Hiện tượng quang điện là gì? L.T Hiện tượng quang điện trong và ngoài ☢

Hiện tượng quang điện là gì?

Hiện tượng quang điện là một hiện tượng điện – lượng tử trong ngành vật lý học. Theo các nhà khoa học, đây là hiện tượng biểu trưng cho khả năng biến đổi của các dạng nguyên tử, đồng thời có sự liên quan mật thiết đến các hạt photon trong ánh sáng.

Hiểu một cách đơn giản thì đây là hiện tượng mà theo đó các điện tử dễ dàng thoát ra khỏi nguyên tử hoặc vật chất. Từ đó tiếp nhận nguồn năng lượng từ các photon ánh sáng. Lúc này các hạt nguyên tử chuyển sang trạng thái kích thích. Đồng thời làm giải phóng các hạt electron. Hiện tượng điện quang gắn liền với nhà khoa học Heinrich Rudolf Hertz. Ông chính là người tìm ra hiện tượng này. Do đó hiện tượng quang điện còn có tên gọi khác là hiện tượng Hertz.

Xem thêm: Dòng điện trong chất khí là gì? Tìm hiểu dòng điện trong chất khí

Sự ra đời của hiện tượng quang điện

Nhà khoa học Alexandre Edmond Becquerel là người đầu tiên quan sát và phát hiện ra hiện tượng quang điện vào năm 1839. Thí nghiệm đầu tiên cho thấy hiện tượng này xảy ra với một điện cực khi được nhúng trong hỗn hợp dung dịch có tính dẫn điện được chiếu sáng. Đến năm 1873 Willoughby Smith phát hiện ra trong các Selen có bộc lộ tính chất quang dẫn.

Cho đến năm 1887 chính Hertz là người quan sát và phát hiện một cách rõ rệt nhất hiện tượng quang điện tồn tại đối với kim loại. Những nghiên cứu sau này của Albert Einstein liên quan đến hiện tượng này có đóng góp to lớn với nền khoa học thế giới với định luật liên quan đến mô hình của hạt ánh sáng, các lý thuyết về ánh sáng.

Lý thuyết về hiện tượng quang điện

Các bức xạ nhiệt có tần số lớn hơn tần số ngưỡng được chiếu vào bề mặt tấm kim loại bất kỳ sẽ làm sản sinh ra hiện tượng điện từ hấp thụ năng lượng từ photon trong ánh sáng. Đây chính là liên kết sinh ra dòng điện, người ta gọi đó là các dòng quang điện. Lúc này các điện tử hoàn toàn bị bật ra khỏi bề mặt của tấm kim loại dẫn đến một hiện tượng mà người ta gọi là hiện tượng quang điện ngoài.

Đối với các dạng vật chất khác khi tiếp nhận nguồn ánh sáng với tần số vượt ngưỡng, các điện từ không bị bật ra khỏi bề mặt. Chúng thoát khỏi mối liên kết chặt chẽ với các hạt nguyên tử để biến đổi thành các điện tử tự do. Điện tử tự do liên tục chuyển động trong các khối vật dẫn/vật chất. Đây chính là hiện tượng quang điện trong thường được nhắc đến trong lĩnh vực vật lý.

Các định luật về hiện tượng quang điện

Trong quá trình nghiên cứu về hiện tượng quang điện, các nhà khoa học đã phát hiện ra những định luật liên quan đến hiện tượng này trong sự vận hành của vật chất. Để hiểu rõ về hiện tượng quang điện, hãy cùng theo dõi 3 định luật về quang điện ngay sau đây. Hãy cùng theo dõi nhé!

Xem thêm: Sóng điện từ là gì? Sóng điện từ là sóng ngang hay sóng dọc?

Định luật thứ nhất (Định luật giới hạn điện quang)

Các nhà khoa học đã chỉ ra rằng không phải mọi kim loại tiếp xúc với ánh sáng cũng cho ra kết quả về sự xuất hiện của hiện tượng điện quang. Điều này chỉ xảy ra khi và chỉ khi thỏa mãn một số điều kiện. Theo đó, bước sóng λ của ánh sáng phải ngắn hơn hoặc bằng giới hạn quang điện của kim loại. Đó là điều kiện tiên quyết làm nảy sinh hiện tượng quang điện ngoài.

Chúng ta có bảng giới hạn quang điện của một số kim loại như sau:

Hiện nay định luật giới hạn điện quang xảy ra một số mâu thuẫn đối với tính chất của sóng điện từ. Điều này được chứng minh trong các thí nghiệm sử dụng nguồn phát từ đèn thủy ngân. Các thí nghiệm cho thấy khi sử dụng loại đèn này đến mọi kim loại đều dẫn đến hiện tượng bật các electron. Điều này cho thấy dù ở bước sóng nào thì hiện tượng điện quang ngoài vẫn có thể xảy ra. Những mâu thuẫn này cho thấy các nhà khoa học cần có những lý thuyết mới để giải thích hiện tượng điện quang.

Định luật thứ hai (Định luật về cường độ dòng quang điện bão hòa)

Định luật thứ hai về cường độ dòng điện quang bão hòa cho thấy với mỗi ánh sáng có bước sóng thích hợp (λ ≤ λ0) cho kết quả cường độ dòng quang điện có tỉ lệ thuận với cường độ của chùm ánh sáng được kích thích.

Định luật thứ ba (Định luật về động năng cực đại của quang electron)

Định luật thứ ba về động năng cực đại của quang electron được thể hiện như sau. Động năng cực đại ban đầu của quang electron không phụ thuộc vào cường độ của chùm ánh sáng sau quá trình kích thích. Điều đó chỉ phụ thuộc vào tính chất của loại kim loại được sử dụng và bước sóng của ánh sáng sau kích thích.

Hiện tượng quang điện thuyết lượng tử ánh sáng

Thuyết lượng tử ánh sáng của Albert Einstein được xây dựng, nghiên cứu và tổng hợp dựa trên những lý thuyết về ánh sáng. Trong đó nổi bật nhất là lý thuyết về lượng tử năng lượng của Planck. Thuyết lượng tử năng lượng giải thích về cách xác định năng lượng của một nguyên tử và phân tử được hấp thụ hoặc phản xạ thông qua biểu thức:

ε = h.f

Trong đó:

ε là lượng tử năng lượng (J)

h là hằng số Planck

f là tần số ánh sáng (Hz)

Lý thuyết lượng tử ánh sáng

Thuyết lượng tử ánh sáng giải thích về hiện tượng quang điện được ra đời trên những giả thuyết của Planck. Nội dung của thuyết lượng tử ánh sáng hay thuyết photon như sau:

Theo các nghiên cứu và thực nghiệm của Einstein, ánh sáng được tạo nên từ các hạt photon. Đó là những hạt có tính chất chuyển động liên tục và không hề đứng yên.

Đối với những dòng ánh sáng đơn sắc xác định bằng tần số f. Các photo được cho là giống nhau và có năng lượng bằng h.f (lượng tử năng lượng).

Trong môi trường chân không, các hạt photon di chuyển với tốc độ đạt 3.108 (m/s) chạy dọc theo các tia sáng.

Mỗi loại nguyên tử ở một trong hai trạng thái là phân tử hấp thụ hoặc phản xạ ánh sáng. Điều đó cũng có nghĩa chúng hấp thụ hoặc phản xạ ánh sáng.

Giải thích thuyết lượng tử ánh sáng

Thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein giải thích ánh sáng của đèn hồng ngoại khi phát sáng hay phát xạ sẽ tạo ra các hạt photon mang năng lượng được tính bằng công thức ε = h.f. Tấm kim loại tiếp nhận ánh sáng sẽ hấp thụ năng lượng từ photon sau đó truyền đến các hạt electron trên bề mặt kim loại.

Năng lượng electron khi được tiếp nhận có xu hướng chia thành 2 phần. Trong đó:

• Phần năng lượng thứ nhất hay còn được gọi là công thoát (công A) được cung cấp để các electron di chuyển tự do ra ngoài bề mặt kim loại.
• Phần năng lượng thứ hai cho phép nguồn động năng ban đầu đủ lớn để các hạt electron có thể thoát khỏi bề mặt tấm kim loại.

Lý thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein có công thức như sau:

h.f = h.c/λ

Einstein giải thích: Để hiện tượng điện quang xảy ra tức là các electron có khả năng bật ra khỏi bề mặt kim loại. Điều đó đồng nghĩa với việc phải cung cấp cho nó nguồn năng lượng (công) đủ lớn để phá vỡ các liên kết. Đó cũng chính là công thoát.

Hiện tượng quang dẫn xảy ra trong trường hợp:

h.f ≥ A ⇒ h.c/λ  ≥ A ⇒ λ ≤ h.c/A

Nếu đặt λ0 = h.c/A

Chúng ta sẽ có được kết luận: λ ≤ λ0 (Trong đó λ0 chính là giới hạn của điện quang kim loại được tính đến)

Trên đây là bài viết của chúng tôi về lý thuyết hiện tượng quang điện. Cảm ơn các bạn đã theo dõi! Chúc các bạn một ngày tốt lành!