CHƯƠNG VI – BÀI 1: HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN NGOÀI – THUYẾT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG

Bài học,Vật Lý 12,Vật Lý Phổ Thông 3 bình luận

I- Hiện tượng quang điện ngoài

1/ Thí nghiệm Hertz

– Thí nghiệm được Hertz thực hiện vào năm 1887. Gắn một tấm kẽm tích điện âm vào cần một tĩnh điện kế, chiếu một chùm sáng do hồ quang phát ra vào tấm kẽm, kim của tĩnh điện kế lệch đi một góc nào đó.
– Thay tấm kẽm bằng một tấm kim loại khác, ta cũng thấy hiện tượng tương tự.

– Nếu làm thí nghiệm trên nhưng chắn chùm ánh sáng hồ quang bằng một tấm thủy tinh không màu hoặc lúc đầu tấm kẽm tích điện dương thì không có hiện tượng gì xảy ra.
– Vậy khi chiếu một chùm sáng thích hợp vào một tấm kim loại thì sẽ bật electron ra khỏi tấm kim loại.

2/ Định nghĩa hiện tượng quang điện ngoài

Hiện tượng quang điện ngoài (hiện tượng quang điện) là hiện tượng khi chiếu một chùm sáng thích hợp (có bước sóng ngắn) vào một tấm kim loại làm cho các electron ở bề mặt kim loại bật ra. Các electron bật ra đó gọi là quang electron hay electron quang điện.

II- Thí nghiệm khảo sát định lượng tế bào quang điện

1/ Tế bào quang điện
    Là một bình chân không nhỏ, bên trong có hai điện cực:

  • Catod K: có dạng một chỏm cầu, là một lớp kim loại phủ ở thành trong của tế bào.
  • Anod A: là một vòng dây kim loại.
2/ Mô tả thí nghiệm

– Đèn hồ quang Đ: làm nguồn sáng.
– Kính lọc sắc F: để tạo ra ánh sáng đơn sắc.
– Điện kế G: để phát hiện dòng điện qua mạch.
– Tế bào quang điện.
– Volt kế V: để đo UAK.
– Nguồn điện một chiều E có suất điện động thay đổi được.

3/ Các kết quả chính của thí nghiệm
a. Dòng quang điện

Khi chiếu ánh sáng đơn sắc có bước sóng ngắn thích hợp vào catod thì trong mạch xuất hiện dòng chuyển dời có hướng của các electron từ Catod sang anod tạo thành dòng điện gọi là dòng quang điện.

    - Chú ý:

  • Dòng quang điện có chiều từ anod sang catod.
  • Để tăng độ nhạy của tế bào quang điện (chỉ cần rọi chùm sáng yếu cũng có hiện tượng quang điện xảy ra) người ta cho vào bình khí trơ (thường là Argon) ở áp suất p = 0,01-0,1 mmHg (gọi là tế bào quang điện chứa khí).
b. Về bước sóng ánh sáng
    Đối với mỗi kim loại làm catod, bước sóng của ánh sáng chiếu vào phải nhỏ hơn hoặc bằng một giới hạn λ0 nào đó ứng với kim loại đó thì hiện tượng quang điện mới xảy ra.

  • Ánh sáng có bước sóng dài (lớn hơn giới hạn quang điện) thì dẫu cường độ chùm sáng có mạnh cũng không gây ra được hiện tượng quang điện.
c. Sự phụ thuộc của cường độ dòng quang điện I vào hiệu điện thế UAK giữa Anod và Catod
  • Lúc đầu, khi UAK tăng thì I tăng.
  • Nhưng khi tăng UAK đến một giá trị nào đó, thì dù có tăng thêm UAK, dòng quang điện cũng không tăng nữa. Ta nói dòng quang điện đạt giá trị bão hòa.  dòng quang điện không tuân theo định luật Ohm.
    • - Giải thích:

    • Khi UAK nhỏ thì số lượng electron ne chuyển dời từ catod sang anod của tế bào quang điện trong 1s nhỏ nên dòng quang điện I nhỏ.
    • Khi tăng dần UAK thì ne tăng dần nên I tăng dần.
    • Khi UAK đạt đến một giá trị nào đó thì có bao nhiêu electron sinh ra ở catod trong 1s sẽ đi về hết anod. Khi đó nếu tiếp tục tăng UAK thì ne không tăng được nữa. Cường độ dòng quang điện đạt giá trị bão hòa.

    - Kết luận:
    Cường độ dòng quang điện bảo hoà tỉ lệ thuận với cường độ của chùm ánh sáng kích thích.

    d. Hiệu điện thế hãm
    • Muốn cho dòng quang điện triệt tiêu thì UAK phải có một giá trị Uh nào đó (Uh = UAK < 0), gọi là hiệu điện thế hãm.
    • Wđ0max = e.

    • Đối với mỗi kim loại, Uh không phụ thuộc vào cường độ của chùm ánh sáng kích thích mà phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng kích thích.

    - Giải thích tại sao Uh < UAK 0 vẫn có dòng quang điện:

    • Vì các quang e thoát ra khỏi catod có động năng ban đầu thắng được lực cản của điện trường đến được anod tạo thành dòng quang điện.

    III- Thuyết lượng tử và công thức Einstein

    1/ Giả thuyết lượng tử năng lượng của Planck

    Những nguyên tử hay phân tử vật chất không hấp thụ hay bức xạ ánh sáng một cách liên tục, mà thành từng phần riêng biệt, đứt quãng. Mỗi phần đó (gọi là một lượng tử ánh sáng) mang một năng lượng hoàn toàn xác định (gọi là lượng tử năng lượng), có độ lớn là:

    2/ Thuyết lượng tử ánh sáng (thuyết photon)

      Theo Einstein thì:

    • Chùm ánh sáng là một chùm các hạt, mỗi hạt là một photon mang năng lượng ε = hf. Cường độ của chùm sáng tỉ lệ với số photon phát ra trong một giây.
    • Phân tử, nguyên tử, electron… phát xạ hay hấp thụ ánh sáng, cũng có nghĩa là chúng phát xạ hay hấp thụ photon.
    • Các photon bay dọc theo tia sáng với tốc độ c = 3.108m/s trong chân không.
    3/ Công thức Einstein về hiện tượng quang điện

    Khi mỗi phôton bị hấp thụ sẽ truyền toàn bộ năng lượng của nó cho một electron.

    a. Đối với các electron nằm ngay trên bề mặt kim loại
      Phần năng lượng này được dùng trong 2 việc:

    • Cung cấp cho electron một công thoát A để nó thắng được các lực liên kết trong tinh thể và thoát ra ngoài.
    • Cung cấp cho electron đó một động năng ban đầu cực đại.

    b. Đối với các e nằm ở các lớp sâu trong bề mặt kim loại

    thì động năng ban đầu của chúng thoát ra khỏi bề mặt kim loại sẽ nhỏ hơn động năng ban đầu cực đại.

    IV- Các định luật quang điện

    1/ Định luật quang điện 1
    a. Phát biểu định luật

    Đối với mỗi kim loại dùng làm catod, có một bước sóng giới hạn λ0 nhất định gọi là giới hạn quang điện. Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi bước sóng λ của ánh sáng kích thích nhỏ hơn hoặc bằng giới hạn quang điện (λ ≤ λo)

    b. Giải thích định luật

    2/ Định luật quang điện 2
    a. Phát biểu định luật

    Với ánh sáng kích thích có bước sóng thoả mãn định luật quang điện thứ nhất thì cường độ dòng quang điện bảo hoà tỉ lệ thuận với cường độ của chùm ánh sáng kích thích.

    b. Giải thích định luật

    3/ Định luật quang điện 3
    a. Phát biểu định luật

    Động năng ban đầu cực đại của các quang electron 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 bản chất kim loại dùng làm catod.

    b. Giải thích định luật

    V- Mâu thuẫn giữa các định luật quang điện và tính chất sóng của ánh sáng – Lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng

    1/ Mâu thuẫn giữa các định luật quang điện và tính chất sóng của ánh sáng

    Theo thuyết sóng, khi ánh sáng chiếu vào bề mặt catod, điện trường biến thiên trong sóng ánh sáng sẽ làm cho các e trong kim loại dao động. Cường độ ánh sáng kích thích càng tăng thì điện trường càng mạnh làm cho các e dao động mạnh. Khi cường độ ánh sáng kích thích đủ lớn thì các e bật ra khỏi kim loại tạo thành dòng quang điện. Do đó, bất kỳ chùm ánh sáng nào với mọi bước sóng đều có thể gây ra hiện tượng quang điện, miễn là nó có cường độ đủ lớn và động năng ban đầu cực đại của các e quang điện phải phụ thuộc vào cường độ của chùm ánh sáng kích thích. Điều đó mâu thuẫn với các định luật quang điện.

    2/ Lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng

    Hiện tượng giao thoa ánh sáng cho thấy ánh sáng có bản chất sóng điện từ. Hiện tượng quang điện cho thấy ánh sáng có bản chất hạt.
    - Vậy: ánh sáng vừa có tính chất hạt vừa có tính chất sóng. Ta nói ánh sáng có lưỡng tính sóng hạt.

    • Ánh sáng có bước sóng càng ngắn thì tính chất hạt càng rõ nét (tính đâm xuyên, tác dụng quang điện, ion hóa . . .)
    • Ánh sáng có bước sóng càng dài thì tính chất sóng càng rõ nét (hiện tượng giao thoa, tán sắc . . .).

    VI- Ứng dụng của hiện tượng quang điện

    Được dùng để chế tạo các tế bào quang điện trong thiết bị truyền ảnh, vô tuyến truyền hình, máy quay film, thiết bị điều khiển tự động…

Chia sẻ

3 Comments to "CHƯƠNG VI – BÀI 1: HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN NGOÀI – THUYẾT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG"

  1. bí ẩn

    Tháng Hai 7, 2012

    Ánh sáng có bước sóng càng NGẮN thì tính chất HẠT càng rõ nét
    (NGẮN _ HẠT) —> (NGẮN _ HẠN)
    Tính chất SÓNG: Sóng giao thoa, sóng tán sắc,…..
    Tính chất HẠT: Đâm xuyên, hiện tượng quang điện,…..
    Hiện tượng quang điện xãy ra:
    (Đây chỉ là cách nhớ thôi)

    Reply
  2. bmt

    Tháng Tư 9, 2012

    mình có câu hỏi thắc mắc về dòng quang điện bão hòa: tại sao khi số electron bật ra từ catôt đến anôt không đổi theo thời gian thì dòng quang điện chưa chắc bão hòa?

    Reply
    • lylocnhung

      Tháng Tư 9, 2012

      Câu hỏi của bạn vẫn chưa rõ lắm, nhưng không biết giải đáp này có đáp ứng được câu hỏi của bạn hay không:
      - Để có dòng quang điện bão hòa thì phải có 2 yếu tố:

      • Số electron bật ra khỏi catod không đổi trong một đơn vị thời gian.
      • Hiệu điện thế giữa anod và catod phải đủ lớn để tất cả số electron bật ra này về hết được anod.

      - Nên nếu số electron bật ra khỏi anod có không đổi theo thời gian nhưng hiệu điện thế chưa đủ lớn để toàn bộ số electron này về được đến anod thì dĩ nhiên là dòng quang điện chưa chắc bão hòa.

      Chúc bạn vui.

      Reply

Leave a Comment

Chú ý khi viết bài:
- Viết bài nhớ gõ dấu tiếng việt (không có vietkey cũng gõ được)!
- Sử dụng nút omega để hiện khung gõ công thức toán học, sau đó copy code có dạng "[MAT]...[/MAT]" vào bài comment.
- Nhớ xem kỹ lại bài trước khi gửi

*