Giáo án Vật Lí 12 Bài 30: Hiện tượng quang điện. Thuyết lượng tử ánh sáng mới nhất

HOẠT ĐỘNG 1: Khởi động (2’)

Mục tiêu: HS biết được các nội dung cơ bản của bài học cần đạt được, tạo tâm thế cho học sinh đi vào tìm hiểu bài mới.

Phương pháp dạy học: Dạy học nhóm; dạy học nêu và giải quyết vấn đề; phương pháp thuyết trình; sử dụng đồ dung trực quan

Định hướng phát triển năng lực: Năng lực thực nghiệm, năng lực quan sát, năng lực sáng tạo, năng lực trao đổi. Phẩm chất tự tin, tự lập, giao tiếp.

- Chiếu ánh sáng hồ quang vào tấm kẽm tích điện âm làm bật êlectron khỏi mặt tấm kẽm. Đó là hiện tượng gì?

Bài học hôm nay sẽ trả….

- HS ghi nhớ

- HS đưa ra phán đoán

HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN.

THUYẾT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG

HOẠT ĐỘNG 2: Hình thành kiến thức (20’)

Mục tiêu:

- định luật về giới hạn quang điện.

- giả thuyết Plăng và viết được biểu thức về lượng tử năng lượng,thuyết lượng tử ánh sáng và nêu được những đặc điểm của phôtôn.

- Vận dụng được thuyết phôtôn để giải thích định luật về giới hạn quang điện.

- lưỡng tính sóng - hạt của ánh sáng.

Phương pháp dạy học: Dạy học nhóm; dạy học nêu và giải quyết vấn đề; phương pháp thuyết trình; sử dụng đồ dung trực quan.

Định hướng phát triển năng lực: Năng lực thực nghiệm, năng lực quan sát, năng lực sáng tạo, năng lực trao đổi. Phẩm chất tự tin, tự lập, giao tiếp.

- Minh hoạ thí nghiệm của Héc (1887)

- Góc lệch tĩnh điện kế giảm → chứng tỏ điều gì?

- Không những với Zn mà còn xảy ra với nhiều kim loại khác.

- Nếu làm thí nghiệm với tấm Zn tích điện dương → kim tĩnh điện kế sẽ không bị thay đổi → Tại sao?

→ Hiện tượng quang điện là hiện tượng như thế nào?

- Nếu trên đường đi của ánh sáng hồ quang đặt một tấm thuỷ tinh dày → hiện tượng không xảy ra → chứng tỏ điều gì?

- Tấm kẽm mất bớt điện tích âm → các êlectron bị bật khỏi tấm Zn.

- Hiện tượng vẫn xảy ra, nhưng e bị bật ra bị tấm Zn hút lại ngay → điện tích tấm Zn không bị thay đổi.

- HS trao đổi để trả lời.

- Thuỷ tinh hấp thụ rất mạnh tia tử ngoại → còn lại ánh sáng nhìn thấy→ tia tử ngoại có khả năng gây ra hiện tượng quang điện ở kẽm. Còn ánh sáng nhìn thấy được thì không.

I. Hiện tượng quang điện

1. Thí nghiệm của Héc về hiện tượng quang điện

- Chiếu ánh sáng hồ quang vào tấm kẽm tích điện âm làm bật êlectron khỏi mặt tấm kẽm.

2. Định nghĩa

- Hiện tượng ánh sáng làm bật các êlectron ra khỏi mặt kim loại gọi là hiện tượng quang điện (ngoài).

3. Nếu chắn chùm sáng hồ quang bằng một tấm thuỷ tinh dày thì hiện tượng trên không xảy ra → bức xạ tử ngoại có khả năng gây ra hiện tượng quang điện ở kẽm.

- Thông báo thí nghiệm khi lọc lấy một ánh sáng đơn sắc rồi chiếu vào mặt tấm kim loại. Ta thấy với mỗi kim loại, ánh sáng chiếu vào nó (ánh sáng kích thích) phải thoả mãn λ ≤ λ₀ thì hiện tượng mới xảy ra.

- Khi sóng điện tích lan truyền đến kim loại thì điện trường trong sóng sẽ làm cho êlectron trong kim loại dao động. Nếu E lớn (cường độ ánh sáng kích thích đủ mạnh) → êlectron bị bật ra, bất kể sóng điện từ có λ bao nhiêu.

- Ghi nhận kết quả thí nghiệm và từ đó ghi nhận định luật về giới hạn quang điện.

- HS được dẫn dắt để tìm hiểu vì sao thuyết sóng điện từ về ánh sáng không giải thích được.

II. Định luật về giới hạn quang điện

- Định luật: Đối với mỗi kim loại, ánh sáng kích thích phải có bước sóng λ ngắn hơn hay bằng giới hạn quang điện λ₀ của kim loại đó, mới gây ra được hiện tượng quang điện.

- Giới hạn quang điện của mỗi kim loại là đặc trưng riêng cho kim loại đó.

- Thuyết sóng điện từ về ánh sáng không giải thích được mà chỉ có thể giải thích được bằng thuyết lượng tử.

- Khi nghiên cứu bằng thực nghiệm quang phổ của nguồn sáng → kết quả thu được không thể giải thích bằng các lí thuyết cổ điển → Plăng cho rằng vấn đề mấu chốt nằm ở quan niệm không đúng về sự trao đổi năng lượng giữa các nguyên tử và phân tử.

- Giả thuyết của Plăng được thực nghiệm xác nhận là đúng.

- Lượng năng lượng mà mỗi lần một nguyên tử hay phân tử hấp thụ hay phát xạ gọi là lượng tử năng lượng (e)

- Y/c HS đọc Sgk từ đó nêu những nội dung của thuyết lượng tử.

- Dựa trên giả thuyết của Plăng để giải thích các định luật quang điện, Anh-xtanh đã đề ra thuyết lượng tử ánh sáng hay thuyết phôtôn.

- Phôtôn chỉ tồn tại trong trạng thái chuyển động. Không có phôtôn đứng yên.

- Anh-xtanh cho rằng hiện tượng quang điện xảy ra do có sự hấp thụ phôtôn của ánh sáng kích thích bởi êlectron trong kim loại.

- Để êlectron bức ra khỏi kim loại thì năng lượng này phải như thế nào?

- HS ghi nhận những khó khăn khi giải thích các kết quả nghiên cứu thực nghiệm → đi đến giả thuyết Plăng.

- HS ghi nhận tính đúng đắn của giả thuyết.

- HS đọc Sgk và nêu các nội dung của thuyết lượng tử.

- HS ghi nhận giải thích từ đó tìm được λ ≤ λ₀.

- Phải lớn hơn hoặc bằng công thoát.

III. Thuyết lượng tử ánh sáng

1. Giả thuyết Plăng

- 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 hằng hf; trong đó f là tần số của ánh sáng bị hấp thụ hay phát ra; còn h là một hằng số.

2. Lượng tử năng lượng

ε = hf

h gọi là hằng số Plăng:

h = 6,625.10^-34J.s

3. Thuyết lượng tử ánh sáng

a. Ánh sáng được tạo thành bởi các hạt gọi là phôtôn.

b. Với mỗi ánh sáng đơn sắc có tần số f, các phôtôn đều giống nhau, mỗi phôtôn mang năng lượng bằng hf.

c. Phôtôn bay với tốc độ c = 3.10⁸m/s dọc theo các tia sáng.

d. Mỗi lần một nguyên tử hay phân tử phát xạ hay hấp thụ ánh sáng thì chúng phát ra hay hấp thụ một phôtôn.

4. Giải thích định luật về giới hạn quang điện bằng thuyết lượng tử ánh sáng

- Mỗi phôtôn khi bị hấp thụ sẽ truyền toàn bộ năng lượng của nó cho 1 êlectron.

- Công để “thắng” lực liên kết gọi là công thoát (A).

- Để hiện tượng quang điện xảy ra:

- Trong hiện tượng giao thoa, phản xạ, khúc xạ … → ánh sáng thể hiện tích chất gì?

- Liệu rằng ánh sáng chỉ có tính chất sóng?

- Lưu ý: Dù tính chất nào của ánh sáng thể hiện ra thì ánh sáng vẫn có bản chất là sóng điện từ.

- Ánh sáng thể hiện tính chất sóng.

- Không, trong hiện tượng quang điện ánh sáng thể hiện chất hạt.

IV. Lưỡng tính sóng - hạt của ánh sáng

- Ánh sáng có lưỡng tính sóng - hạt.

HOẠT ĐỘNG 3:  Hoạt động luyện tập (10')

Mục tiêu: Luyện tập củng cố nội dung bài học

Phương pháp dạy học: dạy học nêu và giải quyết vấn đề; phương pháp thuyết trình.

Định hướng phát triển năng lực: Năng lực thực nghiệm, năng lực quan sát, năng lực sáng tạo, năng lực trao đổi. Phẩm chất tự tin, tự lập, giao tiếp.

Câu 1: Tất cả cá phôtôn trong chân không có cùng

A. tốc độ                          

B. bước sóng.                  

C. năng lượng         

D. tần số

Câu 2: Chọn phát biểu đúng về hiện tượng quang điện

A. Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi tần số của ánh sáng kích thích nhỏ hơn tần số giới hạn f_o nào đó.

B. Các phôtôn quang điện luôn bắn ra khỏi kim loại theo phương vuông góc với bề mặt kim loại.

C. Giới hạn quang điện phụ thuộc vào bản chất kim loại.

D. Giới hạn quang điện của kim loại tỉ lệ với công thoát êlectron của kim loại.

Câu 3: Hiện tượng quang điện là hiện tượng êlectron bị bứt ra khỏi bề mặt tấm kim loại

A. khi tấm kim loại bị nung nóng.

B. nhiễm điện do tiếp xúc với một vật nhiễm điện khác.

C. do bất kì nguyên nhân nào.

D. khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào nó.

Câu 4: Công thoát êlectron của kim loại phụ thuộc vào

A. bước sóng của ánh sáng kích thích và bản chất của kim loại

B. bản chất của kim loại

C. cường độ của chùm sáng kích thích

D. bước sóng của ánh sáng kích thích

Câu 5: Tìm phát biểu sai khi nói về thuyết lượng tử ánh sáng

A. Nguyên tử hay phân tử vật chất không hấp thụ hay bức xạ ánh sáng một cách liên tục mà thành từng phần riêng biệt, đứt quãng.

B. Ánh sáng được tạo bởi các hạt gọi là phôtôn.

C. Năng lượng của các phôtôn ánh sáng là như nhau, không phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng.

D. Khi ánh sáng truyền đi, các lượng tử ánh sáng không thay đổi và không phụ thuộc vào khoảng cách tới nguồn sáng.

Câu 6: Công thoaát của êlectron khỏi bề mặt nhôm là 3,46 eV. Điều kiện xảy ra hiện tượng quang điện đối với nhôm là ánh sáng kích thích phải có bước sóng thỏa mãn

A. λ≤ 0,18 μm                  

B. λ > 0,18 μm.               

C. λ ≤0,36 μm       

D. λ > 0,36 μm

Câu 7: Một nguồn phát ra ánh sáng đơn sắc bước sóng λ = 0,50 μm. Số photon mà nguồn phát ra trong 1 phút là N = 2,5.10¹⁸. Công suất phát xạ của nguồn là

A. 16,6 mW                      

B. 8,9 mW.                     

C. 5,72 mW            

D. 0,28 mW

Câu 8: Chiếu ánh sáng có bước sóng λ = 0,542 μm vào catôt của một tế bào quang điện (một dụng cụ chân không có hai điện cực là catôt nối với cực âm và anôt nối với cực dương của nguồn điện) thì có hiện tượng quang điện. Công suất của chùm sáng chiếu tới là 0,625 W, biết rằng cứ 100 photon tới catôt thì có 1 êlectron bứt ra khỏi catôt. Khi đó cường độ dòng quang điện bão hòa có giá trị là

A. 2,72 mA                      

B. 2,04 mA                      

C. 4,26 mA             

D. 2,57 mA

Câu 9: Cho hằng số Plăng h = 6,625.10^-34 J.s; tốc độ ánh sáng trong chân không c = 3.10⁸ m/s. Một nguồn phát ánh sáng đơn sắc có bước sóng 0,51 μm. Công suất bức xạ của nguồn là 2,65 W. Số photon mà nguồn phát ra trong 1 giây là

A. 6,8.10¹⁸                       

B. 2,04.10¹⁹                                 

C. 1,33.10²⁵             

D. 2,57.10¹⁷

Câu 10: Công thoát êlectron của một kim loại 2 eV. Trong số bốn bức xạ sau đây, bức xạ không gây ra được hiện tượng quang điện khi chiếu vào tấm kim loại nói trên có

A. bước sóng 450 nm       

B. bước sóng 350 nm

C. tần số 6,5.10¹⁴ Hz         

D. tần số 4,8.10¹⁴ Hz

Hướng dẫn giải và đáp án

HOẠT ĐỘNG 4: Hoạt động vận dụng (8’)

Mục tiêu: Vận dụng làm bài tập

Phương pháp dạy học: Dạy học nhóm; dạy học nêu và giải quyết vấn đề; phương pháp thuyết trình

Định hướng phát triển năng lực: Năng lực thực nghiệm, năng lực quan sát, năng lực sáng tạo, năng lực trao đổi. Phẩm chất tự tin, tự lập, giao tiếp.

- Yêu cầu HS thảo luận:

Hãy chứng tỏ rằng, ba định luật quang điện bao hàm được tất cả các kết quả thí nghiệm trên.

- GV chia  nhóm yêu cầu hs trả lời vào bảng phụ trong thời gian 5 phút:

- GV theo dõi và hướng dẫn HS

- GV Phân tích nhận xét, đánh giá, kết quả thực hiện nhiệm vụ học tập của học sinh.

1. Thực hiện nhiệm vụ học tập:

- HS sắp xếp theo nhóm, chuẩn bị bảng phụ và tiến hành làm việc theo nhóm dưới sự hướng dẫn của GV

2. Báo cáo kết quả hoạt  động và thảo luận

- Đại diện các nhóm trả lời

- Đại diện các nhóm nhận xét kết quả

- Các nhóm khác có ý kiến bổ sung.(nếu có)

Từ ba định luật quang điện ta đã thấy bao hàm đủ các kết quả thí nghiệm định lượng về hiện tượng quang điện:

* Định luật I: λ ≤ λ₀. Ta thấy rằng trong thí nghiệm, ánh sáng để gây ra hiện tượng quang điện phải có bước sóng nhỏ hơn một giá trị nào đó, cụ thể là ánh sáng tử ngoại thì gây ra hiện tượng quang điện, còn ánh sáng nhìn thấy, hoặc có bước sóng lớn hơn thì không gây ra hiện tượng quang điện với tấm kẽm trong thí nghiệm.

* Định luật II: Công suất nguồn phát bức xạ lớn thì số phôtôn đến catôt càng nhiều và số electron quang điện thu được tại anôt càng lớn, do đó trong thí nghiệm khi thay đèn có công suất lớn hơn ta thấy I_bh tăng.

* Định luật III: W_{đ max} = m.v²_{0 max}/2 = e.|U_h| với U_h phụ thuộc vào bước sóng bức xạ kích thích và bản chất kim loại dùng làm catôt. Nên trong thí nghiệm khi ta thay đổi công suất chùm sáng nhưng vẫn giữ nguyên bước sóng thì ta thấy U_h - không thay đổi.

HOẠT ĐỘNG 5: Hoạt động tìm tòi và mở rộng (2’)

Mục tiêu: Tìm tòi và mở rộng kiến thức

Phương pháp dạy học:  dạy học nêu và giải quyết vấn đề.

Định hướng phát triển năng lực: Năng lực thực nghiệm, năng lực quan sát, năng lực sáng tạo, năng lực trao đổi. Phẩm chất tự tin, tự lập, giao tiếp.

Ứng dụng của hiện tượng trong thực tế mà em biết