Hiện Tượng Quang Điện Và Thuyết Lượng Tử Ánh Sáng

1. Hiện tượng quang điện 

1.1. Thí nghiệm về hiện tượng quang điện

Khi nói đến thí nghiệm về hiện tượng quang điện, ta phải nhắc đến thí nghiệm Hertz đã mô tả cách hiện tượng quang điện xảy ra, chi tiết như sau:

• Đặt 1 tấm kẽm đã được tích điện âm lên trên 1 tấm kẽm nối với điện cực (hay còn gọi là điện nghiệm). Ta thấy hiện tượng 2 lá kim loại của điện nghiệm xòe ra.

• Chiếu tới tấm kẽm 1 chùm ánh sáng hồ quang, thấy 2 lá kim loại cụp lại. Điều này chứng tỏ tấm kẽm bị mất đi điện tích âm, hay là electron đã bị bật ra khỏi tấm kẽm đó.

Thí nghiệm Hertz lưu ý rằng, hiện tượng trên không xảy ra khi bắt đầu tích điện dương cho tấm kẽm, hoặc dùng 1 tấm thuỷ tinh chắn chùm ánh sáng hồ quang.

1.2. Hiện tượng quang điện là gì?

Từ thí nghiệm trên, ta có thể rút ra định nghĩa về hiện tượng quang điện như sau:

Hiện tượng quang điện thuyết lượng tử ánh sáng là hiện tượng mà ánh sáng làm bật các electron ra khỏi mặt kim loại.

2. Hiện tượng quang điện trong và hiện tượng quang điện ngoài

2.1. Hiện tượng quang điện trong

Hiện tượng quang điện trong được định nghĩa là hiện tượng ánh sáng giải phóng electron liên kết, biến chúng trở thành các electron có tính dẫn, cùng lúc tạo thành các lỗ trống tham gia vào quá trình dẫn điện.

• Lưu ý: Các electron dẫn chỉ có thể di chuyển bên trong khối chất bán dẫn mà không bị bật ra giống hiện tượng quang điện ngoài. Hiện tượng quang điện trong có tên là vì nguyên lý như vậy.

• Điều kiện xảy ra hiện tượng quang điện trong cần thỏa mãn là: Năng lượng photon ánh sáng kích thích lớn hơn hoặc bằng năng lượng kích hoạt A (hay còn hiểu là lượng vừa đủ năng lượng để giải phóng electron liên kết thành electron dẫn): ε ≥ A

• Bước sóng λ thuộc ánh sáng kích thích nhỏ hơn hoặc bằng với 1 bước sóng giới hạn λ₀ với mỗi chất bán dẫn, bước sóng giới hạn 0 còn gọi là giới hạn của quang dẫn.

Có thể suy ra rằng: Hiện tượng quang điện trong chỉ xảy ra khi và chỉ khi λ = λ₀

Đa số chất bán dẫn đều có giới hạn quang dẫn nằm trong miền hồng ngoại. Do đó, chỉ cần dùng ánh sáng kích thích ánh sáng là có thể đủ để xảy ra hiện tượng quang dẫn.

2.2. Hiện tượng quang điện ngoài

Định nghĩa: Đây là hiện tượng chiếu ánh sáng có bước sóng thích hợp vào kim loại làm bật các electron ra khỏi bề mặt của kim loại. Ánh sáng chiếu vào kim loại gọi là ánh sáng kích thích(hoặc bức xạ kích thích.

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

Cho 1 chiếc thước nhựa cọ xát vào vải nhằm mục đích tích điện âm cho thước nhựa. Sau đó, cho miếng thước nhựa tiếp xúc với một tấm kim loại bằng kẽm (Zn) gắn với tĩnh điện kế. Ta thấy, kim của tĩnh điện kế di chuyển lệch sang 1 bên, điều này chứng tỏ tấm kim loại đã bị tích điện âm (nhiễm điện do tiếp xúc với miếng vải). Đợi cho kim của điện kế chỉ giá trị ổn định, kim điện kế không đổi trong ánh sáng bình thường ở phòng thí nghiệm, nghĩa là không có hiện tượng gì xảy ra.

Chiếu ánh sáng từ đèn thủy ngân => kim điện kế lệch về giá trị 0 => điện tích âm trên tấm kim loại mất đi => electron (mang điện âm) đã thoát khỏi bề mặt kim loại ra bên ngoài môi trường xung quanh.

Thay thế tấm kim loại kẽm bằng một tấm kim loại chất liệu khác, đồng thời đổi ánh sáng đèn thủy ngân bằng ánh sáng hồ quang và bắt đầu tiến hành thí nghiệm tương tự, ta cũng thu được kết quả như trên.

3. Định luật về giới hạn quang điện

Hay còn gọi là định luật quang điện thứ nhất. Khi bước sóng của ánh sáng ngắn hơn hoặc bằng giới hạn quang điện của kim loại, ánh sáng kích thích chỉ có thể làm bật e ra khỏi 1 kim loại.

λ: bước sóng ánh sáng kích thích

λ₀: Giới hạn của quang điện

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

Tham khảo ngay sách ôn thi độc quyền của VUIHOC tổng hợp kiến thức và phương pháp giải mọi dạng bài tập Vật Lý thi THPT

4. Thuyết lượng tử ánh sáng

4.1. Giả thuyết Plăng

Giả thuyết Plăng cho rằng lượng năng lượng của 1 nguyên tử hoặc của phân tử hấp thụ hay phát xạ được tính bằng công thức: 

ε = hf

Cấu tạo công thức gồm:

• ε: lượng tử năng lượng (J)

• h = 6,625.10-34 J.s: hằng số Plăng

• f: tần số của ánh sáng (Hz)

4.2. Thuyết lượng tử ánh sáng

Thuyết lượng tử ánh sáng phát biểu như sau đây:

- Các hạt gọi là photon tạo thành ánh sáng.

- Với mỗi ánh sáng đơn sắc có tần số f, các photon đều giống nhau, mỗi photon mang năng lượng bằng ε = hf =$\frac{hc}{\lambda}$

- Trong chân không, các hạt photon bay với vận tốc c = 3.108 m/s dọc theo các tia sáng.

- Trường hợp 1 nguyên tử hoặc phân tử phát xạ hoặc hấp thụ ánh sáng, nguyên tử phân tử đó sẽ phát ra hoặc hấp thụ 1 photon

- Khi ánh sáng bị truyền đi, khác lượng tử ánh sáng ε = hf =$\frac{hc}{\lambda}$ không bị thay đổi và cũng không phụ thuộc vào khoảng cách tới nguồn sáng.

- Mặc dù mỗi loại ε = hf mang năng lượng rất nhỏ, nhưng trong chùm sáng lại chứa cơ số rất lớn các lượng tử ánh sáng. Vì vậy, ta sẽ có cảm giác các chùm sáng là liên tục.

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

Theo nhà khoa học Anhxtanh, khi mỗi nguyên tử (phân tử) ở bề mặt kim loại hấp thụ một phôtôn, nó dùng năng lượng này vào hai việc:

• Cho 1 năng lượng A bứt electron ra khỏi liên kết với hạt nhân nguyên tử. Năng lượng này còn được gọi là công thoát.

• Phần năng lượng còn lại sẽ được biến thành động năng của electron khi bứt khỏi kim loại.

Vậy nên, để hiện tượng quang điện có thể xảy ra:

Đặt: $\lambda_{0}=\frac{hc}{A}$

Ta có: $\lambda \leq \lambda_{0}$

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

4.4. Công thức anhxtanh về hiện tượng quang điện

Một số những công thức cần nhớ khi giải bài tập hiện tượng quang điện:

Cấu tạo công thức bao gồm:

: lượng tử năng lượng (J)

 Công thức của e khỏi kim loại (J)

 Động năng ban đầu cực đại của e (J)

5. Lưỡng tính sóng - hạt của ánh sáng

Từ thí nghiệm về giao thoa ánh sáng cùng nhiễu xạ ánh sáng, ta rút ra được kết luận ánh sáng có tính chất sóng.

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

Như vậy, ta nói: “Ánh sáng có lưỡng tính sóng - tính hạt”.

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

Đăng ký ngay để được thầy cô tổng hợp kiến thức và xây dựng lộ trình ôn thi THPT sớm ngay từ bây giờ

6. Ứng dụng của hiện tượng quang điện trong cuộc sống

Hiện tượng quang điện được ứng dụng rất nhiều trong đời sống và được coi như là bước tiến mới trong công nghệ chế tạo sử dụng năng lượng. Ta có thể thấy những ứng dụng trong đời sống hằng ngày sau sử dụng hiện tượng quang điện:

• Chế tạo pin mặt trời: Đây là một trong số những ứng dụng phổ biến của hiện tượng quang điện. Pin mặt trời (hay còn gọi là tấm quang điện mặt trời) có tác dụng chuyển năng lượng ánh sáng thu về trở thành điện năng có thể sử dụng. Bề mặt của tấm năng lượng mặt trời chế tạo từ rất nhiều phân tử bán dẫn và tế bào quang điện.

• Chế tạo quang điện trở: Quang điện trở là loại điện trở được làm từ chất quang dẫn. Thiết bị này có cấu tạo gồm 1 sợi dây làm bằng chất quang dẫn gắn trên 1 đế cách điện.

• Chế tạo điốt (Photodiode): Đây là thiết bị dùng để biến photon trở thành điện tích dựa trên ứng dụng của quang điện. Điốt được sử dụng phổ biến trong các thiết bị đo đạc, kỹ thuật điện tử, truyền dẫn thông tin,…

• Chế cảm biến ghi hình ảnh: Hiện tượng quang dẫn còn được ứng dụng để tạo ra các cảm biến ghi hình ảnh như CCD. Cảm biến này giúp chuyển đổi hình ảnh quang học sang tín hiệu điện sử dụng trong thiết bị camera.

• Chế tạo đèn nhân quang điện: Đây là một linh kiện điện tử chân không nằm trong đèn photo. Thiết bị này thực hiện cảm biến photon theo hiện tượng quang điện từ đó tạo ra được điện tích.

7. Bài tập về hiện tượng quang điện

Để luyện tập thành thạo hơn về hiện tượng quang điện, các em học sinh cùng VUIHOC làm 10 câu hỏi trắc nghiệm dưới đây và so đáp án bên dưới nhé!

Câu 1: Mọi phôtôn trong chân KHÔNG có cùng yếu tố nào sau đây?

A. Tốc độ        B. Bước sóng      C. Năng lượng        D. Tần số

Câu 2: Câu nào dưới đây phát biểu đúng về hiện tượng quang điện?

A. Hiện tượng quang điện chỉ có thể xảy ra trong trường hợp tần số ánh sáng kích thích bé hơn tần số giới hạn fo bất kỳ nào đó.

B. Các phôtôn quang điện luôn bật khỏi bề mặt kim loại theo phương vuông góc.

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

D. Giới hạn quang điện của 1 loại kim loại có tỉ lệ với công thoát electron kim loại.

Câu 3: Hiện tượng quang điện là hiện tượng electron bị bứt ra khỏi bề mặt tấm kim loại:

A. Khi nung nóng tấm kim loại.

B. Nhiễm điện vì tiếp xúc một vật nhiễm điện khác.

C. Vì bất kì nguyên nhân nào.

D. Khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào mặt tấm kim loại đó.

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

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

B. Bản chất của kim loại

C. Cường độ mạnh hay nhẹ của chùm ánh sáng kích thích

D. Bước sóng ánh sáng kích thích

Câu 5: Phát biểu nào dưới đây là SAI khi nói về thuyết lượng tử ánh sáng?

A. Nguyên tử hoặc phân tử vật chất không bức xạ ánh sáng hay hấp thụ một cách liên tục. Chúng sẽ bị chia thành từng phần đứt quãng riêng biệt.

B. Phôtôn là ánh sáng được tạo bởi các hạt.

C. Năng lượng phôtôn ánh sáng là giống nhau, đều không phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng.

D. Khi ánh sáng truyền đi, các lượng tử ánh sáng không đổi và không bị phụ thuộc vào khoảng cách tới nguồn sáng.

Câu 6: Công thoát của electron khi bứt khỏi bề mặt nhôm là 3,46 eV. Để xảy ra hiện tượng quang điện đối với nhôm là ánh sáng kích thích phải có bước sóng thỏa mãn:

A. λ ≤ 0,18 μm        B. λ > 0,18 μm

C. λ ≤ 0,36 μm        D. λ > 0,36 μm

Câu 7: Cho 1 nguồn phát ánh sáng đơn sắc có bước sóng là 0,50 μm. Số lượng photon nguồn phát ra trong 60 giây N = 2,5.1018. Công suất phát xạ của nguồn lúc này bằng:

A. 16,6 mW             B. 8,9 mW

C. 5,72 mW             D. 0,28 mW

Câu 8: Chiếu ánh sáng có bước sóng bằng 0,542 μm vào catôt của một tế bào quang điện. Catôt là một dụng cụ chân không có hai điện cực là catot nối với cực âm và anot nối với cực dương của nguồn điện. Ta thấy có xảy ra hiện tượng quang điện. Công suất chùm sáng chiếu tới là 0,625 W. Cứ 100 photon tới catot thì chỉ có 1 electron bứt khỏi catot. Lúc này, cường độ dòng quang điện bão hòa có giá trị bằng bao nhiêu?

A. 2,72 mA              B. 2,04 mA

C. 4,26 mA              D. 2,57 mA

Câu 9: Cho hằng số Plăng h = 6,625.10-34 J.s, tốc độ ánh sáng trong chân không luôn bằng c = 3.108 m/s. Cho 1 nguồn phát ra ánh sáng đơn sắc với bước sóng bằng 0,51 μm. Công suất bức xạ của nguồn bằng 2,65 W. Số photon nguồn phát ra trong 1 giây lúc này bằng bao nhiêu?

A. 6,8.1018             B. 2,04.1019

C. 1,33.1025           D. 2,57.1017

Câu 10: 1 kim loại có công thoát của electron là 2 eV. Trong số 4 bức xạ sau, khi chiếu vào tấm kim loại trên thì bức xạ không thể gây ra hiện tượng quang điện:

A. Bước sóng 450 nm

B. Bước sóng 350 nm

C. Tần số 6,5.1014 Hz

D. Tần số 4,8.1014 Hz

Đáp án:

Trên đây là toàn bộ lý thuyết về hiện tượng quang điện cùng với các công thức, giả thuyết liên quan đến lượng tử ánh sáng và hiện tượng quang điện trong chương trình Vật Lý 12. Hy vọng rằng bài viết sẽ cung cấp nguồn kiến thức hữu ích cho các em học sinh hiểu sâu hơn về hiện tượng quang điện cũng như có thêm kiến thức giải quyết về các dạng bài liên quan trong quá trình ôn thi Lý tốt nghiệp THPT. Ngoài ra, để tìm hiểu nhiều hơn các kiến thức vật lý khác, các em truy cập ngay trang web giáo dục Vuihoc.vn nhé!

Bài viết tham khảo thêm:

Lý thuyết về tia X

Hiện tượng quang điện trong