Sáng kiến kinh nghiệm Phương pháp giải bài tập Vật lý phần “Lượng tử ánh sáng”

 SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM 
PHƯƠNG PHÁP GIẢI 
 BÀI TẬP VẬT LÝ 
PHẦN “ LƯỢNG TỬ 
 ÁNH SÁNG” 
 A .phần I : đặt vấn đề 
 1. lời mở đầu : 
 Trong quá trình trực tiếp giảng dạy ở trường phổ thông qua 6 năm thực dạy tôi 
thấy rằng để giúp học sinh ôn luyện các bài tập vật lý sơ cấp, chuẩn bị tốt cho 
các kỳ thi cuối cấp và nhất là kỳ thi tuyển sinh vào các trường đại học, cao đẳng 
và th cn, trong quá trình giảng dạy tôi thấy rằng phần lượng tử ánh sáng là phần 
rất khó học nhưng rất quan trọng trong quá trình ôn tập và thi cử, tôi đã hệ thống 
và truyền đạt cho học sinh theo các chủ đề, mỗi chủ đề đều được trình bày lần 
lượt : Kiến thức cơ bản : Bài tập ví dụ (Nêu các ví dụ điển hình và bài tập mẫu 
): Bài tập áp dụng (Nêu đầy đủ các bài tập cơ bản và nâng cao ). trong quá trình 
giảng dạy các bài tập được phân dạng theo chủ đề toán cơ bản, đặc biệt là các 
dạng bài tập của phần này tôi luôn cập nhật theo chương trình cải cách giáo dục 
và các vấn đề thường gặp trong các đề thi tốt nghiệp và các đề thi đại học cao 
đẳng của bộ giáo dục và đào tạo . 
 Tất cả các bài tập áp dụng đều có hướng dẫn giải ngắn gọn, chủ yếu làm rõ các 
bước giải cơ bản các phép tính toán và lời giải chi tiết để học sinh có thể tự làm, 
có như vậy học sinh với tích cực tham gia vào quá trình giải toán được nhờ đó 
mà các em hiểu rõ và nhớ lâu hơn ,với cách làm như vậy trong quá trình giảng 
dạy tôi thấy hiệu quả . 
 Mặc dù đã có nhiều cố gắng trong quá trình biên soạn bản sáng kiến kinh 
nghiệm này, nhưng thiếu sót là điều không thể tránh khỏi ,rất mong sự dóng 
góp ý kiến của các bạn đồng nghiệp và các em học sinh để bản sáng kiến ngày 
càng hoàn thiện hơn . 
 2. Thực trạng nghiên cứu : 
 Khi giảng dạy tôi thấy rằng học sinh rất bế tắc trong khi học phần lượng tử ánh 
sáng và vật lý hạt nhân ,các em không hình dung các dang bài tập thường gặp và 
phương pháp giải các bài tập đó chính vì lẽ đó mà các em hiểu không rõ bản 
chất của vấn đề nên khi gặp các bài tập phần này các em rất luống cuống trong 
 Muốn cho dòng quang điện triệt tiêu hoàn toàn thì hiệu điện thế giữa anốt và 
ca tốt phải đạt đến một giá trị –Uh nào đó : Uh được gọi là hiệu điện thế hãm 
 2
 mv0 max -19 -31
eUh = ( e = 1,6 .10 (C) , me = 9,1.10 (kg) 
 2
 Hiệu suất của hiện tượng quang điện (Hiệu suất lượng tử ) 
H=số êlectrôn bật ra từ kim loại (ca tốt )/ số phôtôn tới kim loại 
 Cường độ dòng quang điện bão hoà : Ibh = n.e 
(Với n là êléc trôn bị bật ra khỏi catốt mỗi dây . 
 e. Bước sóng nhỏ nhất của tia RơnGhen (Tia X) phát ra từ một ống RơnGhen : 
 hc
 lx ³ lmin với lmin = 
 ¦ WÒ
 2
 mv0
Wđ = =e Uh , Uh là hiệu điện thế hãm giữa hai cực của ống Rơn Ghen 
 2
 g. Mẫu nguyên tử Bo : 
 Hai tiên đề Bo 
 *. Nguyên tử chỉ tồn tại trong những trạng thái có năng lượng hoàn toàn xác 
định E1 ,E2 ,... gọi là các trạng thái dừng.Trong các trạng thái rừng nguyên tử 
không bức xạ. Bình thường nguyên tử ở trạng thái cơ bản năng lượng thấp nhất . 
*. Khi nguyên tử chuyển từ trạng thái rừng có năng lượng Em sang trạng thái 
rừng En (Với Em > En thì nguyên tử phát ra một phôtôn có năng lượng đúng 
bằng hiệu Em – En =e = hf mn : Với fmn là tần số của sóng ánh sáng ứng với 
phôtôn đó . 
 Ngược lại nếu nguyên tử đang ở mức năng lượng En thấp mà hấp thụ một 
phôtôn có năng lượng hfmn = Em – E n thì chuyển về mứ năng lượng Em cao hơn . 
 Em 
 hfmn hfmn 
 En 
* Quang phổ vạch của nguyên tử Hđrô: Gồm nhiều dãy vạch tách rời nhau 
 2.Ví dụ 2 : Chiếu một bức xạ điện từ có bước sóng l =0,546 mm lên mặt dùng 
làm catốt của một tế bào quang điện, thu được dòng bão hoà có cường độ i0 =2 
(mA). Công suất của bức xạ điện từ là P =1,515 (W) . 
 1/ tìm tỷ số giữa các êlectrôn quang điện thoát ra khỏi bề mặt kim loại và số 
phô tôn rọi đến . 
 2/ Giả sử các êlectrôn quang điện được tách ra bằng màn chắn để lấy một 
chùm hẹp hướng vào một từ trường đều có cảm ứng từ B=10-4 (T) sao cho 
 r
 B vuông góc với phương ban đầu của eléc trôn. Biết quỹ của êlectrôn có bán 
kính cực đại là r = 23,32 mm . 
 a. Xác định vận tốc ban đầu. cực đại của êlectrôn quang điện theo các số liệu 
trên . 
 b. tính giới hạn quang điện của kim loại làm catốt . 
 Giải : 
 1/ Năng lượng của mỗi phô tôn trong chùm là: Do đó hiệu suất lượng tử là 
 -34 8
 hc 6,625.10 .3.10 -19
 e = = =3,64 .10 (J) 
 l 0,546.10 -19
 Số phô tôn tới mặt kim loại trong một giây là : 
 P 1,515 8
 N = = = 4,5 .10 hạt /s. 
 e 3,64.10-19
 Kí hiệu n là số êlectrôn quang điện thoát ra khỏi mặt kim loại trong 1 giây, ta 
có : 
 -3
 i 2.10 16
 n = 0 = = 1,25 .10 hạt /s. 
 e 1,6.10-19
Do đó hiệu suất lượng tử là . 
 6
 1,25.10 -2
 H = n/N = =0,3 .10 . 
 4,2.1018
 2/ Electrôn chuyển động trong từ trường chịu tác dụng của lực Lo ren xơ F 
 r r
=evB (do vận tốc v vuông góc với cảm ứng từ B ), khi đó quỹ đạo của 
electrôn 
là đường tròn bán kính R và lực gây ra gia tốc hướng tâm là lực hướng tâm. áp 
dụng định luật hai Niutơn ta có : 
 2 2
 hc mv 0m· mv0 amx hc -19 2 hc
 hf = = A + ® = - A » 7,044.10 (C) ® v0 = ( - A) 
 l 2 2 l m l
 » 1,244.106 m / s . 
 Ban đầu quả cầu chưa tích điện. Khi chiếu bức xạ có bước sóng l vào quả cầu 
thì êlectrôn ở mặt quả cầu bị bứt ra, và quả cầu tích điện dương, quả cầu có một 
điện thế .Số êlectrôn bị bứt ra khỏi quả cầu ngày càng nhiều, điện thế của quả 
cầu tăng dần và khi điện thế quả cầu đạt giá trị V ma x thì các êlectrôn vừa bị bứt 
ra thêm lại bị hút về quả cầu, và điện thế của quả cầu không tăng nữa vậy chính 
hiệu điện thế Vma x của quả cầu là hiệu điện thế hãm trong tế bào quang điện. Do 
đó ta có : 
 2 2 -19
 mvmax 1 mv o max 7,044.10 .
eVma x = eUh = ® Vma x = . = » 4,40 
 2 e 2 1,6.10-19
 c. Theo trên ta có : 
 2
 mv0 max
 eVma x = ,ở đây Vma x =3V từ đó : 
 2
 -19
 2eU 2.1,6.10 .3 6
 = -31 » 1,03.10 (m / s).
v0 = m 9,1.10 
 áp dụng công thức Anh xtanh : 
 2 2
 hc mv 0m· mv0 max
 hf = = A + = A + =A + eVma x 
 l 2 2
 -34 8
 hc 6,625.10 .3.10 -6
 ® l = = -19 ® l » 0,214.10 (m). 
 A + eVmax (4,47 +1,6.3).10
 4.Ví dụ 4: 
 Bước sóng ứng với bốn vạch trong dãy Ban me của quang phổ Hiđrô là : 
 Vạch đỏ ( Ha ) 0,656 mm ; vạch lam ( H b ) 0,486 mm ; vạch chàm 
( (Hg ) 
0,434 mm ; vạch tím ( H d ) 0,410 mm . 
 Tìm bước sóng ứng với ba vạch trong dãy Pasen nằm trong vùng hồng ngoại . 
 Giải : 
 a. Khi nguyên tử Hiđ rô ở trạng thái cơ bản ( E1 ứng với n =1 ) hấp thụ ánh sáng 
có bước sóng thích hợp, thì bán kính quỹ đạo tăng lên 9 lần. Hãy tính các bước 
sóng khả dĩ của bức xạ mà nguyên tử Hiđrô phát ra khi đó. Cho biết bán kính 
quỹ đạo dừng được tính theo công thức : 
 2 0
 Rn =r0 .n ,với r0 =0,53 A ; 
N =1 (Quỹ đạo thứ K), 2 (quỹ đạo thứ L)...... 
 b. Người ta cung cấp cho nguyên tử Hiđrô ở trạng thái cơ bản lần lượt các 
năng lượng là 6 eV , 12,75 eV; 18 eV để tạo điều kiện cho nó chuyển sang các 
trạng thái khác Trong trường hợp nào nguyên tử nguyên tử sẽ chuyển sang trạng 
thái mới và đó là trạng thái nào ? 
 Giải : 
 2
 Theo công thức rn = r0 .n thì bán kính quỹ đạo dừng tăng lên 9 lần có nghĩa là 
 2
 n = 9 ® n = 3: Nghĩa là nguyên tử đã chuyển từ mức năng lượng E1 lên mức 
năng lượng E3.Sau đó nguyên tử sẽ chuyển về mức năng lượng thấp hơn ( E2 
,E1) và phát ra bức xạ có bước sóng l . Các chuyển mức khả dĩ của nguyên tố 
đó là : 
 E3 ®E1 : E2 ®E1 ; E3 ®E2 . 
 Do đó các bước sóng khả dĩ mà nguyên tử có thể phát ra là 
 l23 ;l21;l31 .Ta có : 
 -34 8
 hc 1 1 5 36hc 36.6,625.10 .3.10 -6
 = E3 - E2 = E0 ( - ) = E0 ® l = = 0,657.10 (m) 
 l 22 32 36 32 -19
 32 5E0 5.13,6.1,6.10
=0,657 mm 
 Tương tự ta có 
 hc 1 1 3E0
 = E2 - E1 = E0 ( 2 - 2 ) = ®
 l21 1 2 4
 4hc hc 1 1 8E0 9hc
 l21 = » 0,121mm; = E3 - E1 = E0 ( 2 - 2) ) = ® l31 = » 0,103mm.
 3E0 l31 1 3 9 8E0
 b. Theo công thức : 
 E0
E1 = - . ,với E0 =13,6 (eV) . 
 n 2
 Ta có các mức năng lượng : 
 Kết quả thố kê năm học 2007-2008 ; Lớp 12A2 là lớp có nhiều học sinh khá tôi 
đã dạy theo phương pháp cũ chỉ có 60% là các em nắm trắc kiến thức , còn hai 
lớp 12A5, 12A1 có nhiều học sinh yếu hơn tôi đã truyền đạt theo phương pháp 
mới kết quả có 80% các em hiểu và nắm sâu kiến thức 
Lớp Sĩ số Giỏi Khá trung bình Yếu-kém 
12A2 50 HS 10 HS 20HS 15 HS 5 HS 
12A5 45 HS 12 HS 19 HS 5 HS 9 HS 
12A1 50 HS 3 HS 25 HS 14 HS 8 HS 
2.kiến nghị - đề xuất : 
 Bản sáng kiến kinh nghiệm này của riêng cá nhân tôi, tuy đã có kiểm nghiệm 
qua thực tế giảng dạy và thu được kết quả khả quan, nhưng trắc chắn chưa thể 
hoàn thiện được, rất mong sự đóng góp ý kiến chân thành của quý vị và các bạn 
đồng nghiệp để bản sáng kiến của tôi ngày càng hoàn thiện hơn và một điều 
quan trọng là giúp được các em học sinh nhiều hơn trong quá trình học tập và ôn 
thi . 
 Xin trân trọng cảm ơn ! 
 Tác giả : hoàng thị thuỷ 
 Đại lượng DE = Dm.c 2 ,( c là tốc độ ánh sáng trong chân không ) được gọi là 
năng lượng liên kết của hạt nhân , dó là năng lượng cần cung cấp cho hạt nhân 
(đứng yên ) để tách nó thành các nuclôn riêng biệt (cũng đứng yên ) 
 Dm = 1u thì DE = 931MeV.(1MeV = 1,6.10-13 J ). 
 DE
 Đại lượng được gọi là năng lượng liên kết riêng ,hạt nhân có năng lượng 
 A
liên kết riêng càng lớn thì càng bền vững . 
2. Sự phóng xạ 
a> Phóng xạ : (phân rã phóng xạ ) là hiện tượng hạt nhân tự động phóng ra các 
bức xạ , gọi là tia phóng xạ và biến đổi thành hạt nhân khác . quá trình phóng xạ 
cảu một hạt nhân hoàn toàn da các nguyên nhân bên trong của hạt nhân đó gây 
ra hoàn toàn không phụ thuộc vào các tác động bên ngoài (Như nhiệt độ ,áp suất 
....) Ngoài đồng vị phóng xạ có sẵn trong tự nhiên (như urani ) , người ta còn 
tạo ra được nhiều đồng vị phóng xạ (Như phốt pho ...) . 
b. có ba loại tia phóng xạ : 
 4
Tia a (Chính là hạt nhân của hêli 2 H e ); 
 - 0 - +
-Tia b gồm b (là các elếc trôn ,kí hiệu là -1 e hay e ), và b ,gọi là eléc trôn 
 0 +
dương ,hay pôzitrô ,kí hiệu là +1 e hay e . 
-Tia g là sóng điện từ có bước sóng ngắn (phô tôn của nó có năng lượng lớn ). 
-Mỗi chất phóng xạ có thể phóng ra một trong 3 tia đó là a, b - , b + có thể có tia 
 g kèm theo . 
 c. Định luật phóng xạ : 
Mỗi chất phóng xạ được đặc trưng bởi chu kỳ bán rã T ,cứ sau mỗi chu kỳ thì 
1/2 số nguyên tố trên chuyển thành nguyên tố khác .