Hiện tượng quang điện là gì?

Hiện tượng quang điện là gì?

Hiệu ứng quang điện xảy ra khi vật chất phát ra các electron khi tiếp xúc với bức xạ điện từ; chẳng hạn như các photon ánh sáng. Dưới đây là một cái nhìn sâu hơn về hiện tượng quang điện là gì; và nó hoạt động như thế nào?

TÓM TẮT NỘI DUNG [hide]

• Giới thiệu về Hiện tượng quang điện là gì?
• Khái niệm về photon
• Năng lượng ngưỡng cho hiện tượng quang điện là gì?
• Mối quan hệ giữa tần số của photon sự cố và động năng của quang điện tử phát ra
• Những đóng góp của Einstien đối với Hiện tượng Quang điện là gì?
• Các thuộc tính của Photon
• Nguyên lý của Hiện tượng quang điện là gì?
• Điều kiện tối thiểu cho Hiện tượng quang điện là gì?
• Tần số ngưỡng (γ th )
• Bước sóng ngưỡng (λ th )
• Chức năng làm việc hoặc năng lượng ngưỡng (Φ)
• Công thức hiện tượng quang điện là gì?
• Các luật điều chỉnh hiện tượng quang điện là gì?
• Các tính năng chính của hiện tượng quang điện là gì?
• So sánh Hiện tượng Quang điện với các Tương tác khác
• Các yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng quang điện là gì?
• Ảnh hưởng của cường độ bức xạ sự cố đến Hiện tượng quang điện là gì?
• Ảnh hưởng của sự khác biệt tiềm năng giữa tấm kim loại và bộ thu lên Hiện tượng quang điện là gì?
• Ảnh hưởng của tần số đến Hiện tượng quang điện là gì?
• Các ứng dụng của Hiện tượng quang điện là gì?
• Những điểm thú vị cần nhớ

Giới thiệu về Hiện tượng quang điện là gì?

Hiện tượng quang điện là gì? Là hiện tượng êlectron bị đẩy ra khỏi bề mặt kim loại khi có ánh sáng chiếu tới. Các electron bị đẩy ra này được gọi là  quang điện tử . Điều quan trọng cần lưu ý là sự phát xạ các quang điện tử; và động năng của các quang điện tử phóng ra phụ thuộc vào tần số của ánh sáng tới bề mặt kim loại. Quá trình mà qua đó các quang điện tử bị đẩy ra khỏi bề mặt kim loại; do tác động của ánh sáng thường được gọi là sự phát  quang .

Hiện tượng quang điện là gì? Hiệu ứng quang điện xảy ra do các electron ở bề mặt kim loại có xu hướng hấp thụ năng lượng từ ánh sáng tới; và sử dụng nó để thắng các lực hấp dẫn liên kết chúng với hạt nhân kim loại. Hình minh họa mô tả chi tiết sự phát xạ của quang điện tử do hiệu ứng quang điện được cung cấp dưới đây.

Nói chính xác hơn, ánh sáng tới bề mặt kim loại trong hiệu ứng quang điện làm cho êlectron bị đẩy ra. Electron bị đẩy ra do hiệu ứng quang điện được gọi là quang điện tử và được ký hiệu là e ^– .  Dòng điện được tạo ra do kết quả của các êlectron đẩy ra được gọi là dòng quang điện.

Khái niệm về photon

Hiện tượng quang điện là gì? Hiệu ứng quang điện không thể được giải thích bằng cách coi ánh sáng là sóng. Tuy nhiên, hiện tượng này có thể được giải thích bằng bản chất hạt của ánh sáng; trong đó ánh sáng có thể được hình dung như một dòng hạt năng lượng điện từ. Những ‘hạt’ ánh sáng này được gọi là  photon . Năng lượng được giữ bởi một photon liên quan đến tần số của ánh sáng thông qua phương trình Planck :

E = h𝜈 = hc / λ

Ở đây

• E biểu thị năng lượng của photon
• h là hằng số Planck
• 𝜈 biểu thị tần số của ánh sáng
• c là tốc độ ánh sáng (trong chân không)
• λ là bước sóng của ánh sáng

Như vậy, có thể hiểu rằng các tần số ánh sáng khác nhau; mang các photon có năng lượng khác nhau. Ví dụ, tần số của ánh sáng xanh lớn hơn tần số của ánh sáng đỏ; (bước sóng của ánh sáng xanh ngắn hơn nhiều so với bước sóng của ánh sáng đỏ). Do đó, năng lượng được giữ bởi một photon ánh sáng xanh; sẽ lớn hơn năng lượng được giữ bởi một photon ánh sáng đỏ.

Năng lượng ngưỡng cho hiện tượng quang điện là gì?

Hiện tượng quang điện là gì? Để xảy ra hiệu ứng quang điện các phôtôn tới bề mặt kim loại; phải mang năng lượng đủ mạnh để thắng lực hấp dẫn liên kết các êlectron với hạt nhân của kim loại. Năng lượng tối thiểu cần thiết để bứt một êlectron ra khỏi kim loại; được gọi là  năng lượng ngưỡng  (ký hiệu là Φ). Để một photon sở hữu năng lượng bằng năng lượng ngưỡng; thì tần số của nó phải bằng  tần số ngưỡng  (là tần số ánh sáng tối thiểu cần thiết để xảy ra hiệu ứng quang điện). Tần số ngưỡng thường được ký hiệu bằng ký hiệu 𝜈 _th ; và bước sóng liên quan (gọi là bước sóng ngưỡng) được ký hiệu bằng ký hiệu λ _th. Mối quan hệ giữa năng lượng ngưỡng; và tần số ngưỡng có thể được biểu diễn như sau.

Φ = h𝜈 _th  = hc / λ _th

Mối quan hệ giữa tần số của photon sự cố và động năng của quang điện tử phát ra

E _photon  = Φ + E _electron

⇒  h𝜈 = h𝜈 _th  + ½m _e v ²

• E _photon  biểu thị năng lượng của photon tới, bằng h𝜈
• Φ biểu thị năng lượng ngưỡng của bề mặt kim loại, bằng h𝜈 _th
• E _electron  biểu thị động năng của quang điện tử, bằng ½m _e v ²  (m _e  = khối lượng của electron = 9,1 * 10 ^-31  kg)

Nếu năng lượng của photon nhỏ hơn năng lượng ngưỡng; thì sẽ không có sự phát xạ của quang điện tử (vì không thể thắng được lực hấp dẫn giữa hạt nhân và electron). Do đó, hiệu ứng quang điện sẽ không xảy ra nếu 𝜈 <𝜈 _th . Nếu tần số của photon chính xác bằng tần số ngưỡng (𝜈 = 𝜈 _th ); thì sẽ có sự phát xạ các quang điện tử, nhưng động năng của chúng sẽ bằng không. Hình minh họa mô tả chi tiết ảnh hưởng của tần số ánh sáng tới; đối với động năng của quang điện tử được cung cấp dưới đây.

Từ hình ảnh, có thể nhận thấy rằng:

• Hiệu ứng quang điện không xảy ra khi ánh sáng đỏ chiếu vào bề mặt kim loại; vì tần số của ánh sáng đỏ thấp hơn tần số ngưỡng của kim loại.
• Hiện tượng quang điện xảy ra khi ánh sáng xanh lục chiếu vào bề mặt kim loại; và các quang điện tử được phát ra.
• Hiệu ứng quang điện cũng xảy ra khi ánh sáng xanh chiếu vào bề mặt kim loại. Tuy nhiên, động năng của các quang điện tử phát ra đối với ánh sáng xanh lam cao hơn nhiều đối với ánh sáng lục. Điều này là do ánh sáng xanh lam có tần số lớn hơn ánh sáng xanh lục.

Những đóng góp của Einstien đối với Hiện tượng Quang điện là gì?

Hiệu ứng quang điện là quá trình liên quan đến sự phóng ra; hoặc giải phóng các electron khỏi bề mặt của vật liệu (nói chung là kim loại); khi có ánh sáng chiếu vào chúng. Hiệu ứng quang điện là một khái niệm quan trọng giúp chúng ta hiểu rõ bản chất lượng tử của ánh sáng và electron.

Sau khi liên tục nghiên cứu lĩnh vực này; Albert Einstein đã giải thích thành công hiệu ứng quang điện. Ông kết luận rằng hiệu ứng này; xảy ra do năng lượng ánh sáng được chuyển trong các gói lượng tử rời rạc. Với công trình xuất sắc này; ông đã vinh dự nhận được giải thưởng Nobel vào năm 1921.

Theo Einstein, mỗi photon năng lượng E là

E = hν

Trong đó E = Năng lượng của photon tính bằng jun

h = hằng số ván (6,626 × 10 ^-34 Js)

ν = tần số của photon tính bằng Hz

Các thuộc tính của Photon

• Đối với một photon, tất cả các số lượng tử đều bằng không.
• Một photon không có bất kỳ khối lượng, điện tích nào và chúng không bị phản xạ trong từ trường và điện trường.
• Photon chuyển động với tốc độ ánh sáng trong không gian trống.
• Trong quá trình tương tác của các vật chất với bức xạ, bức xạ hoạt động vì nó được tạo thành từ các hạt nhỏ gọi là photon.
• Các photon là các hạt ảo. Năng lượng photon tỷ lệ thuận với tần số và tỷ lệ nghịch với bước sóng của nó.
• Động lượng và năng lượng của các photon có quan hệ như dưới đây

E = pc ở đâu

p = độ lớn của động lượng

c = tốc độ ánh sáng.

 

Nguyên lý của Hiện tượng quang điện là gì?

Định luật bảo toàn cơ năng tạo cơ sở cho hiệu ứng quang điện.

Điều kiện tối thiểu cho Hiện tượng quang điện là gì?

Tần số ngưỡng (γ _th )

Đó là tần số tối thiểu của ánh sáng tới hoặc bức xạ sẽ tạo ra hiệu ứng quang điện; tức là sự phóng các quang điện tử ra khỏi bề mặt kim loại; được gọi là tần số ngưỡng của kim loại. Nó là không đổi đối với một kim loại cụ thể; nhưng có thể khác nhau đối với các kim loại khác nhau.

Nếu γ = tần số của photon tới và γ _th = tần số ngưỡng, thì,

• Nếu γ <γ _Th , sẽ không có sự phóng ra của quang điện tử và do đó, không có hiệu ứng quang điện.
• Nếu γ = γ _Th , các quang điện tử vừa phóng ra khỏi bề mặt kim loại, trong trường hợp này, động năng của êlectron bằng không
• Nếu γ> γ _Th , thì các quang điện tử sẽ ra khỏi bề mặt cùng với động năng

Bước sóng ngưỡng (λ _th )

Trong quá trình phát xạ êlectron; bề mặt kim loại ứng với bước sóng lớn nhất của ánh sáng tới là bước sóng ngưỡng đã biết.

λ _th  = c / γ _th

Đối với các bước sóng trên ngưỡng này, sẽ không có phát xạ quang điện tử. Đối với λ = bước sóng của photon tới thì

• Nếu λ <λ _Th thì hiệu ứng quang điện xảy ra và êlectron phóng ra sẽ có động năng.
• Nếu λ = λ _Th thì chỉ xảy ra hiệu ứng quang điện; và động năng của quang điện tử phóng ra bằng không.
• Nếu λ> λ _Th thì sẽ không có hiệu ứng quang điện.

Chức năng làm việc hoặc năng lượng ngưỡng (Φ)

Năng lượng tối thiểu của công nhiệt động lực học cần thiết để loại bỏ một điện tử; từ vật dẫn đến một điểm trong chân không; ngay bên ngoài bề mặt của vật dẫn được gọi là hàm làm việc / năng lượng ngưỡng

Φ = hγ _th  = hc / λ _th

Cơ năng làm việc là đặc tính của một kim loại nhất định. Nếu E = năng lượng của một photon tới thì

1. Nếu E <Φ thì không xảy ra hiệu ứng quang điện.
2. Nếu E = Φ thì chỉ xảy ra hiệu ứng quang điện; nhưng động năng của quang điện tử phóng ra sẽ bằng không
3. Nếu E> quang điện tử sẽ bằng không
4. Nếu E> Φ, hiệu ứng quang điện sẽ xảy ra cùng với việc sở hữu động năng của êlectron phóng ra.

Công thức hiện tượng quang điện là gì?

Theo  giải thích của Einstein về hiệu ứng quang điện :

Năng lượng của photon = năng lượng cần thiết để bứt ra một electron + động năng của electron phát ra

hν = W + E

Ở đây:

• h là hằng số Planck.
• ν là tần số của photon tới.
• W là một hàm làm việc.
• E là động năng cực đại của êlectron phóng ra: 1/2 mv².

Các luật điều chỉnh hiện tượng quang điện là gì?

1. 1. Đối với ánh sáng có tần số bất kỳ; (γ> γ _Th ) dòng quang điện tỷ lệ thuận với cường độ ánh sáng
   2. Đối với bất kỳ vật liệu nhất định nào; có một tần số (năng lượng) tối thiểu nhất định; được gọi là tần số ngưỡng, dưới đó sự phát xạ của quang điện tử dừng hoàn toàn; bất kể cường độ của ánh sáng tới cao bao nhiêu.
   3. Động năng cực đại của các quang điện tử tăng lên khi tần số của ánh sáng tới tăng lên; miễn là tần số (γ> γ _Th ) vượt quá ngưỡng giới hạn. Động năng cực đại không phụ thuộc vào cường độ ánh sáng.
   4. Sự phát xạ là một quá trình tức thời.

Các tính năng chính của hiện tượng quang điện là gì?

• Tốc độ phóng ra các quang điện tử tỷ lệ thuận với cường độ của ánh sáng tới; đối với một tần số nhất định của bức xạ tới và kim loại.
• Khoảng thời gian từ khi đến và phát xạ của một quang điện tử là rất nhỏ, dưới ^10-9 giây.
• Đối với một kim loại nhất định; có tần số bức xạ tới nhỏ nhất mà dưới đó hiệu ứng quang điện sẽ không xảy ra; do đó không thể phát ra quang điện tử (tần số ngưỡng).
• Trên tần số ngưỡng, động năng cực đại của quang điện tử phát ra phụ thuộc vào tần số của bức xạ tới; nhưng không phụ thuộc vào cường độ của nó.
• Nếu ánh sáng tới phân cực tuyến tính; thì sự phân bố theo hướng của các electron phát ra sẽ đạt cực đại theo hướng phân cực (hướng của điện trường).
• Tần số ngưỡng thay đổi theo vật liệu; nó khác nhau đối với các vật liệu khác nhau.
• Cường độ dòng quang điện tỉ lệ thuận với cường độ ánh sáng.
• Động năng của các quang điện tử tỷ lệ thuận với tần số ánh sáng.
• Điện thế dừng tỉ lệ thuận với tần số và quá trình tức thời.

So sánh Hiện tượng Quang điện với các Tương tác khác

Khi ánh sáng và vật chất tương tác, có thể xảy ra một số quá trình; tùy thuộc vào năng lượng của bức xạ tới. Hiệu ứng quang điện là kết quả của ánh sáng năng lượng thấp. Năng lượng trung gian có thể tạo ra tán xạ Thomson và tán xạ Compton . Ánh sáng năng lượng cao có thể gây ra quá trình tạo cặp.

Các yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng quang điện là gì?

Với sự trợ giúp của thiết bị này, bây giờ chúng ta sẽ nghiên cứu sự phụ thuộc của hiệu ứng quang điện vào các yếu tố sau.

1. Cường độ của bức xạ tới.
2. Hiệu điện thế giữa tấm kim loại và tấm thu.
3. Tần số của bức xạ tới.

Ảnh hưởng của cường độ bức xạ sự cố đến Hiện tượng quang điện là gì?

Hiệu điện thế giữa tấm kim loại, tấm thu và tần số của ánh sáng tới được giữ không đổi và cường độ ánh sáng thay đổi:

Điện cực C tức là điện cực thu được đặt dương đối với D (tấm kim loại). Đối với một giá trị cố định của tần số và điện thế giữa tấm kim loại và bộ thu, dòng quang điện được ghi nhận phù hợp với cường độ của bức xạ tới.

Chứng tỏ rằng dòng quang điện và cường độ của bức xạ tới tỉ lệ thuận với nhau. Dòng quang điện cho biết số lượng quang điện tử phóng ra trong một giây.

Ảnh hưởng của sự khác biệt tiềm năng giữa tấm kim loại và bộ thu lên Hiện tượng quang điện là gì?

Tần số và cường độ ánh sáng tới được giữ không đổi và hiệu điện thế giữa các bản tụ là:

Giữ cho cường độ và tần số ánh sáng không đổi thì dương thế C tăng dần. Dòng quang điện tăng khi có điện thế dương giữa tấm kim loại và cực thu tăng đến một giá trị đặc trưng.

Dòng quang điện không thay đổi khi điện thế tăng cao hơn giá trị đặc trưng cho bất kỳ sự tăng nào của điện áp gia tốc. Giá trị cực đại này của dòng điện được gọi là dòng điện bão hòa.

Ảnh hưởng của tần số đến Hiện tượng quang điện là gì?

Cường độ ánh sáng không đổi và tần số ánh sáng biến thiên:

Đối với cường độ ánh sáng tới cố định, sự biến thiên tần số của ánh sáng tới tạo ra sự biến thiên tuyến tính của thế năng cắt / thế dừng của kim loại. Chứng tỏ rằng điện thế cắt (Vc) tỷ lệ tuyến tính với tần số của ánh sáng tới

Động năng của các quang điện tử tăng tỉ lệ thuận với tần số của ánh sáng tới để làm dừng hoàn toàn các quang điện tử. Chúng ta nên đảo ngược và tăng điện thế giữa tấm kim loại và bộ thu ở (giá trị âm) để quang điện tử phát ra không thể tiếp cận bộ thu.

Các ứng dụng của Hiện tượng quang điện là gì?

• Được sử dụng để tạo ra điện trong Bảng năng lượng mặt trời. Các tấm này chứa các tổ hợp kim loại cho phép tạo ra điện từ một loạt các bước sóng.
• Cảm biến chuyển động và vị trí: Trong trường hợp này, vật liệu quang điện được đặt trước đèn LED UV hoặc IR. Khi một đối tượng được đặt ở giữa Đi-ốt phát sáng (LED) và cảm biến, ánh sáng bị cắt và mạch điện tử ghi lại sự thay đổi về hiệu điện thế
• Cảm biến ánh sáng như cảm biến được sử dụng trong điện thoại thông minh cho phép tự động điều chỉnh độ sáng màn hình theo ánh sáng. Điều này là do lượng dòng điện được tạo ra thông qua hiệu ứng quang điện phụ thuộc vào cường độ ánh sáng chiếu vào cảm biến.
• Máy ảnh kỹ thuật số có thể phát hiện và ghi lại ánh sáng vì chúng có cảm biến quang điện phản ứng với các màu sắc khác nhau của ánh sáng.
• Quang phổ quang điện tử X-Ray (XPS): Kỹ thuật này sử dụng tia X để chiếu xạ bề mặt và đo động năng của các electron phát ra. Các khía cạnh quan trọng của hóa học bề mặt có thể nhận được như thành phần nguyên tố, thành phần hóa học, công thức thực nghiệm của các hợp chất và trạng thái hóa học.
• Tế bào quang điện được sử dụng trong báo động chống trộm.
• Được sử dụng trong ống nhân quang để phát hiện mức độ ánh sáng thấp.
• Được sử dụng trong các ống máy quay video trong những ngày đầu của truyền hình.
• Các thiết bị nhìn ban đêm dựa trên hiệu ứng này.
• Hiệu ứng quang điện cũng góp phần vào việc nghiên cứu các quá trình hạt nhân nhất định. Nó tham gia vào quá trình phân tích hóa học của vật liệu vì các electron phát ra có xu hướng mang theo năng lượng cụ thể là đặc trưng của nguồn nguyên tử.

Những điểm thú vị cần nhớ

• Nếu chúng ta coi ánh sáng có tần số bất kỳ; thì dòng quang điện nói chung tỷ lệ thuận với cường độ ánh sáng. Tuy nhiên, tần số phải trên tần số ngưỡng trong trường hợp như vậy.
• Dưới tần số ngưỡng, sự phát xạ của quang điện tử hoàn toàn dừng lại mặc dù cường độ ánh sáng tới cao.
• Động năng cực đại của quang điện tử tăng khi tần số của ánh sáng tới tăng. Trong trường hợp này, tần số phải vượt quá giới hạn ngưỡng. Động năng cực đại không bị ảnh hưởng bởi cường độ ánh sáng.

• Thế dừng là thế âm của điện cực ngược chiều khi dòng quang điện giảm xuống bằng không.
• Tần số ngưỡng được mô tả là tần số khi dòng quang điện dừng dưới một tần số cụ thể của ánh sáng tới.
• Hiệu ứng quang điện thiết lập bản chất lượng tử của bức xạ. Điều này đã được coi là bằng chứng ủng hộ bản chất hạt của ánh sáng.

Trên đây là những thông tin tôi đã tổng hợp về Hiện tượng quang điện là gì; một số đặc tính cần biết về hiệu ứng quang điện; cũng như các ứng dụng của nó trong thực tế. Hy vọng rằng, sau khi đọc bài viết này sẽ giúp các bạn có được những thông tin hữu ích nhé! Hãy vào website prosensor.vn để xem thêm nhiều bài viết về kỹ thuật tự động của công ty chúng tôi. Chân thành cảm ơn các bạn!

Bài viết liên quan:

Cảm biến quang là gì?