Hiện tượng quang điện ngoài

Hiện tượng quang điện là một kiến thức quan trọng trong chương trình vật lý phổ thông. Ngày nay, nó được ứng dụng trong rất nhiều các sản phẩm công nghệ. Các thiết bị này phục vụ nhiều hoạt động giải trí và sinh hoạt của chúng ta. Vậy Hiện tượng quang điện ngoài là gì? Cùng Top lời giải tìm hiểu về Hiện tượng quang điện ngoài và Thuyết lượng tử ánh sáng qua bài học dưới đây nhé

Thí nghiệm của Hetzt về hiện tượng quang điện ngoài

Heinrich Hertz thực hiện thí nghiệm với Zn: Chiếu chùm sáng hồ quang vào tấm Zn tích điện âm, một lúc sau hai lá điện nghiệm khép lại, chứng tỏ tấm Zn hết tích điện, electron đã bật ra do ánh sáng.

- Hiện tượng ánh sáng làm bật các electron ra khỏi tấm kim loại được gọi là hiện tượng quang điện ngoài (thường gọi là hiện tượng quang điện). Các electron bật ra gọi là electron quang điện.

Thí nghiệm tế bào quang điện.

- Tế bào quang điện có catot (K) là kim loại kiềm hoặc kiềm thổ (có giới hạn quang điện trong vùng ánh sáng nhìn thấy để làm cảm biến trong vùng ánh sáng nhìn thấy):

+) Bình thường trong mạch chưa có dòng.

+) Khi chiếu ánh sáng thích hợp vào catôt (K): e quang điện bật ra, bị điện trường do nguồn cấp hút về anôt (A)

⇒ xuất hiện dòng điện chạy trong mạch.

Dùng làm cảm biến ánh sáng, có thể sử dụng trong các mạch điều khiển tự động.

- Đường đặc trưng Vôn-Ampe (U-I):

+) U_AK ≥ U₁: I không tăng, dòng đạt giá trị bão hoà (I_bh)

+) U_h < U_AK < U₁: I tăng theo U (hàm đồng biến)

+) U_AK ≤ U_h < 0: I = 0 (cđdđ bằng 0 hay triệt tiêu).

Các định luật quang điện

1. Định luật quang điện thứ nhất về giới hạn quang điện: Mỗi kim loại được đặc trưng bởi một bước sóng λo gọi là giới hạn quang điện. HTQĐ chỉ xảy ra khi bước sóng kích thích nhỏ hơn hoặc bằng giới hạn quang điện (λ ≤ λ_o)

Kim loại kiềm (Na, K,...) và Kiềm thổ (Ca,..) có giới hạn quang điện trong vùng ánh sáng nhìn thấy. Các kim loại khác (Cu, Ag, Zn, Al,...) có giới hạn quang điện trong vùng ánh sáng tử ngoại.

Bảng: Giới hạn quang điện của một số kim loại:

2. Định luật quang điện thứ hai (định luật về cường độ dòng điện bão hoà): Đối với mỗi ánh sáng thích hợp (có λ ≤ λ_o), cường độ dòng điện bão hoà tỉ lệ thuận với cường độ chùm sáng kích thích.

3. Định luật quang điện thứ ba (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 ánh sáng kích thích và bản chất của kim loại.

Thuyết lượng tử ánh sáng

Giả thuyết Plăng về lượng tử năng lượng

Theo Plăng, năng lượng mà mỗi lần nguyên tử hoặc phân tử hấp thụ hay phát xạ có giá trị xác định. Nó được gọi là lượng tử năng lượng và được ký hiệu là. Giá trị của lượng tử năng lượng được tính bằng:

ε = h.f

Trong đó:

• f: Tần số của ánh sáng được phát ra hoặc bị hấp thụ.
• h: Hằng số Plăng, h = 6,625.10^-34 J.s

Thuyết lượng tử ánh sáng

Nhằm giải thích cho hiện tượng quang điện, nhà bác học vĩ đại Anhxtanh đã phát triển thêm dựa trên giả thuyết Plăng. Ông đã đề xuất thuyết lượng tử ánh sáng hay còn gọi là thuyết photon. Nội dung cụ thể như sau:

• Ánh sáng được tạo thành từ các hạt photon (hay còn gọi là các lượng tử ánh sáng).
• Trong chùm ánh sáng đơn sắc, mỗi photon có năng lượng xác định là:

ε = h.f = h.c/ λ

Trong đó: + f là tần số của ánh sáng đơn sắc đang xét

                 + c là vận tốc của ánh sáng trong chân không

                 + λ là bước sóng của ánh sáng tương ứng trong chân không

Thuyết lượng tử ánh sáng của nhà bác học Anhxtanh

- Trong chân không, các phôtôn bay dọc theo tia sáng với vận tốc c = 3.10^8 m/s.

- Mỗi lần nguyên tử hoặc phân tử hấp thụ hoặc phát xạ ánh sáng, cũng đồng nghĩa là chúng hấp thụ hoặc phát ra photon.

- Các photon không đứng yên một vị trí, nó chỉ tồn tại trong trạng thái chuyển động.

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

Ta có công thức Anhxtanh về hiện tượng quang điện thuyết lượng tử ánh sáng là:

h.f = h.c/λ

Để xảy ra hiện tượng quang điện tức là electron bật ra khỏi bề mặt kim loại thì ta phải cung cấp cho nó một công đủ lớn để “thắng” các lực liên kết. Công này được gọi là công thoát và ký hiệu là A. Như vậy, hiện tượng quang dẫn xảy ra thì:

h.f ≥ A => h.c/λ ≥ A => λ ≤ h.c/A

Ta đặt λ₀= h.c/A

Khi đó, ta được: λ ≤ λ₀ (với λ₀ là giới hạn quang điện của kim loại đang xét)

Những ứng dụng nổi bật của hiện tượng quang điện

Phát minh ra hiện tượng này đã đánh dấu một bước chuyển biến lớn trong công nghệ chế tạo. Nó được dùng để chế tạo các tế bào quang trong nhiều thiết bị bán dẫn, điều khiển tự động,… Các ứng dụng nổi bật của hiện tượng này có thể kể đến như:

- Pin mặt trời: Thiết bị này còn được gọi là tấm năng lượng mặt trời hoặc tấm quang điện. Nó được cấu tạo từ nhiều tế bào quang điện – phần tử bán dẫn có chứa nhiều cảm biến ánh sáng điốt quang trên bề mặt. Tấm pin này sẽ chuyển năng lượng ánh sáng sang năng lượng điện.

- Photodiode (hay diode quang) là một loại bán dẫn ứng dụng hiện tượng quang điện để chuyển photon thành điện tích.

- Phototransistor là một dạng transistor đóng vỏ với cửa trong suốt để các photon xâm nhập. Nó là biện pháp hạn chế dòng rò và nhiễu.

- Ứng dụng trong việc tạo ra các cảm biến ghi ảnh, ví dụ như cảm biến CCD. Cảm biến này sẽ chuyển đổi hình ảnh quang học sang tín hiệu điện trong các camera. Bên cạnh đó, các cảm biến quang học cũng ứng dụng hiện tượng này.

- Đèn nhân quang điện: Đây là một loại linh kiện điện tử trong lớp đèn điện tử chân không và nằm trong nhóm đèn photo. Nó thực hiện cảm biến photon theo hiện tượng quang điện tạo ra điện tích. Đồng thời, dòng điện này còn được nhân lên hàng trăm đến hàng triệu lần (160 dB).

- Ứng dụng trong phổ quang điện tử,…