12.6.1. HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN. THUYẾT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG

I.  HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN

1.1. Thí nghiệm Hertz 

12.6.1_quang-dien_tnHertz

Nhiễm điện âm cho tấm kim loại gắn trên tĩnh điện kế (kim tĩnh điện kế mở ra). Sau đó, chiếu ánh sáng hồ quang vào tấm kim loại đó, điều gì xảy ra?

Khi ánh sáng hồ quang chiếu vào tấm kim loại nhiễm điện âm, kim tĩnh điện kế khép lại chứng tỏ điều gì?

1.2. Hiện tượng quang điện 

“Hiện tượng ánh sáng làm bật các êlectron ra khỏi bề mặt kim loại được gọi là hiện tượng quang điện (ngoài)”. 

Các electron bị bật ra gọi là “êlectron quang điện” hay “quang êlectron”.

II. ĐỊNH LUẬT VỀ GIỚI HẠN QUANG ĐIỆN 

Nếu dùng tấm kính thủy tinh để chắn chùm tia hồ quang chiếu vào tấm kim loại trên thì điều gì sẽ xảy ra? Lưu ý rằng, hồ quang là một nguồn sáng chứa rất nhiều tia tử ngoại (UV), tia tử ngoại thì bị thủy tinh và nước hấp thụ rất mạnh!

Có phải mọi loại ánh sáng đều có thể gây ra được hiện tượng quang điện ở kim loại?

Hồ quang bao gồm nhiều loại ánh sáng: ánh sáng nhìn thấy, tử ngoại, hồng ngoại. Khi chắn chùm hồ quang bằng tấm thủy tinh thì tia tử ngoại trong chùm hồ quang đã bị tấm thủy tinh hấp thụ, còn ánh sáng nhìn thấy và tia hồng ngoại thì dễ dàng xuyên qua. Khi đó, kim tĩnh điện kế ngừng khép lại (hiện tượng quang điện ngưng xảy ra). Như vậy, ánh sáng nhìn thấy và tia hồng ngoại không thể gây ra hiện tượng quang điện, ánh sáng gây ra hiện tượng quang điện chính là tia tử ngoại!

Vì \lambda _{tu-ngoai (UV)}<\lambda _{nhin-thay(do\rightarrow tim)}<\lambda _{hong-ngoai(IR)} nên suy ra rằng ánh sáng có bước sóng càng ngắn thì càng có khả năng gây ra hiện tượng quang điện!

  • Định luật về giới hạn quang điện:

“Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi ánh sáng kích thích chiếu vào kim loại có bước sóng nhỏ hơn hoặc bằng bước sóng λ0 , λ0 được gọi là giới hạn quang điện của kim loại đó”.

\lambda \leq \lambda _{0}

12.6.2_quang-dien_photon

III. THUYẾT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG (THUYẾT PHOTON) 

1. Chùm sáng là một chùm các phôtôn (lượng tử ánh sáng). Mỗi phôtôn có một năng lượng xác định: 

\varepsilon=hf

\varepsilon =\frac{hc}{\lambda }

  • ε (J): năng lượng phôtôn hay lượng tử năng lượng.
  • h = 6,625.10-34 (J.s): hằng số Plank (Plăng).
  • f (Hz): tần số ánh sáng.
  • λ (m): bước sóng ánh sáng trong chân không.
  • c = 3.108 m/s: tốc độ ánh sáng trong chân không.

Cường độ của chùm sáng tỉ lệ với số phôtôn phát ra trong một giây.

2. Phân tử, nguyên tử, êlectron,… phát xạ hay hấp thụ ánh sáng cũng có nghĩa là chúng phát xạ hay hấp thụ phôtôn.

3. Các phôtôn bay dọc theo tia sáng với tốc độ c = 3.108 m/s trong chân không.

  • Chú ý, khi ánh sáng truyền đi, năng lượng của phôtôn không thay đổi, không phụ thuộc khoảng cách tới nguồn sáng. Không có phôtôn đứng yên.

 IV. CÁC CÔNG THỨC TỪ ĐỊNH LUẬT QUANG ĐIỆN

12.6.2_quang-dien_photon

Khi Electron hấp thu năng lượng của photon ánh sáng, năng lượng này một phần chuyển thành công thoát A của electron ra khỏi bề mặt kim loại và phần còn lại chuyển thành động năng ban đầu K của electron!

4.1. Công thức Einstein (Anh-xtanh)

\varepsilon =A+K_{max}

hf =A+\frac{1}{2}mv_{max}^{2}

\frac{hc}{\lambda}=A+\frac{1}{2}mv_{max}^{2}

4.2. Giới hạn quang điện λ0

Vì \frac{hc}{\lambda} \geq A

nên \lambda\leq \frac{hc}{A} 

Đặt \lambda _{0} = \frac{hc}{A}   => \lambda \leq \lambda _{0}

  • Vậy giới hạn quang điện:

\lambda _{0} = \frac{hc}{A}

(A là công thoát của electron)

V. LƯỠNG TÍNH SÓNG – HẠT CỦA ÁNH SÁNG

  • Hiện tượng nhiễu xạ, giao thoa ánh sáng chứng tỏ ánh sáng có tính chất sóng (sóng điện từ). Hiện tượng quang điện cho thấy ánh sáng có tính chất hạt (phôtôn). Vậy, ánh sáng vừa có tính chất sóng, vừa có tính chất hạt (lưỡng tính sóng –  hạt).
  • Ánh sáng (sóng điện từ) có bước sóng λ càng ngắn (tần số f càng cao) thì tính hạt càng thể hiện rõ hơn tính sóng. Ngược lại, đối với ánh sáng có bước sóng λ càng dài (tần số f càng thấp) thì tính sóng lại thể hiện rõ hơn tính hạt.

Tài liệu đọc thêm:

https://www.khanacademy.org/science/physics/quantum-physics/photons/a/photoelectric-effect

VI. BÀI TẬP MẪU

Kim loại đồng có giới hạn quang điện là \lambda _{0}=0,30\mu m .  Chiếu vào tấm đồng lần lượt các bức xạ có các bước sóng \lambda _{1}=0,30\mu m , \lambda _{2}=0,27\mu m , \lambda _{3}=0,35\mu m .

a) Bức xạ nào gây ra hiện tượng quang điện?

b) Tính công thoát A của electron ra khỏi bề mặt tấm đồng.

c) Tính năng lượng photon của các bức xạ trên.

Hướng dẫn giải: 

a) Điều kiện xảy ra quang điện: \lambda \leq \lambda _{0}

Ta có:

  • \lambda _{1} = \lambda _{0} : \lambda _{1} gây ra hiện tượng quang điện.
  • \lambda _{2} < \lambda _{0} : \lambda _{2} gây ra hiện tượng quang điện.
  • \lambda _{3} > \lambda _{0} : \lambda _{3} không gây ra hiện tượng quang điện.

b) Công thoát A của electron ra khỏi đồng

Ta có: \lambda _{0} = \frac{hc}{A}

A = \frac{hc}{\lambda_{0}}= \frac{6,625.10^{-34}(Js)\times 3.10^{8}(m/s)}{0,30\times 10^{-6}(m)}=6,625.10^{-19}(J)

  • Đổi đơn vị năng lượng giữa J và eV (êlectron vôn):

1eV=1,6.10^{-19}J

1J=\frac{1}{1,6.10^{-19}}eV

A=6,625.10^{-19}J = \frac{6,625.10^{-19}}{1,6.10^{-19}}eV=4,14eV

c) Năng lượng photon của các bức xạ:

  • Năng lượng photon của bức xạ \lambda _{1}=0,30\mu m :

\varepsilon_{1} = \frac{hc}{\lambda_{1}}= \frac{6,625.10^{-34}(Js)\times 3.10^{8}(m/s)}{0,30\times 10^{-6}(m)}=6,625.10^{-19}J = 4,14eV

  • Năng lượng photon của bức xạ \lambda _{2}=0,27\mu m :

\varepsilon_{2} = \frac{hc}{\lambda_{2}}= ? J = ? eV

  • Năng lượng photon của bức xạ \lambda _{3}=0,35\mu m :

\varepsilon_{3} = \frac{hc}{\lambda_{3}}= ? J = ? eV