Hiện tượng quang điện là gì? Trong cac chương trình học phổ thông chúng ta đã nghe và học đến hiện tượng quang điện. Đây là một hiện tượng vật lý quan trọng và được ứng dụng cao trong cuộc sống hiện nay. Các phát minh liên quan đến hiện tượng quang điện đã và đang giữ vai trò quan trọng đối với các định hướng trong ngành vật lý học cũng như các ngành liên quan khác. Hãy cùng tìm hiểu trong bài viết dưới đây về định nghĩa hiện tượng quang điện là gì và những kiến thức liên quan đến hiện tượng này nhé!
Hiện tượng quang điện là gì?
Hiện tượng quang điện là hiện tượng điện – lượng tử có trong ngành vật lý học. Theo các nhà khoa học, hiện tượng này là biểu trưng cho các khả năng biến đổi của hạt dạng nguyên tử và có liên quan mật thiết đến các hạt photon trong ánh sáng.
Có thể hiểu đơn giản hiện tượng quang điện là hiện tượng mà theo đó các điện tử sẽ dễ dàng thoát ra khỏi nguyên tử hoặc vật chất. Sau đó tiếp nhận nguồn năng lượng từ các hạt photon ánh sáng và chuyển sang trạng thái kích thích. Đồng thời, cũng giải phóng các hạt Electron.
Người tìm ra hiện tượng điện quang là nhà khoa học Heinrich Rudolf Hertz – một nhà vật lý học người Đức. Do đó, hiện tượng quang điện còn có tên gọi khác đó là hiện tượng Hertz.
Nguồn gốc của sự ra đời hiện tượng quang điện
Vào năm 1839 nhà khoa học Alexandre Edmond Becquerel là người đầu tiên quan sát. Sau đó, phát hiện ra hiện tượng quang điện trong một lần thí nghiệm đầu tiên. Thí nghiệm này đã cho thấy hiện tượng này xảy ra với một điện cực khi được nhúng vào trong hỗn hợp dung dịch có tính dẫn điện có thể chiếu sáng. Cho đến năm 1873 Willoughby Smith đã phát hiện ra trong các Selen có tính quang dẫn. Nhưng cho đến năm 1887 chính nhà khoa học Hertz là người quan sát và phát hiện ra hiện tượng quang điện và quan sát mô tả hiện tượng một cách rõ rệt nhất, đặc biệt là hiện tượng quang điện tồn tại đối với kim loại.
Những nghiên cứu này sau đã được nhà khoa học Albert Einstein dựa vào và phát triển liên quan đến hiện tượng quang điện. Sau này những phát minh đã có đóng góp to lớn với nền khoa học thế giới với các định luật liên quan đến các lý thuyết về ánh sáng, mô hình của hạt ánh sáng.
Hiện tượng quang điện trong là gì?
Quang điện trong là hiện tượng ánh sáng giải phóng các Electron liên kết với nhau thành các electron dẫn. Đối với các electron sau khi giải phóng sẽ tạo ra các lỗ trống và cùng tham gia vào việc dẫn điện. Khi xảy ra hiện tượng này các electron không bị bật ra ngoài mà chỉ chuyển động trong vật thể bán dẫn.
Xem thêm:
Hiện tượng quang điện ngoài là gì?
Hiện tượng quang điện ngoài là hiện tượng ánh sáng có các bức xạ nhiệt với tần số lớn hơn tần số ngưỡng khi chiếu lên bề mặt tấm kim loại, tác động khiến các electron bị bật ra khỏi bề mặt kim loại. Lúc này các điện tử hoàn toàn bị bật ra khỏi bề mặt tấm kim loại. Hiện tượng này khi xảy ra thường được gọi tắt là hiện tượng quang điện.
3 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 các định luật có liên quan. Để hiểu rõ hơn về hiện tượng quang điện dưới đây là 3 định luật về hiện tượng này. Hãy theo dõi nhé!
Định luật 1: Định luật giới hạn điện quang
Theo nghiên cứu của các nhà khoa học cho rằng mọi kim loại khi tiếp xúc với ánh sáng sẽ cho ra kết quả về sự xuất hiện của hiện tượng quang điện. Tuy nhiên, hiện tượng sẽ xảy ra khi thỏa mãn một số điều kiện như: Bước sóng λ của ánh sáng phải ngắn hơn hoặc có thể bằng giới hạn quang điện của kim loại. Đây là điều kiện tiên quyết làm nảy sinh hiện tượng quang điện ngoài.
Định luật giới hạn quang điện xảy ra một số mâu thuẫn đối với tính chất của sóng điện từ. Điều này chứng minh trong các thí nghiệm sử dụng nguồn phát đèn thủy ngân. Các thí nghiệm này cho thấy khi sử dụng nguồn phát từ đèn thủy ngân đến mọi kim loại đều dẫn đến hiện tượng bật các electron. Từ đó, có thể thấy rằng, ở bước sóng nào thì hiện tượng điện quang ngoài sẽ vẫn có thể xảy ra. Những mâu thuẫn này cho thấy các nhà khoa học cần có những lý thuyết mới để giải thích cho hiện tượng quang điện này.
Định luật 2 (Cường độ dòng quang điện bão hòa)
Định luật 2 về cường độ dòng quang điện bão hòa cho thấy mỗi ánh sáng có bước sóng thích hợp (tức là có bước sóng λ ≤ λ0). Khi đó, cường độ dòng điện quang bão hòa với mỗi ánh sáng sẽ có các bước sóng thích hợp. Từ đó, cho kết quả cường độ dòng quang điện sẽ tỉ lệ thuận với cường độ chùm ánh sáng được kích thích.
Định luật 3 (Động năng cực đại của quang electron)
Định luật thứ 3 về động năng cực đại của quang electron được thể hiện như sau: Động năng cực đại ban đầu của quang electron sẽ không bị phụ thuộc vào cường độ của chùm ánh sáng qua quá trình kích thích. Điều đó chỉ phụ thuộc vào tính chất của kim loại được sử dụng và các bước sóng của ánh sáng sau kích thích.
Thuyết lượng tử ánh sáng
Hiện tượng quang điện trong thuyết lượng tử ánh sáng là gì?
Trong thuyết lượng tử ánh sáng của nhà khoa học Albert Einstein đã được đưa ra những lý thuyết về ánh sáng dựa trên các tổng hợp và nghiên cứu nhiều năm. Trong đó, nổi bật lên là lý thuyết về lượng tử năng lượng của Planck. Thuyết lượng tử năng lượng của Planck đã giải thích về cách xác định năng lượng một nguyên tử và phân tử khi được hấp thụ hoặc phản xạ thông qua biểu thức sau:
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 về lượng tử ánh sáng
Thuyết lượng tử ánh sáng được giải thích về các hiện tượng quang điện và được ra đời trên những giả thuyết của Planck. Dưới đây là nội dung của thuyết lượng tử ánh sáng hay thuyết photon được trình bày như sau:
Theo các nghiên cứu và thực nghiệm của nhà bác học vĩ đại Einstein đã phát triển dựa trên thuyết Plăng. Ông đã đề xuất về thuyết lượng tử ánh sáng hay còn có tên gọi khác là thuyết photon. Nội dung cụ thể:
- Ánh sáng được tạo nên từ các hạt photon (hay còn gọi là các lượng tử ánh sáng) là những hạt có tính chất chuyển động liên tục và không hề đứng yên.
- Trong chùm ánh sáng đơn sắc mỗi photon sẽ có năng lượng được xác định theo công thức: ε = h.f = h.c/ λ
Trong đó:
- f là tần số của ánh sáng đơn sắc đang xét đến.
- c là kí hiệu của vận tốc của ánh sáng trong môi trường chân không.
- λ là bước sóng của ánh sáng tương ứng trong môi trường chân không.
- Các photon được cho là giống nhau với năng lượng h.f (được gọi là năng lượng tử).
- Trong môi trường chân không, các photon sẽ không đứng yên mà chuyển động dọc theo tia sáng với vận tốc c = 3.108 (m/s).
- Mỗi loại nguyên tử hay phân tử hấp thụ hoặc phát xạ ánh sáng, đồng nghĩa với việc chúng cũng hấp thụ và phát ra photon.
Giải thích về thuyết lượng tử ánh sáng
Thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein được giải thích như sau: Ánh sáng của đèn hồng ngoại khi phát sáng hay phát xạ sẽ tạo ra các hạt photon mang năng lượng được tính theo công thức: ε = h.f
Xem thêm:
Tấm kim loại khi tiếp nhận ánh sáng sẽ hấp thụ năng lượng từ photon sau đó truyền các hạt electron trên bề mặt kim loại. Khi đó năng lượng của hạt electron khi được tiếp nhận có xu hướng chia 2 phần:
- Phần năng lượng thứ nhất được gọi là công thoát (ký hiệu công A) sẽ cung cấp giúp các electron di chuyển tự do ra ngoài bề mặt kim loại.
- Phần năng lượng thứ hai giúp cho nguồn động năng ban đầu đủ lớn giúp các hạt electron có thể thoát ra khỏi bề mặt của kim loại.
Như vậy theo lý thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein có công thức như sau:
h.f = h.c/λ
Theo Einstein giải thích: Hiện tượng quang điện là hiện tượng electron bứt ra khỏi bề mặt của tấm kim loại khi nó được cung cấp cho nguồn năng lượng (công) đủ lớn để có thể phá vỡ các liên kết. Đó cũng chính là công thoát. Khi đó Hiện tượng quang điện xảy ra trong trường hợp:
h.f ≥ A ⇒ h.c/λ ≥ A ⇒ λ ≤ h.c/A
Nếu đặt λ0 = h.c/A ta sẽ có được kết luận: λ ≤ λ0 (Trong đó λ0 chính là giới hạn của điện quang kim loại được tính đến).
Ứng dụng hiện tượng quang điện trong cuộc sống
Hiện tượng quang điện được phát minh ra đã đánh dấu một bước chuyển biến lớn trong các ngành công nghiệp chế tạo. Dựa trên các lý thuyết và hiện tượng quang điện để có thể chế tạo các tế bào quang trong nhiều thiết bị bán dẫn, các thiết bị điều khiển tự động…Một số ứng dụng nổi bất của hiện tượng này phải kể đến như:
- Pin mặt trời: Đây là thiết bị được sử dụng để tạo ra điện trong tấm năng lượng mặt trời hoặc tấm quang điện. Nó được cấu tạo từ nhiều tế bào quang điện – có các phần tử bán dẫn và chứa nhiều cảm biến ánh sáng diot quang trên bề mặt. Các tấm pin này sẽ chuyển năng lượng ánh sáng sang năng lượng điện từ.
- Ứng dụng sản xuất diode quang hay photodiode là một loại bán dẫn ứng dụng các hiện tượng quang điện để chuyển photon thành điện tích.
- Sản xuất Phototransistor để hạn chế dòng rò và nhiễu. Đây là một dạng transistor đóng vỏ với cửa trong suốt để các photon xâm nhập.
- Ứng dụng vào vấn đề tạo ra các cảm biến ghi ảnh, ví dụ: cảm biến CCD. Các cảm biến này sẽ chuyển đổi hình ảnh quang học sang các tín hiệu điện trong các thiết bị camera. Bên cạnh đó các cảm biến quang học cũng được ứng dụng từ hiện tượng này.
- Ứng dụng tạo đèn nhân quang điện: là một linh kiện điện tử trong lớp đèn điện tử chân không, nằm trong nhóm đèn photon. Để thực hiện cảm biến photon theo hiện tượng quang điện sẽ tạo ra điện tích. Đồng thời, dòng điện này còn được nhân lên thành hàng trăm đến hàng triệu lần khoảng 160dB.
- Ứng dụng hiện tượng quang điện trong phổ quang điện tử….
Như vậy với những chia sẻ về hiện tượng quang điện là gì? Nguồn gốc, định luật về hiện tượng quang điện, các ứng dụng trong cuộc sống khi áp dụng hiện tượng quang điện đã tạo nhiều công năng hữu ích cho sự phát triển của ngành công nghiệp tự động cũng như cuộc sống của con người. Hy vọng, với những kiến thức mà chúng tôi chia sẻ trên đây đã giúp bạn hiểu hơn về hiện tượng vật lý này.
