Lượng tử năng lượng - 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.

Phát biểu: Muốn cho hiện tượng quang điện xảy ra thì năng lượng của photon ánh sáng kích thích phải lớn hơn hoặc bằng công thoát.

Chú thích:

$\epsilon$: năng lượng của photon ánh sáng kích thích $\left(J\right)$

$A$: công thoát $\left(J\right)$

Chú thích: 

$\epsilon$: năng lượng của 1 photon $\left(J\right)$

$A$: công thoát $\left(J\right)$

$W_{đmax}$: động năng ban đầu cực đại với $m=m_e=9,1.{10}^{-31}kg$

$e=1,6.{10}^{-19}C$

$U$: độ lớn của hiệu điện thế hãm trong tế bào quang điện $\left(V\right)$

Chú thích: 

$P$: công suất bức xạ $\left(W\right)$

$N$: số photon phát ra trong 1s 

$\epsilon$: năng lượng của một photon $\left(J\right)$

Phát biểu:

- Bình thường electron chỉ chuyển động trên quỹ đạo K (trạng thái cơ bản).

- Khi bị kích thích, electron nhảy lên quỹ đạo có năng lượng lớn hơn L, M, N,...

- Thong thường, người ta coi như vùng trong ánh sáng thấy được của nguyên tử Hidro có 4 vạch quang phổ là đỏ, lam, chàm, tím.

Quang phổ vạch phát xạ của Hidro nằm trong 3 dãy:

+ Dãy Laiman: $e$ chuyển từ trạng thái kích thích $\to$ quỹ đạo K (vùng tử ngoại).

+ Dãy Banme: $e$ chuyển từ trạng thái kích thích $\to$ quỹ đạo L (vùng ánh sáng nhìn thấy và một số vạch thuộc vùng tử ngoại).

+ Dãy Pasen: $e$ chuyển từ trạng thái kích thích $\to$quỹ đạo M (vùng hồng ngoại).

Với : $\epsilon$ Năng lượng cần cung cấp

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

Với $W_{đ}$ là động năng ban đầu

$W_{đ}\text{'}$ là động năng còn lại

m>n $E_m,E_n$ là năng lượng ở mức quỹ đạo m ,n

Định lý động năng

$$\begin{gathered} W_{đN}-W_{đM}=U_{MN}.\left(-e\right) \\ \Rightarrow W_{đN}=-U_{MN}.e+\left(\epsilon -A\right) \end{gathered}$$

Để giảm động năng tại N thì U tăng ,bước sóng tăng

giả sử hạt bay từ M đến N , biết $U_{MN}<0$

Biến thiên động năng:

$W_{đN}-W_{đM}=U_{MN}.\left(-e\right)$

$\Rightarrow v_N=\sqrt{{v_M}^2-\frac{2U_{MN}.e}{m_e}}=\sqrt{\frac{2\left(\epsilon -A\right)-2U_{MN}.e}{m_e}}$

Với $R_1;R_2$ là bán kính quỹ đạo của electron trong từ trường.

      ${\epsilon }_1;{\epsilon }_2$ là năng lượng ánh sáng chiếu tới

      $A$ công thoát

      $W_{đ1} ;W_{đ2}$ là động năng của electron

Gọi M là vị trí mà quang electron dừng lại:

Khi đó vecto cường độ điện trường cùng phương với vận tốc

Biến thiên động năng: 

$$\begin{gathered} W_{đM}-W_{đN}=A_{F_{đ}}=-eE.s \\ \Rightarrow s=\frac{W_{đN}}{eE}=\frac{\left(\epsilon -A\right)}{eE}=\frac{U_h}{E} \end{gathered}$$

Với $\epsilon ; A$ : năng lượng chiếu vào và công thoát

     s : quãng đường đi được

     $U_h$ điện thế hãm của quang electron

     $E$ Cường độ điện trường $\left(V/m\right)$

Với $\epsilon ; A$ : năng lượng chiếu vào và công thoát

     s : quãng đường đi được

     $U_h$ điện thế hãm của quang electron

     $E$ Cường độ điện trường $\left(V/m\right)$

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

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

Với $I_{bh}$ là dòng điện khi tất cả e bức ra đều đến catot

      I là dòng điện đo được bằng Ampe kế (A)

     $N_{e đến}$ là số electron đến được anot

$N_p$ 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 $\left(J\right)$

Với $v_1;v_2$ : vận tốc cực đại của electron ứng với ánh sáng 1 và ánh sáng 2 $\left(m/s\right)$

      $W_{đ1};W_{đ2}$ động năng cực đại của electron ứng với ánh sáng 1 và ánh sáng 2 $\left(J\right)$

      ${\epsilon }_1;{\epsilon }_2;A$ năng lượng chùm sáng chiếu vào ứng với ánh sáng 1 và ánh sáng 2 và công thoát $\left(J\right)$

      ${\lambda }_1;{\lambda }_2;{\lambda }_0$bước sóngchùm sáng chiếu vào ứng với ánh sáng 1 và ánh sáng 2 và giới hạn quang điện

Định nghĩa :

Hiện tượng quang điện là hiện tượng elctron bị bức ra khỏi tâm kim loại khi có ánh sáng phù hợp chiếu vào 

Kết quả : tấm kim loại trung hòa sẽ nhiễm điện dương

Với kim loại kiềm , kiềm thổ : ánh sáng nhìn thấy , ánh sáng hồng ngoại có thể gây ra hiện tượng quang điện.

Với các kim loại khác : vùng ánh sáng tử ngoại có thể gây ra hiện tượng quang điện

Điều kiện xảy ra ": $\lambda \le {\lambda }_0 \left(\epsilon \ge A hay f\ge f_0\right)$

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 $N_p$ số photon phát ra 

$P$ công suất nguồn chiếu sáng

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

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

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

${\lambda }_0$ giới hạn quang dẫn