Giải SGK Chuyên đề Vật lí 12 Bài 9. Hiệu ứng quang điện và năng lượng của photon

Theo Einstein, hiệu ứng quang điện xảy ra khi một electron dẫn trong kim loại hấp thụ một photon của bức xạ điện từ kích thích và nhận toàn bộ năng lượng của photon này.

Giải thích các định luật quang điện:

- Định luật 1: Định luật về giới hạn quang điện

Bên trong kim loại có các electron chuyển động tự do, gọi là các electron dẫn. Để thoát ra khỏi bề mặt một tấm kim loại, các electron dẫn cần được cung cấp một năng lượng đủ lớn, gọi là công thoát, để thắng được lực liên kết trong mạng tinh thể. 

- Định luật 2: Định luật về cường độ dòng điện bão hòa

Khi xảy ra hiệu ứng quang điện, số quang electron bật khỏi cathode trong một đơn vị thời gian tỉ lệ thuận với số photon đập vào cathode trong một đơn vị thời gian, tức là tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ điện từ kích thích. Vì vậy, khi cường độ của dòng quang điện đạt giá trị bão hòa (tức là khi toàn bộ quang electron bật ra khỏi cathode trong một đơn vị thời gian đều về được anode), giá trị bão hòa này tỉ lệ thuận với cường độ của bức xạ điện từ kích thích.

- Định luật 3: Định luật về động năng ban đầu cực đại của quang electron

Động năng ban đầu cực đại của electron chỉ phụ thuộc vào l của bức xạ điện từ kích thích và công thoát A, tức là bản chất của kim loại.

Góc lệch của kim tĩnh điện kế giảm cho biết điện tích âm của tấm kẽm giảm.

Mô hình sóng ánh sáng chỉ ra ánh sáng có tính chất sóng với các dải tần số, bước sóng khác nhau, mang các đặc điểm của sóng cơ như phản xạ, khúc xạ, giao thoa,…

Theo thuyết lượng tự ánh sáng của Einstein thì ánh sáng được cấu tạo từ các hạt photon có năng lượng. Sự phát xạ hay hấp thụ năng lượng của nguyên tử và phân tử không thể giải thích được theo mô hình sóng ánh sáng. Khi photon hấp thụ hay phát xạ năng lượng sẽ có sử nhảy lên các mức năng lượng cao hơn hoặc thấp hơn đồng thời phát xạ hay hấp thụ photon khác.

Sử dụng công thức: \[\varepsilon = hf = \frac{{hc}}{\lambda }\]

1. Nguyên nhân xảy ra hiện tượng quang điện là do tia tử ngoại chiếu vào tấm kẽm làm bật các electron ra khỏi mặt tấm kẽm. Khi sử dụng các loại kính hấp thụ tia tử ngoại, chùm sáng không thể chiếu được đến tấm kẽm nữa nên hiện tượng quang điện không xảy ra.

Hiện tượng này cũng chứng tỏ rằng bức xạ tử ngoại có khả năng gây ra hiện tượng quang điện ở kẽm, còn ánh sáng nhìn thấy thì không.

2. Thí nghiệm này không thể xác định công thoát của electron ở bề mặt tấm kẽm, vì:

- Công thoát (A) là năng lượng đủ lớn để electron thắng được lực liên kết trong mạng tinh thể và thoát ra khỏi bề mặt một kim loại. Công thoát có giá trị khác nhau tùy theo kim loại;

- Năng lượng cung cấp cho electron dẫn đủ để gây ra hiệu ứng quang điện khi: $\epsilon =\frac{hc}{\lambda }\ge A=\frac{hc}{{\lambda }_0};A=\epsilon$ khi $\lambda ={\lambda }_0$.

- Bước sóng l = 320 nm gây ra hiện tượng quang điện, nhưng l có thể lớn hơn l₀, nên thí nghiệm này không thể xác định được chính xác công thoát của electron.

Công thoát của đồng là: \[{A_{Cu}} = \frac{{hc}}{{{\lambda _{0Cu}}}} = \frac{{{{6,626.10}^{ - 34}}{{.3.10}^8}}}{{{{0,3.10}^{ - 6}}}} = {6,626.10^{ - 19}}\] (J)

Công thoát của kẽm là: \[{A_{Zn}} = \frac{{hc}}{{{\lambda _{0Zn}}}} = \frac{{{{6,626.10}^{ - 34}}{{.3.10}^8}}}{{{{0,35.10}^{ - 6}}}} = {5,68.10^{ - 19}}\] (J)