Hiện tượng quang điện ngoài là gì? Thuyết lượng tử ánh sáng

HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN NGOÀI VÀ THUYẾT LƯỢNG TỪ ÁNH SÁNG.

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)

$\Rightarrow $ 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):

 +) ${{U}_{AK}}\ge {{U}_{1}}$: I không tăng, dòng đạt giá trị bão hoà $\left( {{I}_{bh}} \right)$

 +) ${{U}_{h}}<{{U}_{AK}}<{{U}_{1}}$: I tăng theo U (hàm đồng biến)

 +) ${{U}_{AK}}\le {{U}_{h}}<0$: I = 0 (cđdđ bằng 0 hay triệt tiêu).

Các định luật quang điện.

-          Định luật quang điện thứ nhất về giới hạn quang điện: Mỗi kim loại được đặc trưng bởi một bước sóng ${{\lambda }_{o}}$gọi là giới hạn quang điện. HTQĐ chỉ xảy ra khi bước sóng kích thích nhỏ hơn hoặc bằng giới hạn quang điện $\left( \lambda \le {{\lambda }_{o}} \right)$.

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:

-          Định luật quang điện thứ hai (định luật về cường độ dòng điện bão hoà): Đối với mỗi ánh sáng thích hợp (có $\lambda \le {{\lambda }_{o}}$), cường độ dòng điện bão hoà tỉ lệ thuận với cường độ chùm sáng kích thích.

-          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 của Plăng.

Lượng năng lượng là mỗi lần một nguyên tử hay phân tử hấp thụ hay phát xạ có giá trị hoàn toàn xác định, gọi là lượng tử năng lượng. Lượng tử năng lượng ký hiệu là $\varepsilon $, có giá trị $\varepsilon =hf$.

Trong đó:

    +) $f$ là tần số của ánh sáng bị hấp thụ hay phát xạ

   +) $h=6,{{625.10}^{-14}}$J.s là hằng số Plăng.

Thuyết Lượng tử ánh sáng. Photon.

-          Ánh sáng là các hạt nhân phôtôn.

-          Với mỗi ánh sáng đơn sắc, các phôtôn đều giống nhau. Mỗi photon mang năng lượng $\varepsilon =hf$. Chùm ánh sáng là một chùm các phôtôn. Cường độ chùm sáng tỉ lệ với phôtôn.

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

-          Mỗi lần nguyên tử hấp thụ hay phát xạ ánh sáng thì chúng hấp thụ hay phát xạ một phôtôn.

Chú ý:

    +) Phôtôn là hạt nhưng không có khối lượng nghỉ.

    +) Không có phôtôn đứng yên (vận tốc của phôtôn trong môi trường chiết suất n là $v=\frac{c}{n}$).

    +) Khi truyền đi giữa các môi trường, tần số phôtôn không thay đổi nên năng lượng phôtôn không đổi và không phụ thuộc vào khoảng cách tới nguồn sáng.

    +) Tuy mỗi lượng tử ánh sáng $\varepsilon =hf$ mang năng lượng rất nhỏ nhưng trong chùm sáng lại có một số rất lớn lượng tử ánh sáng nên ta có cảm giác chùm ánh sáng là liên tục.

Hệ thức Anh-xtanh.

-          Với mỗi phôtôn trong chùm sáng kích thích có năng lượng $\varepsilon =hf$ và năng lượng này dùng vào 2 việc là thắng công thoát A và cung cấp cho eletron quang điện một động năng ban đầu cực đại:

$\varepsilon =A+{{\text{W}}_{}}\Leftrightarrow hf=\frac{hc}{\lambda }=A+\frac{mv_{\text{omax}}^{2}}{2}$ (hệ thức Anh-xtanh)

    Trong đó:

         +) $f(H\text{z}),\lambda (m)$ lần lượt là tần số và bước sóng ánh sáng kích thích.

        +) A (J) là công thoát của kim loại.

        +) ${{\text{W}}_{}}(J),{{v}_{om\text{ax}}}(m/s)$ lần lượt là động năng, vận tốc ban đầu cực đại của electron quang điện.

Giải thích định luật điện quang thứ nhất:

Electron trong kim loại hấp thụ photon ánh sáng kích thích. Mỗi photon bị hấp thụ sẽ truyền toàn bộ năng lượng $\varepsilon $ của nó cho một electron. Muốn electron bứt ra khỏi bề mặt kim loại thì năng lượng $\varepsilon $ phải lớn hơn hoặc bằng công thoát của kim loại, tức là:

$\varepsilon \ge A\Rightarrow \frac{hc}{\lambda }\ge A\Rightarrow \lambda \le \frac{hc}{A}={{\lambda }_{o}}$.

Với ${{\lambda }_{o}}=\frac{hc}{A}$  là giới hạn quang điện.

Lưỡng tính sóng – hạt của ánh sáng.

-          Ánh sáng vừa có tính chất sóng, vừa có tính chất hạt. Ta nói ánh sáng có lưỡng tính sóng – hạt.

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

-          Hiện tượng giao thoa ánh sáng là bằng chứng thực nghiệm quan trọng khẳng định ánh sáng có tính chất sóng.

-          Hiện tượng quang điện là bằng chứng quan trọng chứng tỏ ánh sáng có tính chất hạt.

-          Sóng điện từ có bước sóng càng ngắn, photon có năng lượng càng lớn thì tính chất hạt thể hiện càng rõ, như hiện tượng quang điện ở khả năng đâm xuyên, khả năng phát quang,... còn tính chất sóng càng mờ nhạt. Trái lại, sóng điện từ có bước sóng càng dài, photon ứng với nó có năng lượng càng nhỏ thì tính chất sóng lại thể hiện rõ hơn như ở hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ, tán sắc,... còn tính chất hạt thì mờ nhạt.