Hiện Tượng Quang điện Là Gì? Ứng Dụng Gì Trong đời Sống?

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. Hãy cùng kienthucmaymoc.com tìm hiểu rõ về hiện tượng này và ứng dụng của nó trong đời sống.

Contents

• 1 Hiện tượng quang điện là gì?
  • 1.1 Quang điện trong là gì?
  • 1.2 Hiện tượng quang điện ngoài là gì?
• 2 Một số định luật quang điện
  • 2.1 Định luật về giới hạn quang điện (định luật thứ nhất)
  • 2.2 Định luật về cường độ dòng quang điện bão hòa (định luật thứ 2)
  • 2.3 Định luật về động năng cực đại của quang electron (định luật thứ 3)
• 3 Thuyết lượng tử ánh sáng
  • 3.1 Giả thuyết Plăng về lượng tử năng lượng
  • 3.2 Thuyết lượng tử ánh sáng
• 4 Định luật giới hạn quang điện bằng thuyết lượng tử ánh sáng
• 5 Những ứng dụng nổi bật của hiện tượng quang điện

Hiện tượng quang điện là gì?

Các khái niệm liên quan đến hiện tượng này gồm hiện tượng quang điện trong và hiện tượng quang điện ngoài. Dưới đây là từng khái niệm cụ thể:

Quang điện trong là gì?

Đó là hiện tượng ánh sáng giải phóng các electron liên kết thành các electron dẫn. Các electron được giải phóng sẽ tạo ra các lỗ trống cùng tham gia vào việc dẫn điện. Đối với hiện tượng này thì các electron không bị bật ra ngoài mà chỉ chuyển động trong vật thể bán dẫn.

Hiện tượng quang điện ngoài là gì?

Đây chính là hiện tượng ánh sáng khiến các electron bật ra khỏi bề mặt kim loại. Hiện tượng này thường được gọi tắt là hiện tượng quang điện.

Có thể bạn quan tâm: Dòng điện trong chất khí và bản chất dòng điện trong chất khí Áp suất chất lỏng: Công thức, đơn vị như thế nào?

Một số định luật quang điện

Có 3 định luật liên quan đến quang điện, cụ thể là:

Định luật về giới hạn quang điện (định luật thứ nhất)

Đối với mỗi kim loại, bước sóng của ánh sáng kích thích (λ) cần phải ngắn hơn hoặc bằng giá trị giới hạn quang điện (λ0) thì mới xảy ra hiện tượng quang điện. Nói cách khác, điều kiện để hiện tượng quang dẫn xảy ra khi và chỉ khi λ ≤ λ0.

Hầu hết các kim loại thông thường (kẽm, đồng, bạc, nhôm,…) đều có giới hạn quang điện nằm trong miền tử ngoại. Còn các kim loại kiềm thổ, kiềm (natri, kali, canxi,…) thường có λ0 nằm trong miền ánh sáng thấy được.

Mỗi kim loại có giới hạn quang điện riêng thể hiện đặc trưng của kim loại đó. Chúng tôi đã tổng hợp giá trị cụ thể của một số kim loại thông dụng trong bảng giới hạn quang điện sau:

Kim loại	λ0(μm)	Kim loại	λ0(μm)	Kim loại	λ0(μm)
Bạc	0,26	Natri	0,50	CdS	0,90
Đồng	0,30	Kali	0,55	Si	1,11
Kẽm	0,35	Xesi	0,66	Ge	1,88
Nhôm	0,36	Canxi	0,75	PbS	4,14

Định luật về cường độ dòng quang điện bão hòa (định luật thứ 2)

Với mỗi ánh sáng thích hợp (tức là có bước sóng λ ≤ λ0) thì cường độ dòng quang điện bão hòa sẽ tỉ lệ thuận với cường độ của chùm ánh sáng kích thích.

Định luật về động năng cực đại của quang electron (định luật thứ 3)

Động năng ban đầu cực đại của quang electron sẽ không phụ thuộc vào cường độ của chùm ánh sáng kích thích. Nó chỉ phụ thuộc vào bản chất của kim loại và bước sóng của ánh sáng kích thích.

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

• 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.

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,…

Qua bài viết, ta có thể thấy rằng hiện tượng quang điện là hiện tượng ánh sáng giải phóng các electron và làm bật chúng ra khỏi bề mặt kim loại. Điều kiện để có hiện tượng này là bước sóng của ánh sáng kích thích nhỏ hơn hoặc bằng giới hạn quang điện. Mong rằng, bài viết này sẽ giúp các bạn hiểu thêm về công nghệ được ứng dụng trong các thiết bị thông dụng trong đời sống hiện nay.