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

Hiệu ứng quang điện là một mảng kiến ​​thức quan trọng trong chương trình vật lý phổ thông. Tuy nhiên không phải học sinh nào cũng hiểu được thế nào là thuyết quang điện & thuyết lượng tử ánh sáng. Hãy cùng muahangdambao.com tìm hiểu thêm về chúng qua bài viết chi tiết dưới đây!

Hiệu ứng quang điện là gì?

Đây là hiện tượng khi ánh sáng đánh bật các electron khỏi bề mặt kim loại. Còn gọi là hiệu ứng quang điện ngoài. Hiện tượng này được phát hiện bởi hai nhà vật lý người Đức là James Franck và Gustav Ludwig Hertz sau khi làm thí nghiệm vào năm 1887.

Thí nghiệm Franck-Hertz hoạt động như thế nào?

Thí nghiệm cổ điển này liên quan đến một ống chứa hơi thủy ngân trong môi trường áp suất thấp được gắn với ba điện cực: một cực âm (cathode) phát ra điện tử, một lưới máy gia tốc và một cực dương (anode).

Cực dương sẽ được giữ ở điện thế hơi âm so với lưới máy gia tốc (mặc dù vẫn dương hơn cực âm), do đó các electron phải có động năng nhỏ để có thể tiếp cận nó sau khi đi qua. mạng lưới. Các thiết bị sẽ được lắp đặt để đo dòng điện chạy qua giữa các điện cực cũng như điều chỉnh hiệu điện thế giữa cực âm và lưới máy gia tốc.

• Ở điện áp thấp (dưới 4,9 vôn) với ống hơi thủy ngân: Dòng điện qua ống tăng đều và hiệu điện thế cũng tăng. Điện thế càng cao, điện trường càng mạnh và các electron sẽ bị kéo về phía lưới máy gia tốc càng mạnh.
• Ở mức 4,9 vôn: Cường độ dòng điện đột ngột giảm rõ rệt và gần bằng không. Tuy nhiên, dòng điện sau đó sẽ tăng đều trở lại khi điện áp tiếp tục tăng cho đến khi đạt 9,8 vôn (chính xác là hai lần 4,9 vôn).
• Ở mức 9,8 vôn: Chúng tôi lại quan sát thấy sự sụt giảm nhanh chóng của cùng một dòng điện.
• Trình tự tăng và giảm dòng điện theo gia số xấp xỉ 4,9 vôn này sẽ tiếp tục cho đến khi chênh lệch điện áp đạt ít nhất 100 vôn.

Hiệu ứng quang điện trong là gì?

Hiện tượng quang điện rõ ràng là một hiện tượng đặc trưng thường thấy khi ánh sáng giải phóng các electron liên kết và biến chúng thành các electron dẫn. Các điện tử dẫn được giải phóng trong quá trình này sẽ tạo thành lỗ trống để tham gia dẫn điện. Khi xảy ra hiện tượng này, các êlectron sẽ không bị bứt ra mà chỉ chuyển động hỗn loạn trong vật bán dẫn.

Chất quang dẫn sẽ là chất bán dẫn dẫn điện cực tốt khi được chiếu bởi ánh sáng thích hợp và trở thành dẫn điện kém khi không được chiếu ánh sáng.

Có thể nói, hiệu ứng quang điện là hiện tượng phổ biến và có nhiều ứng dụng trong đời sống. Nêu điều kiện để xảy ra hiện tượng quang điện trong? Để hiệu ứng quang điện xảy ra thì bước sóng của ánh sáng kích thích phải nhỏ hơn hoặc bằng giới hạn quang điện. Đồng thời, năng lượng photon của ánh sáng kích thích phải lớn hơn hoặc bằng năng lượng kích hoạt.

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

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

Để đưa ra lời giải thích thuyết phục cho hiện tượng quang điện, nhà khoa học vĩ đại thế giới Einstein đã phát triển thêm hiện tượng này dựa trên giả thuyết Plank. Ông tiếp tục đề xuất lý thuyết lượng tử ánh sáng, còn được gọi là lý thuyết photon. Cụ thể nội dung như sau:

• Ánh sáng sẽ được tạo thành từ các photon (hay còn gọi là lượng tử ánh sáng).
• Trong chùm sáng đơn sắc mỗi phôtôn có năng lượng xác định là: = hxf = hxc/

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

c là vận tốc ánh sáng trong chân không

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

• Trong chân không, các photon này sẽ bay dọc theo các tia sáng với vận tốc c = 3,10^{số 8} (bệnh đa xơ cứng).
• Mỗi khi các nguyên tử hoặc phân tử hấp thụ hoặc phát ra ánh sáng, chúng sẽ hấp thụ hoặc phát ra các photon.
• Các photon này sẽ không đứng yên tại một vị trí, nó chỉ tồn tại khi ở trạng thái chuyển động.

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

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

Để hiện tượng quang điện xảy ra, tức là êlectron bật ra khỏi bề mặt kim loại, ta cần truyền cho nó một công đủ lớn để “chiến thắng” các lực liên kết. Công việc này sẽ được gọi là công việc thoát hiểm và được ký hiệu ngắn gọn là A.

Như vậy, khi xảy ra hiện tượng quang dẫn thì: hxf ≥ A, suy ra hxc/λ ≥ A => λ ≤ hxc/A.

tôi sẽ đặt₀= hxc/A. Khi đó ta sẽ được: ≤ λ₀ (với₀ là giới hạn quang điện của kim loại đang xét).

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

Ứng dụng của hiệu ứng quang điện

Việc phát hiện ra hiện tượng quang điện được coi là một bước ngoặt trong sự phát triển của công nghệ sản xuất. Cụ thể, hiện tượng này đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống như:

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

• Chế tạo quang điện trở: Điện trở quang là một điện trở làm bằng chất quang dẫn. Nó bao gồm một dây làm bằng vật liệu quang dẫn và được gắn trên một đế cách điện.
• CŨĐể tạo điốt (Photodiode): Đây là một loại đi ốt bán dẫn chuyển đổi photon thành điện tích dựa trên hiệu ứng quang điện. Nó được áp dụng tương đối phổ biến trong kỹ thuật điện tử, thiết bị đo đạc hoặc truyền thông tin, v.v.
• Hiện tượng quang dẫn cũng được sử dụng để tạo ra các cảm biến hình ảnh như CCD. Cảm biến này sẽ giúp chuyển đổi hình ảnh quang học thành tín hiệu điện được sử dụng bên trong thiết bị camera.
• Sản xuất đèn nhân quang: Đây là một loại linh kiện điện tử chân không được xếp vào nhóm đèn chụp ảnh. Thiết bị này thực hiện các cảm biến photon dựa trên quang điện tạo ra điện tích.

Trên đây là một số kiến ​​thức hữu ích liên quan đến khái niệm và ứng dụng hiện tượng quang điện cũng như thuyết lượng tử ánh sáng. Đây được coi là một hiện tượng phổ biến và có vai trò vô cùng quan trọng trong nhiều lĩnh vực công nghệ và sản xuất. Nếu còn bất kỳ thắc mắc nào muốn được giải đáp, hãy để lại bình luận bên dưới bài viết này để nhân viên của chúng tôi hỗ trợ giải đáp một cách nhanh chóng và tận tình nhất nhé!