Hiện Tượng Quang Điện Và Thuyết Lượng Tử Ánh Sáng – Vật Lý 12

1. Hiện tượng quang điện

1.1. Thí nghiệm hiện tượng quang điện

Nói đến thí nghiệm hiệu ứng quang điện, chúng ta phải nói đến thí nghiệm Hertz, mô tả cách thức tạo ra hiệu ứng quang điện như sau:

Bạn Đang Xem: Hiện Tượng Quang Điện Và Thuyết Lượng Tử Ánh Sáng – Vật Lý 12

• Đặt tấm kẽm đã tích điện âm lên trên tấm kẽm đã nối với điện cực (còn gọi là điện cực). Ta thấy có hiện tượng 2 lá kim loại của điện cực bị xòe ra.

• Chiếu ánh sáng hồ quang vào tấm kẽm thì thấy hai tấm lá kim loại. Điều này chứng tỏ tấm kẽm đã mất điện tích âm, hoặc electron đã bị bứt ra khỏi tấm kẽm.

  Các thí nghiệm của Hertz ghi nhận rằng hiện tượng trên không xảy ra khi tấm kẽm ban đầu được tích điện dương hoặc tia hồ quang bị chặn bởi một tấm thủy tinh.

  1.2. Hiệu ứng quang điện là gì?

  Từ thí nghiệm trên, ta có thể kết luận định nghĩa hiện tượng quang điện như sau:

  Hiện tượng quang điện.

  

  2. Hiệu ứng quang điện bên trong và hiệu ứng quang điện bên ngoài

  2.1. Hiệu ứng quang điện trong

  Hiện tượng quang điện trong được định nghĩa là hiện tượng ánh sáng giải phóng các êlectron liên kết, biến chúng thành êlectron dẫn và tạo thành lỗ trống để đồng thời tham gia vào quá trình dẫn điện.

  • Chú ý: Các êlectron dẫn chỉ chuyển động được bên trong chất bán dẫn chứ không bị bứt ra ngoài như hiện tượng quang điện ngoài. Chính từ nguyên tắc này mà hiện tượng quang điện được đặt tên.

  • Điều kiện để xảy ra hiện tượng quang điện trong cần thỏa mãn: năng lượng phôtôn của ánh sáng kích thích lớn hơn hoặc bằng năng lượng kích hoạt a (còn gọi là năng lượng đủ để giải phóng êlectron). tạo thành một electron dẫn): ≥ a

  • Đối với mỗi chất bán dẫn, bước sóng λ của ánh sáng kích thích nhỏ hơn hoặc bằng 1 bước sóng giới hạn λ0, và bước sóng giới hạn bằng không còn được gọi là giới hạn quang dẫn.

    Có thể suy ra rằng hiệu ứng quang điện trong chỉ xảy ra khi và chỉ khi λ = λ0

    Hầu hết các chất bán dẫn đều có giới hạn quang dẫn trong vùng hồng ngoại. Do đó, chỉ cần kích thích quang là đủ để tạo ra hiện tượng quang dẫn.

    

    2.2. Hiện tượng quang điện

    Định nghĩa: Đây là hiện tượng trong đó ánh sáng có bước sóng thích hợp chiếu vào kim loại thì êlectron bứt ra khỏi bề mặt kim loại. Ánh sáng chiếu vào kim loại được gọi là ánh sáng kích thích (hay phát xạ kích thích.

    Thí nghiệm mô tả hiện tượng quang điện trong như sau:

    Cọ xát thước nhựa vào vải, mục đích là để thước nhựa nhiễm điện âm. Sau đó, cho thước nhựa chạm vào tấm kim loại kẽm (zn) được gắn vào điện kế. Bạn có thể thấy rằng kim của điện kế di chuyển sang một bên, điều này cho thấy rằng tấm kim loại được tích điện âm (được tích điện khi tiếp xúc với miếng vải). Đợi con trỏ điện kế ổn định, điều này dưới ánh sáng phòng thí nghiệm bình thường có nghĩa là sẽ không có gì xảy ra.

    Ánh sáng từ đèn thủy ngân => kim điện kế lệch kim chỉ về 0 => mất điện tích âm trên tấm kim loại => êlectron (mang điện âm) thoát ra khỏi bề mặt kim loại ra môi trường xung quanh.

    Thí nghiệm tương tự được bắt đầu bằng cách thay tấm kim loại kẽm bằng một tấm kim loại làm bằng vật liệu khác, đồng thời thay đổi ánh sáng từ đèn thủy ngân sang đèn hồ quang và thu được kết quả tương tự như trên.

    

    3. Luật ràng buộc quang điện cực

    Còn được gọi là định luật ánh sáng và điện đầu tiên. Ánh sáng kích thích chỉ có thể bứt êlectron ra khỏi kim loại khi bước sóng của ánh sáng nhỏ hơn hoặc bằng giới hạn quang điện của kim loại.

    λ: bước sóng của ánh sáng kích thích

    λ0: giới hạn quang điện

    Lưu ý: λ0 phụ thuộc vào bản chất của kim loại. Tức là các kim loại khác nhau sẽ có số 0 khác nhau.

    4. Thuyết lượng tử ánh sáng

    4.1. Lý thuyết lập kế hoạch

    Kế hoạch giả định rằng năng lượng được hấp thụ hoặc phát ra bởi một nguyên tử hoặc phân tử được tính theo công thức sau:

    ε = hf

    Cấu trúc công thức bao gồm:

    • ε: lượng tử năng lượng (j)

    • h = 6.625.10-34 j.s: hằng số tăng

    • f: tần số ánh sáng (Hz)

      Xem Thêm: Vòng quay random tên – Chọn tên ngẫu nhiên – Random Name

      

      4.2. Thuyết lượng tử ánh sáng

      Thuyết lượng tử của ánh sáng như sau:

      – Các hạt gọi là photon cấu tạo nên ánh sáng.

      – Đối với mỗi ánh sáng đơn sắc có tần số f, các photon đều như nhau và năng lượng của mỗi photon là ε = hf =$\frac{hc}{\lambda}$

      – Trong chân không, một phôtôn truyền dọc theo ánh sáng với vận tốc c = 3.108 m/s.

      – Nếu nguyên tử, phân tử phát ra hay hấp thụ ánh sáng thì nguyên tử, phân tử đó phát ra hay hấp thụ 1 phôtôn

      – Khi ánh sáng truyền đi, các lượng tử ánh sáng khác nhau ε = hf =$\frac{hc}{\lambda}$ là bất biến và không phụ thuộc vào khoảng cách đến nguồn sáng.

      -Mặc dù mỗi ε=hf mang một lượng năng lượng rất nhỏ, nhưng nó chứa một số lượng rất lớn các photon trong chùm sáng. Vì vậy, chúng tôi có ấn tượng rằng chùm tia liên tục.

      4.3. Sử dụng Thuyết lượng tử ánh sáng để giải thích định luật giới hạn của quang điện cực

      Theo nhà khoa học Albert Einstein, khi mỗi nguyên tử (phân tử) trên bề mặt kim loại hấp thụ một photon, nó sẽ sử dụng năng lượng đó cho hai việc:

      • Với 1 năng lượng, a bứt 1 electron khỏi liên kết với hạt nhân. Năng lượng này còn được gọi là công việc.

      • Xem Thêm : Tóm tắt Phong cách Hồ Chí Minh ngắn nhất (20 mẫu)

        Khi một electron bị bứt ra khỏi kim loại, phần năng lượng còn lại được chuyển thành động năng của electron.

        Vậy để xảy ra hiệu ứng quang điện thì:

        Đặt: $\lambda_{0}=\frac{hc}{a}$

        Ta có: $\lambda \leq \lambda_{0}$

        Vậy: $\lambda_{0}$ là giới hạn quang điện của kim loại.

        4.4. Công thức hiệu ứng quang điện của Einstein

        Một số công thức cần nhớ khi giải bài toán quang điện:

        Cấu trúc công thức bao gồm:

        : lượng tử năng lượng (j)

        Công thức tính e từ kim loại (j)

        Động năng ban đầu cực đại của e(j)

        5. Lưỡng tính sóng – Hạt ánh sáng

        Từ thí nghiệm giao thoa ánh sáng và hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng, ta có thể rút ra kết luận ánh sáng có tính chất sóng.

        Từ thí nghiệm về hiện tượng quang điện, ta có thể rút ra kết luận rằng ánh sáng có bản chất hạt hay còn gọi là bản chất lượng tử.

        Do đó ta nói: “Ánh sáng có lưỡng tính sóng hạt”.

        Lưu ý: Cho dù ánh sáng là sóng hay hạt, ánh sáng vốn có tính chất điện từ.

        6. Ứng dụng của hiệu ứng quang điện trong đời sống hàng ngày

        Hiện tượng quang điện được ứng dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày và được coi là một bước tiến mới trong công nghệ sản xuất khai thác năng lượng. Chúng ta có thể thấy những ứng dụng sau đây trong đời sống khi sử dụng hiệu ứng quang điện:

        • Chế tạo pin mặt trời: Đây là một trong những ứng dụng phổ biến của quang điện. Pin mặt trời (còn được gọi là tấm quang điện mặt trời) chuyển đổi năng lượng ánh sáng thu được thành điện năng có thể sử dụng được. Bề mặt của tấm pin mặt trời bao gồm nhiều phân tử bán dẫn và tế bào quang điện.

          • Chế tạo quang trở: Quang trở là một điện trở làm bằng chất quang dẫn. Thiết bị bao gồm một dây làm bằng chất quang dẫn gắn trên đế cách điện.

            • Chế tạo đi-ốt quang (photodiode): Đây là thiết bị biến đổi photon thành điện tích dựa trên ứng dụng quang điện. Điốt thường được sử dụng trong thiết bị đo đạc, kỹ thuật điện tử, truyền thông tin, v.v.

              • Xử lý cảm biến ghi hình ảnh: Chất quang dẫn cũng được sử dụng để tạo cảm biến ghi hình ảnh như ccds. Cảm biến này chuyển đổi hình ảnh quang học thành tín hiệu điện được sử dụng trong các thiết bị máy ảnh.

                • Chế tạo đèn ống nhân quang: Đây là thành phần điện tử chân không bên trong tế bào quang điện. Thiết bị cho phép cảm biến quang tử dựa trên hiện tượng quang điện tạo ra điện tích.

                  

                  7. Bài tập về hiệu ứng quang điện

                  Xem Thêm: Học ngay những câu chúc tết hay năm 2022 Nhâm Dần nhiều ý nghĩa

                  Để thực hành thành thạo hơn về hiệu ứng quang điện, các em có thể vui vẻ làm 10 câu trắc nghiệm dưới đây và đối chiếu đáp án nhé!

                  Phần 1: Mỗi phôtôn trong chân không chứa thành phần nào sau đây?

                  A. Tốc độ b. Bước sóng c. Năng lượng d. Tần số

                  Câu 2: Phát biểu nào sau đây về hiện tượng quang điện là đúng?

                  A. Hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi tần số của ánh sáng kích thích nhỏ hơn bất kỳ tần số giới hạn nào của fo.

                  Các photon quang học luôn bật ra khỏi bề mặt kim loại theo hướng thẳng đứng.

                  Giới hạn quang điện sẽ phụ thuộc vào bản chất của kim loại.

                  Giới hạn quang điện của một kim loại tỉ lệ thuận với công thoát êlectron của kim loại đó.

                  Câu 3: Hiện tượng quang điện là sự bứt êlectron ra khỏi bề mặt một tấm kim loại:

                  A. Khi nung nóng một tấm kim loại.

                  Sự nhiễm điện khi tiếp xúc với vật mang điện khác.

                  Vì bất kỳ lý do gì.

                  Khi ánh sáng phù hợp chiếu vào bề mặt của tấm kim loại.

                  Câu 4: Công thức electron của kim loại phụ thuộc vào yếu tố nào sau đây?

                  A. Tính chất của kim loại và bước sóng của ánh sáng kích thích

                  Tính chất của kim loại

                  Cường độ chùm tia kích thích

                  Bước sóng ánh sáng kích thích

                  Phần 5: Phát biểu nào sau đây là sai về thuyết lượng tử ánh sáng?

                  A. Các nguyên tử hoặc phân tử vật chất không liên tục bức xạ hoặc hấp thụ ánh sáng. Chúng sẽ được chia nhỏ thành các mảnh riêng lẻ.

                  Xem Thêm : Đặt tên bé trai ý nghĩa và độc đáo hợp tuổi bố mẹ thể hiện sự thông minh

                  Photon là hạt ánh sáng.

                  Năng lượng của một photon là như nhau bất kể bước sóng của ánh sáng.

                  Khi ánh sáng lan truyền, photon không đổi không phụ thuộc vào khoảng cách từ nguồn.

                  Phần 6: Công do các electron bứt ra khỏi bề mặt nhôm là 3,46 eV. Để nhôm xảy ra hiệu ứng quang điện thì ánh sáng kích thích phải có bước sóng thỏa mãn:

                  A. λ ≤ 0,18 μm b. λ > 0,18 micrômét

                  λ ≤ 0,36 μm d. λ > 0,36 micrômét

                  Câu 7: Cho nguồn sáng đơn sắc có bước sóng 0,50μm. Số phôtôn nguồn phát ra trong 60 giây n = 2,5.1018. Công suất bức xạ của nguồn lúc này bằng:

                  A. 16,6 MW 8,9 MW

                  5,72 MW-ngày. 0,28 MW

                  Câu 8: Chiếu ánh sáng có bước sóng 0,542 μm vào catốt của một tế bào quang điện. Cực âm là một thiết bị chân không có hai điện cực, cực âm được nối với cực dương và cực dương được nối với cực dương của nguồn điện. Ta thấy hiệu ứng quang điện. Công suất chùm tia tới là 0,625 W. Cứ 100 photon đến catốt thì chỉ có 1 electron bứt ra khỏi catốt. Bây giờ, giá trị dòng quang bão hòa là gì?

                  A. 2,72 mA 2,04 Bóng ma

                  Xem Thêm: Hình ảnh cá mực đẹp

                  4,26mA 2,57mA

                  Câu 9: Với hằng số phẳng h = 6,625.10-34 j.s thì vận tốc ánh sáng trong chân không luôn bằng c = 3.108 m/s. Cho nguồn sáng phát ánh sáng đơn sắc có bước sóng bằng 0,51 μm. Công suất tỏa nhiệt của nguồn là 2,65 W. Có bao nhiêu photon nguồn bây giờ được phát ra trong 1 giây?

                  A. 6.8.1018b. 2.04.1019

                  1.33.1025 d. 2.57.1​1017

                  Câu 10: Kim loại có công thoát electron là 2 eV. Trong 4 loại bức xạ sau đây, khi chiếu bức xạ vào tấm kim loại trên thì không xảy ra hiện tượng quang điện:

                  A. Bước sóng 450nm

                  Bước sóng 350nm

                  Tần số 6.5.1014 Hz

                  Tần số 4,8.1014 Hz

                  Trả lời:

                  1

                  2

                  3

                  4

                  5

                  6

                  7

                  8

                  9

                  10

                  A

                  đ

                  đ

                  b

                  c

                  c

                  A

                  A

                  A

                  đ

                  Trên đây là toàn bộ lý thuyết về hiện tượng quang điện và các công thức, giả thiết liên quan đến photon và hiện tượng quang điện. Hi vọng bài viết này sẽ cung cấp nguồn kiến ​​thức bổ ích giúp các em hiểu sâu hơn về hiện tượng quang điện tử. Ngoài ra, để tìm hiểu thêm nhiều kiến ​​thức vật lý khác, hãy truy cập website giáo dục vuihoc.vn nhé!