Hiện tượng quang điện ngoài

HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN - THUYẾT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG

I.Hiện tượng quang điện

I. Thí nghiệm Hertz về hiện tượng quang điện

Đặt một tấm kẽm đã được tích điện âm lên trên một điện nghiệm (tấm kẽm nối với điện cực của điện nghiệm) thì thấy hai lá kim loại của điện nghiệm xòe ra.

Bạn đang xem: Hiện tượng quang điện ngoài

Chiếu một chùm ánh sáng hồ quang vào tấm kẽm thì thấy hai lá kim loại của điện nghiệm cụp lại chứng tỏ tấm kẽm bị mất điện tích âm nghĩa là êlectrôn đã bị bật ra khỏi tấm kẽm.

Hiện tượng trênkhông xảy ranếu

ban đầu ta tích điệndươngcho tấm kẽm

hoặc

chắn chùm ánh sáng hồ quangbằng mộttấm thủy tinh.

Lý do mà hiện tượng không xảy ralà:

Nếu ban đầu tích điện dương (đủ lớn) cho tấm kẽm thì tấm kẽm này đang thiếu electrôn. Khi chiếu chùm ánh sáng hồ quang vào tấm kẽm thì cũng có electrôn bị bật ra nhưng sẽ ngay lập tức bị tấm kẽm hút trở lại (Theo định luật Coulomb: "Hai điện tích trái dấu hút nhau"). Do đó điện tích của tấm kẽm không đổi. Hai lá kim loại của điện nghiệm vẫn tiếp tục xòe ra.Tia tử ngoại trong chùm hồ quang bị thủy tinh hấp thụ mạnh nên chùm ánh sáng đến được tấm kẽm chỉ là các bức xạ đơn sắc có bước sóng dài (các tia tử ngoại có bước sóng dài, ánh sáng thấy được, tia hồng ngoại). Điều này giúp khẳng định rằng hiện tượng electrôn bị bật ra khỏi tấm kẽm chỉ xảy ra với các bức xạ tử ngoại có bước sóng ngắn mà thôi.

Từ thí nghiệm trên ta có thể rút ra kết luận sau:

Hiện tượng ánh sáng làm bật các electrôn ra khỏi bề mặt kim loại gọi là hiện tượng quang điện (ngoài).Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra với một số bức xạ đơn sắc nào đó.

II. Định luật về giới hạn quang điện (Định luật quang điện thứ nhất)

Đối với mỗi kim loại, ánh sáng kích thích phải có bước sóng

nhỏ hơn hoặc bằng giới hạn quang điện của kim loại đó thì mới gây ra được hiện tượng quang điện.

Nói ngắn gọn:" Hiện tượng quang điện xảy ra

.

Giới hạn quang điện của cáckim loại thông thường(như: bạc, đồng, kẽm, nhôm) ở trongmiền tử ngoại.Giới hạn quang điện của cáckim loại kiềm, kềm thổ(như: canxi, natri, xêsi, kali) ở trong miềnánh sáng thấy được.

III. Thuyết lượng tử ánh sáng

1. Giả thuyết Plăng

Lượng năng lượng mà mỗi lần nguyên tử hoặc phân tử hấp thụ hoặc bức xạ có một giá trị hoàn toàn xác định và bằnghf, trong đóh= 6,625.10- 34J.s là hằng số Plăng,flà tần số của ánh sáng ứng với bức xạ đang xét (Hz).

2. Thuyết lượng tử ánh sáng

a) Ánh sáng được tạo thành bởi các hạt gọi là phôtôn.

b) Trong chùm ánh sáng đơn sắc có tần số f thì mỗi phôtôn có một năng lượng không đổi là

trong đó c là vận tốc ánh sáng trong chân không,là bước sóng trong chân không của ánh sáng đang xét.

c) Trong chân không, phôtôn bay với tốc độ c = 3.108m/s dọc theo tia sáng.

d) Mỗi lần nguyên tử hay phân tử phát xạ hoặc hấp thụ thì chúng phát xạ và hấp thụ một phôtôn.

e) Phôtôn chỉ tồn tại trong trạng thái chuyển động, không có phôtôn đứng yên.

Xem thêm: Thư Giãn Với Top 10 Quán Cafe Sân Vườn Đẹp Ở Sài Gòn Bạn Không Nên Bỏ Qua

3. Giải thích định luật về giới hạn quang điện bằng thuyết lượng tử ánh sáng

Theo Anhxtanh, mỗi lần nguyên tử hay phân tử ở bề mặt kim loại hấp thụ một phôtôn thì nó dùng năng lượng này vào hai việc:

Cung cấp một một năng lượng A để bứt electrôn ra khỏi liên kết với hạt nhân nguyên tử. Năng lượng này được gọi làcông thoát.Phần năng lượng còn lại biến thành động năng của electrôn khi bứt khỏi kim loại.

Như vậy, theo định luật bảo toàn năng lượng thì

Vì

nên

Đặt

là giới hạn quang điện của kim loại đang xét.

Ta suy được điều kiện để xảy ra hiện tượng quang điện là

Như vậy công thức tính công thoát của kim loại là

IV. Lưỡng tính sóng - hạt của ánh sáng

Từ thí nghiệm vềnhiễu xạ ánh sángvàgiao thoa ánh sángta thấyánh sáng có tính chất sóng.Từ thí nghiệm vềhiện tượng quang điệnta thấyánh sáng có tính chất hạt(tính chất lượng tử)

Do vậy ta nói: "Ánh sáng có lưỡng tính sóng - hạt"

Chú ý:Dù ánh sáng thể hiện ra là sóng hay là hạt thìánh sáng vẫn có bản chất điện từ.

V. Phần thêm cho chương trình nâng cao:

1. Tế bào quang điện:

a) Cấu tạo:

Tế bào quang điện là một bình cầu bằng thạch anh, trong bình là chân không.

Tế bào quang điện gồm có hai điện cực:

AnốtA là một vòng dây kim loại đặt ở tâm bình cầu.CatốtK là một chõm cầu bằng kim loại.

b) Hoạt động:

Đặt một hiệu điện thế UAKvào hai điện cực của tế bào quang điện.

UAKcó thể thay đổi giá trị (âm, dương hoặc bằng 0) tùy theo vị trí của con chạy C.

Chiếu ánh sáng đơn sắc vào catốt của tế bào quang điện và điều chỉnh giá trị của UAKngười ta thu được đường biểu diễn sau đây (gọi là đường đặc trưng vôn - ampe của tế bào quang điện)

Đường đặc trưng vôn - ampe này (và một số thí nghiệm cụ thể khác) cho phép kết luận:

Đối với mỗi kim loại làm catốt thì cường độ dòng quang điện bão hòa tỉ lệ thuận với cường độ của chùm ánh sáng kích thích (Định luật quang điện thứ hai)Động năng ban đầu cực đại của electrôn quang điện (bằng tích e|Uh| ) không phụ thuộc vào cường độ của chùm ánh sáng kích thích mà chỉ phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng kích thích và vào bản chất của kim loại dùng làm catốt (Định luật quang điện thứ ba)

2. Các công thức trong các bài toàn dùng tế bào quang điện

a) Công thức Anhxtanh về hiện tượng quang điện:

b) Công thức tính động năng ban đầu cực đạicủa quang electrôn:

trong đó Uhlà hiệu điện thế hãm (hiệu điện thế UAKvừa đủ để làm triệt tiêu dòng quang điện, Uhcó giá trị âm).

Chú ý:Đôi khi người ta cũng định nghĩahiệu điện thế hãm Uhlà một số dươngsao cho khi giảm hiệu điện thế UAKđến giá trị UAK= - Uhthì cường độ dòng quang điện vừa đủ triệt tiêu. Khi đó trong công thức tính động năng ban đầu cực đại ở trên ta không cần dùng dấu | | (dấu trị tuyệt đối).

c) Công thức tính công suất của nguồn sáng:

trong đónplà số phôtôn do nguồn sáng phát ra trong mỗi giây,là bước sóng trong chân không của ánh sáng đơn sắc do nguồn sáng phát ra.

d) Công thức tính cường độ dòng quang điênj bão hòa:Ibh= ne.etrong đónelà số electrôn quang điện đến được anốt của tế bào quang điện mỗi giây,e= 1,6.10- 19C là điện tích nguyên tố dương.