Công thức xác định giới hạn quang điện

Bạn đang xem: Giới hạn quang điện là gì

Hiện tượng quang điện là gì?

Các khái niệm liên quan đến hiện tượng này gồm hiện tượng quang điện trong và hiện tượng quang điện ngoài. Dưới đây là từng khái niệm cụ thể:

Hiện tượng quang điện là gì?

Quang điện trong là gì?

Đó là hiện tượng ánh sáng giải phóng các electron liên kết thành các electron dẫn. Các electron được giải phóng sẽ tạo ra các lỗ trống cùng tham gia vào việc dẫn điện. Đối với hiện tượng này thì các electron không bị bật ra ngoài mà chỉ chuyển động trong vật thể bán dẫn.

Hiện tượng quang điện ngoài là gì?

Đây chính là hiện tượng ánh sáng khiến các electron bật ra khỏi bề mặt kim loại. Hiện tượng này thường được gọi tắt là hiện tượng quang điện.

Có thể bạn quan tâm:⚡️ Dòng điện trong chất khí & bản chất dòng điện trong chất khíÁp suất chất lỏng là gì? Công thức, đơn vị như thế nào?

Một số định luật quang điện

Có 3 định luật liên quan đến quang điện, cụ thể là:

Định luật về giới hạn quang điện [định luật thứ nhất]

Đối với mỗi kim loại, bước sóng của ánh sáng kích thích [λ] cần phải ngắn hơn hoặc bằng giá trị giới hạn quang điện [λ0] thì mới xảy ra hiện tượng quang điện. Nói cách khác, điều kiện để hiện tượng quang dẫn xảy ra khi và chỉ khi λ ≤ λ0.

Định luật giới hạn quang điện được phát biểu như thế nào?

Hầu hết các kim loại thông thường [kẽm, đồng, bạc, nhôm,…] đều có giới hạn quang điện nằm trong miền tử ngoại. Còn các kim loại kiềm thổ, kiềm [natri, kali, canxi,…] thường có λ0 nằm trong miền ánh sáng thấy được.

Xem thêm: Từ Bảng Trên, Hãy Nhận Xét Sự Đa Dạng Của Cây Có Hoa, Nhận Xét Sự Đa Dạng Của Cây Có Hoa

Mỗi kim loại có giới hạn quang điện riêng thể hiện đặc trưng của kim loại đó. Chúng tôi đã tổng hợp giá trị cụ thể của một số kim loại thông dụng trong bảng giới hạn quang điện sau:

Định luật về cường độ dòng quang điện bão hòa [định luật thứ 2]

Với mỗi ánh sáng thích hợp [tức là có bước sóng λ ≤ λ0] thì cường độ dòng quang điện bão hòa sẽ tỉ lệ thuận với cường độ của chùm ánh sáng kích thích.

Định luật về động năng cực đại của quang electron [định luật thứ 3]

Động năng ban đầu cực đại của quang electron sẽ không phụ thuộc vào cường độ của chùm ánh sáng kích thích. Nó chỉ phụ thuộc vào bản chất của kim loại và bước sóng của ánh sáng kích thích.

Phát biểu định luật thứ 3 – định luật động năng cực đại của quang electron

Thuyết lượng tử ánh sáng

Giả thuyết Plăng về lượng tử năng lượng

Theo Plăng, năng lượng mà mỗi lần nguyên tử hoặc phân tử hấp thụ hay phát xạ có giá trị xác định. Nó được gọi là lượng tử năng lượng và được ký hiệu là. Giá trị của lượng tử năng lượng được tính bằng:

ε = h.f

Trong đó:

f: Tần số của ánh sáng được phát ra hoặc bị hấp thụ.h: Hằng số Plăng, h = 6,625.10^-34 J.s

Thuyết lượng tử ánh sáng

Nhằm giải thích cho hiện tượng quang điện, nhà bác học vĩ đại Anhxtanh đã phát triển thêm dựa trên giả thuyết Plăng. Ông đã đề xuất thuyết lượng tử ánh sáng hay còn gọi là thuyết photon. Nội dung cụ thể như sau:

Ánh sáng được tạo thành từ các hạt photon [hay còn gọi là các lượng tử ánh sáng].Trong chùm ánh sáng đơn sắc, mỗi photon có năng lượng xác định là:

ε = h.f = h.c/ λ

Trong đó: f là tần số của ánh sáng đơn sắc đang xét

c là vận tốc của ánh sáng trong chân không

λ là bước sóng của ánh sáng tương ứng trong chân không

Thuyết lượng tử ánh sáng của nhà bác học AnhxtanhTrong chân không, các phôtôn bay dọc theo tia sáng với vận tốc c = 3.10^8 m/s.Mỗi lần nguyên tử hoặc phân tử hấp thụ hoặc phát xạ ánh sáng, cũng đồng nghĩa là chúng hấp thụ hoặc phát ra photon.Các photon không đứng yên một vị trí, nó chỉ tồn tại trong trạng thái chuyển động.

Xem thêm: Trường Đại Học Thương Mại Thuộc Top Máy, Review Đại Học Thương Mại

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

Ta có công thức Anhxtanh về hiện tượng quang điện thuyết lượng tử ánh sáng là:

h.f = h.c/λ

Để xảy ra hiện tượng quang điện tức là electron bật ra khỏi bề mặt kim loại thì ta phải cung cấp cho nó một công đủ lớn để “thắng” các lực liên kết. Công này được gọi là công thoát và ký hiệu là A. Như vậy, hiện tượng quang dẫn xảy ra thì:

h.f ≥ A => h.c/λ ≥ A => λ ≤ h.c/A

Ta đặt λ0= h.c/A

Khi đó, ta được: λ ≤ λ0[với λ0 là giới hạn quang điện của kim loại đang xét]

Những ứng dụng nổi bật của hiện tượng quang điện

Trên bề mặt tấm pin mặt trời có nhiều cảm biến điốt ánh sáng

Phát minh ra hiện tượng này đã đánh dấu một bước chuyển biến lớn trong công nghệ chế tạo. Nó được dùng để chế tạo các tế bào quang trong nhiều thiết bị bán dẫn, điều khiển tự động,… Các ứng dụng nổi bật của hiện tượng này có thể kể đến như:

Pin mặt trời: Thiết bị này còn được gọi là tấm năng lượng mặt trời hoặc tấm quang điện. Nó được cấu tạo từ nhiều tế bào quang điện – phần tử bán dẫn có chứa nhiều cảm biến ánh sáng điốt quang trên bề mặt. Tấm pin này sẽ chuyển năng lượng ánh sáng sang năng lượng điện.Photodiode [hay diode quang] là một loại bán dẫn ứng dụng hiện tượng quang điện để chuyển photon thành điện tích.Phototransistor là một dạng transistor đóng vỏ với cửa trong suốt để các photon xâm nhập. Nó là biện pháp hạn chế dòng rò và nhiễu.Ứng dụng trong việc tạo ra các cảm biến ghi ảnh, ví dụ như cảm biến CCD. Cảm biến này sẽ chuyển đổi hình ảnh quang học sang tín hiệu điện trong các camera. Bên cạnh đó, các cảm biến quang học cũng ứng dụng hiện tượng này.Đèn nhân quang điện: Đây là một loại linh kiện điện tử trong lớp đèn điện tử chân không và nằm trong nhóm đèn photo. Nó thực hiện cảm biến photon theo hiện tượng quang điện tạo ra điện tích. Đồng thời, dòng điện này còn được nhân lên hàng trăm đến hàng triệu lần [160 dB].Ứng dụng trong phổ quang điện tử,…

Qua bài viết, ta có thể thấy rằng hiện tượng quang điện là hiện tượng ánh sáng giải phóng các electron và làm bật chúng ra khỏi bề mặt kim loại. Điều kiện để có hiện tượng này là bước sóng của ánh sáng kích thích nhỏ hơn hoặc bằng giới hạn quang điện. Mong rằng, bài viết này sẽ giúp các bạn hiểu thêm về công nghệ được ứng dụng trong các thiết bị thông dụng trong đời sống hiện nay.

09:52:3902/03/2022

Có thể làm cho các electron bật ra khỏi mặt một tấm kim loại bằng cách nung nóng nó [hiện tượng phát xạ nhiệt electron] hoặc dùng các ion để bắn phá nó [hiện tượng phóng điện ẩn]. Còn có cách nào khác làm cho electron bật ra khỏi mặt một tấm kim loại không?

Nội dung bài viết này giúp các em hiểu được hiện tượng quang điện là gì? định luật về giới hạn quang điện. Thuyết lượng tử ánh sáng của Anh-xtanh và cách giải thích định luật về giới hạn quang điện bằng thuyết lượng tử ánh sáng.

I. Hiện tượng quang điện

1. 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.

- 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 hoặc Chắn chùm ánh sáng hồ quang bằng một tấm thủy tinh.

2. Định nghĩa hiện tượng quang điện

- Hiện tượng quang điện là hiện tượng ánh sáng làm bật êlectron ra khỏi mặt kim loại.

II. Định luật về giới hạn quang điện

- Đối với mỗi kim loại, ánh sáng kích thích phải có bước sóng λ ngắn hơn hay bằng giới hạn quang điện λ0 của kim loại đó, mới gây ra được hiện tượng quang điện.

III. Thuyết lượng tử ánh sáng

1. Giải thuyết Plăng

- Lượng năng lượng mà mỗi lần một nguyên tử hay phân tử hấp thụ hay phát xạ có giá trị hoàn toàn xác định và bằng hf; trong đó f là tần số của ánh sáng bị hấp thụ hay được phát ra, còn h là một hằng số.

2. Lượng tử năng lượng Plăng

- Là lượng năng lượng một nguyên tử hay phân tử hấp thụ hay phát xạ được xác định bằng biểu thức: ε = hf

Trong đó:

  ε: lượng tử năng lượng [J]

  h = 6,625.10-34 J.s: hằng số Plăng

  f: tần số của ánh sáng [Hz]

3. Thuyết lượng tử ánh sáng

Năm 1905, dựa vào giải thuyết Plăng để giải thích các hiện tượng quang điện. Anh-xtanh đã đề ra thuyết lượng tử ánh sáng.

- Ánh sáng được tạo thành bởi các hạt gọi là phôtôn.

- Với mỗi ánh sáng đơn sắc có tần số f, các phôtôn đều giống nhau, mỗi phôtôn mang năng lượng bằng hf.

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

- Mỗi lần một nguyên tử hay phân tử phát xạ hoặc hấp thụ ánh sáng thì chúng phát ra hay hấp thụ một phôtôn.

- Phôtôn chỉ tồn tại trong trạng thái chuyển động. Không có phôtôn đứng yên.

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

- Trong hiện tượng quang điện mỗi phôtôn bị hấp thụ sẽ truyền toàn bộ năng lượng cho một electron. Để bứt được electron ra khỏi bề mặt kim loại thì năng lượng của phôtôn phải lớn hơn công thoát A:

Với  chính là giới hạn quang điện của kim loại

IV. Lưỡng tính sóng - hạt của ánh sáng

- Ánh sáng vừa có tính chất sóng [giao thoa, nhiễu xạ] vừa mang tính chất hạt, hai tính chất này cùng tồn tại song song.

Nói cách khác: Ánh sáng có tính chất lưỡng tính sóng - hạt.

Trên đây KhoiA.Vn đã giới thiệu với các em về Định luật giới hạn quang điện, thuyết lượng tử ánh sáng, lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng. Hy vọng bài viết giúp các em hiểu rõ hơn. Nếu có câu hỏi hay góp ý các em hãy để lại bình luận dưới bài viết, chúc các em thành công.