Tìm hiểu về hiện tượng quang điện ngoài giải thích hiện tượng quang điện theo thuyết lượng tử ánh sáng vật lí 12 chương trình chuẩn
Hiện tượng quang điện ngoài là gì?
- Là hiện tượng xảy ra ở bên ngoài bề mặt kim loại, khi được chiếu ánh sáng thích hợp các electron sẽ bật ra khỏi bề mặt kim loại. Không phải ánh sáng nào và kim loại nào cũng có thể tạo ra được hiện tượng quang điện ngoài.
Video thí nghiệm hiện tượng quang điện ngoài
Giải thích hiện tượng quang điện ngoài
Để giải thích được hiện tượng quang điện ngoài ta cần phải có
- Thuyết lượng tử ánh sáng
- Công thức Anhxanh
Thuyết lượng tử ánh sáng → coi ánh sáng có tính chất hạt, mỗi hạt ánh sáng được coi là 1 photon không có khối lượng và có lượng tử năng lượng là ε = hf = \[\dfrac{hc}{\lambda }\]
Công thức Anhxtanh về lượng tử năng lượng của ánh sáng
\[\varepsilon = A + (W_{đo})_{max}\]
Trong đó:
- ε = hf = \[\dfrac{hc}{\lambda }\]: lượng tử năng lượng (J)
- h = 6,625.10-34 (J/s): hằng số Plank
- f: tần số ánh sáng (Hz)
- λ: bước sóng của ánh sáng (m)
- c = 3.108 (m/s): tốc độ ánh sáng trong chân không
- A = hfo = \[\dfrac{hc}{\lambda_{o} }\]: công thoát của eletron (J)
- \[(W_{đo})_{max}\]: động năng ban đầu cực đại của các electron (J)
Theo công thức Anhxtanh lượng tử năng lượng của một photon khi chiếu vào bề mặt kim loại sẽ được truyền cho electron để làm hai việc
- Cung cấp công thoát A: để electron chuyển động ra ngoài bề mặt kim loại
- Cung cấp động năng ban đầu: để electron chuyển động ra khỏi về mặt kim loại
Tại sao chỉ có ánh sáng thích và kim loại thích hợp mới tạo ra được hiện tượng quang điện?
Theo lý thuyết sóng ánh sáng → ánh sáng truyền năng lượng dưới dạng sóng (tức là năng lượng liên tục) → bất kỳ nguồn sáng nào cũng có thể gây ra hiện tượng quang điện ngoài.
Thực nghiệm về hiện tượng quang điện ngoài đã chỉ ra không phải bất kỳ ánh sáng nào cũng xảy ra hiện tượng quang điện.→ hình thành nên thuyết lượng tử có thể giải thích được hiện tượng quang điện ngoài.
Nếu bạn có thể đưa ra được một thuyết hay hơn và có thể giải thích được một hiện tượng vật lí khi đó chúng ta sẽ có các tư tưởng mới đó chính là lý do “Anhxtanh trở thành kẻ cầm đầu” với “thuyết tương đối” của mình.
Sử dụng công thức Anhxtanh ta nhận thấy biểu thức trên có nghĩa khi
- ε ≥ A → hf ≥ hfo → f ≥ fo (1) hoặc
- ε ≥ A → \[\dfrac{hc}{\lambda }\geq \dfrac{hc}{\lambda_{o} }\rightarrow \lambda \leq \lambda_{o}\] (2)
f, λ đặc trưng riêng của ánh sáng, mỗi một ánh sáng sẽ có f và λ riêng → chỉ những f, λ thỏa mãn điều kiện (1) hoặc (2) thì mới xảy ra hiện tượng quang điện ngoài. Hay nói cách khác là chỉ có ánh sáng thích hợp và kim loại thích hợp mới có hiện tượng quang điện ngoài xảy ra → phù hợp với thực nghiệm về hiện tượng quang điện ngoài.
Ứng dụng hiện tượng quang điện
Hiện tượng quang điện đã mang lại những đóng góp lớn cho công nghệ chế tạo hiện đại. Nó được áp dụng rộng rãi trong việc sản xuất tế bào quang và thiết bị điều khiển tự động. Các ứng dụng của hiện tượng này rất đa dạng và phong phú, như:
- Pin mặt trời: Tấm năng lượng mặt trời được cấu tạo từ nhiều tế bào quang điện có chứa nhiều cảm biến ánh sáng điốt quang trên bề mặt. Hiện tượng quang điện giúp chuyển đổi năng lượng ánh sáng sang năng lượng điện.
- Photodiode: Loại bán dẫn này sử dụng hiện tượng quang điện để chuyển đổi photon thành điện tích.
- Phototransistor: Đây là một dạng transistor đóng vỏ với cửa trong suốt để các photon xâm nhập. Nó giúp giảm dòng rò và nhiễu.
- Cảm biến ghi ảnh: Các cảm biến CCD và các cảm biến quang học khác cũng sử dụng hiện tượng quang điện để chuyển đổi hình ảnh quang học thành tín hiệu điện.
- Đèn nhân quang điện: Là một linh kiện trong nhóm đèn photo, đèn nhân quang điện sử dụng hiện tượng quang điện để tạo ra điện tích và nhân dòng điện lên hàng trăm đến hàng triệu lần.
- Phổ quang điện tử: Hiện tượng quang điện được ứng dụng trong phổ quang điện tử và nhiều lĩnh vực khác của công nghệ hiện đại.