Bài 9: Hiệu Ứng Quang Điện Và Năng Lượng Của Photon | Chuyên đề học tập Vật lí 12 | Chuyên đề 3: Vật Lí Lượng Tử - Lớp 12 - Kết Nối Tri Thức Với Cuộc Sống

Trang 47

Ánh sáng trắng phát ra từ lõi Mặt Trời khi đi qua bầu khí quyển lạnh hơn của nó đã bị các nguyên tử trong khí quyển Mặt Trời hấp thụ một phần rất nhỏ. Phân tích quang phổ của ánh sáng Mặt Trời chiếu tới Trái Đất có thể giúp ta xác định được thành phần cấu tạo của khí quyển Mặt Trời. Thành phần cấu tạo của các chất khác cũng có thể được xác định theo cách tương tự như trên. Tại sao?

NỘI DUNG

• Hiệu ứng quang điện và năng lượng của photon

• Lưỡng tính sóng hạt

• Quang phổ vạch của nguyên tử

• Vùng năng lượng của tinh thể chất rắn

Trang 44

I. SỰ PHÁT HIỆN HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN

Hiệu ứng quang điện do Heirich Rudolf Hertz (Hanh-rích Ru-đóp Héc) - nhà vật lí người Đức phát hiện bằng thí nghiệm năm 1887. Một tấm kẽm tích
điện âm được chạm vào quả cầu tiếp điện của một tĩnh điện kế, kim của tĩnh điện kế lệch đi một góc xác định (Hình 9.1). Chiếu một chùm sáng do hồ quang điện phát ra tia tử ngoại vào tấm kẽm thì thấy góc lệch của kim tĩnh điện kế giảm. Thay tấm kẽm bằng một tấm kim loại khác tích điện âm thì hiện tượng trên cũng xảy ra. Khi sử dụng các loại kính hấp thụ tia tử ngoại trước khi các bức xạ chiếu vào tấm kẽm thì hiện tượng như trên không xảy ra.

- Hiện tượng một chùm bức xạ thích hợp làm bật các electron ra khỏi mặt tấm kim loại được gọi là hiệu ứng quang điện.

- Các electron bị bứt ra khỏi kim loại khi bị chiếu sáng gọi là quang electron.

Hình 9.1. Thí nghiêm của Hertz năm 1887 phát hiện hiệu ứng quang điện

1. Ánh sáng do hồ quang điện phát ra

2 Kính lọc sắc

3 Tấm kẽm tích điện âm

4. Quả câu tiếp điện

5. Tĩnh điện kế

6. Kim điện kế

Câu hỏi

Góc lệch của kim tĩnh điện kế giảm cho biết điện tích âm của tấm kẽm trong Hình 9.1 tăng hay giảm?

II. CÁC ĐỊNH LUẬT QUANG ĐIỆN

Định luật 1: Định luật về giới hạn quang điện

Thay tấm kẽm bằng các tấm kim loại tích điện âm khác nhau trong thí nghiệm Hình 9.1, ta thấy:

+ Hiệu ứng quang điện sẽ xảy ra với các kim loại khi sử dụng ánh sáng do hồ quang điện phát ra.

+ Khi sử dụng kính hấp thụ tất cả các ánh sáng có bước sóng ngắn hơn hoặc bằng một giới hạn nào đó thì hiệu ứng quang điện sẽ không xây ra. Giá trị  ứng với các kim loại
khác nhau sẽ có giá trị khác nhau và được gọi là giới hạn quang điện của kim loại đó.

Bảng 9.1. Giá trị giới hạn quang điện của một số kim loại

Kim loại	(μm)
Ag	0,26
AI	0,36
Ca	0,43
Cu	0,30
Cs	0,58
K	0,55
Na	0,50
Zn	0,35

Trang 49

Đối với mỗi kim loại, hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi bức xạ điện từ kích thích chiếu vào kim loại có bước sóng ngắn hơn hoặc bằng giới hạn quang điện của kim loại đó ( ):

Định luật 2: Định luật về cường độ dòng quang điện bão hoà

Khảo sát đường đặc trưng vôn - ampe của một tế bào quang điện chân không ứng với hai cường độ bức xạ điện từ kích thích khác nhau có kết quả như Hình 9.2, ta thấy:

+ Khi , thì I = 0, dòng quang điện bị triệt tiêu. có trị số phụ thuộc vào bước sóng λ và được gọi là hiệu điện thế hãm. Lúc này các electron bật ra khỏi cathode đã bị điện trường đẩy ngược trở lại không thể tới được anode.

+ Khi

Hình 9.2. Đường đặc trưng vôn — ampe của một tế bào quang điện chân không phủ chất phát quang Sb - Ce trong hai trường hợp của cường độ bức xạ đơn sắc với cùng một bước sóng λ (cường độ của trường hợp 2 lớn hơn của trường hợp 1)

Với mỗi bức xạ điện từ có bước sóng thích hợp (

EM CÓ BIẾT? 

Tế bào quang điện chân không là một bình bằng thạch anh đã hút hết không khí, bên trong có hai điện cực: anode là một vòng dây kim loại; cathode được phủ ngoài một lớp nhạy quang có dạng chỏm cầu (hoặc dạng lá mỏng uốn thành nửa mặt trụ) (Hình 9.3).

Hình 9.3. TẾ bảo quang điện chân không

Định luật 3: Định luật về động năng ban đầu cực đại của quang electron

Khảo sát đường đặc trưng vôn - ampe của các kim loại khác nhau cho thấy chúng có hình dạng tương tự như Hình 9.2, do đó:

+ Dòng quang điện vẫn tồn tại khi . Điều này là do các quang electron khi bật ra khỏi bề mặt kim loại sẽ có một động năng ban đầu, động năng đó giúp electron có thể
tới được anode và tạo ra dòng điện trong mạch mà không cần đặt một hiệu điện thế vào hai cực của tế bào quang điện. Động năng ban đầu cực đại của các quang electron có thế
xác định thông qua giá trị đo được.

+ Khi thay đối cường độ chùm bức xạ điện từ kích thích thì không thay đổi.

Động năng ban đầu cực đại của các quang electron không phụ thuộc cường độ của chùm bức xạ điện từ kích thích mà chỉ phụ thuộc bước sóng bức xạ điện từ kích thích và bản chất của kim loại được chiếu vào.

Trang 50

III. THUYẾT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG

Nếu chỉ sử dụng tính chất sóng ta sẽ không thế giải thích được đầy đủ các kết quả thí nghiệm. Hiệu ứng quang điện là một trong những bằng chứng cho thấy bức xạ điện từ có
tính chất hạt.

Các kết quả nghiên cứu về hiệu ứng quang điện và quang phổ của các nguồn sáng là cơ sở cho sự ra đời của thuyết lượng tử vào đầu thế kỉ XX. Vào năm 1905, dựa trên giả thuyết

lượng tử năng lượng của Max Planck (Mắc P-lăng) để giải thích các định luật quang điện, Einstein đã đề xuất thuyết lượng tử ánh sáng hay thuyết photon với nội dung:

- Chùm sáng là chùm hạt photon (các lượng tử ánh sáng). Cường độ chùm sáng tỉ lệ với số photon phát ra trong một đơn vị thời gian.

- Trong chùm ánh sáng đơn sắc với tần số f, các photon đều mang năng lượng giống nhau:

ε = hf (9.1)

với h = 6,626.10

- Photon chỉ tồn tại trong trạng thái chuyển động.

- Trong chân không, photon chuyến động với tốc độ c = 3.10 m/s dọc theo các tia sáng.

- Mỗi lần một nguyên tử hay phân tử phát xạ hoặc hấp thụ ánh sáng là chúng phát xạ hoặc hấp thụ một photon.

Hình 9.4. Alser Einstein  (1879 - 1955) là nhà vật lí người Đức

Câu hỏi

1. Chỉ ra điểm khác biệt giữa thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein và mô hình sóng ánh sáng khi giải thích sự hấp thụ hay phát xạ năng lượng của nguyên tử, phân tử.

2. Hãy ước lượng năng lượng của các photon tương ứng với các bức xạ điện từ cơ bản trong thang sóng điện từ đã học ở Vật lí lớp 11 (sóng vô tuyến, tia hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy, tỉa tử ngoại, tia X, tia γ).

Bài tập ví dụ

Trong thí nghiệm ở Hình 9.1, khi chiếu bức xạ đơn sắc có bước sóng λ  = 0,12 μm thì thấy có hiệu ứng quang điện. Hãy tính năng lượng mà mỗi quang electron đã nhận được. Coi rằng, mỗi photon truyền toàn bộ năng lượng cho một electron.

Giải

Năng lượng mà mỗi quang electron nhận được trong thí nghiệm chính bằng năng lượng của photon của bức xạ điện từ chiếu vào tấm kẽm:

.

IV. GIẢI THÍCH CÁC ĐỊNH LUẬT QUANG ĐIỆN

Công thoát của electron

Các electron trong kim loại luôn tương tác với các ion dương của mạng tinh thể nên chúng khó thoát ra khỏi bề mặt kim loại. Năng lượng tối thiếu cần cung cấp để bứt một electron ra khỏi bề mặt kim loại gọi là công thoát A của electron. Khi một photon mang năng lượng

Trang 51

bằng hf chiếu tới bề mặt kim loại và bị hấp thụ bởi một electron, nó sẽ truyền toàn bộ năng lượng cho electron này. Nếu năng lượng hf của photon lớn hơn hoặc bằng công thoát A của electron thì electron có thể bứt ra khỏi bề mặt kim loại và làm xảy ra hiện tượng quang điện.

Câu hỏi

1. Hãy giải thích tại sao khi sử dụng các loại kính hấp thụ tia tử ngoại trước khi các bức xạ chiếu vào tấm kẽm ở Hình 9.1 thì hiện tượng quang điện không xảy ra.

2. Khi sử dụng bức xạ tử ngoại có bước sóng 320 nm chiếu vào tấm kẽm ở thí nghiệm trong Hình 9.1 thì thấy xuất hiện hiện tượng quang điện. Thí nghiệm này có thể xác định công thoát của electron ở bề mặt tấm kẽm hay không? Hãy giải thích.

Mối liên hệ giữa giới hạn quang điện và công thoát A

Giới hạn quang điện là bước sóng của bức xạ điện từ chiếu tới bề mặt kim loại (gọi là bức xạ điện từ kích thích) sao cho năng lượng của photon bằng công thoát A của electron.

trong đó: h = 6,626.10 (J.s) là hằng số Planck.

c = 3.10 (m/s) là tốc độ ánh sáng trong chân không.

A (J) là công thoát của electron khỏi bề mặt kim loại.

Chú ý

Giới hạn quang điện của mỗi kim loại là khác nhau và là đặc trưng riêng của kim loại đó.

Câu hỏi

Giới hạn quang điện của đồng (Cu) và của kẽm (Zn) lần lượt là 0,3 μm và 0,35 μm. Hãy tính công thoát A của electron khỏi bề mặt các kim loại trên.

Công thức Einstein về hiện tượng quang điện

Theo Einstein, hiện tượng quang điện là do có sự hấp thụ photon của chùm bức xạ điện từ chiếu tới bề mặt kim loại bởi các electron của kim loại. Khi một photon bị hấp thụ bởi một electron của kim loại ở bề mặt thì photon nhường toàn bộ năng lượng hổ của nó cho electron đó. Một phần của năng lượng ấy tiêu hao để bứt electron ra khỏi kim loại, phần này chính là công thoát A của electron. Phần năng lượng còn lại được chuyển thành động năng ban đầu cực đại của electron.

(9.3)

trong đó  là động năng ban đầu cực đại của electron.

Giải thích định luật 1:

- Theo tính chất của sóng, sóng điện từ lan truyền đến kim loại và truyền năng lượng một cách liên tục cho các electron và hạt nhân của nguyên tử kim loại làm cho năng lượng của chúng tăng dần, dao động mạnh dần,... Nếu cường độ bức xạ đủ lớn thì năng lượng cung cấp đó sẽ đủ làm bút electron khỏi bề mặt kim loại mà không phụ thuộc bước sóng của bức xạ điện tử.

- Vậy sử dụng tính chất sóng của bức xạ điện từ thì ta không thể giải thích được cho định luật về giới hạn quang điện.

Trang 52

- Định luật về giới hạn quang điện chỉ có thể giải thích khi vận dụng công thức Einstein (9.3). Từ công thức trên ta thấy hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi:

hf ≥ A

hay

Giải thích định luật 2:

Với các chùm sáng có khả năng gây ra hiện tượng quang điện thì số quang electron bật ra khỏi bề mặt cathode trong một đơn vị thời gian sẽ tỉ lệ thuận với số photon tới đập vào mặt cathode trong một đơn vị thời gian. Số photon này lại tỉ lệ thuận với cường độ của chùm sáng tới nên cường độ dòng quang điện bão hoà tỉ lệ thuận với cường độ của chùm sáng kích thích.

Giải thích định luật 3:

Từ công thức Einstein (9.3), ta có động năng ban đầu cực đại của electron bằng:

Ta thấy động năng ban đầu cực đại của electron không phụ thuộc vào cường độ chùm bức xạ điện từ kích thích mà chỉ phụ thuộc vào bước sóng kích thích λ và công thoát A của electron.

Câu hỏi

Tế bào quang điện chân không có cathode được phủ chất nhạy quang Sb–Ce trong một bộ thí nghiệm khảo sát dòng quang điện. Khi sử dụng ánh sáng màu xanh lam để khảo sát thì ta có hiệu điện thế hãm = 0,8 V. Hãy xác định tốc độ ban đầu cực đại của quang electron.

EM CÓ BIẾT?

1. Một số chất bán dẫn như Ge, Si, PbS, CdSe,... bình thường là chất dẫn điện kém nhưng khi được chiếu bằng bức xạ thích hợp thì chúng lại trở thành chất dẫn điện tốt. Các chất này được gọi là chất quang dẫn.

Các bức xạ điện từ giải phóng các electron liên kết trong nguyên tử của chất quang dẫn để chúng trở thành electron dẫn điện, đồng thời tạo ra các "lỗ trống” có thể cùng tham gia vào quá trình dẫn điện. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng quang điện trong. Điện trở quang (quang trở), pin quang điện (pin mặt trời) hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện trong.

2. Cửa ra vào của nhiều cơ quan, siêu thị,... là cửa tự động. Cơ thể mỗi người sẽ phát ra bức xạ hồng ngoại và cảm biến hồng ngoại có thể nhận biết khi có người tới gần nhờ hoạt động của điện trở quang. Bộ điều khiển sẽ nhận tín hiệu từ cảm biến hồng ngoại đến điều khiển động cơ đóng mở cửa (Hình 9.5).

Hình 9.5. Của tự động hoạt động nhờ ứng dụng của hiện tượng quang điện

Trang 53

V.THỰC HÀNH KHẢO SÁT DÒNG QUANG ĐIỆN

Mục đích thí nghiệm: Khảo sát sự phụ thuộc của dòng quang điện vào các ánh sáng đơn sắc khác nhau và hiệu điện thế

Dụng cụ (Hình 9.6):

- Tế bào quang điện chân không phủ chất nhạy quang Sb – Ce có hộp bảo vệ (1) được gắn vào hộp chân đế (3).

- Ba đèn LED màu đỏ, lục, lam 3 W – 220 V điều chỉnh được cường độ sáng thông qua hiệu điện thế đặt vào đèn (2).

- Hộp chân đế (3) gắn các thiết bị: công tắc đui đèn; biến trở; bộ chuyển đổi nguồn điện xoay chiều 220 V - 50 Hz thành nguồn điện một chiều.

- Đồng hồ đo hiệu điện thể có độ chia 0,1 V; đồng hồ đo cường độ dòng điện có độ chia 0,1 μA (4).

- Dây nối (5).

- Dây nối với nguồn điện xoay chiều (6).

Hình 9.6. Bộ thiết bị khảo sát dòng quang điện

Hoạt động

Thiết kế phương án:

Hãy quan sát sơ đồ mạch điện trong Hình 9.7 được dùng để khảo sát cường độ dòng quang điện qua tế bào quang điện T và trả lời câu hỏi sau:

a) Tế bào quang điện chân không T có cathode được nối tới điểm F. Anode của T nối với khoá M (khoá M đóng) tới con trỏ được điều chỉnh tới các vị trí N thích hợp. Khi điều chỉnh con trỏ sẽ làm thay đổi hiệu điện thế như thế nào?

b) Cường độ của dòng quang điện đi qua ampe kế sẽ phụ thuộc vào những đại lượng nào?

c) Hãy thiết kế phương án khảo sát dòng quang điện từ các dụng cụ thí nghiệm.

Tiến hành:

1. Lắp đặt thí nghiệm theo sơ đồ mạch điện in trên hộp chân để với công tắc được ngắt (Hình 9.8). Tế bào quang điện cần tránh ánh sáng bên ngoài chiếu vào. Sơ đồ mạch điện này được mắc như sơ đồ trong Hình 9.7.

2. Đồng hồ đo đấu nối với hai chốt cắm “uA” trên hộp chân để sẽ là ampe kế đo cường độ dòng quang điện và cần được điều chỉnh về thang đo uA.

3. Đồng hồ đo đấu nối với hai chốt cắm "V" trên hộp chân để sẽ là vôn kế đo Usk và cần được điều chỉnh về thang đo V.

Hình 9.7. Sơ đồ mạch điện khảo sát cường độ dòng quang điện

Trang 54

A. Tiến hành thí nghiệm với các ánh sáng đơn sắc khác nhau

4. Lắp bóng đèn LED màu đỏ vào đui đèn.

5. Bật các công tắc, bật vốn kế và ampe kế.

6. Điều chỉnh biến trở để vận kế có chỉ số nằm trong khoảng từ 3 V đến 9 V.

7. Đọc chỉ số của ampe kế và ghi kết quả vào vở theo mẫu tương tự Bảng 9.2.

8. Lặp lại các bước 6, 7 với chỉ số của vôn kế tăng dần.

9. Tắt các công tắc, tắt vôn kế và ampe kế, tháo bóng đèn LED ra.

10. Thay bóng đèn LED đỏ bằng bóng đèn LED lục rồi lam và lặp lại các bước 5, 6, 7, 8, 9.

Hình 9.8. Bố trí thí nghiệm

Bảng 9.2. Kết quả tham khảo trong khảo sát dòng quang điện theo ánh sáng đơn sắc

STT	Màu LED	(V)	I (μA)
	Đỏ	3	0,0
	Đỏ	8	0,0
	Lục	3	5,1
	Lục	8	5,9
	Lam	3	13,0
	Lam	8	16,4

B. Tiến hành thí nghiệm khảo sát cường độ dòng quang điện phụ thuộc hiệu điện thế

11. Lắp bóng LED màu lục (hoặc màu lam) vào đui đèn. Điều chỉnh cường độ sáng của đèn ở mức vừa phải.

12. Bật công tắc, bật vôn kế và ampe kế.

13. Điều chỉnh biến trở đến khi chỉ số của ampe kế vừa tới giá trị bằng 0.

14. Đọc chỉ số của vôn kế và chỉ số của ampe kế rồi ghi số liệu đó vào vở theo mẫu tương tự Bảng 9.3.

15. Tiếp tục điều chỉnh biển trở thêm 6 lần để tăng dần các chỉ số của vôn kế đến khi hai lần cuối cùng chỉ số của ampe kế thay đổi không đáng kể. Mỗi lần đo như vậy cần lặp lại bước 14.

16. Tắt các công tắc, tắt vôn kế và ampe kế.

Trang 55

Bảng 9.3. Kết quả tham khảo trong thí nghiệm với bóng đèn LED màu lam

STT	(V)	I (μA)
1	-0,8	0,00
2	-0,5	0,25
3	0,0	2,50
4	3,0	13,00
5	8,0	16,40
6	14,0	17,26
7	17,0	17,27

Từ số liệu thực nghiệm thu được, thực hiện các yêu cầu sau:

1. Nhận xét về giới hạn quang điện của chất nhạy quang Sb – Ce.

2. Vẽ đồ thị đường đặc trưng vôn – ampe (tham khảo Bảng 9.3).

3. Xác định U, của tế bào quang điện ứng với bước sóng 1 được khảo sát.

4. Xác định cường độ dòng quang điện bão hoà.

EM ĐÃ HỌC

• Hiệu ứng quang điện là bằng chứng cho tính chất hạt của bức xạ điện từ.

• Năng lượng photon được xác định bằng ε = hf

• Năng lượng tối thiểu cần cung cấp để bút một electron ra khỏi bề mặt kim loại được gọi là công thoát.

• Công thức tính giới hạn quang điện:

• Công thức Einstein: .

• Định luật quang điện 1: Đối với mỗi kim loại, hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi bức xạ điện từ kích thích chiếu vào kim loại có bước sóng ngắn hơn hoặc bằng giới hạn quang điện

• Định luật quang điện 2: Với mỗi bức xạ điện từ có bước sóng phù hợp (), cường độ dòng quang điện bão hoà tỉ lệ thuận với cường độ chùm bức xạ điện từ kích thích.

• Định luật quang điện 3: Động năng ban đầu cực đại của các quang electron không phụ thuộc cường độ của chùm bức xạ điện từ kích thích mà chỉ phụ thuộc bước sóng bức xạ điện từ kích thích và bản chất của kim loại được chiếu vào.

EM CÓ THỂ

• Tính được năng lượng mà mỗi electron đã nhận được trong hiệu ứng quang điện.

• Giải thích được hiệu ứng quang điện dựa trên năng lượng photon và công thoát.

• Vận dụng thuyết lượng tử và công thức Einstein để giải thích được các định luật quang điện.

• Thiết kế phương án và thực hiện thí nghiệm, khảo sát được dòng quang điện bằng dụng cụ thực hành.