HAT PHYSICS LEARNING · CHUYÊN ĐỀ VẬT LÍ 12 · KẾT NỐI TRI THỨC

Bài 09 – Hiệu ứng quang điện và năng lượng của photon

Chuyên đề 3 · Vật lí lượng tử · Hiệu ứng quang điện ngoài, photon và thực hành khảo sát dòng quang điện

Bài 09 · Chuyên đề 33 mô phỏng mô hình36 tự luyện · 22 kiểm tra

01 · MỤC TIÊU

Hiểu vì sao ánh sáng có thể làm bật electron khỏi kim loại

Nhận biết

Trình bày thí nghiệm Hertz; nhận biết quang electron, giới hạn quang điện và ba định luật quang điện ngoài.

Thông hiểu

Phát biểu thuyết photon; giải thích sự phụ thuộc của hiện tượng quang điện vào bước sóng và cường độ chùm sáng.

Vận dụng

Giải bài toán năng lượng photon, công thoát, động năng cực đại, điện thế hãm và số photon theo đơn vị phù hợp.

Thực hành – đánh giá

Quan sát và xử lí đường đặc trưng vôn–ampe của tế bào quang điện trong mô hình; xác định điện thế hãm và dòng bão hòa.

Khởi động: Cùng chiếu vào tấm kẽm, vì sao một chùm ánh sáng tử ngoại yếu có thể làm bật electron, còn ánh sáng đỏ rất mạnh vẫn không? Dự đoán: Tăng số photon hay tăng năng lượng của từng photon mới quyết định điều kiện phát electron? Kiểm chứng: Thao tác mô phỏng 01–02.

Bám Chuyên đề học tập Vật lí 12 KNTT, Bài 9, trang 48–55 (trang mở đầu chuyên đề 47). Các bài tính dùng gần đúng hc ≈ 1240 eV·nm; sai lệch do làm tròn được chấp nhận khi nêu rõ.

02 · KIẾN THỨC TRỌNG TÂM

Hiệu ứng quang điện ngoài và thuyết lượng tử ánh sáng

I. Sự phát hiện hiệu ứng quang điện

Năm 1887, Hertz phát hiện: khi bức xạ tử ngoại thích hợp chiếu lên tấm kẽm tích điện âm nối với tĩnh điện kế, điện tích âm giảm dần. Electron được giải phóng khỏi bề mặt kim loại. Hiệu ứng quang điện ngoài là hiện tượng electron bị bật ra khỏi mặt kim loại khi được chiếu bức xạ thích hợp; electron đó gọi là quang electron. Tấm kẽm tích điện dương không cho kết luận tương tự chỉ từ hiện tượng mất điện tích.

Hình minh họa nguyên lí thí nghiệm Hertz. Kính lọc hấp thụ UV có thể làm hiện tượng biến mất.

II. Ba định luật quang điện

Định luật 1 – giới hạn: với mỗi kim loại, quang điện ngoài chỉ xảy ra khi \(\lambda\le\lambda_0\), trong đó \(\lambda_0\) là giới hạn quang điện. Định luật 2 – dòng bão hòa: khi bước sóng thích hợp và giữ nguyên điều kiện thu, dòng quang điện bão hòa tỉ lệ với cường độ chùm sáng kích thích. Định luật 3 – động năng cực đại: không phụ thuộc vào cường độ kích thích, phụ thuộc bước sóng và kim loại.

Trong tế bào quang điện chân không, đặt điện áp anôt so với catôt \(U_{AK}\). Khi giảm điện áp tới giá trị âm \(-U_h\), dòng quang điện bị triệt tiêu. Đại lượng \(U_h\ge0\) là độ lớn điện thế hãm; cần phân biệt nó với hiệu điện thế thực \(U_{AK}=-U_h\) ở điểm hãm.

III. Thuyết lượng tử ánh sáng – photon

Một chùm sáng được xem là dòng photon. Trong chùm sáng đơn sắc tần số \(f\), mỗi photon có năng lượng \(\varepsilon=hf\). Photon được hấp thụ hoặc phát xạ theo lượng tử; tốc độ trong chân không bằng \(c\). Sự đổi cường độ chùm đơn sắc làm đổi chủ yếu số photon đến mỗi giây, không làm đổi năng lượng của từng photon.

Hệ thức trọng tâmNăng lượng photon

\[\\varepsilon=hf=\frac{hc}{\lambda}\\approx\frac{1240}{\lambda\ (\mathrm{nm})}\ \mathrm{eV}\]

(1)

Kí hiệu	Ý nghĩa	Đơn vị
\(\varepsilon\)	năng lượng một photon	J hoặc eV
\(f\)	tần số	Hz
\(\lambda\)	bước sóng trong chân không	m hoặc nm

Điều kiện áp dụng: Công thức gần đúng 1240 dùng λ bằng nm; \(1\,\mathrm{eV}=1{,}602\times10^{-19}\,\mathrm J\); \(h\approx6{,}626\times10^{-34}\,\mathrm{J\,s}\).

IV. Công thoát và giải thích ba định luật

Công thoát \(A\) là năng lượng tối thiểu để một electron thoát khỏi bề mặt kim loại. Electron chỉ có thể thoát nếu nhận một photon có \(hf\ge A\). Phần năng lượng dư, trong trường hợp thuận lợi nhất, trở thành động năng ban đầu cực đại của quang electron. Đây là lí do tồn tại giới hạn quang điện và vì sao tăng cường độ chùm đỏ không tự tạo hiệu ứng ở kim loại có ngưỡng tử ngoại.

Hệ thức trọng tâmGiới hạn quang điện

\[A=\frac{hc}{\lambda_0};\qquad \lambda\leq\lambda_0\]

(2)

Kí hiệu	Ý nghĩa	Đơn vị
\(A\)	công thoát electron	J hoặc eV
\(\lambda_0\)	bước sóng giới hạn	m hoặc nm

Điều kiện áp dụng: Với hiệu ứng quang điện ngoài ở bề mặt kim loại; λ và λ₀ đều là bước sóng ánh sáng trong chân không (hoặc trong không khí khi coi sai khác không đáng kể).

Hệ thức trọng tâmPhương trình Einstein

\[\frac{hc}{\lambda}=A+K_{\max};\qquad K_{\max}=\frac12 m_ev_{\max}^{2}\]

(3)

Kí hiệu	Ý nghĩa	Đơn vị
\(K_{\max}\)	động năng ban đầu cực đại	J hoặc eV
\(m_e\)	khối lượng electron	kg
\(v_{\max}\)	tốc độ lớn nhất	m/s

Điều kiện áp dụng: Đối với electron quang điện ngoài; biểu thức động năng cổ điển khi \(v\ll c\). Nếu \(hf=A\) thì \(K_{\max}=0\).

Hệ thức trọng tâmĐiện thế hãm

\[eU_h=K_{\max};\quad U_{AK,\,\mathrm{ham}}=-U_h\]

(4)

Kí hiệu	Ý nghĩa	Đơn vị
\(e\)	độ lớn điện tích electron	C
\(U_h\)	độ lớn điện thế hãm	V
\(U_{AK}\)	điện áp anôt so với catôt	V

Điều kiện áp dụng: Tế bào quang điện chân không và điện thế hãm được xác định bằng cách triệt dòng; nếu không xảy ra quang điện, không suy ra điện thế hãm từ phép đo.

Hệ thức trọng tâmSố photon trong chùm đơn sắc

\[\dot N=\frac{P}{hf}=\frac{P\lambda}{hc}\]

(5)

Kí hiệu	Ý nghĩa	Đơn vị
\(\dot N\)	số photon phát tới mỗi giây	photon/s
\(P\)	công suất ánh sáng đơn sắc chiếu tới	W

Điều kiện áp dụng: Nguồn đơn sắc, P là công suất bức xạ tương ứng, chưa kể phản xạ và hiệu suất giải phóng electron.

V. Thực hành khảo sát dòng quang điện

Dụng cụ mô hình: tế bào quang điện chân không, nguồn ánh sáng đơn sắc phù hợp, nguồn hiệu điện thế điều chỉnh được, ampe kế nhạy và vôn kế. Quy trình: giữ nguyên kim loại, bước sóng và cường độ sáng; quét điện áp \(U_{AK}\) từ âm sang dương, ghi \(I\); lặp lại với cường độ sáng khác. Từ đồ thị xác định vị trí triệt dòng và vùng bão hòa; phân biệt số liệu mô phỏng với số đo thực.

Điểm cần tránh: (1) Tăng cường độ sáng không thể bù điều kiện \(\lambda>\lambda_0\). (2) Ở bước sóng và vật liệu cố định, tăng cường độ làm tăng dòng bão hòa, không tăng \(K_{\max}\). (3) Không gọi mọi photon tới kim loại đều làm bật một electron; còn phản xạ và xác suất hấp thụ.

VI. Ví dụ vận dụng có lời giải từng bước

Ví dụ 01 · Năng lượng photon ở 400 nm

Đề: Bức xạ đơn sắc trong chân không có λ = 400 nm. Tính ε theo eV và J.

Lời giải: Bước 1: Dùng ε≈1240/λ(nm). Bước 2: ε≈1240/400=3,10 eV. Bước 3: đổi J: ε≈3,10×1,602×10⁻¹⁹≈4,97×10⁻¹⁹ J.

Ví dụ 02 · Giới hạn quang điện của natri

Đề: Một bề mặt Na có giới hạn λ₀=500 nm. Tính công thoát.

Lời giải: A≈1240/500=2,48 eV, tương đương khoảng 3,97×10⁻¹⁹ J.

Ví dụ 03 · Xác định điều kiện phát electron

Đề: Chiếu ánh sáng λ=600 nm lên Na có λ₀=500 nm. Có quang điện ngoài không?

Lời giải: Do 600>500 nm nên ε<A, không có quang electron, dù tăng cường độ sáng đơn sắc này.

Ví dụ 04 · Động năng ban đầu cực đại

Đề: Na có λ₀=500 nm, chiếu λ=400 nm. Tính Kmax.

Lời giải: ε≈1240/400=3,10 eV; A≈1240/500=2,48 eV; Kmax=ε−A=0,62 eV.

Ví dụ 05 · Hiệu điện thế hãm

Đề: Với dữ kiện ví dụ trước, xác định độ lớn điện thế hãm và dấu UAK khi triệt dòng.

Lời giải: eUh=Kmax. Vì Kmax=0,62 eV nên Uh=0,62 V; điểm hãm ứng với UAK=−0,62 V.

Ví dụ 06 · Chùm sáng mạnh gấp ba

Đề: Chiếu cùng bước sóng 400 nm lên cùng catôt Na. Tăng công suất kích thích gấp 3, các điều kiện khác giữ nguyên.

Lời giải: Số photon mỗi giây gấp 3 nên dòng bão hòa tăng xấp xỉ gấp 3 nếu hiệu suất thu không đổi; Kmax=0,62 eV và Uh=0,62 V không đổi.

Ví dụ 07 · Tính tốc độ cực đại electron

Đề: Trong miền phi tương đối tính, electron có Kmax=0,62 eV. Tính vmax, cho me=9,11×10⁻³¹ kg.

Lời giải: K≈0,62×1,602×10⁻¹⁹=9,93×10⁻²⁰ J; vmax=√(2K/me)≈4,67×10⁵ m/s; nhỏ hơn nhiều so với c.

Ví dụ 08 · Tìm bước sóng từ điện thế hãm

Đề: Với kim loại có A=2,00 eV, đo Uh=1,10 V trong chân không. Tính bước sóng ánh sáng kích thích.

Lời giải: Kmax=eUh=1,10 eV; ε=A+Kmax=3,10 eV; λ≈1240/3,10=400 nm.

Ví dụ 09 · Xác định λ₀ từ công thoát

Đề: Một kim loại có A=3,10 eV. Tính giới hạn quang điện.

Lời giải: λ₀≈1240/3,10=400 nm. Bức xạ λ=400 nm ở ngưỡng, Kmax≈0.

Ví dụ 10 · Số photon từ công suất bức xạ

Đề: Nguồn đơn sắc λ=620 nm phát tới bề mặt công suất 1,00 mW. Ước lượng số photon tới trong 1 s.

Lời giải: ε≈1240/620=2,00 eV≈3,204×10⁻¹⁹ J; N=PΔt/ε=0,001×1/(3,204×10⁻¹⁹)≈3,12×10¹⁵ photon.

Ví dụ 11 · Tìm công thoát từ kết quả đo

Đề: Chiếu ánh sáng 310 nm lên kim loại và đo Uh=0,50 V; giả thiết tế bào chân không. Tính A.

Lời giải: ε≈1240/310=4,00 eV; Kmax=0,50 eV; A=4,00−0,50=3,50 eV; λ₀≈1240/3,50≈354,3 nm.

Ví dụ 12 · Đọc đồ thị vôn–ampe

Đề: Với cùng bước sóng phù hợp, hai đồ thị có điểm hãm UAK=−0,50 V nhưng dòng bão hòa lần lượt 4 và 8 μA. Nhận xét.

Lời giải: Cùng điểm hãm ⇒ cùng Kmax=0,50 eV. Dòng bão hòa gấp đôi cho thấy chùm 2 có cường độ phù hợp lớn hơn khoảng hai lần khi giữ điều kiện thu và hiệu suất không đổi.

Khi giải bài có số liệu chính xác cao, nên tính với h, c và e đầy đủ rồi chỉ làm tròn ở bước cuối.

03 · QUAN SÁT – THỰC HÀNH SỐ

Ba thí nghiệm tương tác: photon, dòng quang điện và đường đặc trưng V–A

Thông số và dữ liệu trong mô phỏng là giả lập phục vụ giảng dạy; không phải kết quả đo tại phòng thí nghiệm.

01 · Ngưỡng phát electron: năng lượng photon, công thoát và điện thế hãm

Dự đoán: Tăng cường độ sáng có thể làm bật electron khi λ lớn hơn λ₀ không?
Thao tác: Chọn bước sóng và giới hạn quang điện, tăng giảm công suất tương đối; so sánh ε và A.
Giới hạn: Biểu đồ năng lượng lí tưởng, giả thiết mỗi photon bị hấp thụ bởi một electron; không mô tả hiệu suất lượng tử thực.

λ chiếu tới (nm)λ₀ kim loại (nm)Cường độ tương đối (0–10)

02 · Đặc tuyến dòng quang điện I–U và điện thế hãm

Dự đoán: Tăng cường độ kích thích thì điểm triệt dòng hay giá trị bão hòa sẽ thay đổi?
Thao tác: Thay đổi λ, λ₀ và cường độ; quan sát hai đường I–U trên cùng trục.
Giới hạn: Hàm tăng đến bão hòa chỉ là đường cong giả lập; hình dạng I–U thực phụ thuộc cấu trúc tế bào, phân bố năng lượng electron và hình học điện cực.

λ (nm)λ₀ (nm)Cường độ tương đối

03 · Thực hành khảo sát các kim loại và xuất bảng số liệu V–A

Dự đoán: Với ánh sáng 400 nm, kẽm hay natri có thể phát quang electron?
Thao tác: Chọn kim loại, bước sóng và cường độ; quan sát điều kiện phát electron, điện thế hãm, bảng I–U giả lập; xuất CSV để vẽ đồ thị.
Giới hạn: Giá trị λ₀ chỉ là dữ liệu minh họa tiêu biểu theo SGK; tính chất bề mặt kim loại thực có thể làm lệch kết quả.

Kim loạiλ kích thích (nm)Cường độ tương đối

04 · LUYỆN TẬP – KIỂM TRA

36 câu tự luyện – 22 câu kiểm tra/10 điểm · Quang điện

36 Tự luyện

6 Nhóm kiến thức

22 Kiểm tra

10 Điểm tối đa

Tự luyện không lộ đáp án trước khi chọn/nhập; kiểm tra V4 gồm 8 ABCD, 4 Đúng/Sai bốn ý, 8 trả lời ngắn chỉ nhập số và 2 tự luận theo rubric.

Phần A · Tự luyện (6 nhóm × 6 câu)

Nhóm kiến thứcTìm câu hỏi

Tiến độ: 0/36

Phần B · Kiểm tra (22 câu / 10 điểm)

05 · SƠ ĐỒ TƯ DUY

Bản đồ tư duy – Từ Hertz đến công thức Einstein

Ôn tập qua sáu nhánh: thí nghiệm, định luật, photon, công thoát, thế hãm và thực hành.

06 · EM CÓ BIẾT?

Liên hệ khám phá lượng tử và thực hành an toàn

Vì sao Einstein nhận Nobel?

Giải Nobel Vật lí năm 1921 ghi nhận công trình giải thích định luật hiệu ứng quang điện, một dấu mốc của vật lí lượng tử.

Ánh sáng đỏ thật mạnh có bứt electron khỏi kẽm không?

Trong mô hình quang điện ngoài một photon – một electron, nếu photon đỏ không đủ năng lượng so với công thoát thì tăng công suất vẫn không phát electron. Hiệu ứng đa photon ở cường độ laser cực lớn không thuộc phạm vi bài.

Tại sao tia tử ngoại làm tấm kẽm mất điện tích âm?

Photon đủ năng lượng giải phóng electron trên bề mặt, khiến độ lớn điện tích âm của tấm giảm.

Điện thế hãm có phải là điện áp dương?

Không. Uh được gọi là độ lớn (không âm). Điện áp giữa anôt và catôt tại điểm hãm UAK = −Uh.

Quang điện ngoài có giống quang điện trong?

Không. Quang điện ngoài phát electron ra khỏi bề mặt; quang điện trong tăng hạt tải trong vật liệu và có cơ chế/ngưỡng khác.

Thí nghiệm trường học cần an toàn gì?

Chỉ dùng bộ thí nghiệm được kiểm soát; tránh nhìn vào đèn UV mạnh và không tự thao tác phần nguồn điện áp cao. Các đồ thị ở đây dùng dữ liệu giả lập.