Trong thí nghiệm hertz về hiện tượng quang điện nếu chiếu ánh sáng tím vào lá nhôm tích điện âm

Thí nghiệm Hertz về hiện tượng quang điện

Đặt một tấm kẽm đã được tích điện âm lên trên một điện nghiệm (tấm kẽm nối với điện cực của điện nghiệm) thì thấy hai lá kim loại của điện nghiệm xòe ra.

Trong thí nghiệm hertz về hiện tượng quang điện nếu chiếu ánh sáng tím vào lá nhôm tích điện âm
Hiện tượng quang điện

Chiếu một chùm ánh sáng hồ quang vào tấm kẽm thì thấy hai lá kim loại của điện nghiệm cụp lại chứng tỏ tấm kẽm bị mất điện tích âm nghĩa là êlectrôn đã bị bật ra khỏi tấm kẽm.

Hiện tượng trên không xảy ra nếu

  • Ban đầu ta tích điện dương cho tấm kẽm
  • Chắn chùm ánh sáng hồ quang bằng một tấm thủy tinh.

Lý do mà hiện tượng không xảy ra là

Nếu ban đầu tích điện dương (đủ lớn) cho tấm kẽm thì tấm kẽm này đang thiếu electrôn. Khi chiếu chùm ánh sáng hồ quang vào tấm kẽm thì cũng có  electrôn bị bật ra nhưng sẽ ngay lập tức bị tấm kẽm hút trở lại (Theo định luật Coulomb: “Hai điện tích trái dấu hút nhau”). Do đó điện tích của tấm kẽm không đổi. Hai lá kim loại của điện nghiệm vẫn tiếp tục xòe ra.

Tia tử ngoại trong chùm hồ quang bị thủy tinh hấp thụ mạnh nên chùm ánh sáng đến được tấm kẽm chỉ là các bức xạ đơn sắc có bước sóng dài (các tia tử ngoại có bước sóng dài, ánh sáng thấy được, tia hồng ngoại). Điều này giúp khẳng định rằng hiện tượng electrôn bị bật ra khỏi tấm kẽm chỉ xảy ra với các bức xạ tử ngoại có bước sóng ngắn mà thôi.

Từ thí nghiệm trên ta có thể rút ra kết luận sau:

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

Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra với một số bức xạ đơn sắc nào đó.

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

Trong thí nghiệm hertz về hiện tượng quang điện nếu chiếu ánh sáng tím vào lá nhôm tích điện âm

  • Giới hạn quang điện của các kim loại thông thường (như: bạc, đồng, kẽm, nhôm) ở trong miền tử ngoại.
  • Giới hạn quang điện của các kim loại kiềm, kềm thổ (như: canxi, natri, xêsi, kali) ở trong miền ánh sáng thấy được.

Thuyết lượng tử ánh sáng

Giả thuyết Plăng

Lượng năng lượng mà mỗi lần nguyên tử hoặc phân tử hấp thụ hoặc bức xạ có một giá trị hoàn toàn xác định và bằng hf, trong đó h = 6,625.10 – 34 J.s là hằng số Plăng, f là tần số của ánh sáng ứng với bức xạ đang xét (Hz).

Thuyết lượng tử ánh sáng

Trong thí nghiệm hertz về hiện tượng quang điện nếu chiếu ánh sáng tím vào lá nhôm tích điện âm

c) Trong chân không, phôtôn bay với tốc độ c = 3.108 m/s dọc theo tia sáng.

d) Mỗi lần nguyên tử hay phân tử phát xạ hoặc hấp thụ thì chúng phát xạ và hấp thụ một phôtôn.

e) Phôtôn chỉ tồn tại trong trạng thái chuyển động, không có phôtôn đứng yên.

3. Giải thích định luật về giới hạn quang điện bằng thuyết lượng tử ánh sáng

Theo Anhxtanh, mỗi lần nguyên tử hay phân tử ở bề mặt kim loại hấp thụ một phôtôn thì nó dùng năng lượng này vào hai việc:

Cung cấp một một năng lượng A để bứt electrôn ra khỏi liên kết với hạt nhân nguyên tử. Năng lượng này được gọi là công thoát.

Phần năng lượng còn lại biến thành động năng của electrôn khi bứt khỏi kim loại.

Trong thí nghiệm hertz về hiện tượng quang điện nếu chiếu ánh sáng tím vào lá nhôm tích điện âm

Lưỡng tính sóng – hạt của ánh sáng

Từ thí nghiệm về nhiễu xạ ánh sáng và giao thoa ánh sáng ta thấy ánh sáng có tính chất sóng.

Từ thí nghiệm về hiện tượng quang điện ta thấy ánh sáng có tính chất hạt (tính chất lượng tử)

Do vậy ta nói: “Ánh sáng có lưỡng tính sóng – hạt”

Chú ý: Dù ánh sáng thể hiện ra là sóng hay là hạt thì ánh sáng vẫn có bản chất điện từ.

Trên đây là những thông tin liên quan đến hiện tượng quang điện và thuyết lượng tử ánh sáng do thegioidienco.vn đã tổng hợp và chia sẻ đến các bạn. Hy vọng rằng với những chia sẻ trên đây sẽ bổ sung cho các bạn những kiến thức cần thiết về hiện tượng quang điện và thuyết lượng tử ánh sáng nhé!

Trong thí nghiệm hertz về hiện tượng quang điện nếu chiếu ánh sáng tím vào lá nhôm tích điện âm

Thế Giới Điện Cơ - Trung tâm bảo dưỡng, bảo trì điện cơ, điện công nghiệp. Ngoài ra, phân phối, sửa chửa các sản phẩm điện cơ, điện công nghiệp, máy bơm nước, hộp số giảm tốc, máy cắt, máy hàn, v.v, giao hàng tận nơi, bảo hành 24 tháng.

Hiện tượng quang điện được ứng dụng rất rộng rãi vào quang điện trở và pin quang điện trong đời sống. Vậy hiện tượng quang điện được phát hiện như thế nào, có bao nhiêu loại hiện tượng quang điện, các định luật và giả thuyết xoay quanh nó được ứng dụng ra sao,... Cùng VUIHOC tìm hiểu ngay trong bài viết dưới đây nhé!

Khi nói đến thí nghiệm về hiện tượng quang điện, ta phải nhắc đến thí nghiệm Hertz đã mô tả cách hiện tượng quang điện xảy ra, chi tiết như sau:

  • Đặt 1 tấm kẽm đã được tích điện âm lên trên 1 tấm kẽm nối với điện cực (hay còn gọi là điện nghiệm). Ta thấy hiện tượng 2 lá kim loại của điện nghiệm xòe ra.

  • Chiếu tới tấm kẽm 1 chùm ánh sáng hồ quang, thấy 2 lá kim loại cụp lại. Điều này chứng tỏ tấm kẽm bị mất đi điện tích âm, hay là electron đã bị bật ra khỏi tấm kẽm đó.

Thí nghiệm Hertz lưu ý rằng, hiện tượng trên không xảy ra khi bắt đầu tích điện dương cho tấm kẽm, hoặc dùng 1 tấm thuỷ tinh chắn chùm ánh sáng hồ quang.

1.2. Hiện tượng quang điện là gì?

Từ thí nghiệm trên, ta có thể rút ra định nghĩa về hiện tượng quang điện như sau:

Hiện tượng quang điện thuyết lượng tử ánh sáng là hiện tượng mà ánh sáng làm bật các electron ra khỏi mặt kim loại.

Trong thí nghiệm hertz về hiện tượng quang điện nếu chiếu ánh sáng tím vào lá nhôm tích điện âm

2. Hiện tượng quang điện trong và hiện tượng quang điện ngoài

2.1. Hiện tượng quang điện trong

Hiện tượng quang điện trong được định nghĩa là hiện tượng ánh sáng giải phóng electron liên kết, biến chúng trở thành các electron có tính dẫn, cùng lúc tạo thành các lỗ trống tham gia vào quá trình dẫn điện.

  • Lưu ý: Các electron dẫn chỉ có thể di chuyển bên trong khối chất bán dẫn mà không bị bật ra giống hiện tượng quang điện ngoài. Hiện tượng quang điện trong có tên là vì nguyên lý như vậy.

  • Điều kiện xảy ra hiện tượng quang điện trong cần thỏa mãn là: Năng lượng photon ánh sáng kích thích lớn hơn hoặc bằng năng lượng kích hoạt A (hay còn hiểu là lượng vừa đủ năng lượng để giải phóng electron liên kết thành electron dẫn): ε ≥ A

  • Bước sóng λ thuộc ánh sáng kích thích nhỏ hơn hoặc bằng với 1 bước sóng giới hạn λ0 với mỗi chất bán dẫn, bước sóng giới hạn 0 còn gọi là giới hạn của quang dẫn.

Có thể suy ra rằng: Hiện tượng quang điện trong chỉ xảy ra khi và chỉ khi λ = λ0

Đa số chất bán dẫn đều có giới hạn quang dẫn nằm trong miền hồng ngoại. Do đó, chỉ cần dùng ánh sáng kích thích ánh sáng là có thể đủ để xảy ra hiện tượng quang dẫn.

Trong thí nghiệm hertz về hiện tượng quang điện nếu chiếu ánh sáng tím vào lá nhôm tích điện âm

2.2. Hiện tượng quang điện ngoài

Định nghĩa: Đây là hiện tượng chiếu ánh sáng có bước sóng thích hợp vào kim loại làm bật các electron ra khỏi bề mặt của kim loại. Ánh sáng chiếu vào kim loại gọi là ánh sáng kích thích(hoặc bức xạ kích thích.

Thí nghiệm mô tả hiện tượng quang điện trong được tiến hành như sau:

Cho 1 chiếc thước nhựa cọ xát vào vải nhằm mục đích tích điện âm cho thước nhựa. Sau đó, cho miếng thước nhựa tiếp xúc với một tấm kim loại bằng kẽm (Zn) gắn với tĩnh điện kế. Ta thấy, kim của tĩnh điện kế di chuyển lệch sang 1 bên, điều này chứng tỏ tấm kim loại đã bị tích điện âm (nhiễm điện do tiếp xúc với miếng vải). Đợi cho kim của điện kế chỉ giá trị ổn định, kim điện kế không đổi trong ánh sáng bình thường ở phòng thí nghiệm, nghĩa là không có hiện tượng gì xảy ra.

Chiếu ánh sáng từ đèn thủy ngân => kim điện kế lệch về giá trị 0 => điện tích âm trên tấm kim loại mất đi => electron (mang điện âm) đã thoát khỏi bề mặt kim loại ra bên ngoài môi trường xung quanh.

Thay thế tấm kim loại kẽm bằng một tấm kim loại chất liệu khác, đồng thời đổi ánh sáng đèn thủy ngân bằng ánh sáng hồ quang và bắt đầu tiến hành thí nghiệm tương tự, ta cũng thu được kết quả như trên.

Trong thí nghiệm hertz về hiện tượng quang điện nếu chiếu ánh sáng tím vào lá nhôm tích điện âm

3. Định luật về giới hạn quang điện

Hay còn gọi là định luật quang điện thứ nhất. Khi bước sóng của ánh sáng ngắn hơn hoặc bằng giới hạn quang điện của kim loại, ánh sáng kích thích chỉ có thể làm bật e ra khỏi 1 kim loại.

Trong thí nghiệm hertz về hiện tượng quang điện nếu chiếu ánh sáng tím vào lá nhôm tích điện âm

λ: bước sóng ánh sáng kích thích

λ0: Giới hạn của quang điện

Lưu ý: λ0 phụ thuộc vào bản chất của kim loại. Nghĩa là các kim loại khác nhau sẽ có λ0 khác nhau.

4. Thuyết lượng tử ánh sáng

4.1. Giả thuyết Plăng

Giả thuyết Plăng cho rằng lượng năng lượng của 1 nguyên tử hoặc của phân tử hấp thụ hay phát xạ được tính bằng công thức: 

ε = hf

Cấu tạo công thức gồm:

  • ε: lượng tử năng lượng (J)

  • h = 6,625.10-34 J.s: hằng số Plăng

  • f: tần số của ánh sáng (Hz)

Trong thí nghiệm hertz về hiện tượng quang điện nếu chiếu ánh sáng tím vào lá nhôm tích điện âm

4.2. Thuyết lượng tử ánh sáng

Thuyết lượng tử ánh sáng phát biểu như sau đây:

- Các hạt gọi là photon tạo thành ánh sáng.

- Với mỗi ánh sáng đơn sắc có tần số f, các photon đều giống nhau, mỗi photon mang năng lượng bằng ε = hf =$\frac{hc}{\lambda}$

- Trong chân không, các hạt photon bay với vận tốc c = 3.108 m/s dọc theo các tia sáng.

- Trường hợp 1 nguyên tử hoặc phân tử phát xạ hoặc hấp thụ ánh sáng, nguyên tử phân tử đó sẽ phát ra hoặc hấp thụ 1 photon

- Khi ánh sáng bị truyền đi, khác lượng tử ánh sáng ε = hf =$\frac{hc}{\lambda}$ không bị thay đổi và cũng không phụ thuộc vào khoảng cách tới nguồn sáng.

- Mặc dù mỗi loại ε = hf mang năng lượng rất nhỏ, nhưng trong chùm sáng lại chứa cơ số rất lớn các lượng tử ánh sáng. Vì vậy, ta sẽ có cảm giác các chùm sáng là liên tục.

4.3. Giải thích định luật về giới hạn quang điện bằng thuyết lượng tử ánh sáng

Theo nhà khoa học Anhxtanh, khi mỗi nguyên tử (phân tử) ở bề mặt kim loại hấp thụ một phôtôn, nó dùng năng lượng này vào hai việc:

  • Cho 1 năng lượng A bứt electron ra khỏi liên kết với hạt nhân nguyên tử. Năng lượng này còn được gọi là công thoát.

  • Phần năng lượng còn lại sẽ được biến thành động năng của electron khi bứt khỏi kim loại.

Vậy nên, để hiện tượng quang điện có thể xảy ra:

Trong thí nghiệm hertz về hiện tượng quang điện nếu chiếu ánh sáng tím vào lá nhôm tích điện âm

Đặt: $\lambda_{0}=\frac{hc}{A}$

Ta có: $\lambda \leq \lambda_{0}$

Vậy: $\lambda_{0}$ là giới hạn quang điện của kim loại đó.

4.4. Công thức anhxtanh về hiện tượng quang điện

Một số những công thức cần nhớ khi giải bài tập hiện tượng quang điện:

Trong thí nghiệm hertz về hiện tượng quang điện nếu chiếu ánh sáng tím vào lá nhôm tích điện âm

Cấu tạo công thức bao gồm:

Trong thí nghiệm hertz về hiện tượng quang điện nếu chiếu ánh sáng tím vào lá nhôm tích điện âm
: lượng tử năng lượng (J)

Trong thí nghiệm hertz về hiện tượng quang điện nếu chiếu ánh sáng tím vào lá nhôm tích điện âm
 Công thức của e khỏi kim loại (J)

Trong thí nghiệm hertz về hiện tượng quang điện nếu chiếu ánh sáng tím vào lá nhôm tích điện âm
 Động năng ban đầu cực đại của e (J)

5. Lưỡng tính sóng - hạt của ánh sáng

Từ thí nghiệm về giao thoa ánh sáng cùng nhiễu xạ ánh sáng, ta rút ra được kết luận ánh sáng có tính chất sóng.

Từ thí nghiệm về hiện tượng quang điện, ta rút ra kết luận ánh sáng có tính chất hạt, hay còn gọi là tính chất lượng tử.

Như vậy, ta nói: “Ánh sáng có lưỡng tính sóng - tính hạt”.

Lưu ý: Dù ánh sáng thể hiện ra là sóng hay là hạt thì ánh sáng vẫn có bản chất điện từ.

6. Ứng dụng của hiện tượng quang điện trong cuộc sống

Hiện tượng quang điện được ứng dụng rất nhiều trong đời sống và được coi như là bước tiến mới trong công nghệ chế tạo sử dụng năng lượng. Ta có thể thấy những ứng dụng trong đời sống hằng ngày sau sử dụng hiện tượng quang điện:

  • Chế tạo pin mặt trời: Đây là một trong số những ứng dụng phổ biến của hiện tượng quang điện. Pin mặt trời (hay còn gọi là tấm quang điện mặt trời) có tác dụng chuyển năng lượng ánh sáng thu về trở thành điện năng có thể sử dụng. Bề mặt của tấm năng lượng mặt trời chế tạo từ rất nhiều phân tử bán dẫn và tế bào quang điện.

  • Chế tạo quang điện trở: Quang điện trở là loại điện trở được làm từ chất quang dẫn. Thiết bị này có cấu tạo gồm 1 sợi dây làm bằng chất quang dẫn gắn trên 1 đế cách điện.

  • Chế tạo điốt (Photodiode): Đây là thiết bị dùng để biến photon trở thành điện tích dựa trên ứng dụng của quang điện. Điốt được sử dụng phổ biến trong các thiết bị đo đạc, kỹ thuật điện tử, truyền dẫn thông tin,…

  • Chế cảm biến ghi hình ảnh: Hiện tượng quang dẫn còn được ứng dụng để tạo ra các cảm biến ghi hình ảnh như CCD. Cảm biến này giúp chuyển đổi hình ảnh quang học sang tín hiệu điện sử dụng trong thiết bị camera.

  • Chế tạo đèn nhân quang điện: Đây là một linh kiện điện tử chân không nằm trong đèn photo. Thiết bị này thực hiện cảm biến photon theo hiện tượng quang điện từ đó tạo ra được điện tích.

Trong thí nghiệm hertz về hiện tượng quang điện nếu chiếu ánh sáng tím vào lá nhôm tích điện âm

7. Bài tập về hiện tượng quang điện

Để luyện tập thành thạo hơn về hiện tượng quang điện, các em học sinh cùng VUIHOC làm 10 câu hỏi trắc nghiệm dưới đây và so đáp án bên dưới nhé!

Câu 1: Mọi phôtôn trong chân KHÔNG có cùng yếu tố nào sau đây?

A. Tốc độ        B. Bước sóng      C. Năng lượng        D. Tần số

Câu 2: Câu nào dưới đây phát biểu đúng về hiện tượng quang điện?

A. Hiện tượng quang điện chỉ có thể xảy ra trong trường hợp tần số ánh sáng kích thích bé hơn tần số giới hạn fo bất kỳ nào đó.

B. Các phôtôn quang điện luôn bật khỏi bề mặt kim loại theo phương vuông góc.

C. Giới hạn quang điện sẽ phụ thuộc vào bản chất của kim loại.

D. Giới hạn quang điện của 1 loại kim loại có tỉ lệ với công thoát electron kim loại.

Câu 3: Hiện tượng quang điện là hiện tượng electron bị bứt ra khỏi bề mặt tấm kim loại:

A. Khi nung nóng tấm kim loại.

B. Nhiễm điện vì tiếp xúc một vật nhiễm điện khác.

C. Vì bất kì nguyên nhân nào.

D. Khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào mặt tấm kim loại đó.

Câu 4: Công thức electron kim loại phụ thuộc vào yếu tố nào sau đây?

A. Bản chất của kim loại và bước sóng của ánh sáng kích thích

B. Bản chất của kim loại

C. Cường độ mạnh hay nhẹ của chùm ánh sáng kích thích

D. Bước sóng ánh sáng kích thích

Câu 5: Phát biểu nào dưới đây là SAI khi nói về thuyết lượng tử ánh sáng?

A. Nguyên tử hoặc phân tử vật chất không bức xạ ánh sáng hay hấp thụ một cách liên tục. Chúng sẽ bị chia thành từng phần đứt quãng riêng biệt.

B. Phôtôn là ánh sáng được tạo bởi các hạt.

C. Năng lượng phôtôn ánh sáng là giống nhau, đều không phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng.

D. Khi ánh sáng truyền đi, các lượng tử ánh sáng không đổi và không bị phụ thuộc vào khoảng cách tới nguồn sáng.

Câu 6: Công thoát của electron khi bứt khỏi bề mặt nhôm là 3,46 eV. Để xảy ra hiện tượng quang điện đối với nhôm là ánh sáng kích thích phải có bước sóng thỏa mãn:

A. λ ≤ 0,18 μm        B. λ > 0,18 μm

C. λ ≤ 0,36 μm        D. λ > 0,36 μm

Câu 7: Cho 1 nguồn phát ánh sáng đơn sắc có bước sóng là 0,50 μm. Số lượng photon nguồn phát ra trong 60 giây N = 2,5.1018. Công suất phát xạ của nguồn lúc này bằng:

A. 16,6 mW             B. 8,9 mW

C. 5,72 mW             D. 0,28 mW

Câu 8: Chiếu ánh sáng có bước sóng bằng 0,542 μm vào catôt của một tế bào quang điện. Catôt là một dụng cụ chân không có hai điện cực là catot nối với cực âm và anot nối với cực dương của nguồn điện. Ta thấy có xảy ra hiện tượng quang điện. Công suất chùm sáng chiếu tới là 0,625 W. Cứ 100 photon tới catot thì chỉ có 1 electron bứt khỏi catot. Lúc này, cường độ dòng quang điện bão hòa có giá trị bằng bao nhiêu?

A. 2,72 mA              B. 2,04 mA

C. 4,26 mA              D. 2,57 mA

Câu 9: Cho hằng số Plăng h = 6,625.10-34 J.s, tốc độ ánh sáng trong chân không luôn bằng c = 3.108 m/s. Cho 1 nguồn phát ra ánh sáng đơn sắc với bước sóng bằng 0,51 μm. Công suất bức xạ của nguồn bằng 2,65 W. Số photon nguồn phát ra trong 1 giây lúc này bằng bao nhiêu?

A. 6,8.1018             B. 2,04.1019

C. 1,33.1025           D. 2,57.1017

Câu 10: 1 kim loại có công thoát của electron là 2 eV. Trong số 4 bức xạ sau, khi chiếu vào tấm kim loại trên thì bức xạ không thể gây ra hiện tượng quang điện:

A. Bước sóng 450 nm

B. Bước sóng 350 nm

C. Tần số 6,5.1014 Hz

D. Tần số 4,8.1014 Hz

Đáp án:

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

A

D

D

B

C

C

A

A

A

D

Trên đây là toàn bộ lý thuyết về hiện tượng quang điện cùng với các công thức, giả thuyết liên quan đến lượng tử ánh sáng và hiện tượng quang điện. Hy vọng rằng bài viết sẽ cung cấp nguồn kiến thức hữu ích cho các em học sinh hiểu sâu hơn về hiện tượng quang điện. Ngoài ra, để tìm hiểu nhiều hơn các kiến thức vật lý khác, các em truy cập ngay trang web giáo dục Vuihoc.vn nhé!