Hiện tượng quang điện trong và hiện tượng quang điện ngoài
Hiện tượng quang điện ngoài
Sóng điện từ với bước sóng nhất định có thể làm bật electron ra khỏi bề mặt kim loại. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng quang điện (ngoài).
Ba định luật quang điện
Bằng cách thí nghiệm với tế bào quang điện, Hertz khám phá ra 3 định luật quang điện
Lý thuyết của Einstein
Einstein vận dụng thuyết lượng tử của Planck để giải thích các định luật quang điện. Theo ông, ánh sáng được phát ra, hấp thụ và truyền đi thành từng “gói” năng lượng riêng biệt gọi là lượng tử ánh sáng. Mỗi lượng tử ánh sáng mang một năng lượng tỉ lệ với tần số $f$ của sóng ánh sáng tương ứng \[\varepsilon = hf\] trong đó, $h = 6,{625.10^{ - 34}}$ Js là hằng số Planck.
Khi photon được hấp thụ bởi electron trong chất rắn, nó truyền toàn bộ lượng tử năng lượng cho electron. Năng lượng này được chi vào hai việc là cung cấp cho điện tử một công $A$ để thoát khỏi liên kết với mạng tinh thể chất rắn và cung cấp cho điện tử một động năng ban đầu. Đối với các điện tử ở trên bề mặt kim loại thì động năng này là lớn nhất so với các điện tử ở sâu bên trong. Phương trình Einstein cho hiện tượng quang điện ngoài \[\begin{align} hf &= A + {W_d}, \hfill \\ \frac{{hc}}{\lambda } &= \frac{{hc}}{{{\lambda _0}}} + \frac{{{m_{\text{e}}}v_{\max }^2}}{2}. \hfill \\ \end{align} \] Đại lượng ${\lambda _0} = \frac{{hc}}{A}$ gọi là giới hạn quang điện, chỉ phụ thuộc vào bản chất kim loại.
Giải thích các định luật quang điện bằng lý thuyết của Einstein
1. Vì động năng không thể âm nên \[{W_{\text{d}}} = \frac{{hc}}{\lambda } - \frac{{hc}}{{{\lambda _0}}} > 0 \Leftrightarrow \lambda < {\lambda _0}.\] Bước sóng kích thích $\lambda$ hay bước sóng của chùm sáng tới tấm kim loại phải nhỏ hơn một giá trị ${\lambda_0}$ xác định. Giá trị này phụ thuộc vào bản chất của kim loại, được gọi là giới hạn quang điện.
2. Số điện tử bật ra khỏi bề mặt kim loại tỉ lệ với số photon trong chùm sáng kích thích (cường độ chùm sáng). Số điện tử này lại tỉ lệ với cường độ dòng quang điện bão hòa nên cường độ dòng quang điện bão hòa tỉ lệ với cường độ chùm sáng.
3. Từ biểu thức \[{W_{\text{d}}} = \frac{{hc}}{\lambda } - \frac{{hc}}{{{\lambda _0}}}\] ta thấy ngay nội dung định luật 3.
Các công thức cho hiện tượng quang điện ngoài
- Hiệu điện thế hãm ${U_{\text{h}}}$ là điện áp cần đặt vào tế bào quang điện để triệt tiêu dòng quang điện \[e{U_{\text{h}}} = \frac{{{m_{\text{e}}}v_{\max }^2}}{2} = hf - A.\]
- Vận tốc cực đại của quang electron tìm từ \[\begin{align} \frac{{{m_{\text{e}}}v_{\max }^2}}{2} &= hc\left( {\frac{1}{\lambda } - \frac{1}{{{\lambda _0}}}} \right), \hfill \\ v_{\max }^2 &= 2e\frac{{{U_{\text{h}}}}}{{{m_{\text{e}}}}}. \hfill \\ \end{align} \] - Động năng tới Anode của quang electron ${W_{d{\text{A}}}}$ \[\begin{align} {W_{{\text{dA}}}} - {W_{{\text{d}}}} &= e{U_{{\text{AK}}}}, \hfill \\ \,{W_{{\text{d}}}} &= 0,5mv_{\max }^2. \hfill \\ \end{align}\] trong đó ${W_{{\text{d}}}}$ là động năng ban đầu khi bứt khỏi Cathode của điện tử.
- Nếu một vật cô lập về điện ban đầu ở trạng thái trung hòa về điện hấp thụ các bức xạ có tần số $f$ thì điện thế của nó tăng dần (do mất electron) đến một giá trị cực đại \[{V_{\max }} = \frac{{{m_{\text{e}}}v_{\max }^2}}{{2e}} = \frac{{hf - A}}{e}.\] - Công suất của nguồn sáng \[P = \varepsilon {n_{{\text{p}}\lambda }} = \left( {hf} \right){n_{{\text{p}}\lambda }} = \frac{{hc}}{\lambda }{n_{{\text{p}}\lambda }}.\] trong đó, ${n_{{\text{p}}\lambda }}$ (photon/s) là số photon ứng với bước sóng $\lambda$ nguồn sáng phát ra trong mỗi giây.
- Cường độ dòng quang điện bão hòa \[{I_{{\text{bh}}}} = e{n_{\text{e}}}\] với $e$ là điện tích nguyên tố, ${n_{\text{e}}}$ là số điện tử thoát khỏi Cathode mỗi giây cũng là số điện tử tới Anode mỗi giây khi dòng điện đạt giá trị bão hòa.
- Hiệu suất lượng tử \[H = \frac{{{n_{\text{e}}}}}{{{n_{{\text{p}}\lambda }}}}.\]
Hiện tượng quang điện trong
Hiện tượng quang điện trong xảy ra trong lòng khối bán dẫn: khi photon đập vào electron trong khối bán dẫn thì nó chỉ cấp cho electron một công để thoát khỏi liên kết với mạng tinh thể trở thành điện tử tự do trong lòng khối bán dẫn. Electron không có đủ năng lượng để thoát khỏi khối bán dẫn nên mật độ điện tử tự do trong khối tăng lên tương ứng với mật độ lỗ trống làm điện trở của khối bán dẫn giảm mạnh.
Giới hạn quang dẫn của một chất là bước sóng dài nhất của ánh sáng có khả năng gây ra hiện tượng quang dẫn ở chất đó. Vì năng lượng cần thiết để giải phóng electron liên kết thành electron tự do không lớn lắm nên nhiều chất có giới hạn quang dẫn lớn (miền đỏ). Do đó, hiện tượng quang điện trong dễ xảy ra hơn so với hiện tượng quang điện ngoài.
Ứng dụng
1. Quang trở LDR: là điện trở có giá trị phụ thuộc vào việc chiếu sáng – photon đến có bước sóng ngắn hơn giới hạn quang dẫn thì điện trở của quang trở sẽ giảm. Độ giảm điện trở tỉ lệ thuận với cường độ ánh sáng đến. LDR được sử dụng trong các mạch điều khiển tự động.
2. Pin quang điện: khi chiếu ánh sáng có bước sóng thích hợp thì giữa hai cực của pin suất hiện một suất quang điện động. Ví dụ: pin selen (phổ biến); pin Cu2O(+) – Cu(-),…