Hiện tượng quang điện và thuyết lượng tử ánh sáng - Lý thuyết và trắc nghiệm

Mục Lục

1. Khái niệm hiện tượng quang điện

Hiện tượng quang điện là hiện tượng electron bị bứt ra khỏi bề mặt kim loại khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào. Các electron bị bứt ra gọi là quang electron.
Thí nghiệm của Hertz (1887): Khi chiếu tia tử ngoại vào bề mặt kim loại của tụ điện, electron dễ dàng bị bứt ra hơn.

2. Các định luật về hiện tượng quang điện

Định luật về giới hạn quang điện: Với mỗi kim loại, hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi tần số ánh sáng $f$ lớn hơn hoặc bằng một giá trị $f_0$ xác định, gọi là tần số giới hạn quang điện.
Định luật về cường độ dòng quang điện bão hòa: Cường độ dòng quang điện bão hòa tỉ lệ thuận với cường độ chùm sáng kích thích.
Định luật về động năng cực đại của quang electron: Động năng cực đại $E_{kmax}$ của quang electron phụ thuộc vào tần số ánh sáng kích thích $f$ và công thoát $A$ của kim loại, không phụ thuộc vào cường độ ánh sáng.

3. Giải thích hiện tượng quang điện bằng thuyết lượng tử ánh sáng

Giả thuyết lượng tử năng lượng của Planck (1900): Năng lượng của ánh sáng tồn tại thành những phần riêng biệt gọi là lượng tử ánh sáng hay photon. Năng lượng của mỗi photon $E$ tỉ lệ thuận với tần số $f$ của ánh sáng: $E = hf$, với $h$ là hằng số Planck.
Thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein (1905): Ánh sáng gồm các hạt photon, mỗi photon mang năng lượng $E = hf$. Khi photon tương tác với electron, nó sẽ truyền toàn bộ năng lượng cho electron.

4. Phương trình Einstein về hiện tượng quang điện

Năng lượng của photon: $E = hf$, với $h = 6,626 \times 10^{-34} J.s$ là hằng số Planck.
Phương trình Einstein: $hf = A + E{kmax}$
Trong đó $A$ là công thoát electron, $E{kmax}$ là động năng cực đại của quang electron.

5. Hiện tượng quang điện trong

Chất quang dẫn là chất bán dẫn có độ dẫn điện tăng khi bị chiếu sáng thích hợp. Hiện tượng quang điện trong xảy ra khi electron hóa trị hấp thụ năng lượng photon, chuyển lên dải dẫn và trở thành electron tự do.
Hiện tượng quang dẫn: Khi chiếu sáng vào chất bán dẫn, cường độ dòng điện qua chất tăng lên do mật độ electron tự do và lỗ trống tăng.

6. Ứng dụng của hiện tượng quang điện

Quang điện trở: Điện trở của vật liệu quang dẫn giảm khi có ánh sáng chiếu vào. Ứng dụng trong các thiết bị tự động như đèn tự động, cửa tự động.
Pin quang điện: Bao gồm hai điện cực làm bằng chất bán dẫn, khi chịu ánh sáng sẽ sinh ra sức điện động. Ứng dụng trong các tấm pin mặt trời.
Các ứng dụng khác: đo cường độ ánh sáng, quang trở, camera, đầu đọc CD/DVD.

7. Lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng

Tính chất sóng của ánh sáng: Các hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ chứng tỏ ánh sáng có tính chất sóng.
Tính chất hạt của ánh sáng: Hiện tượng quang điện, hiệu ứng Compton chứng tỏ ánh sáng có tính chất hạt photon mang năng lượng $E = hf$.

8. Hiện tượng quang phát quang

Hiện tượng quang phát quang là hiện tượng vật phát ra ánh sáng có bước sóng dài hơn khi hấp thụ ánh sáng có bước sóng ngắn hơn.
Huỳnh quang: Phát quang ngay khi hấp thụ ánh sáng kích thích. Lân quang: Phát quang một thời gian sau khi ngừng chiếu ánh sáng kích thích.

9. Sơ lược về Laser

Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) là chùm sáng đơn sắc, kết hợp, cường độ lớn, tính định hướng cao, được tạo ra nhờ hiện tượng phát xạ cảm ứng.
Tính chất của tia laser: độ đơn sắc cao, độ kết hợp cao, cường độ lớn, tính định hướng cao.

10. Ứng dụng của thuyết lượng tử ánh sáng

Giải thích được các hiện tượng quang học như quang điện, quang phát quang, phổ nguyên tử hydro, hiệu ứng Compton.
Ứng dụng trong các thiết bị quang điện tử, đo lường quang học, truyền thông quang, laser, pin mặt trời.

Câu hỏi trắc nghiệm (có đáp án)

Câu 1. Hiện tượng quang điện là hiện tượng gì?
A. Electron bị bứt ra khỏi bề mặt kim loại khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào.
B. Electron bị bứt ra khỏi bề mặt kim loại khi được nung nóng.
C. Electron bị bứt ra khỏi bề mặt kim loại khi va chạm với các hạt khác.
D. Electron bị bứt ra khỏi kim loại khi nhúng kim loại vào dung dịch.

Câu 2. Thí nghiệm của Hertz về hiện tượng quang điện cho thấy điều gì?
A. Khi chiếu ánh sáng vào kim loại, electron dễ dàng bị bứt ra hơn.
B. Khi chiếu tia hồng ngoại vào kim loại, electron dễ dàng bị bứt ra hơn.
C. Khi chiếu tia tử ngoại vào kim loại, electron dễ dàng bị bứt ra hơn.
D. Khi chiếu tia X vào kim loại, electron dễ dàng bị bứt ra hơn.

Câu 3. Định luật về giới hạn quang điện phát biểu điều gì?
A. Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi cường độ ánh sáng lớn hơn giá trị ngưỡng.
B. Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi tần số ánh sáng lớn hơn giá trị tần số giới hạn.
C. Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi bước sóng ánh sáng nhỏ hơn giá trị bước sóng giới hạn.
D. Hiện tượng quang điện luôn xảy ra với mọi bức xạ.

Câu 4. Giả thuyết lượng tử ánh sáng của Planck cho rằng:
A. Năng lượng ánh sáng tồn tại thành những phần liên tục.
B. Năng lượng ánh sáng tồn tại thành những phần rời rạc gọi là photon.
C. Năng lượng ánh sáng tỉ lệ nghịch với tần số của ánh sáng.
D. Năng lượng ánh sáng không phụ thuộc vào tần số.

Câu 5. Công thức tính năng lượng của photon là:
A. $E = hf$
B. $E = \frac{hc}{\lambda}$
C. $E = mc^2$
D. Cả A và B.

Câu 6. Phương trình Einstein về hiện tượng quang điện là:
A. $hf = \frac{1}{2}mv^2$
B. $hf = A + E_k$
C. $hf = W + E_k$
D. $hf = A + \frac{1}{2}mv^2$

Câu 7. Chất quang dẫn là gì?
A. Chất dẫn điện tốt khi có ánh sáng chiếu vào.
B. Chất cách điện tốt khi có ánh sáng chiếu vào.
C. Chất bán dẫn có độ dẫn điện tăng khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào.
D. Chất bán dẫn có độ dẫn điện giảm khi có ánh sáng chiếu vào.

Câu 8. Nguyên tắc hoạt động của pin quang điện là gì?
A. Dựa trên hiện tượng quang điện ngoài.
B. Dựa trên hiện tượng quang điện trong.
C. Dựa trên hiện tượng nhiệt điện.
D. Dựa trên hiện tượng phát quang.

Câu 9. Ánh sáng có lưỡng tính sóng hạt, điều này được chứng minh qua:
A. Hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ ánh sáng.
B. Hiện tượng quang điện, hiệu ứng Compton.
C. Cả A và B đều đúng.
D. Cả A và B đều sai.

Câu 10. Laser là gì?
A. Chùm sáng đơn sắc, kết hợp, cường độ lớn, định hướng cao.
B. Chùm sáng đa sắc, không kết hợp, cường độ nhỏ, định hướng kém.
C. Chùm electron đơn sắc, kết hợp, cường độ lớn, định hướng cao.
D. Chùm electron đa sắc, không kết hợp, cường độ nhỏ, định hướng kém.

Câu 11. Hiện tượng quang phát quang là gì?
A. Hiện tượng vật phát ra ánh sáng có bước sóng dài hơn khi hấp thụ ánh sáng bước sóng ngắn.
B. Hiện tượng vật phát ra ánh sáng có bước sóng ngắn hơn khi hấp thụ ánh sáng bước sóng dài.
C. Hiện tượng vật phát ra ánh sáng cùng bước sóng khi hấp thụ ánh sáng.
D. Hiện tượng vật không phát ra ánh sáng khi hấp thụ ánh sáng.

Câu 12. Động năng cực đại của quang electron phụ thuộc vào yếu tố nào?
A. Cường độ chùm sáng kích thích.
B. Bản chất kim loại.
C. Tần số ánh sáng kích thích.
D. Cả B và C.

Câu 13. Hiện tượng quang điện không xảy ra khi chiếu chùm ánh sáng nào vào kim loại?
A. Chùm ánh sáng đơn sắc có tần số lớn hơn tần số giới hạn.
B. Chùm ánh sáng đơn sắc có tần số nhỏ hơn tần số giới hạn.
C. Chùm ánh sáng đa sắc có tần số trung bình lớn hơn tần số giới hạn.
D. Chùm ánh sáng đa sắc có tần số trung bình nhỏ hơn tần số giới hạn.

Câu 14. Phát biểu nào sau đây là sai khi nói về thuyết lượng tử ánh sáng?
A. Năng lượng của một photon tỉ lệ thuận với tần số của nó.
B. Các photon có thể tương tác và truyền năng lượng cho nhau.
C. Khi tương tác, photon bị hấp thụ và biến mất.
D. Trong chân không, các photon bay dọc theo tia sáng với vận tốc c.

Câu 15. Công thoát electron A của kim loại được xác định bởi:
A. Hiệu điện thế giữa anot và catot.
B. Giới hạn quang điện của kim loại.
C. Bước sóng của ánh sáng chiếu tới.
D. Cường độ dòng quang điện bão hòa.

Câu 16. Khi nói về hiện tượng quang dẫn, phát biểu nào sau đây là đúng?
A. Quang dẫn là hiện tượng electron hóa trị hấp thụ năng lượng photon để chuyển lên dải dẫn.
B. Quang dẫn là hiện tượng electron dẫn hấp thụ năng lượng photon để chuyển xuống dải hóa trị.
C. Quang dẫn làm giảm độ dẫn điện của chất bán dẫn.
D. Quang dẫn xảy ra ở mọi chất rắn.

Câu 17. Phát biểu nào sau đây là đúng khi nói về pin quang điện?
A. Pin quang điện hoạt động dựa trên hiện tượng quang điện ngoài.
B. Pin quang điện hoạt động dựa trên hiện tượng quang điện trong.
C. Hiệu suất của pin quang điện có thể đạt tới 100%.
D. Pin quang điện có thể hoạt động vào ban đêm.

Câu 18. Phát biểu nào sau đây là sai khi nói về tia laser?
A. Laser là chùm sáng kết hợp.
B. Laser có độ đơn sắc cao.
C. Laser có tính định hướng cao.
D. Laser có cường độ nhỏ.

Câu 19. Hiện tượng nào sau đây không thể giải thích bằng thuyết lượng tử ánh sáng?
A. Hiện tượng quang điện.
B. Hiện tượng giao thoa ánh sáng.
C. Hiện tượng phát quang.
D. Hiệu ứng Compton.

Câu 20. Phát biểu nào sau đây là đúng khi nói về ứng dụng của hiện tượng quang điện?
A. Quang điện trở được dùng trong các thiết bị tự động như đèn tự động, cửa tự động.
B. Pin quang điện được dùng trong các tấm pin mặt trời.
C. Hiện tượng quang điện được ứng dụng trong các đầu đọc CD/DVD.
D. Tất cả các phát biểu trên đều đúng.

Câu 21. Giới hạn quang điện $\lambda_0$ của kim loại natri là 0,5 μm. Hỏi nếu chiếu vào kim loại natri bức xạ có bước sóng 0,6 μm thì hiện tượng gì sẽ xảy ra?
A. Hiện tượng quang điện
B. Hiện tượng quang dẫn
C. Không có hiện tượng gì xảy ra
D. Hiện tượng phát quang

Câu 22. Khi nói về thuyết lượng tử ánh sáng, phát biểu nào sau đây là sai?
A. Năng lượng của các photon chỉ phụ thuộc vào bước sóng.
B. Các photon không tương tác với nhau.
C. Tốc độ truyền của các photon trong chân không bằng c.
D. Photon có thể bị hấp thụ hoặc bị phát ra.

Câu 23. Một kim loại có giới hạn quang điện là 0,30 μm. Chiếu vào kim loại đó ánh sáng có bước sóng 0,20 μm. Động năng ban đầu cực đại của các electron quang điện là
A. 2,07 eV.
B. 4,14 eV.
C. 6,21 eV.
D. 8,28 eV.

Câu 24. Phát biểu nào sau đây là đúng khi nói về sự phát electron quang điện?
A. Electron quang điện được phát ra ngay khi ánh sáng chiếu vào kim loại.
B. Cần một khoảng thời gian để electron tích lũy đủ năng lượng mới phát ra được.
C. Electron quang điện chỉ phát ra ở nhiệt độ cao.
D. Electron quang điện chỉ phát ra trong điện trường mạnh.

Câu 25. Một chất có giới hạn quang điện là 0,35 μm. Chiếu vào chất đó ánh sáng có bước sóng λ. Hiện tượng quang điện xảy ra nếu
A. λ < 0,35 μm.
B. λ > 0,35 μm.
C. λ = 0,35 μm.
D. với mọi giá trị của λ.

Câu 26. Hiện tượng nào sau đây không liên quan đến tính chất hạt của ánh sáng?
A. Hiện tượng giao thoa ánh sáng.
B. Hiện tượng tán sắc ánh sáng.
C. Hiện tượng quang điện.
D. Hiệu ứng Compton.

Câu 27. Công thoát electron của một kim loại là 3,5 eV. Giới hạn quang điện của kim loại đó là
A. 0,18 μm.
B. 0,26 μm.
C. 0,35 μm.
D. 0,44 μm.

Câu 28. Phát biểu nào sau đây là đúng khi nói về quang phổ vạch phát xạ?
A. Các vạch tối xuất hiện trên nền quang phổ liên tục.
B. Các vạch sáng xuất hiện trên nền quang phổ liên tục.
C. Các vạch tối xuất hiện trên nền tối.
D. Các vạch sáng xuất hiện trên nền tối.

Câu 29. Dòng quang điện bão hòa phụ thuộc vào
A. hiệu điện thế giữa anot và catot.
B. cường độ chùm sáng kích thích.
C. bước sóng của ánh sáng kích thích.
D. bản chất kim loại catot.

Câu 30: Phát biểu nào sau đây là đúng khi nói về hiện tượng quang điện?
A. Hiện tượng quang điện xảy ra với mọi kim loại ở nhiệt độ bình thường.
B. Năng lượng của các electron quang điện phụ thuộc vào cường độ chùm sáng kích thích.
C. Electron quang điện có thể bị bắn ra khỏi bề mặt kim loại ngay cả khi ánh sáng chưa chiếu tới.
D. Với mỗi kim loại, chỉ có ánh sáng có tần số lớn hơn giới hạn quang điện mới gây ra được hiện tượng quang điện.

Câu 31: Phát biểu nào sau đây là sai khi nói về thuyết lượng tử ánh sáng?
A. Năng lượng của một photon tỉ lệ thuận với tần số của nó.
B. Các photon có thể tương tác và truyền năng lượng cho nhau.
C. Khi tương tác, photon bị hấp thụ và biến mất.
D. Trong chân không, các photon bay dọc theo tia sáng với vận tốc c.

Câu 32: Công thoát electron của một kim loại là 3,5 eV. Giới hạn quang điện của kim loại đó là
A. 0,18 μm.
B. 0,26 μm.
C. 0,35 μm.
D. 0,44 μm.

Câu 33: Phát biểu nào sau đây là đúng khi nói về quang phổ vạch phát xạ?
A. Các vạch tối xuất hiện trên nền quang phổ liên tục.
B. Các vạch sáng xuất hiện trên nền quang phổ liên tục.
C. Các vạch tối xuất hiện trên nền tối.
D. Các vạch sáng xuất hiện trên nền tối.

Câu 34: Dòng quang điện bão hòa phụ thuộc vào
A. hiệu điện thế giữa anot và catot.
B. cường độ chùm sáng kích thích.
C. bước sóng của ánh sáng kích thích.
D. bản chất kim loại catot.

Câu 35: Nguyên tắc hoạt động của pin quang điện dựa trên hiện tượng
A. quang điện ngoài.
B. quang điện trong.
C. quang dẫn.
D. quang phát quang.

Câu 36: Một chất có giới hạn quang điện là 0,66 μm. Khi chiếu vào chất đó ánh sáng có bước sóng 0,55 μm thì
A. electron quang điện bị bắn ra với động năng ban đầu cực đại.
B. electron quang điện bị bắn ra với động năng ban đầu cực tiểu.
C. electron quang điện bị bắn ra với vận tốc ban đầu cực đại.
D. không có electron quang điện nào bị bắn ra.

Câu 37: Phát biểu nào sau đây là sai khi nói về mẫu nguyên tử Bo?
A. Quỹ đạo dừng của electron quanh hạt nhân là các quỹ đạo tròn.
B. Khi chuyển từ quỹ đạo dừng có năng lượng thấp lên quỹ đạo dừng có năng lượng cao hơn, nguyên tử phát ra một photon.
C. Nguyên tử chỉ tồn tại trong các trạng thái dừng có năng lượng xác định.
D. Bán kính quỹ đạo dừng tỉ lệ thuận với bình phương của số nguyên n.

Câu 38: Tia laze không có tính chất nào sau đây?
A. Độ đơn sắc cao.
B. Cường độ lớn.
C. Tính định hướng cao.
D. Độ kết hợp thấp.

Câu 39: Hiện tượng nào sau đây không thể giải thích được bằng thuyết lượng tử ánh sáng?
A. Hiện tượng quang điện.
B. Hiện tượng giao thoa ánh sáng.
C. Hiện tượng quang phát quang.
D. Hiệu ứng Compton.

Câu 40: Phát biểu nào sau đây là đúng khi nói về ứng dụng của hiện tượng quang điện?
A. Quang điện trở được dùng trong các thiết bị tự động như đèn tự động, cửa tự động.
B. Pin quang điện được dùng trong các tấm pin mặt trời.
C. Hiện tượng quang điện được ứng dụng trong các đầu đọc CD/DVD.
D. Tất cả các phát biểu trên đều đúng.

Câu 41: Một kim loại có giới hạn quang điện là 0,30 μm. Chiếu vào kim loại đó ánh sáng có bước sóng 0,20 μm. Động năng ban đầu cực đại của các electron quang điện là
A. 2,07 eV.
B. 4,14 eV.
C. 6,21 eV.
D. 8,28 eV.

Câu 42: Phát biểu nào sau đây là đúng khi nói về sự phát electron quang điện?
A. Electron quang điện được phát ra ngay khi ánh sáng chiếu vào kim loại.
B. Cần một khoảng thời gian để electron tích lũy đủ năng lượng mới phát ra được.
C. Electron quang điện chỉ phát ra ở nhiệt độ cao.
D. Electron quang điện chỉ phát ra trong điện trường mạnh.

Câu 43: Một chất có giới hạn quang điện là 0,35 μm. Chiếu vào chất đó ánh sáng có bước sóng λ. Hiện tượng quang điện xảy ra nếu
A. λ < 0,35 μm.
B. λ > 0,35 μm.
C. λ = 0,35 μm.
D. với mọi giá trị của λ.

Câu 44: Hiện tượng nào sau đây không liên quan đến tính chất hạt của ánh sáng?
A. Hiện tượng giao thoa ánh sáng.
B. Hiện tượng tán sắc ánh sáng.
C. Hiện tượng quang điện.
D. Hiệu ứng Compton.

Câu 45: Công thoát electron của một kim loại là 3,5 eV. Giới hạn quang điện của kim loại đó là
A. 0,18 μm.
B. 0,26 μm.
C. 0,35 μm.
D. 0,44 μm.

Câu 46: Phát biểu nào sau đây là đúng khi nói về quang phổ vạch phát xạ?
A. Các vạch tối xuất hiện trên nền quang phổ liên tục.
B. Các vạch sáng xuất hiện trên nền quang phổ liên tục.
C. Các vạch tối xuất hiện trên nền tối.
D. Các vạch sáng xuất hiện trên nền tối.

Câu 47: Dòng quang điện bão hòa phụ thuộc vào
A. hiệu điện thế giữa anot và catot.
B. cường độ chùm sáng kích thích.
C. bước sóng của ánh sáng kích thích.
D. bản chất kim loại catot.

Câu 48: Nguyên tắc hoạt động của pin quang điện dựa trên hiện tượng
A. quang điện ngoài.
B. quang điện trong.
C. quang dẫn.
D. quang phát quang.

Câu 49: Một chất có giới hạn quang điện là 0,66 μm. Khi chiếu vào chất đó ánh sáng có bước sóng 0,55 μm thì
A. electron quang điện bị bắn ra với động năng ban đầu cực đại.
B. electron quang điện bị bắn ra với động năng ban đầu cực tiểu.
C. electron quang điện bị bắn ra với vận tốc ban đầu cực đại.
D. không có electron quang điện nào bị bắn ra.

Câu 50: Phát biểu nào sau đây là sai khi nói về mẫu nguyên tử Bo?
A. Quỹ đạo dừng của electron quanh hạt nhân là các quỹ đạo tròn.
B. Khi chuyển từ quỹ đạo dừng có năng lượng thấp lên quỹ đạo dừng có năng lượng cao hơn, nguyên tử phát ra một photon.
C. Nguyên tử chỉ tồn tại trong các trạng thái dừng có năng lượng xác định.
D. Bán kính quỹ đạo dừng tỉ lệ thuận với bình phương của số nguyên n.

Đáp án:
Câu 1: Đáp án A
Câu 2: Đáp án C
Câu 3: Đáp án B
Câu 4: Đáp án D
Câu 5: Đáp án A
Câu 6: Đáp án C
Câu 7: Đáp án B
Câu 8: Đáp án A
Câu 9: Đáp án D
Câu 10: Đáp án C
Câu 11: Đáp án D
Câu 12: Đáp án B
Câu 13: Đáp án B
Câu 14: Đáp án B
Câu 15: Đáp án A
Câu 16: Đáp án A
Câu 17: Đáp án B
Câu 18: Đáp án D
Câu 19: Đáp án B
Câu 20: Đáp án D
Câu 21: Đáp án C
Câu 22: Đáp án D
Câu 23: Đáp án C
Câu 24: Đáp án A
Câu 25: Đáp án A
Câu 26: Đáp án B
Câu 27: Đáp án C
Câu 28: Đáp án D
Câu 29: Đáp án B
Câu 30: Đáp án D
Câu 31: Đáp án B
Câu 32: Đáp án C
Câu 33: Đáp án D
Câu 34: Đáp án B
Câu 35: Đáp án B
Câu 36: Đáp án A
Câu 37: Đáp án B
Câu 38: Đáp án D
Câu 39: Đáp án B
Câu 40: Đáp án D
Câu 41: Đáp án B
Câu 42: Đáp án A
Câu 43: Đáp án A
Câu 44: Đáp án B
Câu 45: Đáp án C
Câu 46: Đáp án D
Câu 47: Đáp án B
Câu 48: Đáp án B
Câu 49: Đáp án A
Câu 50: Đáp án B