Giáo án Vật lý 12 Bài 30: Hiện tượng quang điện thuyết lượng tử ánh sáng

Người soạn: Trịnh Thị Ngọc Ngày soạn: 6/3/2018 Ngày dạy: BÀI 30: HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN THUYẾT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG I, Mục tiêu 1. Kiến thức - Trình bày được thí nghiệm Héc về hiện tượng quang điện và nêu được định nghĩa hiện tượng quang điện. - Phát biểu được định luật về giới hạn quang điện, giả thuyết Plăng. - Nêu được lưỡng tính sóng - hạt của ánh sáng. 2. Kĩ năng - Áp dụng công thức về lượng tử ánh sáng để giải bài tập. - Vận dụng được thuyết photon để giải thích định luật về giới hạn quang điện. 3. Thái độ. - Tích cực xây dựng bài. II, Chuẩn bị. 1. Giáo viên - Video thí nghiệm hiện tượng quang điện. 2. Học sinh - Đọc trước bài mới. III, Tiến trình dạy học. - Đặt vấn đề: Có thể làm cho các electron bật ra khỏi mặt một tấm kim loại bằng cách nung nóng hoặc dùng các ion để bắn phá nó. Còn có cách nào khác làm cho electron bật ra khỏi mặt một tấm kim loại không? Hoạt động của GV Hoạt động của HS Nội dung Hoạt động 1: Tìm hểu hiện tượng quang điện. - Héc thực hiện TN này vào năm 1887 và ông thực hiện TN bằng các dụng cụ sau: (GV cho HS xem hình ảnh và video) + Đèn hồ quang :phát tia tử ngoại rất mạnh. + Tĩnh điện kế:ở lớp 11 đã biết dùng để phát hiện một vật có bị nhiễm điện hay không. Nếu nhiễm điện thì kim tĩnh điện kế sẽ lệch khỏi vị trí 0. +Tấm kẽm tích điện. + Thanh nhựa nhiễm điện. - Cách tiến hành: + Đầu tiên làm nhiễm điện một thanh nhựa, sau đó cho tiếp xúc với thanh kẽm. Lúc này tấm kẽm sẽ nhiễm điện âm cùng dấu với thanh nhựa theo hiện tượng nhiễm điện do tiếp xúc. Ta thấy kim tĩnh điện kế lệch đi một góc nào đó. + Dùng đèn hồ quang chiếu vào tấm Zn tích điện âm. Lúc này kim tĩnh điện kế giảm đi → Điều này chứng tỏ: ánh sáng hồ quang (giàu tia tử ngoại) làm các electron bật ra khỏi tấm Zn. - Thay Zn bằng kim loại khác, ta cũng thấy hiện tượng tương tự xảy ra. - Vẫn bố trí TN như trên nhưng tấm Zn tích điện dương. Cho HS quan sát video và cho cô biết kim tĩnh điện kế có góc lệch như thế nào khi chiếu ánh sáng hồ quang? Tại sao? -Hiện tượng làm bật các electron ra khỏi tấm Zn như trên gọi là hiện tượng quang điện .Vậy bạn nào có thể nêu được cho cô định nghĩa hiện tượng quang điện. - Tiếp tục bố trí TN như trên, tấm Zn tích điện âm và dùng thêm 1 tấm chắn thủy tinh chắn tia sáng hồ quang vào Zn. Em thấy kim tĩnh điện kế có hiện tượng gì? Tại sao? - Nếu dùng đèn pin thay cho đèn hồ quang ta thấy góc lệch của kim tĩnh điện kế không đổi. Chứng tỏ ánh sáng nhìn thấy không có khả năng gây ra hiện tượng quang điện. → Không phải ánh sáng nào chiếu vào cũng làm electron bật ra khỏi bề mặt kim loại. Như vậy cần có ánh sáng thích hợp chiếu vào. Thế nào là ánh sáng thích hợp ta sang phần II. - Quan sát video TN - Góc lệch của kim tĩnh điện kế không bị thay đổi. Giải thích: Khi chiếu chùm tia hồ quang vào tấm Zn tích điện dương thì cũng làm bật electron ra, nhưng electron vừa bị bật ra thì bị tấm Zn hút lại ngay. Như vậy là điện tích tấm Zn không bị thay đổi. -Hiện tượng quang điện là hiện tượng ánh sáng làm bật các electron ra khỏi bề mặt kim loại. - Góc lệch của kim tĩnh điện kế không đổi. Giải thích: Ở bài tia tử ngoại, tia hồng ngoại ta đã biết thủy tinh hấp thụ mạnh tia tử ngoại nên kim vẫn đứng yên tại vị trí lệch. Như vậy các electron không bị bật ra và hiện tượng quang điện không xảy ra. I, Hiện tượng quang điện. 1. Thí nghiệm của Héc về hiện tượng quang điện. a, Dụng cụ. + Đèn hồ quang + Tĩnh điện kế. +Tấm kẽm tích điện. + Thanh nhựa nhiễm điện. b, Tiến hành: + Cách tiến hành: + Đầu tiên làm nhiễm điện một thanh nhựa, sau đó cho tiếp xúc với thanh kẽm. + Sau đó, dùng đèn hồ quang chiếu vào tấm Zn tích điện âm c, Kết quả: - Khi tiếp xúc với nhựa, tấm Zn sẽ nhiễm điện và tích điện âm và ta thấy kim tĩnh điện kế lệch đi một góc nào đó. - Dùng đèn hồ quang thì kim tĩnh điện kế giảm đi. → ánh sáng hồ quang (giàu tia tử ngoại) làm các electron bật ra khỏi tấm Zn → Hiện tượng quang điện xảy ra. -Lưu ý: ánh sáng nhìn thấy không có khả năng gây ra hiện tượng quang điện. Hoạt động 2: Tìm hiểu nội dung định luật về giới hạn quang điện. - Sau khi làm TNvới nhiều kim loại và với nhiều ánh sáng khác nhau người ta thấy rằng mỗi kim loại đều có một bước sóng giới hạn. - Điều kiện xảy ra hiện tượng quang điện: Ánh sáng chiếu vào nó (ánh sáng kích thích) phải có bước sóng ngắn hơn hoặc bằng giới hạn quang điện của kim loại đó. -GV giới thiệu bảng giá trị giới hạn quang điện của một số kim loại. Các kim loại kiềm(Na, K..) và kiềm thổ (Ca) có giới hạn quang điện trong vùng ánh sáng nhìn thấy,còn từ Ag →Al nằm trong vùng ánh sáng tử ngoại. - GV yêu cầu HS nêu định luật giới hạn quang điện. -Lưu ý: Định luật này này chỉ có thể giải thích được bằng thuyết lượng tử ánh sáng. - HS lắng nghe và ghi chép. - Đối với mỗi kim loại, ánh sáng kích thích phải có bước sóng ngắn hơn hay bằng giới hạn quang điện của kim loại đó, mới gây ra được hiện tượng quang điện. II, Định luật về giới hạn quang điện. Đối với mỗi kim loại, ánh sáng kích thích phải có bước sóng ngắn hơn hay bằng giới hạn quang điện của kim loại đó, mới gây ra được hiện tượng quang điện. Hoạt động 3: Tìm hiểu thuyết lượng tử ánh sáng. - Khi nghiên cứu bằng thực nghiệm quang phổ của các nguồn sáng, người ta đã thu được những kết quả không thể giải thích được các lí thuyết cổ điển. Để giải quyết khó khăn này thì năm 1900, Plăng đã đưa ra giả thuyết: 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 hoặc được phát ra; còn h là một hằng số. - Và lượng tử ánh sáng nói trên gọi là lượng tử năng lượng và được kí hiệu bằng chữ ε: + h:hằng số Plăng h= 6,625.10-34 J.s + f: tần số của sóng ánh sáng đơn sắc + ε có đơn vị : J 1 MeV= 106 eV= 1,6.10-13 J -Năm 1905, dựa vào thuyết Plăng để giải thích hiện tượng quang điện, Anh-xtanh đã đưa ra thuyết lượng tử ánh sáng hay thuyết photon. Một em hãy đọc ND thuyết này. -Anh-xtanh cho rằng: mỗi photon bị hấp thụ sẽ truyền toàn bộ năng lượng của nó cho một electron. Muốn cho electron thoát ra ngoài thì phải cung cấp cho nó một công để thắng lực liên kết. Công này gọi là công thoát A. - Như vậy, muốn hiện tượng quang điện xảy ra thì năng lượng của photon và công thoát A có mối liên hệ gì? -Đặt : Ta có: -Lưu ý 1 số công thức: + Công thức Anhxtanh về hiện tượng quang điện: + Công thoát của e ra khỏi kim loại: -HS lắng nghe và ghi chép. -Nội dung: + 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 hf. + Trong chân không, photon bay với tốc độ c= 3.108 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 1 photon. Photon chỉ tồn tại trong trạng thái chuyển động. Không có photon đứng yên. + Hay 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 bằng hf; trong đó f là tần số của ánh sáng bị hấp thụ hoặc được phát ra; còn h là một hằng số. 2.Lượng tử năng lượng. + h:hằng số Plăng h= 6,625.10-34 J.s + f: tần số của sóng ánh sáng đơn sắc + ε có đơn vị : J 1 MeV= 106 eV= 1,6.10-13 J 3. 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 hf. + Trong chân không, photon bay với tốc độ c= 3.108 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 1 photon. Photon chỉ tồn tại trong trạng thái chuyển động. Không có photon đứng yên. 4. Giải thích định luật về giới hạn quang điện bằng thuyết lượng tử ánh sáng. - Muốn hiện tượng quang điện xảy ra thì : Hay Đặt : Ta có: -Lưu ý 1 số công thức: + Công thức Anhxtanh về hiện tượng quang điện: + Công thoát của e ra khỏi kim loại: Hoạt động 4: Tìm hiểu lưỡng tính sóng – hạt của ánh sáng. -Mấy tiết trước chúng ta đã học ánh sáng có tính chất gì? - Biểu hiện tính chất sóng ánh sáng ở chỗ nào? -Với giả thuyết của Plang hôm nay chúng ta vừa học, người ta quan niệm ánh sáng có tính chất gì? -Và tính chất hạt của ánh sáng được thể hiện qua hiện tượng quang điện, khả năng đâm xuyên. → Ánh sáng vừa có tính chất sóng, vừa có tính chất hạt. Tức là ánh sáng có lưỡng tính sóng- hạt. - Chú ý: Dù tính chất nào của ánh sáng thể hiện ra thì ánh sáng vẫn có bản chất sóng điện từ. - Ánh sáng có tính chất sóng. -Tính chất sóng được thể hiện ở hiện tượng giao thoa và nhiễu xạ. - Ánh sáng có tính chất hạt. IV, Lưỡng tính sóng- hạt của ánh sáng. -Ánh sáng có tính chất sóng được thể hiện ở hiện tượng giao thoa và nhiễu xạ. - Tính chất hạt của ánh sáng thể hiện qua hiện tượng quang điện, khả năng đâm xuyên. →Ánh sáng vừa có tính chất sóng, vừa có tính chất hạt. Tức là ánh sáng có lưỡng tính sóng- hạt. -Ánh sáng vẫn có bản chất sóng điện từ. IV, Củng cố và vận dụng Yêu cầu HS tóm tắt nội dung chính trong bài V, Tổng kết GV nhận xét buổi học và dặn dò HS