Hiện tượng quang điện
Thí nghiệm về hiện tượng quang điện
Khi nhắc đến thí nghiệm về hiện tượng quang điện, không thể không nhắc đến thí nghiệm của Hertz. Thí nghiệm này đã mô tả cách hiện tượng quang điện xảy ra như sau:
- Đặt một tấm kẽm tích điện âm lên trên một tấm kẽm nối với điện cực (hay còn gọi là điện nghiệm). Ta thấy hiện tượng 2 lá kim loại của điện nghiệm xòe ra.
- Chiếu tới tấm kẽm một chùm ánh sáng hồ quang, thấy 2 lá kim loại cụp lại. Điều này chứng tỏ tấm kẽm bị mất đi điện tích âm, hay là electron đã bị bật ra khỏi tấm kẽm đó.
Thí nghiệm Hertz lưu ý rằng, hiện tượng trên không xảy ra khi bắt đầu tích điện dương cho tấm kẽm, hoặc dùng một tấm thuỷ tinh chắn chùm ánh sáng hồ quang.
Hiện tượng quang điện là gì?
Từ thí nghiệm trên, ta có thể định nghĩa về hiện tượng quang điện như sau:
Hiện tượng quang điện thuyết lượng tử ánh sáng là hiện tượng mà ánh sáng làm bật các electron ra khỏi mặt kim loại.
Hiện tượng quang điện trong và hiện tượng quang điện ngoài
Hiện tượng quang điện trong
Hiện tượng quang điện trong được định nghĩa là hiện tượng ánh sáng giải phóng electron liên kết, biến chúng trở thành các electron có tính dẫn, cùng lúc tạo thành các lỗ trống tham gia vào quá trình dẫn điện. Các electron dẫn chỉ có thể di chuyển bên trong khối chất bán dẫn mà không bị bật ra giống hiện tượng quang điện ngoài. Do đó, hiện tượng quang điện trong nhận được tên gọi như vậy.
Để xảy ra hiện tượng quang điện trong, cần thỏa mãn các điều kiện sau:
- Năng lượng photon ánh sáng kích thích lớn hơn hoặc bằng năng lượng kích hoạt A, tức là lượng năng lượng vừa đủ để giải phóng electron liên kết thành electron dẫn: ε ≥ A.
- Bước sóng λ thuộc ánh sáng kích thích nhỏ hơn hoặc bằng với 1 bước sóng giới hạn λ0 với mỗi chất bán dẫn, bước sóng giới hạn 0 còn gọi là giới hạn của quang dẫn.
Có thể suy ra rằng: Hiện tượng quang điện trong chỉ xảy ra khi và chỉ khi λ = λ0. Đa số chất bán dẫn đều có giới hạn quang dẫn nằm trong miền hồng ngoại. Do đó, chỉ cần dùng ánh sáng kích thích là có thể đủ để xảy ra hiện tượng quang dẫn.
Hiện tượng quang điện ngoài
Hiện tượng quang điện ngoài là hiện tượng chiếu ánh sáng có bước sóng thích hợp vào kim loại làm bật các electron ra khỏi bề mặt của kim loại. Ánh sáng chiếu vào kim loại gọi là ánh sáng kích thích (hoặc bức xạ kích thích).
Để mô tả hiện tượng quang điện ngoài, ta có thể thực hiện thí nghiệm như sau:
- Cho một chiếc thước nhựa cọ xát vào vải để tích điện âm cho thước nhựa. Sau đó, cho miếng thước nhựa tiếp xúc với một tấm kim loại bằng kẽm (Zn) gắn với tĩnh điện kế. Ta thấy, kim của tĩnh điện kế di chuyển lệch sang một bên, điều này chứng tỏ tấm kim loại đã bị tích điện âm (nhiễm điện do tiếp xúc với miếng vải). Đợi cho kim của điện kế chỉ giá trị ổn định, kim điện kế không đổi trong ánh sáng bình thường ở phòng thí nghiệm, nghĩa là không có hiện tượng gì xảy ra.
- Chiếu ánh sáng từ đèn thủy ngân vào kim điện kế, kim điện kế lệch về giá trị 0, điện tích âm trên tấm kim loại mất đi, electron (mang điện âm) đã thoát khỏi bề mặt kim loại ra bên ngoài môi trường xung quanh.
- Thay thế tấm kim loại kẽm bằng một tấm kim loại chất liệu khác, đồng thời đổi ánh sáng đèn thủy ngân bằng ánh sáng hồ quang và bắt đầu tiến hành thí nghiệm tương tự, ta cũng thu được kết quả như trên.
Định luật về giới hạn quang điện
Định luật về giới hạn quang điện, hay còn gọi là định luật quang điện thứ nhất, cho biết rằng khi bước sóng của ánh sáng ngắn hơn hoặc bằng giới hạn quang điện của kim loại, ánh sáng kích thích chỉ có thể làm bật electron ra khỏi kim loại.
Trong công thức phản ứng quang điện có:
- λ: bước sóng ánh sáng kích thích.
- λ0: Giới hạn của quang điện.
Lưu ý: λ0 phụ thuộc vào bản chất của kim loại. Nghĩa là các kim loại khác nhau sẽ có λ0 khác nhau.
Tham khảo ngay sách ôn thi độc quyền của VUIHOC để tổng hợp kiến thức và phương pháp giải mọi dạng bài tập Vật Lý thi THPT.
Thuyết lượng tử ánh sáng
Giả thuyết Plăng
Giả thuyết Plăng cho rằng lượng năng lượng của một nguyên tử hoặc của phân tử hấp thụ hay phát xạ được tính bằng công thức:
ε = hf
Cấu tạo công thức gồm:
- ε: lượng tử năng lượng (J).
- h = 6,625.10^-34 J.s: hằng số Plăng.
- f: tần số của ánh sáng (Hz).
Thuyết lượng tử ánh sáng
Thuyết lượng tử ánh sáng phát biểu như sau:
- Các hạt gọi là photon tạo thành ánh sáng.
- Với mỗi ánh sáng đơn sắc có tần số f, các photon đều giống nhau, mỗi photon mang năng lượng bằng ε = hf = (hc)/λ.
- Trong chân không, các hạt photon bay với vận tốc c = 3.10^8 m/s dọc theo các tia sáng.
- Khi ánh sáng bị truyền đi, không lượng tử năng lượng ε = hf không bị thay đổi và cũng không phụ thuộc vào khoảng cách tới nguồn sáng.
- Mặc dù mỗi lượng tử ε = hf mang năng lượng rất nhỏ, nhưng trong chùm sáng lại chứa cơ số rất lớn các lượng tử ánh sáng. Vì vậy, ta có cảm giác các chùm sáng là liên tục.
Giải thích định luật về giới hạn quang điện bằng thuyết lượng tử ánh sáng
Theo nhà khoa học Anhxtanh, khi mỗi nguyên tử (phân tử) ở bề mặt kim loại hấp thụ một photon, nó dùng năng lượng này vào hai việc:
- Cho một năng lượng A bứt electron ra khỏi liên kết với hạt nhân nguyên tử. Năng lượng này còn được gọi là công thoát.
- Phần năng lượng còn lại sẽ được biến thành động năng của electron khi bứt khỏi kim loại.
Vậy nên, để hiện tượng quang điện có thể xảy ra: Đặt: λ0 = (hc)/A Ta có: λ ≤ λ0 Vậy: λ0 là giới hạn quang điện của kim loại đó.
Công thức Anhxtanh về hiện tượng quang điện
Một số công thức cần nhớ khi giải bài tập hiện tượng quang điện:
- Các lượng tử năng lượng ε = hf.
- Công thức cho electron ra khỏi kim loại ε = ϕ + (1/2)mv^2.
- Động năng ban đầu cực đại của electron là (1/2)mv^2.
