Hiện tượng quang điện ngoài và thuyết lượng tử ánh sáng – HocHay

• Khái niệm:

Hiện tượng ánh sáng làm bật các electron ra khỏi bề mặt kim loại gọi là hiện tượng quang điện ngoài.

• 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)

– Định luật về giới hạn quang điện chỉ có thể giải thích được bằng thuyết lượng tử ánh sáng.

• Giả thuyết Plăng:

Lượng năng lượng mà mỗi lần nguyên tử hay phân tử hấp thụ hay phát xạ có giá trị hoàn toàn xác định và bằng hf, trong đó f là tần số của của ánh sáng bị hấp thụ hay được phát ra; còn h là một hằng số.

• Lượng tử năng lượng:

ε=hf=hcλ

Với: h=6,625.10−34 (J.s): hằng số Plăng

• Thuyết lượng tử ánh sáng:

Chùm ánh sáng là một chùm hạt, mỗi hạt gọi là phôtôn (lượng tử năng lượng). Năng lượng một lượng tử ánh sáng (phôtôn)

ε=hf=hcλ=mc2

Trong đó: h=6,625.10−34 là hằng số Plăng. c=3.108 m/s là vận tốc ánh sáng trong chân không; f, λ là tần số, bước sóng của ánh sáng (của bức xạ); m là khối lượng của phôtôn. ε chỉ phụ thuộc vào tần số của ánh áng mà không phụ thuộc khoảng cách từ nó tới nguồn.

– Với mỗi ánh sáng đơn sắc có tần số f, các phôtôn đều giống nhau, mỗi phôtôn mang năng lượng bằng hf.

– Trong chân không, phôtôn bay với tốc độ c=3.108 m/s dọc theo các tia sáng.

– Mỗi lần nguyên tử hay phân tử phát xạ hoặc hấp thụ ánh sáng thì chúng phát ra hay hấp thụ một phôtôn.

– Phôtôn chỉ tồn tại trong trạng thái chuyển động. Không có phôtôn đứng yên

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

Trong hiện tượng quang điện mỗi phôtôn bị hấp thụ sẽ truyền toàn bộ năng lượng cho một electron. Năng lượng ε này dùng để:

– cung cấp cho electron một công thoát A để nó thắng được lực liên kết với mạng tinh thể và thoát ra khỏi bề mặt kim loại.

– truyền cho nó một động năng ban đầu đWđ0max

Truyền một phần năng lượng cho mạng tinh thể. Đối với các electrong nằm trên bề mặt kim loại thì động năng này có giá trị cực đại vì không mất phần năng lượng cho mạng tinh thể.

Theo định luật bảo toàn năng lượng, ta có:

đε=hf=At+Wđ0max

hay

hcλ=At+12mev0max2

• Giải thích định luật bảo toàn năng lượng:

– Để có hiện tượng quang điện xảy ra, tức là có electron bật ra khỏi kim loại, thì:

ε≥At hay hcλ≥At→λ≤hcAt hay λ≤λ0

với λ0 gọi là giới hạn quang điện của kim loại dùng làm catot 

λ0=hcAt

– Công thoát của e ra khỏi kim loại:

A=hcλ0

– Ánh sáng vừa có tính chất sóng lại vừa có tính chất hạt nên ta nói ánh sáng có lưỡng tính sóng – hạt.

– Trong mỗi hiện tượng quang học, ánh sáng thường thể hiện rõ một trong hai tính chất trên. Khi tính chất sóng thể hiện rõ thì tính chất hạt lại mờ nhạt, và ngược lại.

– Sóng điện từ có bước sóng càng ngắn, phôtôn có năng lượng càng lớn thì tính chất hạt thể hiện càng rõ. Ngược lại, sóng điện từ có bước sóng càng dài, phôtôn ứng với nó có năng lượng càng nhỏ, thì tính chất sóng lại thể hiện rõ hơn.

• Chất quang dẫn: 

Chất dẫn điện kém khi không bị chiếu sáng và trở thành dẫn điện tốt khi được chiếu ánh sáng thích hợp.

• Hiện tượng quang điện trong: 

Hiện tượng ánh sáng giải phóng các electron liên kết để chúng trở thành các electron dẫn đồng thời tạo ra các lỗ trống cùng tham gia vào quá trình dẫn điện, gọi là hiện tượng quang điện trong.

• Quang điện trở:

– Là một điện trở làm bằng chất quang dẫn

– Cấu tạo: gồm một sợi dây bằng chất quang dẫn gắn trên một đế cách điện.

– Điện trở của quang điện trở có thể thay đổi khi được chiếu sáng và không được chiếu sáng.

• Pin quang điện:

– Pin quang điện là nguồn điện trong đó có quang năng được biến đổi trực tiếp thành điện năng. Hoạt động của pin dựa trên hiện tượng quang điện trong của một số chất bán dẫn. Suất điện động của pin thường có giá trị từ 0,5V đến 0,8V.

– Pin quang điện (pin mặt trời) đã trở thành nguồn cung cấp điện cho các vùng sâu vùng xa, trên các vệ tinh nhân tạo, con tàu vũ trụ, trong các máy đo ánh sáng, máy tính bỏ túi,…