Bài toán hiệu điện thế hãm, hiệu điện thế giữa anot và catot trong tế bào quang điện

VnHocTap.com giới thiệu đến các em học sinh lớp 12 bài viết Bài toán hiệu điện thế hãm, hiệu điện thế giữa anot và catot trong tế bào quang điện, nhằm giúp các em học tốt chương trình Vật lí 12.

Nội dung bài viết Bài toán hiệu điện thế hãm, hiệu điện thế giữa anot và catot trong tế bào quang điện:
Bài toán hiệu điện thế hãm, hiệu điện thế giữa anot và catot trong tế bào quang điện. Phương pháp. Khảo sát hiện tượng quang điện dùng tế bào quang điện. Tế bào quang điện là một bình bằng thạch anh đã hút hết không khí (tế bào quang điện chân không) bên trong có hai điện cực: Anot: là một vòng dây kim loại. Catôt: có dạng 1 chỏm cầu bằng kim loại mà ta cần khảo sát. Chiếu ánh sáng có bước sóng thỏa mãn định luật I quang điện vào catôt thì xảy ra hiện tượng quang điện và trong mạch xuất hiện dòng điện gọi là dòng quang điện, tạo nên bởi các electron bị bật ra từ catôt. Gọi hiệu điện thế giữa anot (A) và catôt (K) là UAK. Khi 0 UAK, giữa A và K xuất hiện một điện trường hướng từ A sang K. Điện trường này gây ra lực điện tác dụng lên các electron bứt ra từ K, làm electron di chuyển từ K sang A tạo ra dòng điện. Khi ta tăng UAK thì I tăng. Khi tăng UAK đến một giá trị U1 nào đó thì I không tăng nữa mà có một giá trị xác định. Tức là khi U U AK ≥ 1 thì cường độ dòng điện không đổi bh I I. Giá trị bh I được gọi là cường độ dòng quang điện bão hòa.
Khi 0 UAK, giữa A và K xuất hiện một điện trường hướng từ K sang A. Điện trường này gây ra lực điện tác dụng lên các electron bứt ra từ K, làm cản trở electron đi từ K sang A. Khi ta giảm UAK cho nó càng âm thì độ lớn của nó càng lớn, điện trường càng lớn, lực điện tác dụng lên electron càng lớn làm cản trở electron càng lớn. Khi UAK giảm đến một giá trị U UU AK h h ( 0) thì cường độ dòng điện bằng không. Tức là khi U AK h thì cường độ dòng điện vẫn bằng không. Đây chính là điều kiện để dòng quang điện triệt tiêu. Trong đó Uh được gọi là hiệu điện thế hãm. Áp dụng định lí biến thiên động năng. Trong đó 19 e C 1,6.10. Từ đó ta suy ra mối liên hệ giữa động năng ban đầu cực đại của quang e và hiệu điện thế hãm là: 2 mv eU = h. Nếu đặt vào hai đầu A và K một hiệu điện thế UAK thì theo định lí biến thiên động năng, ta có: mv mv eU − = AK. Trong đó v là vận tốc của electron khi đập vào A. Nếu chiếu một bức xạ điện từ vào một quả cầu kim loại đặt ra xa các vật khác thì quả cầu được tích điện đến điện thế cực đại Vm chính là hiệu điện thế hãm trong tế bào quang điện.
Ví dụ minh họa. Ví dụ 1: Catốt của một tế bào quang điện có công thoát bằng 3,5eV. a) Tìm tần số giới hạn và giới hạn quang điện của kim loại ấy. b) Khi chiếu vào catốt một bức xạ có bước sóng 250 nm có xảy ra hiện tượng quang điện không? c) Tìm hiệu điện thế giữa A và K để dòng quang điện bằng 0. d) Tìm động năng ban đầu cực đại của các êlectron quang điện. e) Tìm vận tốc của các êlectron quang điện khi bật ra khỏi K. Lời giải a) Tần số giới hạn quang điện là: 3,5.1,6.10 0,845.10 6,625.10. Giới hạn quang điện là 6,625.10 .3.10 3,55.10 0,355 3,5.10. b) Vì 0 λ < 250 0,250 0,355 nm mµλ µm nên xảy ra hiện tượng quang điện. c) Để dòng quang điện triệt tiêu thì: 2 mv eU = h. Vậy để dòng quang điện triệt tiêu thì 1, 47 UU V AK h. d) Động năng ban đầu cực đại. e) Vận tốc ban đầu cực đại của êlectron.
Ví dụ 2: Chiếu một ánh sáng có bước sóng 0, 45µm vào catot của một tế bào quang điện. Công thoát kim loại làm catot là 2eV. Tìm hiệu điện thế giữa anot và catot để dòng quang điện triệt tiêu? A. 0,76 U V AK = − B. 0,76 U V AK = C. 0,38 U V AK = − D. 0,38 U V AK =. Lời giải Để triệt tiêu dòng quang điện thì U U AK h = − với Uh được xác định bởi 0max 1 0,76 2 h. Đáp án A. Ví dụ 3: Lần lượt chiếu vào catôt của một tế bào quang điện hai bức xạ đơn sắc có bước sóng 1 λ µ = 0,6 m và 2 λ µ = 0,5 m thì hiệu điện thế hãm khác nhau ba lần. Giới hạn quang điện của kim loại làm catôt là: A.0,745µm B. 0,723µm C. 0,667µm D. 0,689µm. Lời giải. Khi dùng ánh sáng đơn sắc có bước sóng 1 λ µ = 0,6 m ta có 0max 1. Khi dùng ánh sáng đơn sắc có bước sóng 2 λ µ = 0,5 m ta có 0max 2. Đáp án C.
Ví dụ 4: Catốt của một tế bào trong quang điện có công thoát electron bằng 3,55eV. Người ta lần lượt chiếu vào catốt này các bức xạ có bước sóng 1 λ µ = 0,390 m và 2 λ µ = 0,270 m. Với bức xạ nào thì hiện tượng quang điện xảy ra? Tính độ lớn của hiệu điện thế hãm trong trường hợp này. Cho vận tốc ánh sáng trong chân không 8 c ms = 3.10 , hằng số Plăng 34 h 6,625.10 J s độ lớn của điện tích của electron A. 1,05 U V h = − B. 1,05 U V h = C. 0,38 U V h = − D. 0,38 U V h =. Lời giải. Giới hạn quang điện 6,625.10 .3.10 0,350 3,55.1,6.10. Ta có λ λ 1 0 không xảy ra hiện tượng quang điện. λ λ 2 0 < xảy ra hiện tượng quang điện. Suy ra độ lớn hiệu điện thế hãm: 0 2 1,05 h. Đáp án B. Ví dụ 5: Catốt của một tế bào quang điện có công thoát electron A = 1,88 eV. Chiếu một chùm sáng có bước sóng λ vào catốt này thì hiện tượng quang điện xảy ra. Để triệt tiêu hoàn toàn dòng quang điện thì hiệu điện thế hãm có độ lớn 1,15V. Biết rằng số Plăng 34 h 6,625.10 vận tốc ánh sáng trong chân không 8 c ms = 3.10 ; độ lớn điện tích của electron 19 19 e C eV J 1,6.10 ;1 1,6.10. Tính bước sóng? A.0, 41µm B. 0,72µm C. 0,67µm D. 0,28µm.
Ví dụ 6: Khi chiếu bức xạ có bước sóng λ µ = 0,180 m vào katot của một tế bào quang điện thì hiện tượng quang điện xảy ra. Để triệt tiêu hoàn toàn dòng quang điện thì hiệu điện thế hãm có độ lớn 2,124V. Nếu đặt giữa anốt và catốt của tế bào quang điện hiệu điện thế 8 U V AK = thì động năng cực đại của electron quang điện khi nó tới anốt bằng bao nhiêu? A. 10,124eV B. 5,062eV C. 3,375eV D. 2,696eV. Lời giải. Theo định lí biến thiên động năng, ta có 2 2 0max. Trong đó v là vận tốc của electron khi đập vào anốt. Từ đó suy ra động năng của electron khi tới anốt là: 1 2 10,124 2. Đáp án A.
Ví dụ 7: Chiếu ánh sáng bước sóng λ µ = 0, 42 m vào catốt của một tế bào quang điện có công thoát A eV = 2. Để triệt tiêu dòng quang điện thì hiệu điện thế đặt vào giữa anốt và catốt của tế bào quang điện đó phải thỏa mãn điều kiện gì? Biết rằng số Plăng 34 h 6,625.10 J s vận tốc ánh sáng trong chân không 8 c ms = 3.10; độ lớn điện tích của electron 19 19 e C eV J 1,6.10 ;1 1,6.10. A. 0,958 U V AK ≤ − B. 0,958 U V AK ≤ C. 0,525 U V AK ≤ − D. 0,525 U V AK ≤. Lời giải. Từ công thức Anhxtanh về hiện tượng quang điện: 1 0,958 h h. Vậy để triệt tiêu dòng quang điện thì 0,958 U V AK ≤ −. Đáp án A. Ví dụ 8: Katốt của tế bào quang điện có công thoát l,5eV, được chiếu bởi bức xạ đơn sắc λ . Lần lượt đặt vào tế bào, điện áp 3 U V AK = và 15 U V AK = , thì thấy vận tốc cực đại của elêctron khi đập vào anốt tăng gấp đôi. Giá trị của λ là: A.0,259µm B. 0,795µm C. 0, 497µm D. 0,211µm.
Ví dụ 9: Một quả cầu bằng đồng (Cu) cô lập về điện được chiếu bởi 1 bức xạ điện từ có λ µ = 0,14 m. Cho giới hạn quang điện của Cu là λ µ 0 = 0,3( m). Tính điện thế cực đại của quả cầu. A. 4,73V B. 2,69V C. – 4,73V D. – 2,69V. Lời giải. Ban đầu, quả cầu chưa tích điện. Khi chiếu bức xạ có bước sóng λ µ = 0,14 m vào quả cầu thì electron bị bứt ra khỏi bề mặt quả cầu và quả cầu tích điện dương, quả cầu có một điện thế. Số electron bị bứt ra khỏi bề mặt quả cầu ngày càng tăng, điện thế của quả cầu tăng dần và khi điện thế quả cầu đạt đến giá trị Vmax thì các electron vừa mới bị bứt ra thêm lại bị hút trở lại quả cầu, và điện thế của quả cầu không tăng nữa. Vậy giá trị cực đại Vmax của điện thế quả cầu chính là hiệu điện thế hãm trong tế bào quang điện. Đáp án A.
Ví dụ 10: Công thoát electron khỏi đồng là 4,57eV. Chiếu bức xạ có bước sóng λ µ = 0,14 m vào một quả cầu bằng đồng đặt xa các vật khác. Tính giới hạn quang điện của đồng và điện thế cực đại mà quả cầu đồng tích được. A.0,38µm và 4,1V B. 0,27µm và 4,3V C. 0,38µm và 4,57V D. 0,27µm và 3,5V. Đáp án B. Ví dụ 11: Công thoát của êlectron đối với đồng là 4,47 eV. a) Tính giới hạn quang điện của đồng? b) Khi chiếu bức xạ có bước sóng λ µ = 0,14 m vào một quả cầu bằng đồng cách li với vật khác thì tích điện đến điện thế cực đại là bao nhiêu? Tính vận tốc ban đầu cực đại của quang electron. c) Khi chiếu bức xạ có bước sóng λ′ vào quả cầu bằng đồng cách ly với các vật khác thì quả cầu đạt điện thế cực đại 3 (V). Tính λ′ và vận tốc ban đầu cực đại của các êlectron quang điện.