Bài giảng hiện tương quang điện ngoài
Bài giảng hiện tượng quang điện ngoài
Bài viết hôm nay Cunghocvui xin giới thiệu với các bạn về định nghĩa hiện tượng quang điện ngoài làm rõ điểm chung giữa hiện tượng quang điện ngoài và quang điện trong!
I. Khái niệm
Quang điện ngoài 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.
Các công thức của hiện tượng quang điện ngoài:
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 \({\displaystyle f}\) sẽ tương ứng với một lượng tử năng lượng có năng lượng \({\displaystyle \epsilon =h.f}\)
Ở đây, 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 \({\displaystyle \Phi })\)
- Cung cấp cho điện tử một động năng ban đầu \({\displaystyle E_{k_{max}}={\frac {1}{2}}m.v^{2}}\)
Như vậy, theo định luật bảo toàn năng lượng, ta có thể viết phương trình:
\({\displaystyle h.f=\Phi +E_{k_{max}}}\)
Do động năng luôn mang giá trị dương, do đó, hiệu ứng này chỉ xảy ra khi:
\({\displaystyle h.f\geq \Phi =h.f_{0}}\)
có nghĩa là hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi \({\displaystyle f\geq f_{0}}\)
\({\displaystyle f_{0}=\Phi /h} \) chính là giới hạn quang điện của kim loại.
II. Giải thích hiện tượng quang điện ngoài
Điều kiện xảy ra hiện tượng quang điện ngoài:
Khi bề mặt của một tấm 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 nên tấm kim loại này), các điện tử sẽ hấp thụ năng lượng từ các photon và sinh ra dòng điện (gọi là dòng quang điện). Khi các điện tử bị bật ra khỏi bề mặt của tấm kim loại, ta có hiệu ứng quang điện ngoài (external photoelectric effect). Các điện tử không thể phát ra nếu tần số của bức xạ nhỏ hơn tần số ngưỡng bởi điện tử không được cung cấp đủ năng lượng cần thiết để vượt ra khỏi rào thế (gọi là công thoát). Điện tử phát xạ ra dưới tác dụng của bức xạ điện từ được gọi là quang điện tử. Ở một số chất khác, khi được chiếu sáng với tần số vượt trên tần số ngưỡng, các điện tử không bật ra khỏi bề mặt, mà thoát ra khỏi liên kết với nguyên tử, trở thành điện tử tự do (điện tử dẫn) chuyển động trong lòng của khối vật dẫn, và ta có hiệu ứng quang điện trong (internal photoelectric effect). Hiệu ứng này dẫn đến sự thay đổi về tính chất dẫn điện của vật dẫn, do đó, người ta còn gọi hiệu ứng này là hiệu ứng quang dẫn.
So sánh hiện tượng quang điện ngoài và quang điện trong:
|
Giống nhau | + Đều là hiện tượng electron ở dạng liên kết trở thành electron tự do (giải phóng electron liên kết trở thành electron dẫn) dưới tác dụng của phôtôn ánh sáng. + Điều kiện để có hiện tượng là λ≤λ0λ≤λ0. | |
|
Khác nhau | Hiện tượng quang điện ngoài | Hiện tượng quang điện trong |
| + Các quang e bị bật ra khỏi kim loại | + Các electron liên kết bị bứt ra vẫn ở trong khối bán dẫn | |
| + Chỉ xáy ra với kim loại | + Chỉ xảy ra với chất bán dẫn | |
| + Giới hạn quang điện λ0λ0 nhỏ thường thuộc vùng tử ngoại trừ kiềm và kiềm thổ | + Giới hạn quang điện λ0λ0 dài (lớn hơn của kim loại, thường nằm trong vùng hồng ngoại) | |
Hiện tượng nào dưới đây là hiện tượng quang điện ngoài:
- 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.
III. Các ứng dụng của hiện tượng quang điện ngoài
- Trong nhiều vật liệu, hiệu ứng quang điện ngoài không xảy ra mà chỉ xảy ra hiện tượng quang điện trong (thường xảy ra với các chất bán dẫn). Khi chiếu các bức xạ điện từ vào các chất bán dẫn, nếu năng lượng của photon đủ lớn (lớn hơn độ rộng vùng cấm của chất, năng lượng này sẽ giúp cho điện tử dịch chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, do đó làm thay đổi tính chất điện của chất bán dẫn (độ dẫn điện của chất bán dẫn tăng lên do chiếu sáng). Hoặc sự chiếu sáng cũng tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống cũng làm thay đổi cơ bản tính chất điện của bán dẫn. Hiệu ứng này được sử dụng trong các photodiode, phototransitor, pin mặt trời...
- Được dùng để chế tạo các tế bào quang điện trong thiết bị truyền ảnh, vô tuyến truyền hình, máy quay film, thiết bị điều khiển tự động, thiết bị đóng – mở cửa nhà ga.
IV. Bài tập trắc nghiệm
Câu 1. Hiện tượng nào sau đây sẽ xảy ra khi liên tục chiếu chùm tia tử ngoại vào tấm kẽm cô lập tích điện âm.
A. Tấm kẽm mất dần êlectron và trở nên trung hoà điện.
B. Tấm kẽm mất dần điện tích âm và trở thành mang điện dương.
C. Tấm kẽm vẫn tích điện tích âm như cũ.
D. Tấm kẽm tích điện âm nhiều hơn.
Câu 2. Chiếu một chùm bức xạ đơn sắc vào một tấm kim loại chưa tích điện, được đặt cô lập với các vật khác. Nếu hiện tượng quang điện xảy ra thì:
A. Sau một khoảng thời gian, các êlectron tự do của tấm kim loại bị bật hết ra ngoài.
B. Các êlectron tự do của tấm kim loại bị bật ra ngoài nhưng sau một khoảng thời gian, toàn bộ các êlectron đó quay trở lại làm cho tấm kim loại vẫn trung hòa điện.
C. Sau một khoảng thời gian, tấm kim loại đạt đến trạng thái cân bằng động và tích một lượng điện âm xác định.
D. Sau một khoảng thời gian, tấm kim loại đạt được một điện thế cực đại và tích một lượng điện dương xác định.
Câu 3. Chiếu ánh sáng có bước sóng 0,50µm vào 4 tế bào quang điện có catod lần lượt bằng canxi, natri, kali và xêsi. Hiện tượng quang điện sẽ xảy ra ở:
A. một tế bào B. hai tế bào C. ba tế bào D. cả bốn tế bào
Câu 4. Chọn câu sai trong các câu sau:
A. Hiện tượng quang điện chứng tỏ ánh sáng có tính chất hạt.
B. Hiện tượng giao thoa chứng minh ánh sáng chỉ có tính sóng.
C. Khi bước sóng càng dài thì năng lượng photon ứng với chúng có năng lượng càng lớn.
D. Tia hồng ngoại, tia tử ngoại có tính chất hạt.
Câu 5. Trong trường hợp nào sau đây có thể xảy ra hiện tượng quang điện khi chiếu tia tử ngoại.
A. Tấm kẽm đặt chìm trong nước. B. Chất diệp lục của lá cây.
C. Hợp kim kẽm – đồng D. Tấm kẽm có phủ nước sơn.
Câu 6. Giới hạn quang điện của một hợp kim gồm bạc, đồng và kẽm sẽ là:
A. 0,26 µm B. 0,30µm C. 0,35µm D. 0,40µm
Câu 7. Chọn câu đúng. Electron quang điện có động năng ban đầu cực đại khi:
A. Photon ánh sáng tới có năng lượng lớn nhất.
B. Công thoát của electron có năng lượng nhỏ nhất.
C. Năng lượng mà electron thu được là lớn nhất.
D. Năng lượng mà electron bị mất đi là nhỏ nhất.
Câu 8. Chọn các cụm từ thích hợp để điền vào chỗ trống cho hợp nghĩa: “Theo thuyết lượng tử: Những nguyên tử hay phân tử vật chất …………… ánh sáng một cách ……………… mà thành từng phần riêng biệt mang năng lượng hoàn toàn xác định ……………ánh sáng”.
A. Không hấp thụ hay bức xạ, liên tục, tỉ lệ thuận với bước sóng.
B. Hấp thụ hay bức xạ, liên tục, tỉ lệ thuận với tần số.
C. Hấp thụ hay bức xạ, không liên tục, tỉ lệ nghịch với bước sóng.
D. Không hấp thụ hay bức xạ, liên tục, tỉ lệ nghịch với tần số.
Câu 9. Xét các hiện tượng sau của ánh sáng:1 - Phản xạ ; 2 - Khúc xạ ; 3 - Giao thoa; 4 - Tán sắc
5 - Quang điện ; 6 - Quang dẫn. Bản chất sóng của ánh sáng có thể giải thích được các hiện tượng
A. 1, 2, 5 B. 3, 4, 5, 6 C. 1, 2, 3, 4 D. 5, 6
Trên đây là toàn bộ kiến thức mà Cunghocvui muốn chia sẻ về hiện tượng vật lí quang điện ngoài và trắc nghiệm hiện tượng quang điện ngoài. Chúc các bạn có những giờ học vui vẻ!
Liên kết với Facebook
Liên kết với Google