Quang điện trong và quang điện ngoài, trắc nghiệm vật lý lớp 12 2022

QUANG ĐIỆN TRONG VÀ QUANG ĐIỆN NGOÀI

Chủ đề này gồm có các vấn đề sau: hiện tượng quang điện, ba định luật về quang điện, hiện tượng quang điện trong.

A. LÍ THUYẾT

1. Hiện tượng quang điện

a. Thí nghiệm của Hezxo về hiện tượng quang điện

– Dụng cụ

+ Một đèn hồ quang điện

+ Một tấm kẽm

+ Điện nghiệm

– Tiến hành

Chiếu ánh sáng tử ngoại và tấm kẽm

+ Nếu tấm kẽm ban đầu không mang điện: Thì hai lá kim loại dần xòe ra => tấm kẽm đã bị nhiễm điện

+ Nếu tấm kẽm ban đầu tích điện âm: Thì hai là kim loại dần cụp lại, sau đó lại dần xòe ra => điện tích âm của tấm kẽm giảm dần, sau đó điện tích dương tăng dần

+ Tấm kẽm ban đầu tích điện dương lớn: hai lá kim loại vẫn xòe

Chiếu ánh sáng nhìn thấy hoặc bức xạ hồng ngoại và tấm kẽm thì điện tích của tấm kẽm không đổi => không có hiện tượng quang điện

b. Thí nghiệm với tế bào quang điện :

+ Khi ${{U}_{AK}}$ nhỏ: ${{I}_{qtext{d}}}$ nhỏ do có ít e quang điện chuyển động về anốt.

+ Tăng ${{U}_{AK}}$ : ${{I}_{qtext{d}}}$ tăng do số e bứt ra khỏi catốt chuyển động về được đến anốt tăng lên.

+ Tăng ${{U}_{AK}}={{U}_{1}}$ : dòng quang điện đạt đến giá trị bão hòa ${{I}_{bh}}$ . Khi đó:

Toàn bộ e bứt ra khỏi catốt đều về đến anốt.

Nếu tiếp tục tăng ${{U}_{AK}}$ thì cường độ dòng quang điện đổi.

– Dòng quang điện triệt tiêu (I=0) khi ${{U}_{AK}}=-{{U}_{h}}<0$ ( ${{U}_{h}}$ gọi là hiệu điện thế hãm): electron có động năng ban đầu cực đại cũng không đến được anốt.

+ Giá trị của hiệu điện thế hãm ${{U}_{h}}$ phụ thuộc vào bản chất kim loại và bước sóng của ánh sáng kích thích.

+ Giá trị của hiệu điện thế hãm xác định bởi:

$e{{U}_{h}}={{text{W}}_{otext{d}max }}=frac{mv_{0max }^{2}}{2}$

c. Khái niệm

– Hiện tượng quang điện ngoài: Là hiện tượng khi chiếu bức xạ có bước sóng ngắn vào kim loại thì làm cho e trong kim loại bị bật ra.

– Các e bật ra gọi là các e quang điện.

– Dòng quang điện: Là dòng chuyển dời có hướng của các e quang điện từ catôt về anốt.

2. Ba định luật về quang điện

a. Định luật 1 (định luật về giới hạn quang điện): Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi bước sóng của ánh sáng kích thích nhỏ hơn hoặc bằng giới hạn quang điện $(lambda le {{lambda }_{0}})$ .

– Giới hạn quang điện ${{lambda }_{0}}$ là bước sóng dài nhất của ánh sáng kích thích chiếu vào kim loại vẫn gây nên hiện tượng quang điện: $displaystyle {{lambda }_{0}}=frac{h.c}{A}$

– Hiện tượng quang điện xảy ra khi: $displaystyle varepsilon ge A$ ; $(lambda le {{lambda }_{0}})$ hoặc $displaystyle fge {{f}_{0}}$ với $displaystyle {{f}_{0}}=frac{c}{{{lambda }_{0}}}$

b. Định luật 2 (định luật về cường độ dòng quang điện bão hòa)(Chỉ có sách nâng cao học): Đối với mỗi ánh sáng thích hợp $(lambda le {{lambda }_{0}})$ cường độ dòng quang điện bão hoà tỉ lệ thuận với cường độ của chùm sáng kích thích.

$displaystyle {{I}_{bh}}={{n}_{e}}.e$

Trong đó : ${{n}_{e}}$ là số e bật ra trong một giây

– Hiệu suất lượng tử:

$displaystyle H=frac{{{n}_{e}}}{{{n}_{P}}}=frac{I.varepsilon }{e.P}$

c. Định luật 3 (định luật về động năng cực đại của quang electron)(Chỉ có sách nâng cao): Động năng ban đầu cực đại của e quang điện không phụ thuộc vào cường độ của chùm ánh sáng kích thích mà chỉ phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng kích thích và bản chất kim loại.

Mytranshop.com khuyên bạn nên xem: Bí quyết chọn tranh treo tường cho phòng khách hiện đại 2022 | Mytranshop.com

3. Hiện tượng quang điện trong

a.Hiện tượng quang điện trong:

– Hiện tượng quang điện trong là hiện tượng tạo thành các electron dẫn và lỗ trống trong bán dẫn do tác dụng của ánh sáng có bước sóng thích hợp.

– So sánh hiện tượng quang điện trong và hiện tượng quang điện ngoài:

Giống nhau	+ Đều là hiện tượng electron ở dạng liên kết trở thành electron tự do (giải phóng electron liên kết trở thành electron dẫn) dưới tác dụng của phôtôn ánh sáng. + Điều kiện để có hiện tượng là $displaystyle lambda le {{lambda }_{0}}$ .
Khác nhau	Hiện tượng quang điện ngoài	Hiện tượng quang điện trong
	+ Các quang e bị bật ra khỏi kim loại	+ Các electron liên kết bị bứt ra vẫn ở trong khối bán dẫn
	+ Chỉ xáy ra với kim loại	+ Chỉ xảy ra với chất bán dẫn
	+ Giới hạn quang điện ${{lambda }_{0}}$ nhỏ thường thuộc vùng tử ngoại trừ kiềm và kiềm thổ	+ Giới hạn quang điện ${{lambda }_{0}}$ dài (lớn hơn của kim loại, thường nằm trong vùng hồng ngoại)

b. Ứng dụng

+ Hiện tượng quang dẫn: Là hiện tượng điện trở suất của chất bán dẫn giảm (độ dẫn điện tăng) khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào.

+ Quang điện trở:

Quang điện trở là một tấm bán dẫn có điện trở thay đổi khi cường độ chùm sáng chiếu đến nó thay đổi.

Quang điện trở được chế tạo dựa trên hiện tượng quang điện trong.

Quang trở thường được dùng trong các mạch điều khiển tự động.

+ Pin quang điện:

Là nguồn điện trong đó quang năng biến đổi trực tiếp thành điện năng.

Hoạt động dựa trên hiện tượng quang điện trong.

Pin quang điện (pin mặt trời) thường được sử dụng trong máy tính bỏ túi, trên các vệ tinh nhân tạo.

4. Tia lazer

a. Đặc điểm của tia laze: Laze là một nguồn sáng phát ra chùm sáng song song (có tính định hướng cao), kết hợp, có tính đơn sắc rất cao và có cường độ lớn.

b. Một số ứng dụng của laze:

+ Sử dụng trong thông tin liên lạc vô tuyến: truyền thông tin bằng cáp quang, vô tuyến định vị, điều khiển tàu vũ trụ.

+ Dùng như dao mổ trong phẫu thuật mắt, chữa một số bệnh ngoài da nhờ tác dụng nhiệt.

+ Dùng trong các đầu đọc đĩa CD, bút trỏ bảng.

+ Dùng để khoan, cắt….chính xác các vật liệu trong công nghiệp.

c. Nguyên tắc để phát ra tia laze

+ Dựa trên hiện tượng phát xạ cảm ứng: Khi có một photon bay qua một nguyên tử đang ở trạng thái kích thích thì nguyên tử đó sẽ phát ra một photon có năng lượng đúng bằng, bay cùng chiều và cùng pha với photon bay lướt qua đó.

+ Cần có môi trường hoạt tính: là môi trường có các nguyên tử ở trạng thái kích thích với mật độ lớn hơn các nguyên tử ở trạng thái cơ bản

B. BÀI TẬP

DẠNG 1: BÀI TẬP VỀ TIA X

+ Ban đầu e được tăng tốc trong điện trường:

Mytranshop.com khuyên bạn nên xem: Xây dựng nhà 2 tầng hiện đại ở nông thôn với chi phí 300 triệu 2022 | Mytranshop.com

$displaystyle {{text{W}}_{dtext{s}}}-{{text{W}}_{0d}}={{U}_{AK}}.e$

+ Sau đó e tới đập vào kim loại có nguyên tử lượng lớn:

$displaystyle {{text{W}}_{dtext{s}}}=varepsilon +Q=>{{varepsilon }_{max }}={{text{W}}_{dtext{s}}}$

=> Photon có năng lượng lớn nhất (bước sóng ngắn nhất, tần số lớn nhất): ${{varepsilon }_{max }}={{text{W}}_{dtext{s}}}={{U}_{AK}}.e$ (với $displaystyle {{text{W}}_{0text{d}}}=0$ )

=> Công suất điện của ống Rownghen: P = U.I

=> Hiệu suất của ống Rơnghen $H=frac{{{P}_{chtext{ }!!grave{mathrm{u}}!!text{ m}tiaX}}}{{{P}_{text{di }!!hat{mathrm{e}}!!text{ }n}}}$

Ví dụ 1: Bước sóng ngắn nhất của tia Rơn- ghen phát ra từ một ống Rơn -ghen bằng $lambda ={{2.10}^{-11}}m$ . Coi rằng vận tốc ban đầu của electron bằng không. Động năng cực đại của electron trước khi đập vào đối catot là

A. ${{10}^{-14}}J$ B. ${{2.10}^{-14}}J$ C. ${{3.10}^{-14}}J$ D. ${{4.10}^{-14}}J$

Hướng dẫn

Ta có: $displaystyle {{text{W}}_{dAmax }}=e.{{U}_{AK}}={{varepsilon }_{Xmax }}$

Thay số ta được: $displaystyle {{text{W}}_{dAmax }}=frac{hc}{{{lambda }_{min }}}=frac{6,{{625.10}^{-34}}{{.3.10}^{8}}}{{{2.10}^{-11}}}=9,{{937.10}^{-15}}Japprox {{10}^{-14}}J$

=> Đáp án A.

Ví dụ 2: Một ống Rơn-ghen trong mỗi bức xạ $N={{3.10}^{14}}$ photôn. Những photon có năng lượng trung bình ứng với bước sóng ${{10}^{-10}}m$ . Hiệu điên thế đặt vào hai đầu ống là 50kV. Cường độ dòng điện chạy qua ống $1,{{5.10}^{-3}}A.$ Người ta gọi tỉ số giữa năng lượng bức xạ dưới dạng tia Rơn- ghen và năng lượng tiêu thụ của ống Rơn – ghen là hiệu suất của ống. Hiệu suất của trường hợp này là

A. 0,2% B.0,8% C.3% D.60%

Hướng dẫn

Công suất điện mà ống tiêu thụ được tính: P=UI.

Năng lượng trung bình của mỗi photon $varepsilon =frac{hc}{lambda }$

Trong một giây có N photon được phát xạ nên công suất phát xạ của chùm tia Rơn – ghen là: ${{P}^{'}}=Nvarepsilon =Nfrac{hc}{lambda }$

Theo định nghĩa ta có hiệu suất của ôngd: $H=frac{{{P}^{'}}}{P}=frac{N.h.c}{lambda U.I}={{8.10}^{-3}}=0,8%$

=> Đáp án B

DẠNG 2: BÀI TẬP VỀ HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN (Mang tính chất tham khảo)

1. Công thức Anhxtanh $varepsilon =A+{{text{W}}_{d0max }}$

$varepsilon =h.f=frac{h.c}{lambda }$
$A={{varepsilon }_{min }}=h{{f}_{0}}=frac{hc}{{{lambda }_{0}}}$
${{U}_{h}}={{V}_{max }}=frac{{{text{W}}_{0text{d}max }}}{e};{{text{W}}_{0text{d}max }}=frac{1}{2}mv_{0max }^{2}$ ( Để ${{I}_{qtext{d}}}=0<=>{{U}_{AK}}le {{U}_{h}};{{V}_{max }}$ là điện thế cực đại)

Nếu chiếu đồng thời các bức xạ ${{lambda }_{1}}<{{lambda }_{2}}...<{{lambda }_{0}}$ thì

Các đại lượng $displaystyle {{text{W}}_{0dmax }};{{v}_{0text{d}max }};{{U}_{h}};{{V}_{max }}$ tính với ${{lambda }_{min }}({{lambda }_{1}})$

Ví dụ: Catốt của 1 tế bào quang điện được làm bằng kim loại có giới hạn quang điện là ${{lambda }_{0}}=0,657mu m$ .

1. A = ?

A. ${{3.10}^{-19}}J$ B. ${{3.10}^{-25}}J$ C. $0,{{3.10}^{-19}}J$ D. $0,{{3.10}^{-25}}J$

2. Vận tốc ban đầu cực đại của quang electron khi chiếu ánh sáng có bước sóng $lambda =0,444mu m$ là

A. $5,{{6.10}^{6}}m/s$ B. $5,{{6.10}^{5}}m/s$ C. $5,{{6.10}^{7}}m/s$ D. $5,{{6.10}^{8}}m/s$

3. Hiệu điện thế hãm là

A. 0,92V B. 0,092V C.1,84V D. 0,184V

Hướng dẫn

a. $A=frac{hc}{{{lambda }_{0}}}=6,{{625.10}^{-34}}frac{{{3.10}^{8}}}{0,{{657.10}^{-6}}}={{3.10}^{-19}}J$

=> Đáp án A.

b. Ta có:

$begin{array}{l}hfrac{c}{lambda }=A+frac{mv_{0max }^{2}}{2}\<=>(hfrac{c}{lambda }-A).2=v_{0max }^{2}\=>{{v}_{0}}approx 5,{{6.10}^{5}}m/send{array}$

=> Đáp án B

c. $e{{U}_{h}}=frac{mv_{0max }^{2}}{2}=>{{U}_{h}}=frac{mv_{0max }^{2}}{2.e}=0,92V$

=> Đáp án A.

2. Cường độ dòng quang điện bão hòa

$displaystyle {{I}_{bh}}={{n}_{e}}.e$

Ví dụ:Catốt của một tế bào quang điện có công thoát là 2,26eV. Bề mặt catốt được chiếu bởi bức xạ có bước sóng 0,4mm. Cho hiệu suất quang điện bằng 67%. Tính số êlectron quang điện bật ra trong mỗi giây và cường độ dòng quang điện bão hòa.

Mytranshop.com khuyên bạn nên xem: Bà bầu ăn vú sữa được không? Cách chế biến vú sữa cho bà bầu 2022 | Mytranshop.com

A. 0,6475mA B.0,6475A C. $0,6475mu m$ D. Đáp án khác

Hướng dẫn

Gọi N là số phôtôn chiếu đến tế bào quang điện trong 1s.

Công suất bức xạ: $displaystyle P=Nvarepsilon =frac{Nhc}{lambda }Rightarrow N=frac{Plambda }{hc}=frac{{{3.10}^{-3}}.0,{{4.10}^{-6}}}{6,{{625.10}^{-34}}{{.3.10}^{8}}}=6,{{04.10}^{15}}$

Gọi $displaystyle n$ là số êlectron bị bật ra trong 1s: $n=67%N=4,{{04468.10}^{15}}$

Cường độ dòng quang điện bão hòa:

$displaystyle {{I}_{bh}}=nleft| e right|={{n}_{e}}left| e right|=4,{{04468.10}^{15}}.1,{{6.10}^{-19}}=0,6475mA.$

=> Đáp án A

3. Hiệu suất lượng tử

$displaystyle H=frac{{{n}_{e}}}{{{n}_{P}}}=frac{I.varepsilon }{e.P}$

Ví dụ: Chiếu bức xạ có bước sóng $lambda =0,552mu m$ vào catốt một tế bào quang điện, dòng quang điện bão hoà có cường độ là ${{I}_{bh}}=2mA$ . Công suất của nguồn sáng chiếu vào catốt là P = 1,20W. Hiệu suất lượng tử bằng

A. 0,650%. B. 0,375%. C. 0,550%. D. 0,425%.

Hướng dẫn

Ta có: $varepsilon =hf=frac{hc}{lambda }=frac{6,{{625.10}^{-34}}{{.3.10}^{8}}}{0,{{552.10}^{-6}}}=3,{{6.10}^{-19}}J$

Hiệu suất lượng tử :

$displaystyle H=frac{I.varepsilon }{e.P}=frac{{{2.10}^{-3}}.3,{{6.10}^{-19}}}{1,{{6.10}^{-19}}.1,2}=0,375%$

=> Đáp án B

4. Chuyển động của e quang điện trong điện trường:

$displaystyle {{text{W}}_{dtext{s}}}-{{text{W}}_{otext{d}}}={{U}_{AK}}.e$

Ví dụ:Chiếu bức xạ có bước sóng l = 0.6mm vào catot của 1 tế bào quang điện có công thoát A= 1.8eV. Dùng màn chắn tách ra một chùm hẹp các electron quang điện và cho chúng bay vào một điện trường từ A đến B sao cho ${{U}_{AB}}=-10V$ . Vận tốc nhỏ nhất và lớn nhất của electron khi tới B lần lượt là

A.18,75.105 m/s và 18,87.105 m/s. B.18,87.105m/s và 18,75.105m/s.

C.16,75.105m/s và 18.87.105m/s. D.18,75.105m/s và 19,00.105m/s.

Hướng dẫn

Ta có: $displaystyle {{lambda }_{0}}=frac{hc}{A}=frac{{{6.625.10}^{-34}}{{.3.10}^{8}}}{1,8.1,{{6.10}^{-19}}}=0,{{69.10}^{-6}}m=0,69mu m$ ;

-Khi Vận tốc ban đầu cực đại của e theo chiều tăng tốc với UAB thì ta có vận tốc lớn nhất của electron khi tới B là v: Gọi v ( Hay ${{v}_{max }}$ ) là vận tốc cực đại của e khi đến B. Áp dụng định lí động năng:

$displaystyle frac{1}{2}m{{v}^{2}}-frac{1}{2}mv_{0}^{2}=left| e{{U}_{AB}} right|=>frac{1}{2}m{{v}^{2}}=frac{1}{2}mv_{0}^{2}+left| e{{U}_{AB}} right|$

=> $displaystyle frac{1}{2}m{{v}^{2}}=+varepsilon -A+left| e{{U}_{AB}} right|$

$displaystyle frac{1}{2}m{{v}^{2}}=hc(frac{1}{lambda }-frac{1}{{{lambda }_{0}}})+left| e{{U}_{AB}} right|=>{{v}_{max }}=sqrt{frac{2hc}{m}(frac{1}{lambda }-frac{1}{{{lambda }_{0}}})+frac{2left| e{{U}_{AB}} right|}{m}}$

Thay số : $displaystyle {{v}_{max }}=sqrt{frac{{{2.6.625.10}^{-34}}{{.3.10}^{8}}}{{{9.1.10}^{-31}}{{.10}^{-6}}}(frac{1}{0,6}-frac{1}{0,69})+frac{2.1,{{6.10}^{-19}}}{{{9.1.10}^{-31}}}.10}=19,{{00.10}^{5}}m/s$

-Khi vận tốc ban đầu của e bằng 0 thì ta có vận tốc nhỏ nhất của electron khi tới B là vmin :

$displaystyle frac{1}{2}mv_{min }^{2}=e{{U}_{AB}}$ => $displaystyle {{v}_{min }}=sqrt{frac{2}{m}e{{U}_{AB}}}$

Thay số : $displaystyle {{v}_{min }}=sqrt{frac{2.1,{{6.10}^{-19}}}{{{9.1.10}^{-31}}}.10}=18,{{75228.10}^{5}}m/s$

=> Đáp án D

5. Chuyển động của e trong từ trường:

$displaystyle f=B.v.left| e right|sin left( overrightarrow{B},overrightarrow{v} right)=m.frac{{{v}^{2}}}{R}$

=> $displaystyle {{R}_{max }}=frac{m.{{v}_{0max }}}{B.left| e right|sin left( overrightarrow{B},overrightarrow{v} right)}to {{R}_{max }}=frac{m{{v}_{0max }}}{B.e}(khi,,overrightarrow{B}bot overrightarrow{v})$

Ví dụ: Chiếu bức xạ điện từ vào catôt của tế bào quang điện tạo ta dòng quang điện bảo hòa. Người ta có thể triệt tiêu dòng quang điện bảo hòa này bằng điện áp hãm $displaystyle {{U}_{h}}=-1,3V$ . Dùng màn chắn tách ra một chùm hẹp các electron quang điện và cho nó đi qua một từ trường đều có cảm ứng từ $displaystyle B={{6.10}^{-5}}T$ theo phương vuông góc với $displaystyle vec{B}$ . Bán kính quỹ đạo của electron trong từ trường là

A. 6,4m B. 6,4mm C. 6,4cm D. 0,064cm

Hướng dẫn

Vận tốc ban đầu cực đại của các quang e:

$displaystyle frac{1}{2}mv_{0max }^{2}=e{{U}_{h}}$
$displaystyle Rightarrow {{v}_{0max }}=sqrt{frac{2e{{U}_{h}}}{m}}=sqrt{frac{2.(-1,{{6.10}^{-19}}).left( -1,3 right)}{9,{{1.10}^{-31}}}}=6,{{76.10}^{5}}m/s$

Ta có:

$displaystyle {{R}_{max }}=frac{m.{{v}_{0max }}}{B.left| e right|sin alpha }$ Trong đó $displaystyle alpha$ là góc hợp bởi $displaystyle {{vec{v}}_{omax }}$ và $displaystyle vec{B}$ , ở đây $displaystyle alpha ={{90}^{0}}$ .