Hiệu ứng Quang điện – Wikipedia Tiếng Việt

Hiệu ứng quang điện là một hiện tượng điện - lượng tử, trong đó các điện tử được thoát ra khỏi nguyên tử (quang điện trong) hay vật chất (quang điện thường) sau khi hấp thụ năng lượng từ các photon trong ánh sáng làm nguyên tử chuyển sang trạng thái kích thích làm bắn electron ra ngoài. Hiệu ứng quang điện đôi khi được người ta dùng với cái tên Hiệu ứng Hertz, do nhà khoa học Heinrich Hertz tìm ra.

Việc nghiên cứu hiệu ứng quang điện đưa tới những bước quan trọng trong việc tìm hiểu về lượng tử ánh sáng và các electron, cũng như tác động đến sự hình thành khái niệm lưỡng tính sóng-hạt.

Hiện tượng

[sửa | sửa mã nguồn]

Khi bề mặt của một tấm kim loại được chiếu bởi bức xạ điện từ có tần số lớn hơn một tần số ngưỡng (tần số ngưỡng này là giá trị đặc trưng cho chất làm nên tấm kim loại này), các điện tử sẽ hấp thụ năng lượng từ các photon và sinh ra dòng điện (gọi là dòng quang điện). Khi các điện tử bị bật ra khỏi bề mặt của tấm kim loại, ta có hiệu ứng quang điện ngoài (external photoelectric effect). Các điện tử không thể phát ra nếu tần số của bức xạ nhỏ hơn tần số ngưỡng bởi điện tử không được cung cấp đủ năng lượng cần thiết để vượt ra khỏi rào thế (gọi là công thoát). Điện tử phát xạ ra dưới tác dụng của bức xạ điện từ được gọi là quang điện tử. Ở một số chất khác, khi được chiếu sáng với tần số vượt trên tần số ngưỡng, các điện tử không bật ra khỏi bề mặt, mà thoát ra khỏi liên kết với nguyên tử, trở thành điện tử tự do (điện tử dẫn) chuyển động trong lòng của khối vật dẫn, và ta có hiệu ứng quang điện trong (internal photoelectric effect). Hiệu ứng này dẫn đến sự thay đổi về tính chất dẫn điện của vật dẫn, do đó, người ta còn gọi hiệu ứng này là hiệu ứng quang dẫn.

Các định luật quang điện và giải thích

[sửa | sửa mã nguồn]

Có nhiều người đưa ra các mô hình giải thích khác nhau về hiệu ứng quang điện tuy nhiên đều không thành công do sử dụng mô hình sóng ánh sáng. Albert Einstein là người giải thích thành công hiệu ứng quang điện bằng cách sử dụng mô hình lượng tử ánh sáng. Heinrich Hertz và Stoletov là những người nghiên cứu chi tiết về hiệu ứng quang điện và đã thành lập các định luật quang điện.

1. Ở mỗi tần số bức xạ và mỗi kim loại, cường độ dòng quang điện (cường độ dòng điện tử phát xạ do bức xạ điện từ) tỉ lệ thuận với cường độ chùm sáng tới.
2. Với mỗi kim loại, tồn tại một tần số tối thiểu của bức xạ điện từ mà ở dưới tần số đó, hiện tượng quang điện không xảy ra. Tần số này được gọi là tần số ngưỡng, hay giới hạn quang điện của kim loại đó.
3. Ở trên tần số ngưỡng, động năng cực đại của quang điện tử không phụ thuộc vào cường độ chùm sáng tới mà chỉ phụ thuộc vào tần số của bức xạ.
4. Thời gian trong quá trình từ lúc bức xạ chiếu tới và các điện tử phát ra là rất ngắn, dưới 10−9 giây.

Albert Einstein đã sử dụng Thuyết lượng tử để lý giải hiện tượng quang điện. Theo liên hệ Planck–Einstein, mỗi photon có tần số f {\displaystyle f} sẽ tương ứng với một lượng tử năng lượng có năng lượng ϵ = h . f {\displaystyle \epsilon =h.f}

Ở đây, h {\displaystyle h} là hằng số Planck.

Năng lượng mà điện tử hấp thụ được sẽ được dùng cho 2 việc:

• Thoát ra khỏi liên kết với bề mặt kim loại (vượt qua công thoát Φ {\displaystyle \Phi } )
• Cung cấp cho điện tử một động năng ban đầu E k m a x = 1 2 m . v 2 {\displaystyle E_{k_{max}}={\frac {1}{2}}m.v^{2}}

Như vậy, theo định luật bảo toàn năng lượng, ta có thể viết phương trình:

h . f = Φ + E k m a x {\displaystyle h.f=\Phi +E_{k_{max}}}

Do động năng luôn mang giá trị dương, do đó, hiệu ứng này chỉ xảy ra khi:

h . f ≥ Φ = h . f 0 {\displaystyle h.f\geq \Phi =h.f_{0}}

có nghĩa là hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi f ≥ f 0 {\displaystyle f\geq f_{0}}

f 0 = Φ / h {\displaystyle f_{0}=\Phi /h} chính là giới hạn quang điện của kim loại.

Hiệu ứng quang dẫn

[sửa | sửa mã nguồn]

Trong nhiều vật liệu, hiệu ứng quang điện ngoài không xảy ra mà chỉ xảy ra hiện tượng quang điện trong (thường xảy ra với các chất bán dẫn). Khi chiếu các bức xạ điện từ vào các chất bán dẫn, nếu năng lượng của photon đủ lớn (lớn hơn độ rộng vùng cấm của chất, năng lượng này sẽ giúp cho điện tử dịch chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, do đó làm thay đổi tính chất điện của chất bán dẫn (độ dẫn điện của chất bán dẫn tăng lên do chiếu sáng). Hoặc sự chiếu sáng cũng tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống cũng làm thay đổi cơ bản tính chất điện của bán dẫn. Hiệu ứng này được sử dụng trong các photodiode, phototransitor, pin mặt trời...

Lịch sử của hiệu ứng quang điện

[sửa | sửa mã nguồn]

• Alexandre Edmond Becquerel lần đầu tiên quan sát thấy hiệu ứng quang điện xảy ra với một điện cực được nhúng trong dung dịch dẫn điện được chiếu sáng vào năm 1839. Năm 1873, Willoughby Smith phát hiện rằng selen (Se) có tính quang dẫn.
• Năm 1887, Heinrich Hertz quan sát thấy hiệu ứng quang điện ngoài đối với các kim loại (cũng là năm ông thực hiện thí nghiệm phát và thu sóng điện từ. Sau đó Aleksandr Grigorievich Stoletov (Александр Григорьевич Столетов, 1839-1896)) đã tiến hành nghiên cứu một cách tỉ mỉ và xây dựng nên các định luật quang điện.
• Một trong các công trình của Albert Einstein xuất bản trên tạp chí Annal der Physik đã lý giải một cách thành công hiệu ứng quang điện cũng như các định luật quang điện dựa trên mô hình hạt ánh sáng, theo Thuyết lượng tử vừa được công bố vào năm 1900 của Max Planck. Các công trình này đã dẫn đến sự công nhận về bản chất hạt của ánh sáng, và sự phát triển của lý thuyết lưỡng tính sóng - hạt của ánh sáng.

Ứng dụng của hiệu ứng quang điện

[sửa | sửa mã nguồn]

• Pin mặt trời, photodiode, phototransistor...
• Các cảm biến ghi ảnh (ví dụ như cảm biến CCD sử dụng trong các camera), các cảm biến quang học, các Đèn nhân quang điện,...

Xem thêm

[sửa | sửa mã nguồn]

• Photon
• Thuyết lượng tử

Tham khảo

[sửa | sửa mã nguồn]

Liên kết ngoài

[sửa | sửa mã nguồn] Wikimedia Commons có thêm hình ảnh và phương tiện về Hiệu ứng quang điện.

x t s Albert Einstein
Sự nghiệpkhoa học	Thuyết tương đối hẹp Lịch sử Thuyết tương đối rộng Giới thiệu Lịch sử Tương đương khối lượng-năng lượng Chuyển động Brown Hiệu ứng quang điện Thuyết chất rắn của Einstein Nguyên lý tương đương Phương trình trường Einstein Bán kính Einstein Liên hệ Einstein (thuyết động học) Hằng số vũ trụ Ngưng tụ Bose-Einstein Thống kê Bose–Einstein Tương quan Bose–Einstein Thuyết Einstein–Cartan Phương trình Einstein–Infeld–Hoffmann Hiệu ứng Einstein–de Haas Nghịch lý EPR Tranh luận Bohr-Einstein Những khảo cứu không thành công Lưỡng tính sóng–hạt Sóng hấp dẫn Nghịch lý lá trà
Các bài báo	Các bài báo ''Năm kỳ diệu'' (1905) Khảo sát về lý thuyết chuyển động Brown (1905) Relativity: The Special and the General Theory (1916) Thế giới như tôi thấy (sách) (1934) Bức thư Einstein–Szilárd (1939) Tại sao Chủ nghĩa xã hội? (1949) Tuyên ngôn Russell–Einstein (1955)
Gia đình	Pauline Koch (mẹ) Hermann Einstein (bố) Maja Einstein (em gái) Mileva Marić (vợ cả) Elsa Einstein (vợ hai) Lieserl Einstein (con gái) Hans Albert Einstein (con trai) Eduard Einstein (con trai) Bernhard Caesar Einstein (cháu nội) Evelyn Einstein (cháu nội) Thomas Martin Einstein (chắt, con của Bernhard)
Giải thưởngmang tên Einstein	Giải thưởng Albert Einstein Huy chương Albert Einstein Giải Khoa học thế giới Albert Einstein Giải Einstein Giải hòa bình Albert Einstein Giải thưởng Einstein cho khoa học laser
Khác	Quan điểm chính trị Quan điểm tôn giáo Máy làm lạnh của Einstein Bộ não Trong văn hóa Giải thưởng và vinh danh Danh sách Albert Einstein Dự án các bài viết của Einstein Einsteini 2001 Einstein
Thể loại Commons

x t s Điện Mặt Trời
Khái niệm	Công nghệ Điện Mặt Trời Hiệu ứng quang điện Bức xạ Mặt Trời Hằng số mặt trời Hiệu suất pin mặt trời Hiệu suất lượng tử Công suất danh định Pin mặt trời màng mỏng Pin mặt trời đa điểm Tế bào quang điện thế hệ thứ ba Nghiên cứu pin mặt trời Thermophotovoltaic Giới hạn hiệu suất nhiệt động Pin quang điện không cần ánh sáng mặt trời Quang điện hữu cơ phân cực Vật liệu Danh sách vật liệu bán dẫn Silic tinh thể (c-Si) Silic đa tinh thể Silic đơn tinh thể Cadimi telluride Đồng indium gallium selenide Silic vô định hình (a-Si) Lịch sử Phát triển điện mặt trời Dòng thời gian
Hệ thống quang điện	Tế bào quang điện Mano tinh thể Hữu cơ Chấm lượng tử Hybrid Plasmonic Ống nano cacbon trong quang điện Pin mặt trời nhuộm màu nhạy sáng Pin quang điện Cadmium telluride Tế bào quang điện đồng indium gallium selenide Tấm pin quang điện in Pin mặt trời Perovskite Pin mặt trời dị tiếp giáp Thành phần hệ thống Tấm quang năng Cân bằng hệ thống Solar charge controller Biến tần điện Mặt Trời Solar micro-inverter Hệ thống điện Mặt Trời Hệ thống lắp đặt quang điện Maximum power point tracker Máy theo dõi năng lượng mặt trời Tấm lợp năng lượng mặt trời Gương mặt trời Bộ biến tần đồng bộ Khái niệmhệ thống Phương pháp Perturb-and-observe (P&O) Phương pháp dẫn điện gia tăng (INC) Phương pháp điện áp không đổi Hệ số lấp đầy Bộ tập trung quang điện Bộ thu nhiệt mặt trời lai quang điện Năng lượng Mặt Trời dựa trên không gian Hiệu suất hệ thống quang điện
Ứng dụng	Gia dụng Tủ lạnh năng lượng mặt trời Điều hòa không khí năng lượng mặt trời Đèn năng lượng mặt trời Bộ sạc năng lượng mặt trời Balo năng lượng mặt trời Cây năng lượng mặt trời Máy bơm chạy bằng năng lượng mặt trời Đồng hồ chạy bằng năng lượng mặt trời Tuki năng lượng mặt trời Bàn phím quang điện Đường năng lượng mặt trời Bộ sạc điện thoại di động năng lượng mặt trời Máy tính năng lượng mặt trời Đài phun nước năng lượng mặt trời Radio chạy bằng năng lượng mặt trời Đèn pin năng lượng mặt trời Quạt năng lượng mặt trời Đèn đường năng lượng mặt trời Đèn giao thông năng lượng mặt trời Giao thông đường bộ Xe năng lượng mặt trời Ô tô năng lượng mặt trời Đường năng lượng mặt trời Xe golf chạy bằng năng lượng mặt trời Quiet Achiever Hàng không Máy bay điện Bộ nâng năng lượng mặt trời Mauro Tấm pin mặt trời trên tàu vũ trụ Solar One Chim cánh cụt MacCready Gossamer Máy bay Airbus Zephyr Solar Challenger MacCready Giai thông đường thủy Thuyền điện mặt trời Đua xe năng lượng mặt trời Đua xe năng lượng mặt trời Danh sách các đội xe năng lượng mặt trời Đua xe năng lượng mặt trời thế giới Đua xe năng lượng mặt trời của Mỹ Giải đua xe Công thức 1 Sun Grand Prix Cup năng lượng mặt trời Đua xe năng lượng mặt trời Frisian Đua thuyền năng lượng mặt trời Splash Đua xe năng lượng mặt trời Nam Phi Đua xe năng lượng mặt trời de Sol Đua xe năng lượng mặt trời Hunt-Winston Thử thách xe mô hình chạy bằng năng lượng mặt trời của Victoria
Nhà máy điện Mặt Trời	Nhà máy điện Mặt Trời Hệ thống quang điện kết nối lưới điện Danh sách nhà máy điện mặt trời Gắn trên tòa nhà Điện mặt trời trên mái nhà Tích hợp quang điện trong tòa nhà Tàu năng lượng mặt trời Công viên năng lượng mặt trời Strasskirchen theo quốc gia Úc Bỉ Bulgaria Canada Chile Trung Quốc Séc France Đức Hy Lạp Ấn Độ Ý Nhật Bản Hà Lan Romania Nam Phi Tây Ban Nha Thụy Sĩ Thái Lan Thổ Nhĩ Kỳ Anh Hoa Kỳ Việt Nam
Các công ty sản xuất	Theo quốc gia Phát triển điện Mặt Trời Nhà sản xuất cá nhân First Solar Q-Cells JA Solar Motech Solar REC Sharp Solar Frontier Solyndra Sungen Solar Sunpower Suntech Trina Solar Yingli Solar
Thể loại Hình