Đang tải bài học…

AP Chemistry

photon

Còn gọi: quang tử · hạt ánh sáng · lượng tử ánh sáng

Photon là đơn vị nhỏ nhất của năng lượng bức xạ, hay lượng tử ánh sáng, mang năng lượng tỉ lệ thuận với tần số.

Phôtôn là đơn vị nhỏ nhất của năng lượng bức xạ, hay còn gọi là lượng tử (quantum) ánh sáng. Theo thuyết lượng tử, năng lượng của một chùm sáng không phân bố liên tục mà tập trung thành từng gói rời rạc, và mỗi gói như vậy chính là một phôtôn. Khi ánh sáng tương tác với vật chất, sự trao đổi năng lượng xảy ra theo từng đơn vị nguyên vẹn chứ không thể chia nhỏ hơn nữa.

Từ đó, năng lượng của mỗi phôtôn tỉ lệ thuận với tần số của bức xạ ứng với nó, theo hệ thức:

$E = h\nu$

trong đó $h$ là hằng số Planck (Planck's constant), $h \approx 6{,}626 \times 10^{-34}$ J·s, còn $\nu$ là tần số bức xạ. Mặt khác, vì tần số và bước sóng (wavelength) liên hệ với nhau qua $c = \lambda\nu$ nên ta cũng có thể viết lại hệ thức trên thành $E = hc/\lambda$ . Như vậy, phôtôn có bước sóng càng ngắn thì mang năng lượng càng lớn, và đó chính là lí do tia tử ngoại gây hại cho da nhiều hơn ánh sáng nhìn thấy.

Không chỉ có ý nghĩa trong vật lí, khái niệm phôtôn còn đóng vai trò trung tâm trong hóa học. Khi nguyên tử (atom) hấp thụ một phôtôn có năng lượng đúng bằng hiệu hai mức năng lượng thì êlectron sẽ nhảy lên mức cao hơn; ngược lại, khi êlectron rơi xuống mức thấp hơn, nguyên tử phát ra một phôtôn mang năng lượng đúng bằng phần chênh lệch đó. Chính cơ chế này tạo nên quang phổ vạch đặc trưng của mỗi nguyên tố (element), nhờ vậy các nhà hóa học có thể nhận diện nguyên tố thông qua phổ hấp thụ hoặc phổ phát xạ.

Ký hiệu

E

h

\nu

\lambda

c

Đơn vịJoule (J) hoặc electronvolt (eV)

Trực giác: Hãy tưởng tượng ánh sáng như những đồng xu năng lượng — mỗi đồng xu là một photon, trong đó ánh sáng tần số cao là đồng xu mệnh giá lớn còn ánh sáng tần số thấp là đồng xu mệnh giá nhỏ, và bạn chỉ có thể thanh toán bằng nguyên đồng xu chứ không thể xé lẻ.

Công thức

E = \htmlClass{fp-0}{h}\htmlClass{fp-1}{\nu}

Dùng khi cần tính năng lượng của một photon dựa vào tần số ánh sáng; nếu đề cho bước sóng $\lambda$ thì thay $\nu = c/\lambda$ để được $E = hc/\lambda$ .

Trong đó

E

năng lượng của một photon — J

h

hằng số Planck — J·s

\nu

tần số của bức xạ điện từ — Hz

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1905 (khái niệm) — 1926 (tên gọi)Albert EinsteinMax PlanckGilbert N. LewisArthur ComptonLeonard T. Troland

Hay hiểu sai

Bước sóng dài hơn nghĩa là photon YẾU hơn, không phải mạnh hơn.

Phát xạ làm năng lượng của phân tử GIẢM, hấp thụ mới làm nó tăng.

Phải đổi nanomet ra mét trước khi cắm vào $E=hc/\lambda$ .

Tần số và bước sóng luôn ngược chiều nhau vì $c$ là hằng số.

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Một đèn LED màu cam phát ra ánh sáng đơn sắc có bước sóng

600\,\mathrm{nm}

. Cho

h=6{,}626\times10^{-34}\,\mathrm{J\cdot s}

c=3{,}00\times10^{8}\,\mathrm{m/s}

và

N_A=6{,}022\times10^{23}\,\mathrm{mol^{-1}}

aTính tần số của bức xạ này.
bTính năng lượng của một photon do đèn phát ra.
cTính năng lượng của một mol photon như vậy, biểu diễn theo $\mathrm{kJ/mol}$ .

1Bước 1: Đổi bước sóng sang mét trước khi thay số, vì mọi hằng số đều ở hệ SI:

\lambda = 600\,\mathrm{nm} = 600\times10^{-9}\,\mathrm{m} = 6{,}00\times10^{-7}\,\mathrm{m}

. Bỏ qua bước đổi đơn vị này là lỗi mất điểm phổ biến nhất của dạng bài tính năng lượng photon.

Bạn nắm chắc chưa?

Quiz câu thật từ ngân hàng đề

Vài câu thật gắn đúng khái niệm này, chấm ngay kèm giải thích từng đáp án — hệ thống ghi nhớ bạn nắm tới đâu.

Tạo tài khoản miễn phí

Học tiếp từ đây

Bài học chứa thuật ngữ nàyLực liên phân tử · bài “Tính chất của photon” — khoá AP Chemistry

Cần trướclượng tử

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

lượng tử (quantum)quantum

Khác nhau ở đâuLượng tử là gói năng lượng nhỏ nhất nói chung của mọi dạng bức xạ. Photon là lượng tử riêng của ánh sáng và bức xạ điện từ.

Hay nhầm khikhi đề hỏi về năng lượng ánh sáng và thí sinh phân vân nên dùng 'lượng tử' hay 'photon'

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 14, 276, 280.

Ý niệm ánh sáng gồm những gói năng lượng rời rạc do Albert Einstein đưa ra năm 1905, kế thừa công trình của Max Planck; tên gọi "photon" được Gilbert N. Lewis phổ biến từ năm 1926 để chỉ chính lượng tử ánh sáng đó.

Vào đầu thế kỷ 20, vật lý vấp phải một câu hỏi tưởng đơn giản: vì sao vật chất và bức xạ điện từ lại có thể cân bằng nhiệt với nhau. Max Planck đề xuất rằng năng lượng chứa trong một vật phải được xem là gồm một số nguyên các phần rời rạc, bằng nhau. Einstein tiếp nhận ý đó và đi xa hơn khi giải thích hiệu ứng quang điện (photoelectric effect) năm 1905: chính ánh sáng, chứ không riêng vật chất, được tạo thành từ những đơn vị năng lượng rời rạc mà ông gọi là lượng tử ánh sáng (light quantum). Bằng chứng thực nghiệm mạnh xuất hiện năm 1923, khi Arthur Compton chiếu tia X vào tinh thể và thấy chúng tán xạ giống hạt hơn là sóng — hiện tượng nay mang tên tán xạ Compton (Compton scattering).

Vì sao mang đúng cái tên này? Tên gọi bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp φῶς (phôs) nghĩa là "ánh sáng", ghép với đuôi "-on" quen thuộc của tên các hạt. Điều thú vị là chữ này không sinh ra trong vật lý lượng tử: năm 1916, nhà vật lý kiêm nhà tâm lý học người Mỹ Leonard T. Troland dùng "photon" cho một đơn vị đo độ chiếu sáng của võng mạc, và vài người khác cũng dùng nó độc lập trong các ngữ cảnh liên quan đến thị giác trước khi ngành vật lý mượn lại. Phải đến lá thư của Gilbert N. Lewis gửi tạp chí Nature năm 1926, từ này mới được gắn với lượng tử ánh sáng của Einstein. Ngay cả vậy, "photon" của Lewis vốn là một khái niệm khác hẳn; giới vật lý chỉ giữ lại cái tên. Sau khi Compton nhận giải Nobel năm 1927 và bắt đầu dùng chữ này, tên gọi mới thật sự được cộng đồng khoa học chấp nhận.

Mẹo phòng thi

Viết ra công thức và phép đổi đơn vị trước khi bấm máy.

Nhớ một chuỗi so sánh duy nhất thay vì nhớ ba công thức rời.

Câu hỏi so sánh năng lượng phải kèm lý do đúng, không chỉ kết luận đúng.

Tần suất trong đề AP ChemistryHay gặp

2Bước 2: Dùng hệ thức giữa tốc độ ánh sáng, bước sóng và tần số:

\nu=\frac{c}{\lambda}=\frac{3{,}00\times10^{8}}{6{,}00\times10^{-7}}=5{,}00\times10^{14}\,\mathrm{s^{-1}}

Kết quả cho biết mỗi giây sóng dao động

5{,}00\times10^{14}

lần; đơn vị

\mathrm{s^{-1}}

chính là hertz.

3Bước 3: Áp dụng hệ thức Planck cho một hạt ánh sáng:

E=h\nu=(6{,}626\times10^{-34})(5{,}00\times10^{14})=3{,}31\times10^{-19}\,\mathrm{J}

Có thể gộp hai bước làm một bằng

E=hc/\lambda

và ra cùng kết quả; ở đây

E

là năng lượng của đúng một photon, không phải của cả chùm sáng.

4Bước 4: Nhân năng lượng một hạt với số Avogadro để có năng lượng một mol:

E_{\text{mol}}=(3{,}31\times10^{-19})(6{,}022\times10^{23})=1{,}99\times10^{5}\,\mathrm{J/mol}\approx 200\,\mathrm{kJ/mol}

Con số này cùng bậc độ lớn với năng lượng liên kết hóa học, nên ánh sáng khả kiến và tử ngoại mới có khả năng gây ra phản ứng quang hóa.

Bức xạ cam $600\,\mathrm{nm}$ có tần số $5{,}00\times10^{14}\,\mathrm{s^{-1}}$ ; mỗi photon mang $3{,}31\times10^{-19}\,\mathrm{J}$ , và một mol photon tương ứng khoảng $200\,\mathrm{kJ}$ — đủ lớn để so sánh với năng lượng của một liên kết hóa học yếu.

2Ví dụ 2/2

Một phân tử chất nhuộm huỳnh quang trong dung dịch hấp thụ một photon tia cực tím có bước sóng

280\,\mathrm{nm}

, sau đó phát ra một photon có bước sóng

450\,\mathrm{nm}

. Cho

h=6{,}626\times10^{-34}\,\mathrm{J\cdot s}

và

c=3{,}00\times10^{8}\,\mathrm{m/s}

aKhi phân tử phát ra photon, năng lượng của chính phân tử đó thay đổi như thế nào?
bSo sánh năng lượng photon phát ra với năng lượng photon đã hấp thụ, có tính toán kèm theo.
cGiải thích phần năng lượng chênh lệch đã đi đâu.

1Bước 1: Trả lời ý (a) bằng lập luận bảo toàn năng lượng. Photon mang năng lượng đi khỏi phân tử, nên năng lượng của phân tử giảm đúng bằng năng lượng của photon phát ra:

\Delta E_{\text{molecule}}=-E_{\text{photon}}

. Phân tử chuyển từ trạng thái kích thích (excited state) xuống một trạng thái thấp hơn về năng lượng.

2Bước 2: Tính năng lượng photon hấp thụ với

\lambda=2{,}80\times10^{-7}\,\mathrm{m}

E_{\text{abs}}=\frac{hc}{\lambda}=\frac{(6{,}626\times10^{-34})(3{,}00\times10^{8})}{2{,}80\times10^{-7}}=7{,}10\times10^{-19}\,\mathrm{J}

Tử số

hc=1{,}988\times10^{-25}\,\mathrm{J\cdot m}

nên chỉ cần chia cho bước sóng tính bằng mét.

3Bước 3: Tính tương tự cho photon phát ra với

\lambda=4{,}50\times10^{-7}\,\mathrm{m}

E_{\text{emit}}=\frac{1{,}988\times10^{-25}}{4{,}50\times10^{-7}}=4{,}42\times10^{-19}\,\mathrm{J}

Vậy

E_{\text{emit}}<E_{\text{abs}}

, đúng như dự đoán định tính: vì

E

tỉ lệ nghịch với

\lambda

, bước sóng dài hơn luôn ứng với photon ít năng lượng hơn.

4Bước 4: Lấy hiệu để trả lời ý (c):

\Delta E = 7{,}10\times10^{-19}-4{,}42\times10^{-19}=2{,}68\times10^{-19}\,\mathrm{J}

Phần chênh lệch này không biến mất mà chuyển thành năng lượng dao động của phân tử rồi truyền cho các phân tử dung môi xung quanh dưới dạng nhiệt. Nhờ đó năng lượng vẫn được bảo toàn dù photon ra khỏi hệ nhỏ hơn photon đi vào.

Mỗi lần phát xạ, năng lượng của phân tử giảm đúng bằng năng lượng photon phát ra. Photon phát ra ở $450\,\mathrm{nm}$ mang $4{,}42\times10^{-19}\,\mathrm{J}$ , nhỏ hơn photon tử ngoại $280\,\mathrm{nm}$ mang $7{,}10\times10^{-19}\,\mathrm{J}$ ; phần chênh $2{,}68\times10^{-19}\,\mathrm{J}$ đã tiêu tán thành nhiệt trong dung dịch.

mô hình nguyên tử Bohr (sắp có)

Liên quanbước sónghiệu ứng quang điện (sắp có)

Mục tiêu và lộ trình unit xem miễn phí — làm bài tập và lưu tiến độ cần tài khoản 0đ.