Tác Dụng Nổi Bật Nhất Của Tia Hồng Ngoại Là Tác Dụng Nhiệt. - 123doc

Câu 116. Trong các loại tia: Rơn-ghen, hồng ngoại, tự ngoại, đơn sắc màu lục; tia có tần số nhỏ nhất là

A. tia tử ngoại. B. tia hồng ngoại. C. tia đơn sắc màu lục. D. tia Rơn-ghen.

Câu 117. Trong thí nghiệm I-âng về giao thoa ánh sáng, hai khe được chiếu sáng đồng thời bởi hai bức xạ đơn sắc có bước sóng lần lượt là λ1 và λ2. Trên màn quan sát có vân sáng bậc 12 của λ1 trùng với vân sáng bậc 10 của λ2. Tỉ số 1 2 λ λ bằng A. 6 . 5 B. 2 . 3 C. 5 . 6 D. 3 . 2

CHƯƠNG VI. LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNGA. TÓM TẮT LÝ THUYẾT A. TÓM TẮT LÝ THUYẾT

1. Hiện tượng quang điện - Thuyết lượng tử ánh sáng.* Hiện tượng quang điện * 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 bị bật ra gọi là các quang electron hay là các electron quang điện.

* Định luật về giới hạn quang điện

Đối với mỗi kim loại ánh sáng kích thích phải có bước sóng λ ngắn hơn hay bằng giới hạn quang điện λ0 của kim loại đó, mới gây ra được hiện tượng quang điện: λ≤λ0.

Giới hạn quang điện của các kim loại kiềm như natri, kali, xesi, canxi nằm trong vùng ánh sáng nhìn thấy, còn giới hạn quang điện của phần lớn các loại kim loại thông thường như bạc, đồng, kẻm, nhôm, … thì nằm trong vùng bức xạ tử ngoại.

* Thuyết lượng tử ánh sáng

+ Chùm ánh sáng là một chùm các phôtôn (các lượng tử ánh sáng). Mỗi phôtôn có năng lượng xác định ε = hf (f là tần số của sóng ánh sáng đơn sắc tương ứng). Cường độ của chùm sáng tỉ lệ với số phôtôn phát ra trong 1 giây.

+ Phân tử, nguyên tử, electron, … phát xạ hay hấp thụ ánh sáng, cũng có nghĩa là chúng phát xạ hay hấp thụ phôtôn.

+ Các phôtôn bay dọc theo tia sáng với tốc độ c = 3.108 m/s trong chân không.

Năng lượng của mỗi phôtôn rất nhỏ. Một chùm sáng dù yếu cũng chứa rất nhiều phôtôn do rất nhiều nguyên tử, phân tử phát ra. Vì vậy ta nhìn thấy chùm sáng liên tục.

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

Năng lượng của phôtôn càng lớn khi bước sóng của ánh sáng ứng với phôtôn đó càng ngắn (tần số của ánh sáng ứng với phôtôn đó càng lớn).

* Giải thích định luật về giới hạn quang điện

Công thức Anhxtanh về hiện tượng quang điện: hf = λ hc = A + 2 1 mv20max.

Để có hiện tượng quang điện thì năng lượng của phôtôn phải lớn hơn hoặc bằng công thoát: hf = λ hc ≥ A = 0 λ hc  λ ≤λ0; với λ0 = A hc

là giới hạn quang điện của kim loại.

Khi hiện tượng quang điện đã xảy ra nếu giữ nguyên bước sóng của chùm sáng kích thích và tăng cường độ của chùm sáng thì số electron bứt khỏi bề mặt tấm kim loại trong một đơn vị thời gian sẽ tăng.

* Lưỡng tính sóng - hạt của ánh sáng

Ánh sáng vừa có tính chất sóng, vừa có tính chất hạt. Ta nói ánh sáng có lưỡng tính sóng - hạt.

Trong mỗi hiện tượng quang học, ánh sáng thường thể hiện rỏ một trong hai tính chất trên. Khi tính chất sóng thể hiện rỏ thì tính chất hạt lại mờ nhạt, và ngược lại.

Sóng điện từ có bước sóng càng ngắn, phôtôn ứng với nó có năng lượng càng lớn thì tính chất hạt thể hiện càng rỏ, như ở hiện tượng quang điện, ở khả năng đâm xuyên, khả năng phát quang…, còn tính chất sóng thì mờ nhạt. Trái lại sóng điện từ có bước sóng càng dài, phôtôn ứng với nó có năng lượng càng nhỏ, thì tính chất sóng thể hiện rỏ như ở hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ, tán sắc, …, còn tính chất hạt thì mờ nhạt.

2. Hiện tượng quang điện trong.* Chất quang dẫn * 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 ánh sáng thích hợp.

* Hiện tượng quang điện trong

Hiện tượng ánh sáng giải phóng các electron liên kết để cho 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.

Giới hạn quang điện trong của nhiều chất bán dẫn (như Ge, Si, …) nằm trong vùng bức xạ hồng ngoại.

* Quang điện trở

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 chùm ánh sáng chiếu vào nó thay đổi.

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 bên trong của một số chất bán dẫn như đồng ôxit, sêlen, 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. …

3. Hiện tượng quang – Phát quang.* Sự phát quang * 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.

+ Sau khi ngừng kích thích, sự phát quang của một số chất còn tiếp tục kéo dài thêm một thời gian nào đó, rồi mới ngừng hẵn. Khoảng thời gian từ lúc ngừng kích thích cho đến lúc ngừng phát quang gọi là thời gian phát quang.

* Huỳnh quang và lân quang

+ Sự huỳnh quang là sự phát quang có thời gian phát quang ngắn (dưới 10-8 s), nghĩa là ánh sáng phát quang hầu như tắt ngay sau khi tắt ánh sáng kích thích. Nó thường xảy ra với chất lỏng và chất khí.

+ Sự lân quang là sự phát quang có thời gian phát quang dài (từ 10-8 s trở lên); thường xảy ra với chất rắn. Các chất rắn phát lân quang gọi là chất lân quang.

* Đặc điểm của ánh sáng huỳnh quang

Ánh sáng huỳnh quang có bước sóng dài hơn bước sóng của ánh sáng kích thích: λhq > λkt.

Giải thích: Mỗi nguyên tử hay phân tử của chất huỳnh quang hấp thụ hoàn toàn một phôtôn của ánh sáng kích thích có năng lượng hfkt để chuyển sang trạng thái kích thích. Khi ở trong trạng thái kích thích, nguyên tử hay phân tử có thể va chạm với các nguyên tử hay phân tử khác và bị mất một phần năng lượng. Khi trở về trạng thái bình thường nó sẽ phát ra một phôtôn có năng lượng hfhq nhỏ hơn năng lượng hfkt của phôtôn mà nó đã hấp thụ.

* Ứng dụng của hiện tượng phát quang

Sử dụng trong các đèn ống để thắp sáng, trong các màn hình của dao động kí điện tử, tivi, máy tính. Sử dụng sơn phát quang quét trên các biển báo giao thông.

4. Mẫu nguyên tử Bo.* Mẫu nguyên tử của Bo * Mẫu nguyên tử của Bo

Tiên đề về trạng thái dừng

Nguyên tử chỉ tồn tại trong một số trạng thái có năng lượng xác định En, gọi là các trạng thái dừng. Khi ở trạng thái dừng, nguyên tử không bức xạ.

Trong các trạng thái dừng của nguyên tử, electron chuyển động trên các quỹ đạo có bán kính rn xác định: rn = n2r0; với n ∈ N* và r0 = 5,3.10-11 m, gọi là bán kính Bo.

Bình thường, nguyên tử ở trạng thái dừng có năng lượng thấp nhất gọi là trạng thái cơ bản. Khi hấp thụ năng lượng thì nguyên tử chuyển lên trạng thái dừng có năng lượng cao hơn, gọi là trạng thái kích thích. Thời gian nguyên tử ở trạng thái kích thích rất ngắn (cỡ 10-8 s). Sau đó nguyên tử chuyển về trạng thái dừng có năng lượng thấp hơn và cuối cùng về trạng thái cơ bản.

Tiên đề về sự bức xạ và hấp thụ năng lượng của nguyên tử

Khi nguyên tử chuyển từ trạng thái dừng có năng lượng En sang trạng thái dừng có năng lượng Em < En thì nguyên tử phát ra một phôtôn có năng lượng: ε = hfnm = En – Em.

Ngược lại, nếu nguyên tử ở trạng thái dừng có năng lượng Em mà hấp thụ được một phôtôn có năng lượng hf đúng bằng hiệu En – Em thì nó chuyển sang trạng thái dừng có năng lượng En lớn hơn.

Sự chuyển từ trạng thái dừng Em sang trạng thái dừng En ứng với sự nhảy của electron từ quỹ đạo dừng có bán kính rm sang quỹ đạo dừng có bán kính rn và ngược lại.

Tiên đề này cho thấy: Nếu một chất hấp thụ được ánh sáng có bước sóng nào thì nó cũng có thể phát ra ánh sáng có bước sóng ấy.

* Quang phổ phát xạ và hấp thụ của nguyên tử hidrô

+ Nguyên tử hiđrô có các trạng thái dừng khác nhau EK, EL, EM, ... . Khi đó electron chuyển động trên các quỹ đạo dừng K, L, M, ...

+ Khi electron chuyển từ mức năng lượng cao (Ecao) xuống mức năng lượng thấp hơn (Ethấp) thì nó phát ra một phôtôn có năng lượng hoàn toàn xác định: hf = Ecao – Ethấp.

Mỗi phôtôn có tần số f ứng với một sóng ánh sáng đơn sắc có bước sóng λ =

fc c

, tức là một vạch quang phổ có một màu (hay một vị trí) nhất định. Điều đó lí giải tại sao quang phổ phát xạ của nguyên tử hiđrô là quang phổ vạch.

Ngược lại nếu một nguyên tử hiđrô đang ở một mức năng lượng Ethấp nào đó mà nằm trong một chùm ánh sáng trắng, trong đó có tất cả các phôtôn có năng lượng từ lớn đến nhỏ khác nhau, thì lập tức nguyên tử hấp thụ một phôtôn có năng lượng phù hợp ε = Ecao – Ethấp để chuyển lên mức năng lượng Ecao. Như vậy, một sóng ánh sáng đơn sắc đã bị hấp thụ, làm cho trên quang phổ liên tục xuất hiện một vạch tối. Do đó quang phổ hấp thụ của nguyên tử hiđrô cũng là quang phổ vạch.

5. Sơ lược về laze.

Laze là một nguồn sáng phát ra một chùm sáng cường độ lớn dựa trên việc ứng dụng hiện tượng phát xạ cảm ứng.

* Đặc điểm của laze

+ Laze có tính đơn sắc rất cao. Độ sai lệch tương đối

ff f

∆

của tần số của ánh sáng laze có thể chỉ bằng 10-15. + Tia laze là chùm sáng kết hợp (các phôtôn trong chùm có cùng tần số và cùng pha).

+ Tia laze là chùm sáng song song (có tính định hướng cao).

+ Tia laze có cường độ lớn. Chẵng hạn laze rubi (hồng ngọc) có cường độ tới 106 W/cm2.

Như vậy, laze là một nguồn sáng phát ra chùm sáng song song, kết hợp, có tính đơn sắc cao và có cường độ lớn (trên 106 W/cm2).

* Một số ứng dụng của laze

+ Tia laze có ưu thế đặc biệt trong thông tin liên lạc vô tuyến (truyền thông thông tin bằng cáp quang, vô tuyến định vị, điều khiển con tàu vũ trụ, ...)

+ Tia laze được dùng như dao mổ trong phẩu thuật mắt, dùng để chữa một số bệnh ngoài da (nhờ tác dụng nhiệt), ...

+ Tia laze được dùng trong các đầu đọc đĩa CD, bút chỉ bảng, chỉ bản đồ, dùng trong các thí nghiệm quang học ở trường phổ thông, ...

+ Ngoài ra tia laze còn được dùng để khoan, cắt, tôi, ... chính xác các vật liệu trong công nghiệp.

B. CÁC CÔNG THỨC

Chùm ánh sáng là một chùm các phôtôn (các lượng tử ánh sáng). Mỗi phôtôn có năng lượng ε = hf = λ

hc

. Các phôtôn bay dọc theo tia sáng với tốc độ c = 3.108 m/s trong chân không (không có phôtôn đứng yên). Cường độ của chùm sáng tỉ lệ với số phôtôn phát ra trong 1 giây.

Hiện tượng quang điện ngoài là hiện tượng các electron bị bật ra khỏi bền mặt kim loại khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào.

Công thức Anhxtanh, giới hạn quang điện: hf = λ hc = A + 2 1 mv20max = 0 λ hc + Wdmax; λ0 = A hc . Điện thế cực đại quả cầu kim loại cô lập về điện đạt được khi chiếu chùm sáng có λ≤λ0: Vmax =

eWdmax Wdmax

. Công suất của nguồn sáng, cường độ dòng quang điện bảo hoà, hiệu suất lượng tử:

P = nλ λ hc ; Ibh = ne|e|; H = λ n ne . Lực Lorrenxơ, lực hướng tâm: Flr = qvBsinα; Fht = maht =

Rmv2 mv2

Quang phổ vạch của nguyên tử hyđrô: En – Em = hf = λ

hc

.

Bán kính quỹ đạo dừng thứ n của electron trong nguyên tử hiđrô: rn = n2r0; với r0 = 5,3.10-11 m là bán kính Bo (ở quỹ đạo K).

Năng lượng của electron trong nguyên tử hiđrô ở quỹ đạo dừng thứ n: En = -13,26

n eV; với n ∈ N* Sơ đồ chuyển mức năng lượng khi tạo thành các dãy quang phổ:

Đặc điểm của sự phát quang: ánh sáng phát quang có bước sóng dài hơn bước sóng của ánh sáng kích thích: λpq

> λkt.

C. BÀI TẬP MẪU

Ví dụ 1: Giới hạn quang diện của vonfram là 0,275. Hỏi khi chiếu ánh sáng trắng vào vonfram thì có hiện tượng quang điện xảy ra không ? Giải thích .

Ví dụ 2: Cho biết công thoát của electron ra khỏi bề mặt nhôm và kali lần lượt là 3,45 eV và 2,25 eV. Chiếu chùn sáng có tần số 7.108 MHz lần lượt vào hai bản kim loại nhôm và kali. Hiện tượng quang điện xảy ra với kim loại nào ?

Ví dụ 3: Chiếu bức xạ có bước sóng λ=0,2µmvào một tấm kim loại. Các electron bắn ra có động năng ban đầu cực đại bằng 2,5 eV. Hỏi khi chiếu vào tấm kim loại đó lần lượt hai bức xạ λ1 =0,6µmvà λ2 =0,3µm thì có hiện tượng quang điện xảy ra với bức xạ nào ?

Ví dụ 4: Một ngọn đèn phát ra một chùm sáng đơn sắc với bước sóng 0,6 μm. Tính số phôtôn mà đèn phát ra trong mỗi giây, biết công suất phát xạ của đèn là 10 W.

Ví dụ 5: Chiếu ánh sáng đơn sắc có bước sóng 0,3 μm và một chất phát quang thì thấy nó phát ra ánh sáng có bước sóng 0,5 μm. Cho rằng công suất của chùm sáng phát quang chỉ bằng 0,01 công suất của chùm sáng kích thích. Hãy tính hiệu suất phát quang.

Ví dụ 6: Nguyên tử hiđrô khi chuyển từ quỹ đạo L có năng lượng là -3,4 eV chuyển về quỹ đạo cơ bản có năng lượng là -13,6 eV thì phát ra một phôtôn ứng với bước sóng bao nhiêu?

Ví dụ 7: Theo tiên đề của Bo, khi êlectron trong nguyên tử hiđrô chuyển từ quỹ đạo L sang quỹ đạo K thì nguyên tử phát ra phôtôn có bước sóng λ21, khi êlectron chuyển từ quỹ đạo M sang quỹ đạo L thì nguyên tử phát ra phôtôn có bước sóng λ32 và khi êlectron chuyển từ quỹ đạo M sang quỹ đạo K thì nguyên tử phát ra phôtôn có bước sóng λ31. Tìm biểu thức xác định λ31.

Ví dụ 8: Khi êlectron trong nguyên tử hiđrô chuyển từ quỹ đạo dừng n = 3 về quỹ đạo dừng n = 1 thì nguyên tử phát ra phôtôn có bước sóng λ1. Khi êlectron chuyển từ quỹ đạo dừng n = 5 về quỹ đạo dừng n = 2 thì nguyên tử phát ra phôtôn có bước sóng λ2. Tìm mối liên hệ giữa hai bước sóng λ1 và λ2.

Ví dụ 9: Trong nguyên tử hiđrô, bán kính Bo là r0 = 5,3.10-11m. Ở một trạng thái kích thích của nguyên tử hiđrô, êlectron chuyển động trên quỹ đạo dừng có bán kính là r = 2,12.10-10m. Tên gọi của quỹ đạo dừng đó là gì?

Ví dụ 10: Khi hiđrô ở trạng thái cơ bản được kích thích chuyển lên trạng thái có bán kính quĩ đạo tăng lên 9 lần. Khi chuyển dời về mức cơ bản thì phát ra bức xạ có bước sóng là bao nhiêu?

Ví dụ 11: Các nguyên tử hiđrô đang ở trạng thái dùng ứng với êlectron chuyển động trên quỹ đạo có bán kính lớn gấp 9 lần so với bán kính Bo. Khi chuyển về các trạng thái dừng có năng lượng thấp hơn thì các nguyên tử