Hiệu ứng quang điện

Heinrich Rudolf Hertz

Alexander Stoletov

Hiệu ứng quang điện là một hiện tượng điện – lượng tử, trong đó các điện tử được thoát ra khỏi nguyên tử (quang điện trong) hay vật chất (quang điện thường) sau khi hấp thụ năng lượng từ các photon trong ánh sáng làm nguyên tử chuyển sang trạng thái kích thích làm bắn electron ra ngoài. Hiệu ứng quang điện đôi khi được người ta dùng với cái tên Hiệu ứng Hertz, do nhà khoa học Heinrich Hertz tìm ra.

Bạn đang đọc: Hiệu ứng quang điện – Wikipedia tiếng Việt

Việc điều tra và nghiên cứu hiệu ứng quang điện đưa tới những bước quan trọng trong việc tìm hiểu và khám phá về lượng tử ánh sáng và những electron, cũng như ảnh hưởng tác động đến sự hình thành khái niệm lưỡng tính sóng hạt .
Khi mặt phẳng của một tấm sắt kẽm kim loại được chiếu bởi bức xạ điện từ có tần số lớn hơn một tần số ngưỡng ( tần số ngưỡng này là giá trị đặc trưng cho chất làm ra tấm sắt kẽm kim loại này ), những điện tử sẽ hấp thụ nguồn năng lượng từ những photon và sinh ra dòng điện ( gọi là dòng quang điện ). Khi những điện tử bị bật ra khỏi mặt phẳng của tấm sắt kẽm kim loại, ta có hiệu ứng quang điện ngoài ( external photoelectric effect ). Các điện tử không hề phát ra nếu tần số của bức xạ nhỏ hơn tần số ngưỡng bởi điện tử không được phân phối đủ nguồn năng lượng thiết yếu để vượt ra khỏi rào thế ( gọi là công thoát ). Điện tử phát xạ ra dưới tính năng của bức xạ điện từ được gọi là quang điện tử. Ở 1 số ít chất khác, khi được chiếu sáng với tần số vượt trên tần số ngưỡng, những điện tử không bật ra khỏi mặt phẳng, mà thoát ra khỏi link với nguyên tử, trở thành điện tử tự do ( điện tử dẫn ) hoạt động trong lòng của khối vật dẫn, và ta có hiệu ứng quang điện trong ( internal photoelectric effect ). Hiệu ứng này dẫn đến sự đổi khác về đặc thù dẫn điện của vật dẫn, do đó, người ta còn gọi hiệu ứng này là hiệu ứng quang dẫn .

Mục lục nội dung

Các định luật quang điện và lý giải[sửa|sửa mã nguồn]

Có nhiều người đưa ra những quy mô lý giải khác nhau về hiệu ứng quang điện tuy nhiên đều không thành công xuất sắc do sử dụng quy mô sóng ánh sáng. Albert Einstein là người lý giải thành công xuất sắc hiệu ứng quang điện bằng cách sử dụng quy mô lượng tử ánh sáng. Heinrich Hertz và Stoletov là những người điều tra và nghiên cứu chi tiết cụ thể về hiệu ứng quang điện và đã xây dựng những định luật quang điện .

Ở mỗi tần số bức xạ và mỗi kim loại, cường độ dòng quang điện (cường độ dòng điện tử phát xạ do bức xạ điện từ) tỉ lệ thuận với cường độ chùm sáng tới.
Với mỗi kim loại, tồn tại một tần số tối thiểu của bức xạ điện từ mà ở dưới tần số đó, hiện tượng quang điện không xảy ra. Tần số này được gọi là tần số ngưỡng, hay giới hạn quang điện của kim loại đó.
Ở trên tần số ngưỡng, động năng cực đại của quang điện tử không phụ thuộc vào cường độ chùm sáng tới mà chỉ phụ thuộc vào tần số của bức xạ.
Thời gian trong quá trình từ lúc bức xạ chiếu tới và các điện tử phát ra là rất ngắn, dưới 10−9 giây.

Xem thêm: Hướng dẫn cài đặt Photoshop trên Windows

Albert Einstein đã sử dụng Thuyết lượng tử để lý giải hiện tượng quang điện. Theo liên hệ Planck–Einstein, mỗi photon có tần số

{\displaystyle f}

$f$ sẽ tương ứng với một lượng tử năng lượng có năng lượng

ϵ
=
h
.
f

{\displaystyle \epsilon =h.f}

$\epsilon =h.f$

Ở đây,

{\displaystyle h}

$h$ là hằng số Planck.

Năng lượng mà điện tử hấp thụ được sẽ được dùng cho 2 việc :

Thoát ra khỏi liên kết với bề mặt kim loại (vượt qua công thoát $\Phi$
Cung cấp cho điện tử một động năng ban đầu $E_{k_{max}}={\frac {1}{2}}m.v^{2}$

Như vậy, theo định luật bảo toàn nguồn năng lượng, ta hoàn toàn có thể viết phương trình :

h
.
f
=
Φ
+

m
a
x

{\displaystyle h.f=\Phi +E_{k_{max}}}

$h.f=\Phi +E_{k_{max}}$

Do động năng luôn mang giá trị dương, do đó, hiệu ứng này chỉ xảy ra khi :

h
.
f
≥
Φ
=
h
.

{\displaystyle h.f\geq \Phi =h.f_{0}}

$h.f\geq \Phi =h.f_{0}$

có nghĩa là hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi

f
≥

{\displaystyle f\geq f_{0}}

$f\geq f_{0}$

=
Φ

{\displaystyle f_{0}=\Phi /h}

$f_{0}=\Phi /h$ chính là giới hạn quang điện của kim loại.

Xem thêm: Ứng dụng của tích phân tính diện tích, thể tích, quãng đường, vận tốc cực hay – Toán lớp 12

Hiệu ứng quang dẫn[sửa|sửa mã nguồn]

Trong nhiều vật tư, hiệu ứng quang điện ngoài không xảy ra mà chỉ xảy ra hiện tượng quang điện trong ( thường xảy ra với những chất bán dẫn ). Khi chiếu những bức xạ điện từ vào những chất bán dẫn, nếu nguồn năng lượng của photon đủ lớn ( lớn hơn độ rộng vùng cấm của chất, nguồn năng lượng này sẽ giúp cho điện tử di dời từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, do đó làm biến hóa đặc thù điện của chất bán dẫn ( độ dẫn điện của chất bán dẫn tăng lên do chiếu sáng ). Hoặc sự chiếu sáng cũng tạo ra những cặp điện tử – lỗ trống cũng làm đổi khác cơ bản đặc thù điện của bán dẫn. Hiệu ứng này được sử dụng trong những photodiode, phototransitor, pin mặt trời …