Hiện tượng quang điện ngoài là gì? Thuyết lượng tử ánh sáng

Bởi

Hiện tượng quang điện ngoài là hiện tượng khi chiếu ánh sáng có bước sóng thích hợp vào bề mặt kim loại, ánh sáng sẽ làm bật các electron ra khỏi bề mặt kim loại.
1/ Hiện tượng quang điện ngoài là gì?

Thí nghiệm hiện tượng quang điện ngoài:

Thí nghiệm vật lý về hiện tượng quang điện ngoài được Héc thực hiện 1887
[​IMG]
Cọ sát thước nhựa vào vải để thước nhựa tích điện âm sau đó cho tiếp xúc với một tấm kim loại (Kẽm – Zn) gắn với tĩnh điện kế. Ta thấy kim của tĩnh điện kế lệch đi => chứng tỏ tấm kim loại Zn đã tích điện âm (hiện tượng nhiễm điện do tiếp xúc). Đợi cho kim điện kế chỉ giá trị ổn định, trong ánh sáng bình thường của phòng thí nghiệm kim điện kế dường như không đổi =>không có hiện tượng gì xảy ra.

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

Thay đổi tấm kim loại Zn bằng một tấm kim loại khác, thay ánh sáng của đèn thủy ngân bằng ánh sáng hồ quang tiến hành thí nghiệm tương tự ta cũng thu được hiện tượng trên.

Câu hỏi: làm thế nào để biết được tấm kim loại Zn bị nhiễm điện âm, nếu tấm kim loại nhiễm điện dương liệu có xảy ra hiện tượng quang điện ngoài?

Kết luận: Hiện tượng quang điện ngoài là hiện tượng chiếu ánh sáng có bước sóng thích hợp vào kim loại làm bật các electron ra khỏi bề mặt kim loại. Ánh sáng chiếu vào kim loại gọi là ánh sáng (hoặc bức xạ) kích thích

2/ Định luật về giới hạn quang điện
Không phải bất kỳ ánh sáng nào chiếu vào tấm kim loại đều có thể làm xuất hiện hiện tượng quang điện ngoài, tiến hành với nhiều loại ánh sáng và kim loại khác nhau, các nhà vật lý học đưa ra một định luật gọi là định luật giới hạn quang điện.
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 λo của kim loại đó, mới gây ra được hiện tượng quang điện.
\ [ \ lambda \ leq \ lambda _ { o } \ ] ​Trong đó : ​

  • λ: bước sóng của ánh sáng kích thích
  • λo: giới hạn quang điện của kim loại

: Đối với mỗi sắt kẽm kim loại, ánh sáng kích thích phải có bước sóng λ ngắn hơn hay bằng số lượng giới hạn quang điện λcủa sắt kẽm kim loại đó, mới gây ra được hiện tượng quang điện .
[​IMG]
Theo tính chất sóng điện từ, mọi ánh sáng lan truyền từ nguồn phát (đèn thủy ngân) đến kim loại sẽ làm cho các electron tự do bên trong kim loại dao động mạnh và bị bật ra ngoài, hay nói cách khác sóng ánh sáng của bất kỳ bước sóng sóng nào đều gây ra hiện tượng quang điện ngoài => mâu thuẫn với định luật quang điện => Các nhà vật lý lý thuyết cần phải xây dựng một lý thuyết vật lý mới để giải thích hiện tượng quang điện ngoài.

Vào năm 1900 Plăng (tên đầy đủ Max Planck) một nhà vật lý học người Đức đã đưa ra giả thuyết để giải thích hiện tượng quang điện ngoài: 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 phát xạ, h là một hằng số. Với giả định có tính mâu thuẫn với vật lý cổ điển (vật lý tuân theo các định luật Newton) này được xem là điểm khởi phát của ngành vật lý lượng tử và là thành tựu khoa học lớn nhất của Max Planck.
3/ Thuyết lượng tử ánh sáng:
a/ Lượng tử năng lượng: là lượng năng lượng một nguyên tử, phân tử hấp thụ hay phát xạ được xác định bằng biểu thức
\ [ \ varepsilon = hf \ ] ​Trong đó:

  • ε: lượng tử năng lượng (J)
  • h = 6,625.10-34 (J.s): hằng số Plăng (Planck)
  • f: tần số của ánh sáng (Hz)

là lượng năng lượng một nguyên tử, phân tử hấp thụ hay phát xạ được xác định bằng biểu thứcTrong đó:

Anhxtanh (Einstein) đã tổng hợp và xây dựng hoàn chỉnh một lý thuyết mới gọi là thuyết lượng tử ánh sáng

  • Ánh sáng được tạo bởi các hạt gọi là photon. Photon chỉ tồn tại trong trạng thái chuyển động không có photon đứng yên.
  • Với mỗi ánh sáng đơn sắc có tần số f, các photon đều giống nhau và có năng lượng bằng hf.
  • Trong chân không, photon bay với tốc độ 3.108 (m/s) dọc theo các tia sáng.
  • Mỗi nguyên tử, phân tử phát xạ hay hấp thụ ánh sáng thì chúng phát ra hay hấp thụ một photon.

Công thức Anhxtanh:
\ [ \ varepsilon = hf = A + W_ { đo ( max ) } \ ] ​Trong đó

  • ε = hf = \[\dfrac{hc}{\lambda }\] : lượng tử năng lượng (J)
  • A = \[\dfrac{hc}{\lambda_{o} }\] : công thoát của electron khỏi kim loại (J)
  • W$_{đo(}$$_{max)}$ = \[\dfrac{1}{2}mv_{o(max)}^{2}\]: động năng ban đầu cực đại của electron (J)

Thuyết lượng tử ánh sáng của Anhxtanh ( Einstein ) Trong đóVận dụng công thức Anhxtanh và thuyết lượng tử giải thích hiện tượng quang điện ngoài
Theo thuyết lượng tử của Anhxtanh ánh sáng của đèn hồng ngoài khi phát sáng (phát xạ) sẽ phát ra photon mang năng lượng là ε =hf. Bề mặt kim loại được chiếu sáng sẽ hấp thụ năng lượng của ánh sáng hay nói cách khác các photon đến đập vào bề mặt kim loại sẽ truyền năng lượng cho các electron ở bề mặt kim loại.
Phần năng lượng electron hấp thụ được chia thành hai thành phần:

  • thành phần năng lượng thứ nhất cung cấp công A (gọi là công thoát) để các electron di chuyển ra ngoài bề mặt kim loại.
  • thành phần năng lượng thứ hai cung cấp một động năng ban đầu đủ lớn W$_{đo(max)}$ để các electron thoát khỏi bề mặt kim loại.

Theo công thức Anhxtanh:
ε = A + (Wo)$_{max}$ để xảy ra được hiện tượng quang điện ngoài thì ε ≥ A => hc/λ ≥ hc/λo => λ ≤ λo => phù hợp với định luật quang điện.
Thuyết lượng tử ánh sáng của của Anhxtanh (Einstein) có thể giải thích được hiện tượng quang điện ngoài một cách hợp lý => nê nó được nhiều nhà vật lý công nhận đây là một thuyết đúng. Nếu bạn chứng minh được nó sai bạn có thể xây dựng một thuyết mới.

Nhận xét: ánh sáng vừa có tính chất của sóng (giao thoa, nhiễu xạ) vừa mang tính chất hạt (hạt ánh sáng là các hạt photon), hai tính chất này cùng tồn tại song song nên bạn có thể kết luận ánh sáng có tính chất lưỡng tính sóng – hạt

nguồn: vật lý phổ thông ôn thi quốc gia

Các bài viết liên quan

Viết một bình luận