Giáo án Vật lý 12 - Bài 2: Thuyết lượng tử ánh sáng, lưỡng tính sóng, hạt của ánh sáng - Vương Nhứt Trung

Bài 2 : Thuyết lượng tử ánh sáng. Lưỡng tính sóng-hạt của ánh sáng 
1. Thuyết lượng tử ánh sáng :
 a) Giả thuyết lượng tử năng lượng của Plăng : 
 Lượng năng lượng mà mỗi lần một nguyên tử hay phân tử hấp thụ hoặc phát xạ có giá trị hoàn toàn xác định , gọi là lượng tử năng lượng .Lượng tử năng lượng e có giá trị bằng 
e = h.f 
 Với f là tần số của ánh sáng bị hấp thụ hay được phát ra ; h = 6,625.10-34Js gọi là hằng số Plăng
 Bàn luận thêm : 
 Trước khi có giả thuyết lượng tử của Plăng thì chùm sáng được xem là một “khối liền lạc , liên tục” : lượng năng lượng mà mỗi lần một nguyên tử hay phân tử hấp thụ hoặc phát xạ không có giá trị xác định. Còn giả thuyết Plăng thì cho rằng chùm sáng không có tính liền lạc-liên tục , nó được tạo nên bởi những lượng năng lượng nhỏ , rời rạc , có giá trị xác định. 
 b) Thuyết lượng tử ánh sáng. Phôtôn :
 1/ Chùm ánh sáng là một chùm các phôtôn ( các lượng tử ánh sáng ). Mỗi phôtôn có năng lượng xác định e = h.f ( f là tần số của sóng ánh sáng đơn sắc tương ứng ) .Cường độ của chùm sáng tỉ lệ với số phôtôn phát ra trong 1 giây .
 2/ Phân tử , nguyên tử , electron... phát xạ hay hấp thụ ánh sáng , cũng có nghĩa là chúng phát xạ hay hấp thụ phôtôn .
 3/ Các phôtôn bay dọc theo tia sáng với tốc độ c = 3.108m/s trong chân không .
 Bàn luận thêm : 
 Các phôtôn có tần số khác nhau thì có năng lượng khác nhau .Các phôtôn có cùng tần số thì có cùng năng lượng , không phụ thuộc vào khoảng cách xa hay gần nguồn phát .Càng xa nguồn sáng , cường độ sáng càng giảm là vì mật độ phôtôn giảm do một số phôtôn bị hấp thụ. 
2. Giải thích các định luật quang điện :
 a) Công thức Anh-xtanh về hiện tượng quang điện :
 Hiện tượng quang điện xảy ra là do êlectron trong kim loại hấp thụ phôtôn của ánh sáng kích thích .Phôtôn bị hấp thụ truyền toàn bộ năng lượng của nó cho êlectron. Năng lượng e này được dùng vào ba việc :
 - Cung cấp cho êlectron một công A, gọi là công thoát, để nó thắng được lực liên kết với mạng tinh thể và thoát ra khỏi bề mặt kim loại
 - Truyền cho êlectron đó một động năng ban đầu 
 - Truyền một phần năng lượng cho mạng tinh thể 
 Riêng êlectron nằm ngay trên lớp bề mặt kim loại thì không truyền năng lượng cho mạng tinh thể. Nên động năng ban đầu của ê-lectron nầy có giá trị cực đại 
Áp dụng định luật bảo toàn năng lượng ta có 
 (44.2)
Là công thức Anh-xtanh về hiện tượng quang điện.
 b) Giải thích các định luật quang điện :
 - Định luật thứ nhất : Muốn cho hiện tượng quang điện xảy ra thì phôtôn của chùm sáng chiếu vào catôt phải có năng lượng lớn hơn, hoặc ít nhất phải bằng công thoát A, nghĩa là phải có hf ≥ A hay h ≥ A. Từ đó suy ra l ≤ lo với lo = h chính là giới hạn quang điện của kim loại làm catôt.
 Bàn luận thêm : 
 * phôtôn giải phóng electrôn tự do trong kim loại ( vì điện trở kim loại không giảm như hiện tượng quang điện trong – bài sau )
 * phôtôn có năng lượng hf < A chiếu tới , nếu electrôn nhận được thì nó sẽ truyền ngay lập tức cho mạng kim loại , làm cho vật nóng lên ( electrôn không tích dồn năng lượng – vì nếu có thì phôtôn có 
năng lượng hf < A cũng giải thoát được nó ) Š mạng kim loại hấp thụ được mọi bức xạ - bước sóng biến thiên liên tục , nên nó cũng có khả năng bức xạ mọi loại phôtôn - bước sóng biến thiên liên tục 
 - Định luật thứ hai : Với các chùm sáng có khả năng gây ra hiện tượng quang điện, thì số êlectron quang điện bị bật ra khỏi mặt catôt trong một đơn vị thời gian tỉ lệ thuận với số phôtôn đến đập vào mặt catôt trong thời gian đó. Số phôtôn này tỉ lệ với cường độ của chùm sáng tới. Mặt khác cường độ của ḍng quang điện bão hòa lại tỉ lệ thuận với số êlectron quang điện bật ra khỏi catôt trong một đơn vị thời gian. Từ đó suy ra, cường độ của dòng quang điện bão hòa tỉ lệ thuận với cường độ của chùm sáng chiếu vào catôt 
 - Định luật thứ ba : Theo công thức Anh-xtanh , động năng ban đầu cực đại của êlectron quang điện phụ thuộc vào tần số f của ánh sáng kích thích và công thoát A của kim loại làm catôt ( mà các kim loại khác nhau thì có công thoát khác nhau ).Vậy của êlectron quang điện chỉ phụ thuộc bước sóng ánh sáng kích thích và bản chất của kim loại làm catôt .
3. Lưỡng tính sóng-hạt của ánh sáng :
 * Trong các hiện tượng giao thoa , nhiễu xạ ánh sáng ta thừa nhận : ánh sáng là sóng điện từ .Trong các hiện tượng quang điện ta thừa nhận : chùm sáng là chùm các phôtôn ( hạt ) 
 Vậy , ánh sáng vừa có tính chất sóng , vừa có tính chất hạt .Ta nói : ánh sáng có lưỡng tính sóng-hạt.
 * Sóng điện từ có bước sóng càng ngắn , phôtôn ứng với nó có năng lượng càng lớn thì tính chất hạt ( gây ra hiện tượng quang điện , khả năng đâm xuyên , tác dụng phát quang ,... ) thể hiện càng rõ ; còn tính chất sóng càng mờ nhạt .
 Sóng điện từ có bước sóng càng dài , phôtôn ứng với nó có năng lượng càng nhỏ thì tính chất sóng ( ở hiện tượng giao thoa , nhiễu xạ , tán sắc ,... ) lại thể hiện rõ ; còn tính chất hạt thì mờ nhạt .
 * Mô hình sóng-hạt của ánh sáng được biểu diễn bởi hình ảnh sau đây :