Hằng số Planck - Vật lý 12

Phát biểu: Lượng năng lượng mà mỗi lần một nguyên tử hay phân tử hấp thụ hay phát xạ có giá trị hoàn toàn xác định và bằng $hf$, trong đó $f$ là tần số của ánh sáng bị hấp thụ hay được phát ra; còn $h$ là một hằng số.

Chú thích:

$\epsilon$: năng lượng $\left(J\right)$

$h$: hằng số Planck với $h=6.625.{10}^{-34}$$J.s$

$f$: tần số của ánh sáng đơn sắc $\left(Hz\right)$

$\lambda$: bước sóng của ánh sáng đơn sắc $\left(m\right)$

$c=3.{10}^{8}m/s$: tốc độ của ánh sáng trong chân không

Thuyết lượng tử ánh sáng:

- Ánh sáng được tạo thành bởi các hạt gọi là photon.

- Với mỗi ánh sáng đơn sắc có tần số $f$, các photon đều giống nhau, mỗi photon mang năng lượng bằng $hf$.

- Trong chân không, photon bay với tốc độ $c=3.{10}^8$$m/s$ dọc theo các tia sáng.

- Mỗi lần một nguyên tử hay phân tử phát xạ hoặc hấp thụ ánh sáng thì chúng phát ra hay hấp thụ một photon.

- Photon chỉ tồn tại trong trạng thái chuyển động. Không có photon đứng yên.

Khái niệm: Muốn cho electron bứt ra khỏi mặt kim loại phải cung cấp cho nó một công để "thắng" các liên kết. Công này gọi là công thoát.

Chú thích:

$A$: công thoát $\left(J\right)$

$h$: hằng số Planck với $h=6.625.{10}^{-34}$$J.s$

${\lambda }_0$: bước sóng của ánh sáng đơn sắc $\left(m\right)$

$c$: tốc độ ánh sáng trong chân không, $c=3.{10}^{8}m/s$

Phát biểu: 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.

Hiện tượng quang điện trong xảy ra đối với một số chất bán dẫn như Ge, Si, PbS, PbSe, PbTe, CdS, CdSe, CdTe,... có tính chất đặc biệt sau đây: Là chất dẫn điện kém khi không bị chiếu sáng và trở thành chất dẫn điện tốt khi bị chiếu ánh sáng thích hợp. Các chất này còn được gọi là $chất quang dẫn.$

Năng lượng kích hoạt và giới hạn quang dẫn của một số chất:

So sánh hiện tượng Quang điện ngoài và hiện tượng Quang điện trong:

- Giống nhau:

+ Đều là hiện tượng electron ở dạng liên kết trở thành electron tự do (giải phóng electron liên kết trở thành electron dẫn) dưới tác dụng của phôtôn ánh sáng, tham gia vào quá trình dẫn điện.

+ Điều kiện để có hiện tượng là $\lambda \le {\lambda }_0$.

- Khác nhau: 

+ Hiện tượng quang điện ngoài:

Các quang electron bị bật ra khỏi kim loại.

Chỉ xảy ra với kim loại.

Giới hạn quang điện ${\lambda }_0$ nhỏ thường thuộc vùng tử ngoại trừ kiềm và kiềm thổ (ánh sáng nhìn thấy).

+ Hiện tượng quang điện trong:

Các electron liên kết bị bứt ra vẫn ở trong khối bán dẫn.

Chỉ xảy ra với chất bán dẫn.

Giới hạn quang điện ${\lambda }_0$ dài (lớn hơn của kim loại, thường nằm trong vùng hồng ngoại).

Chú thích:

$v_{0max}$: vận tốc ban đầu cực đại của electron $(m/s)$

$h$: hằng số Planck với $h=6.625.{10}^{-34}$$J.s$

$\lambda$: bước sóng của ánh sáng đơn sắc $\left(m\right)$

${\lambda }_0$: giới hạn quang điện của kim loại $\left(m\right)$

$c=3.{10}^{8}m/s$: tốc độ của ánh sáng trong chân không

$m=m_e=9,1.{10}^{-31}kg$

Phát biểu:

- Khi electron chuyển từ trạng thái dừng có mức năng lượng cao $\left(E_{cao}\right)$ xuống mức năng lượng thấp hơn $\left(E_{thấp}\right)$ thì nó phát ra một photon có năng lượng đúng bằng: $hf=E_{cao}-E_{thấp}$.

- Khi electron chuyển từ trạng thái dừng có mức năng lượng thấp $\left(E_{thấp}\right)$ lên mức năng lượng cao hơn $\left(E_{cao}\right)$ thì nó hấp thụ một photon có năng lượng đúng bằng: $hf=E_{cao}-E_{thấp}.$

$\Rightarrow$Một chất hấp thụ được ánh sáng có bước sóng nào thì cũng có thể phát ra ánh sáng có bước sóng đó. 

Lưu ý:

+ Bước sóng dài nhất ${\lambda }_{NM}$ khi $e$ chuyển từ $N\to M$.

+ Bước sóng ngắn nhất ${\lambda }_{\infty M}$ khi e chuyển từ $\infty \to M$.

Chú thích:

${\lambda }_{nm}$: bước sóng phát ra khi nguyên tử chuyển mức năng lượng từ n->m $\left(m\right)$

$h$: hằng số Planck với $h=6,625.{10}^{-34}J.s$

$E_0=13,6eV=13,6.1,6.{10}^{-19}J$

Cách tạo ra tia X (tia Gơn ghen )

Đặt vào 1 điện thế $U_{AK}$ vào hai cực củc ống.Đốt nóng catot $\to$phát xạ nhiệt e $\to$các e chuyển về atot với tốc độ lớn.

Các e này đập mạnh vào đối catot và phát ra tia X.

Nhưng chi một phần nhỏ năng lượng chuyển hóa thành tia X còn lại trở thành tia X.

Tần số tia Gơn ghen càng lớn thì tia gơn ghen càng cứng dẫn đấn tính đâm xuyên càng mạnh

Động năng của e tại đối âm cực : 

$\frac{1}{2}m{v}^2-\frac{1}{2}m{v_0}^2=U_{AK}.e$$\Rightarrow hf-\frac{1}{2}m{v_0}^2=e.U_{AK}$ khi bỏ qua động năng ban đầu $W_{đ0}\approx 0$

Bước sóng tia Gơn ghen ngắn nhất khi ta bỏ qua vận tốc ban đầu của e lectron

Với H là hiệu suất 

     $N_p$ số photon

     $I$ Cường độ dòng điện $\left(A\right)$

     $\lambda$ Bước sóng của tia X $\left(m\right)$

Với : $\epsilon$ Năng lượng cần cung cấp

$E_m;E_n$ Mức năng lượng của e ở múc m và n

Mỗi electron trên quỹ đạo xác định thì sẽ có năng lượng xác định khi nó chuyển vạch sẽ hấp thụ hoặc bức xạ photon có năng lượng bằng độ biến thiên năng lượng giữa hai vạch.

Với ${\lambda }_{mn}$ bước sóng mà e phát ra khi đi từ m sang n

$E_m;E_n$ năng lượng mà e có ở mức m,n

null: năng lượng của e ở mức vô cùng bằng 0

$E_m$:năng lượng của e ở mức m

nullbước sóng ứng với mức vô cùng về m

nullbước sóng ứng với m ra mức vô cùng 

Ban đầu e ở quỹ đạo m:

$$\begin{gathered} f_{max}=f_{m1}=\frac{c}{{\lambda }_{m1}}=\frac{E_m-E_1}{h}=\frac{-13,6e\left(\frac{1}{m^2}-1\right)}{h} \left(Hz\right) \\ {\lambda }_{min}={\lambda }_{m1}=\frac{hc}{E_m-E_1}=\frac{hc}{-13,6e\left({\displaystyle \frac{1}{m^2}}-1\right)} \left(m\right) \end{gathered}$$

$f_{m1}$ tần số mà e phát ra khi chuyển từ quỹ đạo m về 1

${\lambda }_{m1}$ bước sóng mà e phát ra khi chuyển từ quỹ đạo m về 1

Khi chiếu ánh sáng vào quả cầu trung hòa về điện các electron bị bật ra ngoài làm cho qua cầu mang điện tích dương sau khi chiếu một thời gian thì electron không bật nữa cho lực hút tĩnh điện lớn

$V_{max}=\frac{\epsilon -A}{e}$ 

Với $V$ điện thế cực đại của quả cầu

     $\epsilon ,A$ năng lượng ánh sáng chiếu vào và công thoát

     $e=1,6.{10}^{-19} \left(C\right)$

$$\begin{gathered} W_{đ}=\epsilon -A=V_{max}e \\ \Rightarrow \lambda =\frac{hc}{V_{max}e+A}=\frac{1}{{\displaystyle \frac{V_{max}e}{hc}}+{\displaystyle \frac{1}{{\lambda }_0}}} \end{gathered}$$

Với $V_{max}$ điện thế cực đại của quả cầu

     $\epsilon ,A$ năng lượng ánh sáng chiếu vào và công thoát

     $e=1,6.{10}^{-19} \left(C\right)$

     ${\lambda }_0$ giới hạn quang điện

Xét 2 quả cầu A , B có thể nhiễm điện bằng cách chiếu ánh sáng thích hợp

$V_{Amax}=\frac{hc}{e}\left(\frac{1}{\lambda }-\frac{1}{{\lambda }_{01}}\right)$

$V_{Bmax}=\frac{hc}{e}\left(\frac{1}{\lambda }-\frac{1}{{\lambda }_{02}}\right)$

Khi điện thế 2 quả cầu cực đại người ta nối điện trở R ở giữa :

TH1 $I=\frac{\left|V_{Amax}-V_{Bmax}\right|}{R}=\frac{hc}{e}\left|\left(\frac{1}{{\lambda }_{01}}-\frac{1}{{\lambda }_{02}}\right)\right|$ $\lambda <{\lambda }_{01},\lambda <{\lambda }_{02}$ Dòng điện đi từ điện thế cao sang thấp

TH2  $I=\frac{V_{Amax}}{R} ; {\lambda }_{01}>\lambda >{\lambda }_{02}$dòng điện đi từ A sang B xem B như là nối đất

TH3 :$I=\frac{V_{Bmax}}{R}:{\lambda }_{02}>\lambda >{\lambda }_{01}$ dòng điện đi từ B sang A xem A như là nối đất

$N_p$ số photon đến

$N_{e bức ra}$ số pho ton bức ra

P: Công suất chiếu sáng 

$H\text{'}$ Hiệu suất tạo dòng điện

$I_{bh}$ cường độ dòng điện bão hòa

Khi ta chiếu ánh sáng thích hợp vào các electron trên bề mặt sẽ bức ra dễ dàng hơn và có động năng cực đại .Các electron ở dưới do có lực liên kết mạnh hơn nên động năng thoát ra nhỏ hơn

$W_{đ}=\epsilon -A=h\left(f-f_0\right)=\frac{hc\lambda {\lambda }_0}{{\lambda }_0-\lambda }$

Với $W_{đ}$ động năng cực đại của e khi thoát ra

       $\epsilon$ năng lượng ánh sáng chiếu vào

       $A$ công thoát

        ${\lambda }_0$ giới hạn quang điện

Với v : vận tốc cực đại của electron $\left(m/s\right)$

     $U_h$ điện thế hãm

      $W_{đ}$ động năng cực đại của electron $\left(J\right)$

      $\epsilon ;A$ năng lượng chùm sáng chiếu vào và công thoát $\left(J\right)$

Công thoát của kim loại là năng lượng cần thiết để electron bức ra khỏi liên kết.

Với ${\lambda }_0$ giới hạn quang điện của kim loại 

Ánh sáng cấu tạo từ các hạt photon chuyển động với tốc độ $c=3.{10}^8 \left(m/s\right)$.Mỗi hat có năng lượng $\epsilon$

Với $\epsilon$ năng lượng ánh sáng $\left(J\right)$

$h=6,625.{10}^{-34} \left(Js\right)$

$c=3.{10}^8 \left(m/s\right)$

Với ${\epsilon }_0$ năng lượng kích hoạt

${\lambda }_0$ giới hạn quang dẫn

Với ${\lambda }_0$ giới hạn của kim loại

h hằng số plank

c vận tốc ánh sáng

 A: công thoát của kim loại

$W_{đ}$ động năng cực đại của electron

Tia gamma là sóng điện từ năng theo năng lượng rất lớn

$f$ là tần số tia gamma

$h$ là hằng số plank