Giải bài tập SBT Vật Lí 12 Bài 30: Hiện tượng quang điện. Thuyết lượng tử ánh sáng

Trong trường hợp nào dưới đây có thể xảy ra hiện tượng quang điện? Ánh sáng mặt trời chiếu vào

A. mặt nước biển.

B. lá cây.

C. mái ngói.

D. tấm kim loại không sơn

Phương pháp giải

Sử dụng lí thuyết về hiện tượng quang điện

Hướng dẫn giải

- Ánh sáng mặt trời chiếu vào tấm kim loại không sơn xảy ra hiện tượng quang điện

- Chọn D

Giới hạn quang điện của các kim loại như bạc, đồng, kẽm, nhôm,... nằm trong vùng ánh sáng nào?

A. Ánh sáng tử ngoại.

B. Ánh sáng nhìn thấy được.

C. Ánh sáng hồng ngoại.

D. Cả ba vùng ánh sáng nêu trên.

Phương pháp giải

Giới hạn quang điện của các kim loại nằm trong vùng ánh sáng tử ngoại

Hướng dẫn giải

- Giới hạn quang điện của các kim loại như bạc, đồng, kẽm, nhôm,... nằm trong vùng ánh sáng tử ngoại

- Chọn A

Giới hạn quang điện của các kim loại kiềm như canxi, natri, kali, xesi... nằm trong vùng ánh sáng nào?

A. Ánh sáng tử ngoại.

B. Ánh sáng nhìn thấy được.

C. Ánh sáng hồng ngoại.

D. Cả ba vùng ánh sáng nêu trên.

Phương pháp giải

Giới hạn quang điện của các kim loại kiềm nằm trong vùng ánh sáng nhìn thấy

Hướng dẫn giải

- Giới hạn quang điện của các kim loại kiềm như canxi, natri, kali, xesi... nằm trong vùng ánh sáng nhìn thấy

- Chọn B

Chiếu ánh sáng vàng vào mặt một tấm vật liệu thì thấy có êlectron bị bật ra. Tấm vật liệu đó chắc chắn phải là

A. kim loại.

B. kim loại kiềm.

C. chất cách điện.

D. chất hữu cơ.

Phương pháp giải

Do ánh sáng vàng là ánh sáng nhìn thấy nên tấm kim loại đó là kim loại kiềm

Hướng dẫn giải

- Chiếu ánh sáng vàng vào mặt một tấm vật liệu thì thấy có êlectron bị bật ra. Tấm vật liệu đó chắc chắn phải là kim loại kiềm

- Chọn B

Chiếu ánh sáng có bước sóng 0,50μm lần lượt vào bốn tấm nhỏ có phủ canxi, natri, kali và xesi. Hiện tượng quang điện sẽ xảy ra ở

A. một tấm.

B. hai tấm.

C. ba tấm.

D. cả bốn tấm.

Phương pháp giải

Giới hạn quang điện của các kim loại kiềm nằm trong vùng ánh sáng nhìn thấy

Hướng dẫn giải

- Ánh sáng có bước sóng 0,5μm  gây ra hiện tượng quang điện đối với canxi, natri và xesi

- Chọn C

Chiếu một chùm ánh sáng đơn sắc vào một tấm kẽm. Hiện tượng quang điện sẽ không xảy ra nếu ánh sáng có bước sóng

A. 0,1μm.                        B. 0,2μm.

C. 0,3μm.                        D. 0,4μm.

Phương pháp giải

 Dựa vào điều kiện xảy ra hiện tượng quang điện là λ≤λ₀

Hướng dẫn giải

- Giới hạn quang điện của kẽm là λ₀= 0,35μm

- Điều kiện xảy ra hiện tượng quang điện là λ≤λ₀

- Vậy λ=0,4μm không gây ra hiện tượng quang điện cho tấm kẽm

- Chọn D

Giới hạn quang điện của một hợp kim gồm bạc, đồng và kẽm sẽ là

A. 0,26μm.                          B. 0,30μm.

C. 0,35μm.                          D. 0,40μm.

Phương pháp giải

Giới hạn quang điện của một hỗn hợp kim loại là giới hạn của kim loại có giới hạn lớn nhất trong hỗn hợp đó

Hướng dẫn giải

- Giới hạn quang điện của một hỗn hợp kim loại bằng với giới hạn kim loại lớn nhất của mỗi kim loại trong hỗn hợp

- Vậy giới hạn quang điện của một hợp kim gồm bạc, đồng và kẽm sẽ là 0,35μm.

- Chọn C

Khi chiếu tia tử ngoại vào một tấm kẽm nhiễm điện dương thì điện tích của tấm kẽm không bị thay đổi. Đó là do

A. tia tử ngoại không làm bật được êlectron khỏi kẽm.

B. tia tử ngoại làm bật đồng thời êlectron và ion dương khỏi kẽm.

C. tia tử ngoại không làm bật cả êlectron và ion dương khỏi kẽm.

D. tia tử ngoại làm bật êlectron ra khỏi kẽm nhưng êlectron này lại bị bản kẽm nhiễm điện dương hút lại.

Phương pháp giải

Tia tử ngoại làm bật êlectron ra khỏi kẽm nhưng bị bản kẽm nhiễm điện dương hút lại nên điện tích của tấm kẽm không bị thay đổi

Hướng dẫn giải

- Khi chiếu tia tử ngoại vào một tấm kẽm nhiễm điện dương thì điện tích của tấm kẽm không bị thay đổi. Đó là do tia tử ngoại làm bật êlectron ra khỏi kẽm nhưng êlectron này lại bị bản kẽm nhiễm điện dương hút lại.

- Chọn D

Xét ba loại êlectron trong một tấm kim loại:

- Loại 1  là các êlectron tự do nằm ngay trên bề mặt tấm kim loại.

- Loại 2  là các êlectron tự do nằm sâu bên trong tấm kim loại.

- Loại 3  là các êlectron liên kết ở các nút mạng kim loại.

Những  phôtôn có năng lượng đúng bằng công thoát của êlectron khỏi kim loại nói trên sẽ có khả năng giải phóng các loại êlectron nào khỏi tấm kim loại?

A. Các êlectron loại 1.

B. Các êlectron loại 2.

C. Các êlectron loại 3.

D. Các êlectron thuộc cả ba loại.

Phương pháp giải

Những phôtôn có năng lượng đúng bằng công thoát của êlectron khỏi kim loại nói trên sẽ có khả năng giải phóng các loại êlectron là các êlectron tự do nằm ngay trên bề mặt tấm kim loại

Hướng dẫn giải

- Những phôtôn có năng lượng đúng bằng công thoát của êlectron khỏi kim loại nói trên sẽ có khả năng giải phóng các loại êlectron là các êlectron tự do nằm ngay trên bề mặt tấm kim loại.

- Do đó, các êlectron loại 1 (các êlectron tự do nằm ngay trên bề mặt tấm kim loại) có khả năng giải phóng các loại êlectron nào khỏi tấm kim loại

- Chọn A

Theo thuyết lượng tử ánh sáng thì năng lượng của

A. một phôtôn tỉ lệ thuận với bước sóng ánh sáng tương ứng với phôtôn đó.

B. một phôtôn bằng năng lượng nghỉ của một êlectron.

C. một phôtôn phụ thuộc vào vào cách từ phôtôn đó tới nguồn phát ra nó.

D. các phôtôn trong chùm sáng đơn sắc bằng nhau.

Phương pháp giải

Năng lượng của các phôtôn trong cùng một chùm sáng đơn sắc thì bằng nhau.

Hướng dẫn giải

- Theo thuyết lượng tử ánh sáng thì năng lượng của các phôtôn trong chùm sáng đơn sắc bằng nhau.

- Chọn D

Công thoát êlectron của một kim loại là 7,64.10⁻¹⁹J. Chiếu lần lượt vào bề mặt tấm kim loại này các bức xạ có bước sóng là λ₁=0,18μm; λ₂=0,21μm và λ₃=0,35μm. Lấy h=6,625.10⁻³⁴J.s; c=3.10⁸m/s. Bức xạ nào gây được hiện tượng quang điện đối với kim loại đó?

A. Không có bức xạ nào trong ba bức xạ nói trên.

B. Cả ba bức xạ (λ₁,λ₂ và λ₃)

C. Hai bức xạ λ₁ và λ₂.

D. Chỉ có bức xạ λ₁.

Phương pháp giải

- Từ công thức A= hc/λ₀, tìm giới hạn quang điện là:

\({{\lambda _0} = \frac{{hc}}{A}}\)

- Dựa vào điều kiện xảy ra hiện tượng quang điện là: 

λ≤λ₀

Hướng dẫn giải

- Ta có công thoát:

\(\begin{array}{l} A = \frac{{hc}}{{{\lambda _0}}}\\ \Rightarrow {\lambda _0} = \frac{{hc}}{A} = \frac{{{{6,625.10}^{ - 34}}{{.3.10}^8}}}{{{{7,64.10}^{ - 19}}}}\\ = {0,26.10^{ - 6}}m = 0,26\mu m \end{array}\)

- Điều kiện xảy ra hiện tượng quang điện λ ≤ λ₀

- Vậy bức xạ λ₁;λ₂ gây được hiện tượng quang điện đối với kim loại trên

- Chọn C

Khi nói về thuyết lượng tử, phát biểu nào sau đây là đúng?

A. Năng lượng của phôtôn càng nhỏ thì cường độ của chùm sáng càng nhỏ.

B.  Năng lượng của phôtôn càng lớn thì tần số của ánh sáng ứng với phôtôn đó càng nhỏ.

C. Phôtôn có thể chuyển động hay đứng yên tùy thuộc vào nguồn sáng chuyển động hay đứng yên.

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

Phương pháp giải

Để trả lời câu hỏi này cần nắm được nội dung của thuyết lượng tử ánh sáng

Hướng dẫn giải

A – sai vì: Năng lượng photon phụ thuộc vào tần số ánh sáng đó.

B – sai vì: Năng lượng của phôtôn càng lớn thì tần số của ánh sáng ứng với phôtôn đó càng lớn.

C – sai vì: Photon không tồn tại trạng thái đứng yên.

D – đúng

⇒ Chọn D

Một kim loại có công thoát là 7,2.10⁻¹⁹J. Chiếu lần lượt vào kim loại này các bức xạ có bước sóng là λ₁=0,18μm; λ₂=0,21μm; λ₃=0,32μm và λ₄=0,35μm. Những bức xạ có thể gây ra hiện tượng quang điện ở kim loại màu có bước sóng là

A. λ₁,λ₂ và λ3.

B. λ₁ và λ₂.

C. λ₂,λ₃ và λ₄.

D. λ₃ và λ₄.

Phương pháp giải

- Từ công thức A= hc/λ₀, tìm giới hạn quang điện là:

\({{\lambda _0} = \frac{{hc}}{A}}\)

- Dựa vào điều kiện xảy ra hiện tượng quang điện là: 

λ≤λ₀

Hướng dẫn giải

- Ta có công thoát:

\(\begin{array}{l} A = \frac{{hc}}{{{\lambda _0}}}\\ \Rightarrow {\lambda _0} = \frac{{hc}}{A} = \frac{{{{6,625.10}^{ - 34}}{{.3.10}^8}}}{{{{7,2.10}^{ - 19}}}}\\ = {0,276.10^{ - 6}}m = 0,276\mu m \end{array}\)

- Điều kiện xảy ra hiện tượng quang điện λ≤λ₀

- Vậy bức xạ λ₁; λ₂ gây được hiện tượng quang điện đối với kim loại trên

- Chọn B

Công thoát êlectron của một kim loại là A=1,88eV. Giới hạn quang điện của kim loại này có giá trị là

A. 550nm.                        B. 1057nm.

C. 220nm.                        D. 661nm.

Phương pháp giải

- Từ công thức A= hc/λ₀, tìm giới hạn quang điện là:

\({{\lambda _0} = \frac{{hc}}{A}}\)

Hướng dẫn giải

- Ta có công thoát:

\(\begin{array}{l} A = \frac{{hc}}{{{\lambda _0}}}\\ \Rightarrow {\lambda _0} = \frac{{hc}}{A} = \frac{{{{6,625.10}^{ - 34}}{{.3.10}^8}}}{{{{1,88.1,6.10}^{ - 19}}}}\\ = {0,661.10^{ - 6}}m = 661nm \end{array}\)

- Chọn D

Hiện tượng quang điện ngoài là hiện tượng êlectron bị bứt ra khỏi kim loại khi

A. cho dòng điện chạy qua tấm kim loại này.

B. tấm kim loại này bị nung nóng bởi một nguồn nhiệt.

C. chiếu vào tấm kim loại này một bức xạ điện từ có bước sóng thích hợp.

D. chiếu vào tấm kim loại này một chùm hạt nhân heli.

Phương pháp giải

Trong hiện tượng quang điện: êlectron bị bứt ra khỏi kim loại khi bị chiếu một bức xạ điện từ có bước sóng thích hợp

Hướng dẫn giải

- Hiện tượng quang điện ngoài là hiện tượng êlectron bị bứt ra khỏi kim loại khi chiếu vào tấm kim loại này một bức xạ điện từ có bước sóng thích hợp.

- Chọn C

Giới hạn quang điện của đồng là 0,30μm. Tính công thoát của êlectron khỏi đồng ra jun và ra êlectron vôn (eV).

Cho h=6,62.10⁻³⁴J.s ; c=3.10⁸m/s; −e=−1,6.10⁻¹⁹C.

Phương pháp giải

- Sử dụng công thức A= hc/λ₀ để tính công thoát

- Đổi đơn vị: 1eV=1,6.10⁻¹⁹J

Hướng dẫn giải

Ta có công thoát:

\(\begin{array}{l} A = \frac{{hc}}{{{\lambda _0}}}\\ = \frac{{{{6,625.10}^{ - 34}}{{.3.10}^8}}}{{{{0,3.10}^{ - 6}}}}\\ = {6,625.10^{ - 19}}J = 4,14eV \end{array}\)

Giới hạn quang điện của bạc là 0,260±0,001μm. Công thoát êlectron khỏi bạc sẽ nằm trong phạm vi nào?

Phương pháp giải

- Sử dụng công thức: A=hc/λ₀ để tính công thoát

- Lấy ln và đạo hàm:

\(\ln A = \ln (hc) - \ln {\lambda _0}\); \({\frac{{\Delta A}}{A} = \frac{{\Delta {\lambda _0}}}{{{\lambda _0}}}}\)

để tìm giới hạn của A

Hướng dẫn giải

- Ta có:

\(\begin{array}{l} A = \frac{{hc}}{{{\lambda _0}}}\\ = \frac{{{{6,625.10}^{ - 34}}{{.3.10}^8}}}{{{{0,26.10}^{ - 6}}}} = {7,644.10^{ - 19}}J \end{array}\)

A= hc/λ₀

- Lấy ln hai vế: 

\(\ln A = \ln (hc) - \ln {\lambda _0}\)

- Lấy đạo hàm hai vế:

\(\begin{array}{l} \frac{{{\rm{\Delta }}A}}{A} = \frac{{{\rm{\Delta }}{\lambda _0}}}{{{\lambda _0}}}\\ \Rightarrow {\rm{\Delta }}A = \frac{{{\rm{\Delta }}{\lambda _0}}}{{{\lambda _0}}}.A\\ = \frac{{0,001}}{{0,26}}{.7,644.10^{ - 19}} = {0,029.10^{ - 19}}J \end{array}\)

Vậy:

\(A = {7,644.10^{ - 19}} \pm {0,029.10^{ - 19}}(J)\)

Cho biết công thoát êlectron khỏi kẽm là 3,55±0,01eV. Ánh sáng có bước sóng nằm trong khoảng nào có khả năng gây ra hiện tượng quang điện ở kẽm?

Phương pháp giải

- Từ công thức A= hc/λ₀, tìm giới hạn quang điện là:

\({{\lambda _0} = \frac{{hc}}{A}}\)

- Lấy ln và đạo hàm:

\(\ln A = \ln (hc) - \ln {\lambda _0}\); \({\frac{{\Delta A}}{A} = \frac{{\Delta {\lambda _0}}}{{{\lambda _0}}}}\)

để tìm bước sóng giới hạn λ₀

Hướng dẫn giải

- Ta có:

\(\begin{array}{l} A = \frac{{hc}}{{{\lambda _0}}}\\ \Rightarrow {\lambda _0} = \frac{{hc}}{A} = \frac{{{{6,625.10}^{ - 34}}{{.3.10}^8}}}{{{{3,55.1,6.10}^{ - 19}}}}\\ = {0,35.10^{ - 6}}m = 0,35\mu m \end{array}\)

- Ta có λ₀ = hc/A

- Lấy ln hai vế:

\(\ln {\lambda _0} = \ln (hc) - \ln A\)

- Lấy đạo hàm hai vế:

\(\begin{array}{l} \frac{{{\rm{\Delta }}{\lambda _0}}}{{{\lambda _0}}} = \frac{{{\rm{\Delta }}A}}{A}\\ \Rightarrow {\rm{\Delta }}{\lambda _0} = \frac{{{\rm{\Delta }}A}}{A}.{\lambda _0} = \frac{{0,01}}{{3,55}}.0,35 = 0,001\mu m \end{array}\)

Vậy:

\({\lambda _0} = 0,350 \pm 0,001(\mu m)\)

Một chùm sáng da cam, song song, không đơn sắc, có hai thành phần là ánh sáng đỏ (0,75μm) và ánh sáng vàng (0,55μm). Cường độ của chùm sáng là 1W/m². Ta hiểu cường độ của chùm sáng là lượng năng lượng ánh sáng mà chùm tia sáng tải qua một đơn vị diện tích, đặt vuông góc với các tia sáng, trong một đơn vị thời gian. Cho rằng cường độ của thành phần ánh sáng đỏ và cường độ của thành phần ánh sáng vàng trong chùm sáng là như nhau. Tính số phôtôn ánh sáng đỏ và số phôtôn ánh sáng vàng chuyển qua một diện tích 1cm², đặt vuông góc với các tia sáng trong chùm, trong một đơn vị thời gian.

Phương pháp giải

- Năng lượng photon được tính theo công thức:

\({\varepsilon _{}} = \frac{{hc}}{{{\lambda _{}}}}\)

- Lượng photon phát là:

\({Q_{}} = \frac{P}{2}.S.t\)

- Áp dụng công thức: n=Q/ε để  

- Lần lượt áp dụng các các công thức trên cho bước sóng đỏ và vàng

Hướng dẫn giải

- Năng lượng một photon đỏ là: 

\(\begin{array}{l} {\varepsilon _d} = \frac{{hc}}{{{\lambda _d}}}\\ = \frac{{{{6,625.10}^{ - 34}}{{.3.10}^8}}}{{{{0,75.10}^{ - 6}}}} = {2,65.10^{ - 19}}J \end{array}\)

- Lượng năng lượng mà ánh sáng đỏ truyền qua 1cm² đặt vuông góc với các tia sáng trong chùm, trong một đơn vị thời gian.

\({Q_d} = \frac{P}{2}.S.t = \frac{1}{2}{.10^{ - 4}} = {0,5.10^{ - 4}}J\)

- Số số phôtôn ánh sáng đỏ và số phôtôn ánh sáng vàng chuyển qua một diện tích 1cm², đặt vuông góc với các tia sáng trong chùm, trong một đơn vị thời gian: 

\(\begin{array}{l} {n_d} = \frac{{{Q_d}}}{{{\varepsilon _d}}}\\ = \frac{{{{0,5.10}^{ - 4}}}}{{{{2,65.10}^{ - 19}}}} = {1,88.10^{14}}(photon) \end{array}\)

- Năng lượng một photon vàng là:

\(\begin{array}{l} {\varepsilon _v} = \frac{{hc}}{{{\lambda _v}}}\\ = \frac{{{{6,625.10}^{ - 34}}{{.3.10}^8}}}{{{{0,55.10}^{ - 6}}}} = {3,61.10^{ - 19}}J \end{array}\)

- Lượng năng lượng mà ánh sáng vàng truyền qua 1cm² đặt vuông góc với các tia sáng trong chùm, trong một đơn vị thời gian.

\({Q_v} = \frac{P}{2}.S.t = \frac{1}{2}{.10^{ - 4}} = {0,5.10^{ - 4}}J\)

- Số số phôtôn ánh sáng vàng chuyển qua một diện tích 1cm², đặt vuông góc với các tia sáng trong chùm, trong một đơn vị thời gian: 

\(\begin{array}{l} {n_v} = \frac{{{Q_v}}}{{{\varepsilon _v}}}\\ = \frac{{{{0,5.10}^{ - 4}}}}{{{{3,61.10}^{ - 19}}}} = {1,38.10^{14}}(photon) \end{array}\)

Một nguồn phát ra ánh sáng đơn sắc có bước sóng 0,30μm. Công suất của nguồn là 25W.

a) Tính số phôtôn mà nguồn phát ra trong 1s..

b) Chiếu dòng ánh sáng do nguồn phát ra vào mặt một tấm kẽm (có giới hạn quang điện là 0,35μm). Cho rằng năng lượng mà quang êlectron hấp thụ một phần dùng để giải phóng nó, phần còn lại hoàn toàn biến thành động năng của nó. Hãy tính động năng này.

Lấy h=6,62.10⁻³⁴J.s; c=3.10⁸m/s.

Phương pháp giải

a) Áp dụng công thức: 

\({\varepsilon _{}} = \frac{{hc}}{{{\lambda _{}}}}\) để tinh năng lượng

⇒ Tính số photon phát ra theo công thức: n=P/ε

b) Công thức tính năng lượng là: ε=A+W_d

Hướng dẫn giải

a) Năng lượng photon ánh sáng đơn sắc: 

\(\begin{array}{l} \varepsilon = \frac{{hc}}{\lambda }\\ = \frac{{{{6,625.10}^{ - 34}}{{.3.10}^8}}}{{{{0,3.10}^{ - 6}}}} = {6,625.10^{ - 19}}J \end{array}\)

Số photon phát ra trong một đơn vị thời gian:

\(n = \frac{P}{\varepsilon } = \frac{{25}}{{{{6,625.10}^{ - 19}}}} = {3,77.10^{19}}(photon)\)

b) Ta có

\(\begin{array}{*{20}{l}} {\varepsilon = A + {{\rm{W}}_d} = \frac{{hc}}{{{\lambda _0}}} + {{\rm{W}}_d}}\\ { \Rightarrow {{\rm{W}}_d} = \varepsilon - \frac{{hc}}{{{\lambda _0}}}}\\ { = {{6,625.10}^{ - 19}} - \frac{{{{6,625.10}^{ - 34}}{{.3.10}^8}}}{{{{0,35.10}^{ - 6}}}}}\\ { = {{0,95.10}^{ - 19}}J} \end{array}\)