[Vật lý 12] Hiện tượng quang điện và thuyết lượng tử ánh sáng

Hiện tượng quang điện là phần kiến thức quan trọng trong chương trình phổ thông, cũng như có tính ứng dụng thực tế rất cao: giải thích các hiện tượng, các thiết bị xung quanh. Bài viết dưới đây cung cấp toàn bộ kiến thức về hiện tượng quang điện và thuyết lượng tử ánh sáng.

Hiện tượng quang điện

Thí nghiệm Hertz về hiện tượng quang điện

Đặt một tấm kẽm đã được tích điện âm lên trên một điện nghiệm (tấm kẽm đó được nối với điện cực của điện nghiệm). Theo dõi kết quả ta thấy thấy hai lá kim loại của điện nghiệm xòe ra.

Sau đó, chiếu một chùm ánh sáng hồ quang vào tấm kẽm. Khi đó ta thấy hai lá kim loại của điện nghiệm cụp lại. Điều đó chứng tỏ tấm kẽm bị mất điện tích âm có nghĩa là êlectrôn đã bị bật ra khỏi tấm kẽm.

Hiện tượng trên không xảy ra trong trường hợp:

• Thay vì tích điện âm thì ban đầu ta tích điện dương cho tấm kẽm.
• Chắn chùm ánh sáng hồ quang bằng 1 tấm thủy tinh.

Bạn đang đọc bài viết: [Vật lý 12] Hiện tượng quang điện và thuyết lượng tử ánh sáng

Lý do hiện tượng không xảy ra

Nếu ban đầu tích điện dương  cho tấm kẽm thì tấm kẽm sẽ bị thiếu electrôn. Khi chiếu chùm ánh sáng hồ quang vào tấm kẽm thì cũng sẽ có các electrôn bị bật ra nhưng sẽ ngay lập tức bị tấm kẽm hút quay trở lại (Theo định luật Coulomb: “Hai điện tích trái dấu sẽ hút nhau”). Do đó điện tích của tấm kẽm là không đổi. Hai lá kim loại của điện nghiệm vẫn tiếp tục được xòe ra.

Tia tử ngoại trong chùm ánh sáng hồ quang bị thủy tinh hấp thụ mạnh nên chùm ánh sáng đến được với tấm kẽm chỉ là các bức xạ đơn sắc có bước sóng dài. Điều này đưa ra kết luận được rằng hiện tượng electrôn bị bật ra khỏi tấm kẽm chỉ xảy ra với các bức xạ tử ngoại có bước sóng ngắn.

Kết luận

• Hiện tượng quang điện (ngoài) là hiện tượng ánh sáng làm bật các electrôn ra khỏi bề mặt của kim loại.
• Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra với một số bức xạ đơn sắc nào đó chứ không phải tất cả.

Xem thêm kiến thức về: [Vật lý 12] Quang phổ là gì? Quang phổ liên tục, vạch phát xạ, hấp thụ

Các định luật về quang điện (3 định luật)

Định luật về giới hạn quang điện

Đối với mỗi kim loại, ánh sáng kích thích phải có bước sóng λ ngắn hơn hay bằng giới hạn quang điện λ0 của kim loại đó, mới gây ra được hiện tượng quang điện (λ ≤ λ0 ). Giới hạn quang điện (λ0) của mỗi kim loại là đặc trưng riêng của kim loại đó.

Định luật về cường độ dòng quang điện bão hòa

Đối với mỗi ánh sáng thích hợp (λ ≤ λ₀) cường độ dòng quang điện bão hòa tỷ lệ thuận với cường độ của chùm sáng kích thích.

Định luật về động năng cực đại của quang electron

Động năng ban đầu cực đại của quang electron không phụ thuộc vào cường độ chùm sáng kích thích mà chỉ phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng kích thích và bản chất kim loại.

Bảng giới hạn quang điện của một số kim loại thường gặp

Thuyết lượng tử ánh sáng

Trong khuôn khổ chương trình Vật lý 12, giới thiệu đến các bạn 2 thuyết lượng tử ánh sáng như sau:

Giả thuyết PLăng về lượng tử ánh sáng

Một nguyên tử, phân tử không hấp thụ năng lượng một cách liên tục và hấp thụ năng lượng hoàn toàn xác định theo công thức:

Chú ý: Năng lượng mà nguyên tử hấp thụ phải bằng số nguyên lần lượng tử năng lượng.

Thuyết lượng tử của Anhxtanh

Thuyết lượng tử ánh sáng của Anhxtanh gồm những nội dung sau:

• Ánh sáng được tạo bởi các hạt gọi là hạt photon, mỗi ánh sáng đơn sắc có tần số f, các photon đều giống nhau và mỗi photon mang một năng lượng bằng
• Các photon luôn tồn tại ở trạng thái chuyển động, và trong chân không chúng bay với tốc độ dọc theo các tia sáng.
• Khi ánh sáng truyền đi, các lượng tử ánh sáng không thay đổi và cũng không phụ thuộc vào khoảng cách truyền tới nguồn sáng.
• Mỗi lần một nguyên tử hay phân tử hấp thụ hoặc phát xạ ánh sáng nghĩa là chúng hấp thụ hoặc phát xạ một photon.

Giải thích định luật về giới hạn quang điện bằng thuyết lượng tử ánh sáng

Theo Anhxtanh, mỗi lần nguyên tử (phân tử) ở bề mặt kim loại hấp thụ một phôtôn, nó dùng năng lượng này vào hai việc:

• Cung cấp một một năng lượng A để bứt electrôn ra khỏi liên kết với hạt nhân nguyên tử. Năng lượng này được gọi là công thoát.
• Phần năng lượng còn lại sẽ được biến thành động năng của electrôn khi bứt khỏi kim loại.

Lưỡng tính sóng – hạt của ánh sáng

• Từ thí nghiệm về nhiễu xạ và giao thoa ánh sáng ta thấy ánh sáng có tính chất sóng.
• Từ thí nghiệm về hiện tượng quang điện ta thấy ánh sáng có tính chất hạt.
• Do vậy ta có thể nói nói: “Ánh sáng có lưỡng tính sóng – hạt”.
• Ngoài ra, ánh sáng cũng có bản chất điện từ
• Bước sóng càng dài thì tính chất sóng thể hiện càng rõ, bước sóng càng ngắn thì tính chất hạt thể hiện càng rõ.

Chú ý: Dù cho ánh sáng thể hiện ra là sóng hay là hạt thì ánh sáng vẫn sẽ có bản chất điện từ.

Ứng dụng của hiện tượng quang điện trong đời sống

• Chế tạo pin mặt trời

Đây là một trong số những ứng dụng phổ biến của hiện tượng quang điện. Pin mặt trời, tấm năng lượng mặt trời hay tấm quang điện có tác dụng chuyển năng lượng ánh sáng mà chúng thu về thành điện năng. Bề mặt của tấm năng lượng này được chế tạo từ nhiều tế bào quang điện và phần tử bán dẫn.

• Chế tạo quang điện trở

Quang điện trở là loại điện trở được làm từ chất quang dẫn. Nó được cấu tạo gồm một sợi dây làm bằng chất quang dẫn gắn trên một đế cách điện.

• Chế tạo điốt (Photodiode)

Là loại điốt bán dẫn thực hiện để chuyển đổi photon thành điện tích dựa trên hiệu ứng quang điện. Nó được ứng dụng phổ biến trong kỹ thuật điện tử, thiết bị đo đạc, truyền dẫn thông tin,…

• Chế cảm biến ghi hình ảnh

Hiện tượng quang dẫn còn được ứng dụng để tạo ra các cảm biến ghi hình ảnh như CCD. Cảm biến này giúp chuyển đổi hình ảnh quang học sang tín hiệu điện sử dụng trong thiết bị camera.

• Chế tạo đèn nhân quang điện

Đây là một linh kiện điện tử chân không nằm trong đèn photo. Thiết bị này thực hiện cảm biến photon theo hiện tượng quang điện từ đó tạo ra được điện tích.

Tổng kết

Bài viết tổng hợp toàn bộ kiến thức về hiện tượng quang điện cũng như thuyết lượng tử ánh sáng. congthuctoanlyhoa.com hi vọng rằng, sau khi đọc xong bài viết thì bạn đã có thể hiểu được những nội dung trên, từ đó ứng dụng để học tốt chương trình vật lý và giải thích các hiện tượng xung quanh mình.