Hiện tượng quang điện – thuyết lượng tử ánh sáng & ứng dụng

Hiện tượng quang điện là một mảng kiến thức quan trọng trong chương trình vật lý phổ thông. Tuy nhiên không phải bạn học sinh nào cũng nắm rõ được lý thuyết về hiện tượng quang điện là gì & thuyết lượng tử ánh sáng. Hãy cùng muahangdambao.com tìm hiểu rõ về chúng thông qua bài viết chi tiết dưới đây các bạn nhé!

Hiện tượng quang điện là gì?

Đây là hiện tượng khi ánh sáng làm bật các electron ra khỏi bề mặt của kim loại. hay còn được gọi với cái tên khác là hiện tượng quang điện ngoài. Hiện tượng này đã được 2 nhà vật lý học người Đức là James Franck và Gustav Ludwig Hertz phát hiện sau khi làm thí nghiệm vào năm 1887.

Nên giải thích như thế nào về hiện tượng quang điện?
Giải thích về hiện tượng quang điện ngoài

Thí nghiệm Franck – Hertz được diễn ra như thế nào?

Thí nghiệm kinh điển này có liên quan đến một ống chứa hơi thủy ngân ở trong môi trường áp suất thấp được gắn với 3 điện cực: Một catot (âm cực) phát ra các electron, một lưới gia tốc cùng một anot (dương cực).

Cực anot sẽ được giữ ở một điện thế hơi âm so với lưới gia tốc (mặc dù vẫn là dương hơn so với catot), sao cho các electron phải sở hữu một động năng nhỏ để có thể bay được tới nó sau khi đi qua lưới. Các thiết bị sẽ được lắp đặt để đo được dòng điện đi qua giữa các điện cực cũng như điều chỉnh hiệu điện thế giữa catot với lưới gia tốc.

  • Ở hiệu điện thế thấp (dưới 4.9 volt) với ống chứa hơi thủy ngân: Dòng điện đi qua ống gia tăng đều đặn với hiệu điện thế cũng tăng dần. Điện thế càng cao thì điện trường càng mạnh và các electron sẽ càng bị kéo mạnh về phía của  lưới gia tốc.
  • Ở mức 4.9 volt: Cường độ dòng điện sẽ đột ngột bị giảm xuống một cách rõ rệt và gần như là trở về không. Tuy nhiên, dòng điện sau đó sẽ lại tăng đều trở lại khi điện thế tiếp tục tăng cho tới khi đạt tới mức 9.8 volt (chính xác là gấp hai lần 4.9 volt).
  • Ở mức 9.8 volt: Ta lại quan sát được hiện tượng giảm sút nhanh chóng của dòng điện tương tự.
  • Chuỗi tăng giảm cường độ của dòng điện này với số gia xấp xỉ 4.9 volt sẽ liên tục tiếp diễn cho tới khi hiệu điện thế đạt ít nhất là 100 volt.
Hai nhà vật lý học người Đức phát hiện ra hiện tượng quang điện vào năm 1987
Hai nhà vật lý học người Đức phát hiện ra hiện tượng quang điện vào năm 1987

Hiện tượng quang điện trong là gì?

Quang điện trong là 1 hiện tượng đặc trưng thường thấy khi ánh sáng giải phóng các electron liên kết và biến chúng trở thành thành các electron dẫn. Các electron dẫn được giải phóng ra ngoài trong quá trình này sẽ tạo thành các lỗ trống để cùng tham gia vào việc dẫn điện. Khi hiện tượng này được xảy ra thì các electron sẽ không bị bật ra ngoài mà chỉ chuyển động hỗn loạn trong vật thể bán dẫn mà thôi.

Chất quang dẫn sẽ chính là chất bán dẫn mà nó có tính dẫn điện cực tốt khi được ánh sáng thích hợp chiếu vào và trở thành các chất dẫn điện kém khi không được ánh sáng chiếu vào.

Có thể nói, hiện tượng quang điện trong là 1 hiện tượng thường thấy và có rất nhiều ứng dụng trong đời sống. Vậy thì điều kiện để xuất hiện hiện tượng  quang điện trong là gì? Để có hiện tượng quang điện thì các bước sóng của ánh sáng kích thích phải có kích thước nhỏ hơn hoặc bằng với giới hạn quang điện. Đồng thời năng lượng photon của ánh sáng kích thích cũng phải phải lớn hơn hoặc bằng với năng lượng kích hoạt.

Xem thêm: Hằng số là gì? Tổng hợp những thông tin liên quan tới hằng số

Tìm hiểu hiện tượng quang điện thuyết lượng tử ánh sáng của Anhxtanh

Để đưa ra được lời giải thích thuyết phục cho hiện tượng quang điện, nhà bác học vĩ đại thế giới Anhxtanh đã phát triển thêm hiện tượng này dựa trên giả thuyết Plăng. Ông đã đề xuất thêm thuyết lượng tử ánh sáng hay còn được gọi với cái tên là thuyết photon. Cụ thể nội dung như sau:

  • Ánh sáng sẽ được hình thành nên từ các hạt photon (hay còn được gọi là những lượng tử ánh sáng).
  • Trong 1 chùm ánh sáng đơn sắc, mỗi một photon sẽ có năng lượng xác định là: ε = h x f = h x c/ λ

Trong đó: f sẽ là tần số của ánh sáng đơn sắc đang được xem xét

c chính là vận tốc di chuyển của ánh sáng trong chân không

λ chính là bước sóng của ánh sáng tương ứng ở trong chân không

  • Ở trong chân không thì các phôtôn này sẽ bay dọc theo những tia sáng với vận tốc c = 3.108 (m/s).
  • Cứ mỗi lần các nguyên tử hoặc phân tử hấp thụ hoặc phát xạ ra ánh sáng thì cũng đồng nghĩa với việc là chúng đang hấp thụ hoặc phát ra các photon
  • Các photon này sẽ không đứng yên ở một vị trí, nó sẽ chỉ tồn tại khi ở trong trạng thái chuyển động.
Thuyết lượng tử ánh sáng do nhà bác học Anhxtanh tìm ra
Thuyết lượng tử ánh sáng do nhà bác học Anhxtanh tìm ra

Định luật giới hạn quang điện thông qua thuyết lượng tử ánh sáng

Ta có được công thức của Anhxtanh về hiện tượng quang điện thuyết lượng tử ánh sáng như sau: hxf = hxc/λ

Để có thể xảy ra hiện tượng quang điện tức là electron bật ra khỏi bề mặt của kim loại thì chúng ta cần phải cung cấp cho nó một công đủ lớn để  “thắng” được các lực liên kết. Công này sẽ được gọi là công thoát và có ký hiệu ngắn gọn là A.

Như vậy,  khi hiện tượng quang dẫn xảy ra thì: h x f  ≥ A, suy ra h x c/λ  ≥  A => λ ≤ h x c/A.

Ta sẽ đặt λ0= h x c/A. Vậy thì khi đó ta sẽ được: λ ≤ λ0 (với λ0 chính là giới hạn quang điện của kim loại mà ta đang xét).

Xem thêm: Tìm hiểu: Định nghĩa, tính chất, đặc điểm của dòng điện trong kim loại

Ứng dụng của hiện tượng quang điện

Sự phát hiện ra hiện tượng quang điện đã được coi là bước ngoặt trong ngành phát triển công nghệ chế tạo. Cụ thể, hiện tượng này đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống như là:

Chế tạo các loại pin mặt trời: Pin mặt trời hay các tấm năng lượng mặt trời hoặc tấm quang điện là một trong những ứng dụng phổ biến của hiện tượng quang điện. Nó có tác dụng là chuyển năng lượng ánh sáng mà chúng đã thu về được thành điện năng. Bề mặt của tấm năng lượng này thường được chế tạo từ rất nhiều tế bào quang điện và phần tử bán dẫn khác nhau để có thể hấp thu tốt nhất được ánh sáng.

Hiện tượng quang điện được ứng dụng để sản xuất các tấm pin mặt trời
Hiện tượng quang điện được ứng dụng để sản xuất các tấm pin mặt trời
  • Chế tạo quang điện trở: Quang điện trở chính là điện trở được làm từ các chất quang dẫn. Nó có cấu tạo bao gồm một sợi dây làm bằng chất quang dẫn và được gắn trên một đế có khả năng cách điện.
  • Chế tạo ra điốt (Photodiode): Đây là loại điốt bán dẫn có nhiệm vụ thực hiện chuyển đổi photon thành các điện tích dựa trên hiệu ứng của hiện tượng quang điện. Nó được ứng dụng tương đối phổ biến trong ngành kỹ thuật điện tử, các thiết bị đo đạc hoặc truyền dẫn thông tin,…
  • Hiện tượng quang dẫn còn được ứng dụng nhằm tạo ra các cảm biến ghi ảnh như là CCD. Cảm biến này sẽ giúp chuyển đổi hình ảnh quang học sang các tín hiệu điện sử dụng bên trong những thiết bị camera.
  • Chế tạo loại đèn nhân quang điện: Đây là một loại linh kiện điện tử chân không được xếp trong nhóm đèn photo. Thiết bị này thực hiện các cảm biến photon dựa theo hiện tượng quang điện từ đó tạo ra các điện tích.

Trên đây là một số kiến thức hữu ích có liên quan đến khái niệm, ứng dụng của hiện tượng quang điện cũng như thuyết lượng tử ánh sáng. Đây được coi là một hiện tượng thường thấy và có vai trò vô cùng quan trọng đối với nhiều lĩnh vực công nghệ, chế tạo. Nếu bạn còn bất cứ câu hỏi nào mong muốn được giải đáp thì hãy để lại những bình luận ngay dưới bài viết này để được nhân viên của chúng tôi hỗ trợ giải đáp một cách nhanh chóng và nhiệt tình nhất nhé!

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *