Theo thuyết lượng tử ánh sáng thì năng lượng của | Myphamthucuc.vn

Câu hỏi: Theo thuyết lượng tử ánh sáng thì năng lượng của

A. Một photon bằng năng lượng nghỉ của một electron.

B. Một photon phụ thuộc vào khoảng cách từ photon đó tới nguồn phát ra nó.

C. Các photon trong chùm sáng đơn sắc bằng nhau.

D. Một photon tỉ lệ thuận với bước sóng ánh sáng tương ứng với photon đó.

Lời giải

Đáp án: C. Các photon trong chùm sáng đơn sắc bằng nhau.

Giải thích:

Chùm ánh sáng đơn sắc có cùng tần số nên năng lượng bằng nhau: 

+ Năng lượng nghỉ của e là một hằng số , còn năng lượng của các photon có bước song , tần số khác nhau là khác nhau → A sai

+ Năng lượng của photon không phụ thuộc vào khoảng cách từ nó đến nguồn, photon truyền năng lượng đi là không đổi → B sai

+ Năng lượng của một photon tỉ lệ nghịch với bước song của nó → D sai

Kiến thức mở rộng:

I. Thuyết lượng tử ánh sáng

1. Lượng tử năng lượng của Plăng:

 Nguyên tử hay phân tử hấp thụ hay bức xạ ánh sáng một cách không liên tục, mà thành từng phần riêng biệt, đứt quãng. Mỗi phần đó mang một năng lượng hoàn toàn xác định, gọi là một lượng tử ánh sáng, có độ lớn ε = hf. Trong đó f là tần số ánh sáng, còn h = 6,625.10-34Js gọi là hằng số Plăng.

Chú ý:

+ Khi ánh sáng truyền đi, các lượng tử ánh sáng e = hf không bị thay đổi và không phụ thuộc vào khoảng cách tới nguồn sáng.

+ Tuy mỗi lượng tử ánh sáng ε = hf mang năng lượng rất nhỏ nhưng trong chùm sáng lại có một số rất lớn lượng tử ánh sáng, vì thế ta có cảm giác chùm sáng là liên tục.

2. Thuyết phôtôn của Anhxtanh

Chùm ánh sáng được coi như một chùm hạt, mỗi hạt được gọi là một phôtôn, mang một lượng tử năng lượng ε = hf. Các phôtôn chuyển động với vận tốc ánh sáng. Với ánh sáng có tần số đã cho, cường độ chùm sáng tí lệ với số phôtôn trong chùm.

II. Hiện tượng quang điện ngoài

1. Định nghĩa. 

Là hiện tượng khi chiếu chùm sáng thích hợp vào mặt kim loại thì làm các êlectrôn từ kim loại bật ra.

Định luật quang điện I: 

Đối với mỗi kim loại dùng làm Katôt có một bước sóng giới hạn λ0 nhất định, gọi là giới hạn quang điện. Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi bước sóng  λ của ánh sáng kích thích nhỏ hơn hoặc bằng giới hạn quang điện  λ ≤ λ0

III. Hiện tượng điện trong và hiện tượng quang dẫn

1. Hiện tượng quang điện trong: khi mỗi photon của ánh sáng kích thích bị hấp thụ sẽ giải phóng e liên kết đế trở thành e tự do (e dẫn) chuyển động trong khối chất bán dẫn (không bật ra ngoài) gọi là hiện tượng quang điện trong (cách gọi này nhằm để phân biệt với hiện tượng quang điện ngoài)

Chú ý: Do chỉ cần làm e thoát ra khỏi liên kết, không cần bật ra ngoài nên năng lượng kích thích nhỏ, vì vậy hiện tượng quang điện trong có thể xảy ra ngay cả với ánh sáng kích thích là các tia hồng ngoại. Còn hiện tượng quang điện ngoài chỉ xảy ra với tia tử ngoại (trừ kim loại kiềm có tác dụng với ánh sáng nhìn thấy).

2. Hiện tượng quang dẫn: là hiện tượng giảm mạnh điện trở của chất bán dẫn khi chiếu vào nó ánh sáng thích hợp.

3. Quang trở và pin quang điện

a. Quang trở: Là thiết bị mà điện trở của nó thay đổi trị số khi thay đổi cường độ chùm sáng chiếu vào nó.

* Cấu tạo gồm lớp chất bán dẫn (cadimi sunfua CdS chẳng hạn) phủ trên tấm nhựa cách điện và 2 điện cực kim loại như hình vẽ.             

* Hoạt động: Nối quang trở với một nguồn điện khoảng vài vôn qua miliampe kế. Khi quang trở đặt trong 
tối thì trong mạch không có dòng điện. Khi chiếu ánh sáng có bước sóng ngắn hơn giới hạn quang dẫn của chất bán dẫn thì trong mạch có dòng điện.

* Ứng dụng: Quang trở thay tế bào quang điện trong các mạch điều khiển tự động.

b. Pin quang điện: Là một nguồn điện trong đó quang năng biến đổi trực tiếp thành điện năng.

* Cấu tạo: ví dụ pin đồng ôxit: Một điện cực bằng đồng trên lớp vỏ phủ lớp đồng ôxit Cu₂O. Phun lớp kim loại rất mỏng (tới mức cho ánh sáng truyền qua được) đế làm điện cực thứ hai. Ở chỗ tiếp xúc giữa Cu và Cu₂O xuất hiện lớp đặc biệt: Chỉ cho e chạy qua theo chiều từ Cu₂O sang Cu.               

* Hoạt động: Khi ánh sáng thích hợp chiếu vào lóp Cu₂O làm e liên kết giải phóng thành e- dẫn và một phần e đó khuếch tán sang cực Cu. Cực Cu thừa e nhiễm điện âm, Cu₂O nhiễm điện dương. Giữa 2 cực hình thành một suất điện động. Nối 2 cực bởi dây dẫn qua điện kế thì nó chỉ dòng điện có chiều từ Cu₂O
sang Cu như hình vẽ.

* Ứng dụng: Làm các pin mặt trời trong máy tính nhỏ và trong các vệ tinh nhân tạo.

IV. Tiên đề Bohr

1. Tiên đề

a. Về trạng thái dừng: Nguyên tử chỉ tồn tại ở trạng thái có năng lượng xác định gọi là trạng thái dừng. Trong trạng thái dừng nguyên tử không hấp thụ hoặc bức xạ năng lượng.

b. Về sự bức xạ và hấp thụ năng lượng         

– Khi nguyên tử ở trạng thái dừng có năng lượng E_m cao hơn chuyển sang trạng thái dừng năng lượng En thấp hơn thì phát ra photon có năng lượng đúng bằng hiệu: ε = hf_mn = E_m – E_n

– Ngược lại, khi e đang ở trạng thái dừng năng lượng En thấp, nếu hấp thụ phôtôn có năng lượng ε = hf_mn = E_m – E_n thì sẽ nhảy lên trạng thái có năng lượng Em cao hơn.

c. Hệ quả: Trong trạng thái dừng, các e chỉ chuyển động theo quỹ đạo có bán kính xác định, tỷ lệ với bình phương số tự nhiên: r = n².r_o

2. Hình ảnh quang phổ vạch của Hidro quan sát được               

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

– Khi bị kích thích, e nhảy lên quỹ đạo có năng lượng lớn hơn L, M, N, O, P,… Thời gian ở trạng thái kích
thích rất ngắn (10^-8 s), sau đó e chuyển về các quỹ đạo bên trong và phát ra phôton có năng lượng đúng
bằng hiệu ε = hf = E_cao – E_thấp.

– Mỗi phôton tần số f ứng với vạch ánh sáng có bước sóng  cho 1 vạch quang phổ. Quang phổ vạch phát xạ của Hidro nằm trong 3 dãy tách rời:

+ Dãy Lai-man: nằm trong vùng tử ngoại. Ứng với e chuyển từ quỹ đạo bên ngoài về quỹ đạo K

• Vạch có bước sóng dài nhất λ_LK khi e chuyển từ L → K
• Vạch có bước sóng ngắn nhất λ_∞K khi e chuyển từ ∞ → K.

+ Dãy Banme: Một phần nằm trong vùng tử ngoại, một phần nằm trong vùng ánh sáng nhìn thấy. Ứng với e chuyển từ quỹ đạo bên ngoài về quỹ đạo L

• Vùng ánh sáng nhìn thấy có 4 vạch:
• Vạch đỏ H_α ứng với e khi chuyển từ M → L
• Vạch lam H_β ứng với e khi chuyển từ N → L
• Vạch chàm H_γ ứng với e khi chuyển từ O → L
• Vạch tím H_δ ứng với e khi chuyển từ M → L

Chú ý: Vạch có bước sóng dài nhất λ_MK khi e chuyển từ M → L (vạch đỏ).

           Vạch có bước sóng ngắn nhất λ_∞K khi e chuyển từ ∞ → L.

+ Dãy Pasen: Nằm trong vùng hồng ngoại. Ứng với e chuyển từ quỹ đạo bên ngoài về quỹ đạo M

          Vạch có bước sóng dài nhất λ_MN khi e chuyển từ M → N.

          Vạch có bước sóng ngắn nhất λ_∞M khi e chuyển từ ∞ → N.

* Mối liên hệ giữa các bước sóng và tần số của các vạch quang phổ:

V. Các dạng quang phát quang

Sự phát quang của một số chất khi có ánh sáng thích hợp (ánh sáng kích thích) chiếu vào nó, gọi là hiện tượng quang phát quang. Có hai loại quang phát quang:

+ Sự huỳnh quang: sự phát quang có thời gian phát quang ngắn (dưới 10^-8s). Nó thường xảy ra với chất lỏng và chất khí

 + Sự lân quang: là sự phát quang có thời gian phát quang dài (10^-8s trở lên); nó thường xảy ra với chất rắn. 

Đặc điểm nổi bật của các sự phát quang là bước sóng λ’ của ánh sáng phát quang bao giờ cũng lớn hơn bước sóng λ của ánh sáng mà chất phát quang hấp thụ λ’ > λ (Còn có thể viết theo năng lượng ε’ < ε hoặc tần số f’ < f).

VI. Sơ lược về laze

1. Định nghĩa: Laze là một nguồn sáng phát ra một chùm sáng cường độ lớn dựa trên ứng dụng hiện tượng phát xạ cảm ứng.

Nguyên tử đang ở trạng thái kích thích có năng lượng E2 chịu tác động của phôtôn bên ngoài có năng lượng ε’ bị kích thích chuyển về trạng thái năng lượng thấp E1, đồng thời phát ra phôtôn có năng lượng ε = hf = E₂ – E₁. Giá trị ε’ đúng bằng quá trình này được gọi là sự phát xạ cảm ứng.

2. Một số đặc điếm của tia laze

+ Tia laze là chùm sáng kết hợp (vì các phôtôn cùng tần số và pha).

+ Tia laze có tính đơn sắc.

+ Chùm tia laze là chùm sáng song song (có tính định hướng cao).

+ Chùm tia laze có cường độ lớn.

3. Ứng dụng của tia Laze

Laze được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực như y học, công nghiệp, thông tin liên lạc… Có thế dùng tia Laze như dao mổ trong phẫu thuật, khoan cắt vật liệu, dùng tia Laze trong các đầu đọc đĩa, bút chì bảng, trắc địa, vô tuyến định vị, liên lạc vệ tinh. vv.