WebLab STEM

Vật lý · 8. Thuyết lượng tử ánh sáng

Lượng tử ánh sáng, photon và hiệu ứng quang điện

Khảo sát photon năng lượng, công thoát kim loại, hiệu điện thế hãm và xác định thực nghiệm hằng số Planck h.

40 phútPhiên bản nội dung: 2.1
Bắt đầu lộ trình tương tácMở thí nghiệm mô phỏng

Câu hỏi dẫn đường

Tại sao ánh sáng đỏ cường độ cực mạnh không bứt được electron, nhưng ánh sáng tím dù rất yếu lại làm electron bật ra tức thì?

Phạm vi chương trình

GDPT 2018 Vật lý 12 (Chương 4: Vật lý lượng tử); Cambridge A-Level Physics 9702 (Topic 22); AP Physics 2.

Phạm vi và giới hạn mô hình

Mô hình xét hiệu ứng quang điện ngoài chân không trên bề mặt kim loại sạch; bỏ qua tương tác tán xạ thứ cấp phức tạp.

Mục tiêu học tập

  • Vận dụng giả thuyết Planck và Einstein: năng lượng một photon E = hf = hc/λ.
  • Sử dụng phương trình quang điện Einstein hf = A + Ek_max để tính giới hạn quang điện λ₀ và hiệu điện thế hãm Uh.
  • Xác định hằng số Planck h từ độ dốc của đồ thị hiệu điện thế hãm Uh theo tần số ánh sáng f.

Kiến thức cần biết trước

  • Vận tốc, bước sóng và tần số sóng điện từ (c = λf).
  • Công của lực điện trường và năng lượng điện tử vôn (1 eV = 1,6×10⁻¹⁹ J).

Kiến thức trọng tâm

Photon ánh sáng

Ánh sáng gồm các hạt photon mang năng lượng gián đoạn E = hf (h ≈ 6,626×10⁻³⁴ J·s). Cường độ sáng tỉ lệ với số photon phát ra trong một giây, không làm tăng năng lượng của từng photon.

Công thoát & Giới hạn quang điện

Để bứt electron ra khỏi kim loại, photon phải có năng lượng tối thiểu bằng công thoát A (hf ≥ A hay λ ≤ λ₀ = hc/A).

Hiệu điện thế hãm

Đặt hiệu điện thế ngược Uh để cản trở electron quang điện có động năng ban đầu cực đại: eUh = Ek_max = hf − A. Đồ thị Uh–f là đường thẳng có hệ số góc h/e.

Ví dụ mẫu có giải thích

Chiếu bức xạ λ = 300 nm (f = 1,0×10¹⁵ Hz) vào kim loại có công thoát A = 2,2 eV. Năng lượng photon E = 1240/300 = 4,13 eV. Động năng cực đại Ek_max = 4,13 − 2,2 = 1,93 eV. Hiệu điện thế hãm Uh = 1,93 V.

Ngộ nhận cần tránh

  • Tăng cường độ ánh sáng kích thích làm tăng số electron quang điện bật ra trong 1 giây (tăng cường độ dòng quang điện bão hòa), chứ không làm tăng động năng cực đại của electron.
  • Hiện tượng quang điện xảy ra tức thời (khoảng 10⁻⁹ s), hoàn toàn mâu thuẫn với lý thuyết sóng cổ điển vốn đòi hỏi thời gian tích lũy năng lượng.

Quy trình thí nghiệm mô phỏng: Hiệu ứng quang điện ngoài và hiệu điện thế hãm

  1. Chọn kim loại catot (ví dụ Cs, Na, hoặc Zn) trong tế bào quang điện chân không.
  2. Thay đổi tần số f của chùm sáng đơn sắc chiếu vào và điều chỉnh nguồn điện thế ngược cho đến khi kim microampe kế chỉ 0 (Uh).
  3. Lập bảng số liệu Uh theo f, vẽ đồ thị tuyến tính hóa và tính h = e × (độ dốc).

An toàn và lưu ý

  • Đèn thủy ngân phát tia tử ngoại UV; không nhìn trực tiếp vào chùm tia và phải đeo kính chống UV.

Bằng chứng cần thu thập

  • Bảng dữ liệu bước sóng λ, tần số f, và hiệu điện thế hãm Uh đo được.
  • Đồ thị Uh theo f cho thấy hệ số góc xấp xỉ 4,14×10⁻¹⁵ V·s và giao điểm trục tung bằng −A/e.
Mở thí nghiệm mô phỏng
📋 Nhúng thí nghiệm này vào bài giảng điện tử (Dành cho Giáo viên & LMS)

Sao chép đoạn mã iframe dưới đây để nhúng mô phỏng tương tác này vào Google Sites, LMS Moodle, Canvas, Microsoft Teams hoặc blog học tập:

<iframe src="https://visuallab.win/physics-lab/?experiment=alevel-photoelectric&lang=vi" width="100%" height="560" frameborder="0" allow="fullscreen" loading="lazy"></iframe>

Kiểm tra đầu vào

1. Nếu tăng gấp đôi cường độ của chùm sáng tới có bước sóng ngắn hơn giới hạn quang điện, đại lượng nào sẽ tăng?

  1. Cường độ dòng quang điện bão hòa
  2. Động năng cực đại của electron
  3. Hiệu điện thế hãm
Xem đáp án và giải thích

Đáp án đúng: Cường độ dòng quang điện bão hòa

Cường độ sáng tỉ lệ với số photon, giải phóng số electron nhiều gấp đôi trong một đơn vị thời gian.

2. Công thức liên hệ giữa hiệu điện thế hãm Uh và động năng ban đầu cực đại của electron là gì?

  1. eUh = Ek_max
  2. Uh = e × Ek_max
  3. Uh = Ek_max / c
Xem đáp án và giải thích

Đáp án đúng: eUh = Ek_max

Công cản của điện trường eUh làm triệt tiêu hoàn toàn động năng cực đại của electron khi bay đến anot.

Luyện tập vận dụng

1. Kim loại có công thoát A = 2,5 eV. Giới hạn quang điện λ₀ của kim loại này xấp xỉ bằng bao nhiêu (cho hc ≈ 1240 eV·nm)?

  1. 496 nm
  2. 310 nm
  3. 620 nm
Xem đáp án và giải thích

Đáp án đúng: 496 nm

λ₀ = hc / A = 1240 / 2,5 = 496 nm (vùng ánh sáng nhìn thấy).

2. Đồ thị Uh theo f có độ dốc bằng 4,14×10⁻¹⁵ V·s. Lấy e = 1,6×10⁻¹⁹ C, hằng số Planck h đo được bằng?

  1. 6,62×10⁻³⁴ J·s
  2. 4,14×10⁻³⁴ J·s
  3. 1,60×10⁻³⁴ J·s
Xem đáp án và giải thích

Đáp án đúng: 6,62×10⁻³⁴ J·s

h = e × gradient = 1,6×10⁻¹⁹ × 4,14×10⁻¹⁵ ≈ 6,62×10⁻³⁴ J·s.

3. Chiếu ánh sáng có bước sóng 400 nm vào catot có công thoát 2,0 eV (năng lượng photon 3,1 eV). Hiệu điện thế hãm bằng?

  1. 1,1 V
  2. 3,1 V
  3. 5,1 V
Xem đáp án và giải thích

Đáp án đúng: 1,1 V

eUh = hf − A = 3,1 − 2,0 = 1,1 eV nên Uh = 1,1 V.

Nguồn kiểm tra chuyên môn

  1. Cambridge IGCSE Physics 0625 — đề cương và tài liệu chính thức
  2. Cambridge AS & A Level Physics 9702 — đề cương chính thức
  3. OpenStax Physics — giáo trình Vật lý trung học đã bình duyệt
  4. BIPM — Hệ đơn vị quốc tế SI, ấn bản 9

Nội dung được duy trì theo các nguồn trích dẫn bên dưới. Mô phỏng là mô hình học tập và không thay thế quy trình an toàn của phòng thí nghiệm thực.

Đơn vị xuất bản nội dung
WebLab STEM
Phụ trách kỹ thuật
Đức Tiến — Kỹ sư Điều khiển và Tự động hóa