Đề Cương Quang Vật Lý Bài 4: Hiện Tượng Quang Điện

QUANG VẬT LÝ
BÀI 4
HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN
Xã hội lòai người càng phát triển, trình độ khoa học kỹ thuật càng lên cao thì nhu cầu về năng lượng càng lớn. Mọi nguồn cung cấp năng lượng lấy từ Trái đất như dầu mỏ, than đá. . . . ngày càng cạn dần trong khi đó một nguồn năng lượng khổng lồ là Mặt Trời vẫn chưa được con người khai thác triệt để, lý do là năng lượng từ Mặt Trời đưa tới ở dưới dạng bức xạ năng, là một thứ năng lượng không lưu trữ được và cũng không vận hành được theo ý muốn của con người. Biến năng lượng vô biên của Mặt Trời thành dạng năng lượng dễ dàng sử dụng vẫn là niềm ước mơ từ bao đời nay của nhân lọai . . . . nhưng phải đợi đến tận thế kỷ XX, với những phát hiện đầu tiên về hiện tượng quang điện, niềm ước mơ này mới bắt đầu trở thành hiện thực . . . . 
A. TÓM LƯỢC GIÁO KHOA
 L G
 Z
 E 
 Hình 1
Thí nghiệm Hertz (Hec) 
Thí nghiệm được bố trí như hình vẽ :
* L : hồ quang điện.
* G : bản thủy tinh trong.
* Z : tấm kẽm tích điện âm gắn trên tĩnh điện nghịêm E
Chiếu ánh sáng giàu tia tử ngọai do hồ quang phát ra vào tấm kẽm tích điện âm, một lát sau kim tĩnh điện nghiệm cụp xuống chứng tỏ tấm kẽm đã mất điện tích âm.
Hiện tượng không xảy ra nếu :
* Tấm kẽm tích điện dương.
* Hoặc : che hồ quang bằng tấm kính trong (để chắn chùm tia tử ngọai).
Ta cũng thu được kết quả tương tự nếu thay tấm kẽm bằng kim lọai khác như đồng, bạc, nhôm . . .
Như vậy : Khi chiếu một chùm ánh thích hợp ( có bước sóng ngắn) vào mặt một tấm kim lọai thì nó làm cho các êlectrôn ở mặt kim lọai đó bị bật ra. Đó là hiện tượng quang điện, các êlectron bật ra gọi là các êlectrôn quang điện.
 A
 K I
 G 
 Ibh 2
L F V 1
 C 
 E –Uh O U
 Hình 2 Hình 3 
Thí nghiệm với tế bào quang điện 
Làm thí nghiệm với tế bào quang điện (hình vẽ 2), người ta tìm ra các định luật của hiện tượng quang điện và lập được đặc tuyến vôn–ampe cho tế bào quang điện (hình vẽ 3). 
Qua đặc tuyến, ta thấy rằng khi hiệu điện thế U giữa anôt (A) và catôt (K) tăng dần thì dòng quang điện cũng tăng dần và đạt tới một giá trị cực đại gọi là giá trị bão hòa Ibh.
Cũng qua đặc tuyến, ta thấy rằng khi giữa hai cực có hiệu điện thế âm (UAK<0) thì dòng quang điện chỉ triệt tiêu khi UAK đạt tới giá trị Uh gọi là hiệu điện thế hãm.
Khi |UAK| = Uh thì công cản của trường tĩnh điện có độ lớn bằng động năng ban đầu cực đại của êlectrôn quang điện. 
 e.Uh = Wđomax = 
Các định luật của hiện tượng quang điện
Định luật quang điện thứ nhất : Đối với mỗi kim lọai dùng làm catôt có một bước sóng giới hạn l0 nhất định gọi là giới hạn quang điện. Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi bước sóng l của ánh sáng kích thích nhỏ hơn giới hạn quang điện ( l £ l0). 
 Định luật quang điện thứ hai : Vớí ánh sáng kích thích có bước sóng thoả mãn định luật quang điện thứ nhất thì cường độ dòng quang điện bão hòa tỉ lệ thuận với cường độ của chùm sáng kích thích
Định luật quang điện thứ ba : Động năng ban đầu cực đại của các êlectrôn quang điện không phụ thuộc vào cường độ của chùm sáng kích thích mà chỉ phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng kích thích và bản chất kim lọai dùng làm catôt.
 Thuyết lượng tử
Những nguyên tử (hay phân tử) vật chất không hấp thụ hay bức xạ ánh sáng một cách liên tục, mà thành từng phần riêng biệt, đứt quãng. Mỗi phần đó mang một năng lượng hòan tòan xác định, có độ lớn là e = hf, trong đó f là tần số của ánh sáng mà nó phát ra, còn h là một hằng số gọi là hằng số Plăng (Planck).
 h = 6,625.10–34 Js. Mỗi phần đó gọi là một lượng tử ánh sáng. hay là một phôtôn.
Năng lượng của phôtôn không thay đổi khi ánh sáng lan truyền.
 Giải thích các định luật quang điện bằng thuyết lượng tử
Einstein coi ánh sáng như một chùm hạt và mỗi hạt gọi là một một phôtôn. Mỗi phôtôn ứng với một lượng tử ánh sáng.
Mỗi phôtôn khi bị hấp thụ sẽ truyền tòan bộ năng lượng của nó cho một êlectrôn. Đối với mỗi êlectrôn nằm ngay trên bề mặt kim lọai thì phần năng lượng này sẽ được dùng vào hai việc :
* Cung cấp cho êlectrôn đó một công A để nó thắng được các lực liên kết trong tinh thể và thoát được ra ngòai; công này gọi là công thoát. 
* Cung cấp cho êlectrôn đó một động năng ban đầu, với êlectrôn nằm trên bề mặt kim lọai thì động năng này là động năng cực đại. 
Áp dụng định luật bảo tòan năng lượng, ta có công thức Einstein về hiện tượng quang điện: 
 vì f = c/l nên công thức còn được viết là : 
Dựa vào công thức Einstein, ta thấy :
Để có hiện tượng quang điện thì ; đặt ta thấy l £ l0 (ĐL 1)
Động năng ban đầu cực đại của các êlectrôn quang điện chỉ phụ thuộc l và A, nghĩa là phụ thuộc bước sóng của ánh sáng tới và bản chất kim lọai dùng là catôt mà không phụ thuộc cường độ ánh sáng tới. (ĐL 3).
Khi đã có dòng quang điện thì số phôtôn thoát ra tỉ lệ với cường độ ánh sáng tới, nghĩa là cường độ dòng quang điện bão hòa phải tỉ lệ với cường độ ánh sáng tới (ĐL 2)
Hiện tượng quang dẫn
Một số chất bán dẫn là chất cách điện khi không bị chiếu sáng và trở thành dẫn điện khi bị chiếu sáng . Hiện tượng giảm mạnh điện trở của chất bán dẫn khi bị khi bị chiếu sáng gọi là hiện tượng quang dẫn. 
Mỗi phô tôn khi bị hấp thụ sẽ giải phóng một êlectrôn liên kết để nó trở thành êlectrôn tự do chuyển động trong khối chất bán dẫn, mỗi êlectrôn liên kết khi được giải phóng sẽ để lại một lỗ trống mang điện dương, các lỗ này cũng có thể chuyển động và tham gia vào quá trình dẫn điện. Sự gia tăng của các hạt mang điện làm cho chất bán dẫn trở thành dẫn điện tốt hơn và điện trở giảm xuống.
Hiện tượng quang dẫn còn được gọi là hiện tượng quang điện bên trong để phân biệt với hiện tượng quang điện ngòai là hiện tượng quang điện có êlectrôn bị đánh bật ra khỏi kim lọai.
Giới hạn quang dẫn có giá trị lớn hơn nhiều so với giới hạn quang điện. Hiện tượng quang dẫn được ứng dụng để chế tạo quang trở và pin quang điện.
B. CÂU HỎI ÔN TẬP
Mô tả thí nghiệm Hec (Hertz) về hiện tượng quang điện.
Trong thí nghiệm với tế bào quang điện, nếu ta giữ nguyên bước sóng của ánh sáng kích thích nhưng tăng cường độ chùm sáng lên thì trên đặc tuyến vôn–ampe sẽ có gì thay đổi ?
Trình bày ba định luật quang điện và nêu rõ sự mâu thuẫn của các định luật đó với tính chất sóng của ánh sáng.
Phôtôn là gì ? Đặc điểm của phôtôn ?
Vận dụng thuyết lượng tử ánh sáng để giải thích các định luật quang điện.
Phân biệt hiện tượng quang điện bên trong với hiện tượng quang điện ngòai. Tại sao giới hạn quang dẫn của hiện tượng quang điện bên trong lại có giá trị lớn hơn giới hạn quang điện của hiện tượng quang điện ngòai ?
Trình bày về sự cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của quang trở và pin quang điện.
ĐỀ TÓAN ÔN THI
Catôt của một tế bào quang điện làm bằng xêdi (Cs) có giới hạn quang điện là 0,66 mm. Chiếu vào catôt ánh sáng tử ngọai có bước sóng 0,33 mm.
Tính công thoát của kim lọai dùng làm catôt.
Tìm giá trị vận tốc ban đầu của các êlectrôn quang điện khi bứt ra khỏi catôt.
Cần phải đặt vào giữa hai cực của tế bào quang điện một hiệu điện thế như thế nào để cho dòng quang điện bị triệt tiêu hòan tòan ?
Cho : Điện tích của êlectrôn : –e = –1,6.10–19 C; khối lượng êlectrôn : me = 9,1.10–31kg;
hằng số Planck : h = 6,625.10–34J.s; vận tốc ánh sáng trong chân không : c = 3.108m/s.
Đáp số : 1. A= 3.10–19 J 2. vomax = 8,14.105 m/s 3. UAK £ – 1,88 V.
 Khi chiếu sáng catôt một tế bào quang điện bằng chùm sáng có tần số f1 = 2,2.1015 s–1 thì hiệu điện thế hãm là 6,6V; khi chiếu catôt bằng chùm sáng có tần số f2 = 4,6.1015 s–1 thì hiệu điện thế hãm là 16,5V. 
Xác định hằng số Plăng (Planck) từ những dữ kiện nói trên.
Nếu dùng ánh sáng có tần số f1 và đặt vào giữa hai cực tế bào quang điện hiệu điện thế UAK = 10V thì động năng cực đại của êlectrôn khi tới anôt là bao nhiêu ?
Đáp số : 1. h = 6,6.10–34 J.s 2. 2,66.10–18 J
Để bứt một êlectrôn ra khỏi một tấm kim lọai người ta cần một công tối thiểu là 1,88eV.
 Tìm giới hạn quang điện của kim lọai đó.
 Tính vận tốc cực đại của êlectrôn quang điện bật ra khỏi kim lọai này khi chiếu sáng kim lọai bằng ánh sáng có bước sóng l = 0,490 mm.
 Dùng kim lọai này để làm catôt một tế bào quang điện. Khi được chiếu sáng bằng ánh sáng nói trên dòng quang điện sinh ra đo được là I = 0,20mA. Tìm số êlectrôn tới anôt trong một phút.
Tìm hiệu điện thế hãm của tế bào quang điện trong trường hợp này.
Đáp số : 1. l0 = 0,663 mm 2. 4,82.105 m/s 3. Uh = 0,66V
Khi chiếu lần lượt hai bức xạ điện từ có bước sóng l1 = 0,25 mm và l2 = 0,30 mm vào tấm kim lọai M, người ta thấy vận tốc ban đầu cực đại của êlectrôn quang điện lần lượt là :
 v1 = 7,31.105 m/s và v2 = 4,93.105 m/s.
Từ các số liệu nói trên hãy xác định khối lượng me của êlectrôn và giới hạn quang điện của kim lọai M. 
Chiếu một bức xạ điện từ có bước sóng l vào tấm kim lọai trên được đặt cô lập về điện thì điện thế cực đại đạt được là 3V. Tính bước sóng l của bức xạ đó. 
(Bài tóan số 7.3 trong Bộ luyện thi tuyển sinh ĐH)
Đáp số : 1. me = 9,1.10–31 kg; l = 0,36 mm 2. l = 0,1926 mm
C. BÀI GIẢI
1) Theo định nghĩa, giữa công thoát A và giới hạn quang điện l0 có hệ thức :
 = 
Công thoát của kim lọai dùng làm catôt là : A = 3,01.10–19 J
Theo công thức Einstein, ta có : 
Động năng ban đầu cực đại của êlectrôn quang điện :
 = 3,01.10–19 J
Vận tốc ban đầu cực đại của êlectrôn quang điện : 
 = 8,14.105 m/s
Như vậy vận tốc ban đầu của các êlectrôn khi ra khỏi catôt có giá trị : 0 £ v0 £ 8,14.105 m/s
Gọi Uh là hiệu điện thế hãm, ta có : 
 e.Uh = Wđ0max Þ Uh = Wđ0max /e = 3,01.10–19/1,6.10–19 = 1,88V
Để làm triệt tiêu hòan tòan dòng quang điện cần phải đặt vào giữa hai cực tế bào một hiệu điện thế có giá trị : UAK £ – 1,88 V. 
1) Áp dụng phương trình Einstein trong hai trường hợp :
 Þ (1)
 Þ (2)
Từ (1) và (2) suy ra : 
Hằng số Plăng tính được là : h = 6,6.10–34 J.s
Khi dịch chuyển từ catôt sang anôt, êlectrôn quang điện chịu tác dụng của lực điện trường, lực này là lực hút nên êlectrôn được tăng tốc và có động năng Wđ khi tới anôt.
Áp dụng định lý động năng ta có : DWđ = Wđ – Wđ0 = AF 
Với Wđ0 là động năng của êlectrôn lúc rời khỏi catôt và AF là công của lực điện trường; 
 AF = e.UAK
Động năng của êlectrôn khi tới anôt là : Wđ = Wđ0 + e.UAK 
Êlectrôn nào có động năng cực đại tại catôt cũng sẽ có động năng cực đại tại anôt, vậy :
 Wđmax = Wđ01max + e.UAK = eUh1 + e.UAK = e(Uh1 + UAK)
 = 1,6.10–19(6,6 + 10) = 26,56.10–19 J
Động năng cực đại của êlectrôn quang điện khi tới anôt là : Wđmax = 26,56.10–19 J » 2,66.10–18 J
1) Công thoát của kim lọai này là : A = 1,88.1,6.10-19 = 3.10-19 J
Giới hạn quang điện : Þ l0 = 0,663 mm
2) Theo công thức Einstein, ta có : 
 = 1,056.10–19 J
Vận tốc ban đầu cực đại của êlectrôn quang điện : 
 = 4,82.105 m/s
3) Điện tích tới anôt trong một giây là :
 q = I.t = 0,20.10–3 C
Số êlectrôn tới anôt trong một giây : n = q/e = 0,20.10–3/1,6.10–19 = 0,125.1016
Số êlectrôn tới anôt trong một phút : N = 60.n = 60.0,125.1016 = 7,5.1016
4) Giữa động năng ban đầu cực đại và hiệu điện thế hãm Uh có hệ thức : e.Uh = Wđ0max
Hiệu điện thế hãm : Uh = Wđ0max/e = 1,056.10–19 /1,6.10–19 = 0,66 V
1) Áp dụng phương trình Eisntein cho hai bức xạ có bước sóng l1 và l2 :
 (1)
 (2)
Từ (1) và (2) tính được : 
Từ các số liệu đã cho, tính được khối lượng êlectrôn là : me = 9,1.10–31 kg
Thay giá trị của me vào phương trình (1), ta tính được công thoát của kim lọai : 
 = 55,2.10–20 J
Suy ra giá trị của giới hạn quang điện : l0 = hc/A = 0,36.10–6 m = 0,36 mm
2) Khi chiếu ánh sáng thích hợp vào tấm kim lọai cô lập thì tấm kim lọai do bị mất êlectrôn nên sẽ có điện tích dương tăng dần và điện thế của nó cũng tăng dần. Tấm kim lọai sẽ đạt được điện thế cực đại Vmax khi công cản của trường tĩnh điện có độ lớn đúng bằng động năng ban đầu cực đại của êlectrôn quang điện : 
 Wđ0max = e.Vmax = 1,6.10–19.3 = 4,8.10–19 J
Theo công thức Eistein : = 5,52.10–19 + 4,8.10–19 = 10,32.10–19 
Suy ra : l = 19,875.10–26 / 10,32.10–19 = 1,926.10–7 m
bước sóng của ánh sáng đã dùng là : l = 0,1926 mm
D. TRẢ LỜI CÁC CÂU HỎI
2. Trong thí nghiệm với tế bào quang điện, khi ta giữ nguyên bước sóng của ánh sáng kích thích nhưng làm thay đổI cường độ của chùm sáng kích thích thì giá trị của hiệu điện thế hãm Uh không thay đổi nhưng cường độ của dòng quang điện bão hòa sẽ thay đổi, thực nghiệm cho thấy là cường độ dòng quang điện bão hòa tỉ lệ vớI cường độ chùm sáng. Trong hình vẽ (3) hai ánh sáng 1 và 2 dùng trong thí nghiệm có cùng bước sóng l nhưng cường độ chùm sáng 2 lớn hơn cường độ chùm sáng 1. 
Ba định luật quang điện . . . (nội dung đã trình bày trong phần giáo khoa). Theo thuyết sóng ánh sáng, khi ánh sáng chiếu vào mặt catôt, điện trường biến thiên trong sóng ánh sáng sẽ làm cho các êlectrôn trong kim lọai dao động. Cường độ của chùm sáng kích thích càng lớn thì điện trường đó càng mạnh và làm cho êlectrôn dao động càng mạnh. Đến một lúc nào đó thì êlectrôn sẽ bị bật ra tạo thành dòng quang điện. Do đó, bất kỳ chùm sáng nào cũng có thể gây ra hiện tượng quang điện – điều này mâu thuẫn với định luật 1. Cũng theo lập luận trên của thuyết sóng ánh sáng thì động năng ban đầu của êlectrôn quang điện phải phụ thuộc cường độ chùm sáng kích thích – điều này mâu thuẫn với định luật 3. Theo định luật quang điện thứ hai thì cường độ dòng quang điện bão hòa chỉ tỉ lệ với cường độ chùm sáng kích thích khi bước sóng của ánh sáng kích thích đã nhỏ hơn một trị giới hạn, còn theo thuyết sóng ánh sáng thì không cần điều kiện này : đó là sự mâu thuẫn với định luật 2.
6. Hiện tượng quang điện ngòai là hiện tượng khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào một kim lọai thì các êlectrôn sẽ bị bứt ra khỏi liên kết trong tinh thể, bị đánh bật ra khỏi kim lọai và trở thành các êlectrôn quang điện. 
Hiện tượng quang điện bên trong là hiện tượng điện trở của chất bán dẫn bị giảm mạnh và trở thành dẫn điện khi bị chiếu sáng. Trong hiện tượng quang điện bên trong, các êlectrôn cũng bị bứt rời khỏi liên kết và trở thành êlectrôn tự do nhưng vẫn ở trong chất bán dẫn chứ không thoát hẳn ra ngòai; hiện tượng này cũng làm phát sinh các lỗ trống mang điện dương. 
Vì năng lượng cần thiết để giải phóng một êlectrôn liên kết chuyển nó thành êlectrôn dẫn không lớn lắm nên không đòi hỏi phôtôn kích thích phải có năng lượng cao như trong hiện tượng quang điện ngoài; vì thế giới hạn quang dẫn, tức là bước sóng tối thiểu của ánh sáng để gây ra quang dẫn có giá trị lớn hơn nhiều so với giới hạn quang điện ngòai.
7. a) Quang trở (LDR)
Quang trở gồm một lớp chất bán dẫn (như CdS) phủ trên tấm nhựa cách điện và có hai điện cực gắn vào lớp bán dẫn, hai cực này đựơc nối vào hai cực một bộ nguồn qua một miliampe kế. Khi đặt trong bóng tối thì trong mạch không có dòng điện; khi chiếu quang trở bằng ánh sáng có bước sóng nhỏ hơn giới hạn quang dẫn thì có dòng điện. Nguyên nhân của hiện tương nói trên là dưới tác dụng của ánh sáng thích hợp điện trở của quang trở giảm đi rất mạnh. .
b) Pin quang điện
Pin quang điện là thiết bị biến đổi trực tiếp quang năng thành điện năng. Pin quang điện đồng–oxit gồm có một cực bằng đồng trên phủ lớp đồng oxit (Cu2O), trên mặt lớp Cu2O có lớp vàng rất mỏng (ánh sáng đi qua được) để làm cực thứ hai.
 Ánh sáng Ánh sáng
 1
 Cu2O + 
 Cu –
Quang trở 1 : Lớp CdS; 2 : đế cách điện Pin quang điện
 Hình 4 Hình 5 
Lớp tiếp xúc giữa Cu và Cu2O chỉ cho êlectrôn đi qua theo một chiều từ Cu2O sang Cu. Khi chiếu chùm ánh sáng có bước sóng thích hợp vào lớp Cu2O, các êlectrôn sẽ được giải phóng thành êlectrôn dẫn, một phần êlectrôn này khuếch tán sang lớp Cu. Cực Cu thừa êlectrôn nên nhiễm điện âm; Cu2O nhiễm điện dương. Giữa hai cực hình thành một suất điện động nên pin có khả năng phát điện.