Tần số của ánh sáng đơn sắc - 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: 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).

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 $\infty \to M$.

Với $v\text{'}$: Vận tốc ánh sáng trong môi trường n $\left(m/s\right)$

       $f:$Tần số của sóng ánh sáng $\left(Hz\right)$

       $\lambda$: Bước sóng ánh sáng trong không khí $\left(m\right)$

       c : Vận tốc ánh sáng trong chân không $\left(m/s\right)$

       n: Chiết suất của môi trường với ánh sáng đó 

Tia hồng ngoại là sóng điện từ có bước sóng trong chân không lớn hơn bước sóng ánh sáng đỏ và nằm trong vùng không quan sát bằng mắt thường.

$\lambda >{\lambda }_{đỏ}=0,76 \left(\mu m\right)$

Chiếm 50% năng lượng mặt trời

Các tác dụng:

Tác dụng nhiệt : sấy khô

Gây ra hiên tượng quang điện trong.

Gây ra một số phản ứng : chụp ảnh đêm.

Biến điệu: remote

Tia tử ngoại là sóng điện từ có bước sóng trong chân không nhỏ hơn bước sóng ánh sáng tím và nằm trong vùng không quan sát bằng mắt thường.

$\lambda <{\lambda }_{tím}=0,38 \left(\mu m\right)$ và $f=\frac{c}{\lambda }$

Các tác dụng:

-Gây ra hiên tượng quang điện.

- Ion hóa mạnh

-Phát quang một số chất

-Xuyên qua thạch anh

-Hủy nhiệt tế bào

- Tìm vết nứt

Nằm trong vùng không quan sát được

Có các tác dụng :

- Tính đâm xuyên mạnh. Tần số của X càng nhỏ thì tia X càng cứng

- Phát quang một số chất , gây ra hiện tượng quang điện.

- Ion hóa mạnh.

- Hủy diệt tế bào.

- Tìm khuyết bên trong kim loại..

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 $\lambda$ Bước sóng ánh sáng đơn sắc $\left(\mu m\right)$

      c: Tốc độ ánh sáng trong chân không $\left(m\right)$

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

Lúc này điện thế tối đa của quả cầu sẽ tương ứng với ánh sáng có năng lượng cao nhất

Với $f_1$ tương ứng $V_1$

Với $f_2=f_1+af$ tương ứng $V_2$

Xác định $V_3$ tương ứng với $\lambda$

$$\begin{gathered} f_1-f_0=e\frac{V_1}{h}\Rightarrow f_1=\frac{e}{h}{V}_1+f_0 \\ {f}_1+af-f_0=e\frac{V_2}{h}\Rightarrow f_1+af=\frac{e}{h}{V}_2+f_0 \\ f-f_0=e\frac{V_3}{h}\Rightarrow f=f_0+\frac{e}{h}{V}_3 \\ \Rightarrow \frac{e}{h}{V}_1+a\frac{e}{h}{V}_3+a{f}_0+f_0=\frac{e}{h}{V}_2+f_0 \\ \Rightarrow V_3=\frac{V_2-V_1-{\displaystyle \frac{A}{e}}}{a} \end{gathered}$$

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 $v_1;v_2$ : 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 $\left(J\right)$

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

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

$f_{chiếu}=f_1+f_2$ Với $f_{chiếu}>f_2>f_1$

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

${\lambda }_0$ giới hạn quang dẫn