Hiện Tượng Quang điện Ngoài Xảy Ra Khi Nào - Chuyện Cũ - Bỏ Qua đi

Câu hỏi: Hiện tượng quang điện là gì? Điều kiện xảy ra hiện tượng quang điện?

Nội dung chính Show

• I) Hiện tượng quang điện.
• II) Các định luật quang điện
• III) Thuyết lượng tử ánh sáng.
• IV) Lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng
• I. Thí nghiệm của Hetzt về hiện tượng quang điện ngoài
• II. Các định luật quang điện
• III. Thuyết lượng tử ánh sáng
• IV. Những ứng dụng nổi bật của hiện tượng quang điện

Trả lời:

Định nghĩa :

- Hiện tượng quang điện là hiện tượng elctron bị bức ra khỏi tâm kim loại khi có ánh sáng phù hợp chiếu vào

+ Với kim loại kiềm, kiềm thổ:ánh sáng nhìn thấy, ánh sáng hồng ngoại có thể gây ra hiện tượng quang điện.

+ Với các kim loại khác:vùng ánh sáng tử ngoại có thể gây ra hiện tượng quang điện

Điều kiện xảy ra:

Cùng Top lời giải tìm hiểu chi tiết về Hiện tượng quan điện và thuyết lượng tử ánh sáng cùng các bài tập bổ trợ kiến thức nhé!

I) Hiện tượng quang điện.

-Thí nghiệmchiếu ánh sáng từ hồ quang tới một tấm kẽm tích điện âm đang được nối với tĩnh điện kế.

-Kết quả:góc lệch của tĩnh điện kế giảm, chứng tỏ miếng kẽm đã bị mất bớt electron.

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

II) Các định luật quang điện

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

Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi ánh sáng kích thích chiếu vào kim loại có bước sóng𝜆 nhỏ hơn hoặc bằng bước sóng λ0. λ0được gọi là giới hạn quang điện của kim loại đó.

λ ≤ λ0

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

Đối với mỗi ánh sáng thích hợp (λ ≤ λ0) cường độ dòng quang điện bão hòa tỷ lệ thuận với cường độ của 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 của ánh sáng kích thích và bản chất kim loại.

III) Thuyết lượng tử ánh sáng.

-Giả thuyết lượng tử năng lượng của Plăng.

Năng lượng mà 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. KH là ε, có giá trị bằng:

ε = hf

Trong đó

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

+h là hằng số Plăng h = 6,625.10-34(J.s)

-Thuyết lượng tử ánh sáng:

+) Ánh sáng được tạo thành bởi các hạt gọi là phôtôn. Cường độ chùm sáng tỷ lệ với số phôtôn phát ra trong 1 giây

+) Với mỗi ánh sáng đơn sắc có tần số f, các phôtôn đều giống nhau và mang năng lượng ε = hf.

+) Trong chân không phôtôn bay với tốc độ c = 3.108(m/s) dọc theo các tia sáng. Phôtôn không bao giờ đứng yên

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

-Giải thích các định luật quang điện

+) Công thức Anh-xtanh về hiện tượng quang điện.

Trong hiện tượng quan điện, phô tôn truyền toàn bộ năng lượng ε cho electron. Năng lượng này dùng để: Cung cấp năng lượng để electron thắng lực liên kết để bứt ra gọi là công thoát A

Truyền cho electrton một động năng ban đầu Wđ.

Truyền một phần năng lượng H cho mạng tinh thể.

Khi electron ở ngay trên bề mặt thì H = 0 khi đó bảo toàn năng lượng ta có:

+) Giải thích các định luật quang điện.

Định luật quang điện thứ nhất:

Theo (1) ta có:

Định luật quang điện thứ hai:

Cường độ dòng quang điện bão hòa Ibh~ số electron bật ra ne~ số phôtôn chiều tới np~ cường độ chùm sáng.

Định luật quang điện thứ ba:

Theo (1) ta có:

IV) Lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng

- Có nhiều hiện tượng chứng tỏ ánh sáng có tính chất sóng như: nhiễu xạ, giao thoa, tán sắc,...

- Cũng có nhiều hiện tượng chứng tỏ ánh sáng có tích chất hạt như: hiện tượng quang điện, khả năng đâm xuyên, tác dụng phát quang,...

→Ánh sángvừa có tính chất sóng vừa có tính chạt hạt hay ánh sáng cólưỡng tính sóng hạt

Hiện tượng quang điệnlà 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?

Khai niệm: 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.

Cùng Top lời giải tìm hiểu về Hiện tượng quang điện ngoài và Thuyết lượng tử ánh sáng qua bài học dưới đây nhé

I. 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 điệncó 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):

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

+)Uh < UAK < U1: I tăng theo U (hàm đồng biến)

+)UAK ≤ Uh < 0: I = 0 (cđdđ bằng 0 hay triệt tiêu).

II. Các định luật quang điện

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

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 (cóλ ≤ λo), 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.

III. 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 = 6,625.10-34J.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 λ0là giới hạn quang điện của kim loại đang xét)

IV. 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,…