý.

C. Bước sóng của ánh sáng kích thích phải không nhỏ hơn giới hạn quang điện của kim loại đó.

D. Một điều kiện khác.

Câu 6: Phát biểu nào sau đây là sai khi nói về thuyết lượng tử ánh sáng?

A. Những nguyên tử hay phân tử vật chất không hấp thụ hay bức xạ ánh sáng một cách liên tục mà theo từng phần riêng biệt đứt quãng.

B. Chùm ánh sáng gọi là dòng hạt, mỗi hạt gọi là photon.

C. Năng lượng của các photon ánh sáng là như nhau, không phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng.

D. Khi ánh sáng truyền đi, các lượng tử ánh sáng không bị thay đổi, không phụ thuộc khoảng cách tới nguồn sáng.

Câu 7: Chọn câu phát biểu sai về phôtôn.

A. Ánh sáng tím có phôtôn giống hệt nhau.

B. Năng lượng của mỗi phôtôn không đổi trong quá trình lan truyền.

C. Phôtôn chuyển động dọc theo tia sáng

D. Trong chân không phôtôn chuyển động với tốc độ c = 3.10⁸m/s

Câu 8: Năng lượng phôtôn của:

A. tia hồng ngoại lớn hơn của tia tử ngoại.

B. tia X lớn hơn của tia tử ngoại.

C. tia tử ngoại nhỏ hơn của ánh sáng nhìn thấy

D. tia X nhỏ hơn của ánh sáng nhìn thấy.

Câu 9: Phát biểu nào sau đây là sai?

A. Thuyết lượng tử ánh sáng chứng tỏ ánh sáng có tính chất sóng.

B. Giả thuyết sóng không giải thích được hiện tượng quang điện.

C. Trong cùng một môi trường vận tốc của ánh sáng bằng vận tốc sóng điện từ.

D. Ánh sáng có tính chất hạt, mỗi hạt ánh sáng gọi là photon.

Câu 10: Theo quan điểm của thuyết lượng tử phát biểu nào sau đây là không đúng?

A. Chùm ánh sáng là một dòng hạt, mỗi hạt là một phôtôn mang năng lượng.

B. Cường độ chùm sáng tỉ lệ thuận với số phôtôn trong chùm.

C. Khi ánh sáng truyền đi các phôtôn ánh sáng không đổi, không phụ thuộc khoảng cách đến nguồn sáng.

D. Các phôtôn có năng lượng bằng nhau vì chúng lan truyền với vận tốc bằng nhau

Câu 11: Gọi f₁, f₂, f₃, f₄, f₅ lần lượt là tần số của tia hồng ngoại, tia tử ngoại, tia Rơnghen, sóng vô tuyến cực ngắn, và ánh sáng màu lam. Thứ tự tăng dần của tần số sóng được sắp xếp như sau:

A. f₁< f₂< f₅ < f₄< f₃

B. f₁< f₄< f₅ < f₂< f₃

C. f₄< f₁< f₅ < f₂< f₃

D. f₄< f₂< f₅ < f₁< f₃

Câu 12: Công suất của một nguồn sáng là P = 2,5 W. Biết nguồn phát ra ánh sáng đơn sắc đơn sắc có bước sóng λ = 0,3 μm. Cho hằng số Plăng 6,625.10^-34 Js và tốc độ ánh sáng trong chân không 3.10⁸ m/s. Số phôtôn phát ra từ nguồn sáng trong một phút là

A. 2,26.10²⁰.
B. 5,8.10¹⁸.
C. 3,8 .10¹⁹.
D. 3,8.10¹⁸.

Câu 13: Laze A phát ra chùm bức xạ có bước sóng 0,45 µm với công suất 0,8W. Laze B phát ra chùm bức xạ có bước sóng 0,60 µm với công suất 0,6W. Tỉ số giữa số phôtôn của laze B và số phôtôn của laze A phát ra trong mỗi giây là

A. 2.
B. 1.
C. 20/9.
D. 3/4.

Câu 14: Công thoát electron khỏi một kim loại là 1,88 eV. Dùng kim loại này làm catot của một tế bào quang điện. Chiếu vào catot một ánh sáng có bước sóng λ= 0,489 µm.Giới hạn quang điện của kim loại trên có thể nhận giá trị đúng nào trong các giá trị sau:

A.λ_o=6,600µm B. λ_o= 0,066 µm C. λ_o= 0,660 µm D. Một giá trị khác

Câu 15: Trong thí nghiệm đo khoảng cách từ trái đất tới mặt trăng bằng laze người ta đã sử dụng laze có bước sóng λ = 0,52μm. Thiết bị sử dụng để đo là một máy vừa có khả năng phát và thu các xung laze. Biết năng lượng mỗi xung là 10kJ. Tính số photon phát ra trong mỗi xung.

A. 2,62.10²² hạt B. 0,62.10²² hạt C. 262.10²² hạt D. 2,62.10¹² hạt

Câu 16: Khi truyền trong chân không, ánh sáng đỏ có bước sóng = 720nm, ánh sáng tím có bước sóng 400nm. Cho hai ánh sáng này truyền trong một môi trường trong suốt mà chiết suất tuyệt đối của nó đối với từng ánh sáng lần lượt là n1=1,33 và n2=1,34. trong môi trường này, tỉ số năng lượng giữa photon ánh sáng đỏ với năng lượng của photon ánh sáng tím bằng:
A. 134/133
B. 133/134
C. 5/9
D. 9/5