Hiện tượng quang điện là hiện tượng gì? Ứng dụng trong đời sống

Trong chương trình vật lý cấp 2 và cấp 3, chúng ta đã được tiếp cận với kiến thức liên quan đến hiện tượng quang điện. Đây là một hiện tượng thường thấy và được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực công nghệ đời sống. Vậy bạn hiểu như thế nào về hiện tượng này? Và ứng dụng của nó trong cuộc sống như thế nào? Hãy cùng mayvesinhmienbac.com.vn tìm hiểu kỹ hơn về hiện tượng này qua nội dung bài viết dưới đây nhé!

Hiện tượng quang điện là hiện tượng gì?

Hiện tượng quang điện gồm có hiện tượng quang điện trong và hiện tượng quang điện ngoài. Dưới đây chúng tôi sẽ giải thích chi tiết về khái niệm của mỗi hiện tượng này!

Hiện tượng quang điện trong

Hiện tượng quang điện trong là gì?

Hiện tượng quang điện trong là hiện tượng mà ánh sáng giải phóng các electron liên kết biến chứng thành các electron dẫn, đồng thời cùng tạo ra các lỗ trống cùng tham gia vào quá trình dẫn điện. 

Chú ý: các electron dẫn chỉ chuyển động bên trong khối chất bán dẫn mà không bị bứt ra ngoài giống như hiện tượng quang điện ngoài. Đây cũng chính là lý do mà người ta gọi hiện tượng này là hiện tượng quang điện trong.

Điện kiện xảy ra hiện tượng quang điện trong

Điều kiện để hiện tượng quang điện trong xảy ra là:

• Năng lượng phôtôn của ánh sáng kích thích phải lớn hơn hoặc bằng với năng lượng kích hoạt A (là năng lượng cần thiết để giải phóng electron liên kết thành những electron dẫn): ε ≥ A
• Bước sóng λ của ánh sáng kích thích phải nhỏ hơn hoặc bằng một bước sóng giới hạn 0 với mỗi chất bán dẫn, bước sóng giới hạn λ₀ này được gọi là giới hạn quang dẫn.

Nói ngắn gọn: “Hiện tượng quang điện trong chỉ xảy ra ⇔ λ = λ_0” 

Giới hạn quang dẫn của đa số các chất bán dẫn đều nằm trong miền hồng ngoại. Vì vậy, chỉ cần dùng ánh sáng kích thích là ánh sáng thấy được là đủ để xảy ra hiện tượng quang dẫn.

Hiện tượng quang điện ngoài

Hiện tượng quang điện ngoài là gì?

Đây là hiện tượng chiếu ánh sáng có bước sóng thích hợp vào kim loại làm bật các electron ra khỏi bề mặt của kim loại. Ánh sáng chiếu vào kim loại được gọi là ánh sáng (hoặc bức xạ) kích thích.

Chứng minh qua thí nghiệm

Hiện tượng này đã được minh chứng bởi thí nghiệm sau:

Cọ xát một chiếc thước nhựa vào vải để thước nhựa tích điện âm. Rồi sau đó cho tiếp xúc với một tấm kim loại (Kẽm – Zn) gắn với tĩnh điện kế. Ta thấy kim của tĩnh điện kế đã bị lệch => chứng tỏ tấm kim loại Zn đã tích điện âm (hiện tượng nhiễm điện do tiếp xúc). Đợi cho kim của điện kế chỉ giá trị ổn định, trong ánh sáng bình thường ở phòng thí nghiệm kim điện kế dường như không đổi => không có hiện tượng gì xảy ra.

Chiếu ánh sáng từ đèn thủy ngân => kim điện kế lệch về giá trị 0 => điện tích âm trên tấm kim loại mất đi => electron (mang điện âm) đã thoát khỏi bề mặt kim loại ra bên ngoài môi trường xung quanh.

Thay tấm kim loại Zn bằng một tấm kim loại khác, thay ánh sáng của đèn thủy ngân bằng ánh sáng hồ quang tiến hành thí nghiệm tương tự ta cũng thu được hiện tượng như trên.

Thuyết lượng tử ánh sáng

Thuyết lượng tử ánh sáng là một phần không thể thiếu khi nhắc đến hiện tượng quang điện. Vậy, hãy cùng chúng tôi tiếp tục tìm hiểu về thuyết lượng tử ánh sáng nhé!

Giả thuyết Plăng

Lượng năng lượng mà mỗi lần các nguyên tử hoặc phân tử hấp thụ hoặc bức xạ có một giá trị hoàn toàn xác định và bằng hf. 

Trong đó: h = 6,625.10 – 34 J.s là hằng số Plăng

      f là tần số của ánh sáng thích ứng với bức xạ đang xét (Hz).

Thuyết lượng tử ánh sáng

• Ánh sáng được tạo thành bởi các hạt có tên gọi là phôtôn.
• Trong chùm ánh sáng đơn sắc mà có tần số f thì mỗi phôtôn có một năng lượng không đổi là ε = hf = hc / λ

Trong đó: c là vận tốc ánh sáng ở trong chân không

λ là bước sóng trong chân không của ánh sáng đang được xét

• Trong chân không, photon bay với tốc độ là c = 3.10⁸ m/s dọc theo tia sáng.
• Mỗi lần nguyên tử hoặc phân tử phát xạ hoặc hấp thụ thì chúng phát xạ và hấp thụ một phôtôn.
• Phôtôn chỉ tồn tại trong trạng thái chuyển động và không có phôtôn đứng yên.

Giải thích định luật về giới hạn hiện tượng quang điện bằng thuyết lượng tử ánh sáng

Theo Anhxtanh, mỗi lần nguyên tử hoặc phân tử ở bề mặt kim loại hấp thụ một phôtôn thì nó dùng năng lượng này vào hai việc chính:

• Cung cấp một một năng lượng A để bứt electron ra khỏi liên kết với hạt nhân nguyên tử. Năng lượng này chính là công thoát.
• Phần năng lượng còn lại biến đổi thành động năng của electron khi bứt khỏi kim loại.

Như vậy, theo định luật bảo toàn năng lượng thì ε ≥ A

Vì ε = hc/λ nên = λ = hc/A

Đặt λ₀= hc/A là giới hạn quang điện của kim loại đang xét.

Ta suy được điều kiện để xảy ra hiện tượng quang điện là λ ≤ λ₀

Như vậy công thức tính công thoát của kim loại là A = hc/λ₀

Các định luật hiện tượng quang điện

Hiện tượng quang điện gồm có 3 định luật chính như sau:

Định luật thứ nhất: Định luật về giới hạn quang điện

Mỗi kim loại đặc trưng bởi một bước sóng λ₀ gọi là giới hạn quang điện. Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi có bước sóng kích thích nhỏ hơn hoặc bằng giới hạn quang điện λ ≤ λ₀.

Kim loại kiềm (Na, K,…) và kiềm thổ (Ca,…) được giới hạn quang điện trong vùng ánh sáng nhìn thấy. Các kim loại khác (Cu, Zn, Ag, Al,…) được giới hạn quang điện trong vùng ánh sáng tử ngoại.

Sau đây là bảng giới hạn quang điện của một số kim loại:

Định luật thứ hai: Định luật về cường độ dòng điện bão hoà

Với mỗi ánh sáng thích hợp (nghĩa là có bước sóng λ ≤ λ0) thì cường độ dòng quang điện bão hòa có tỉ lệ thuận với cường độ của chùm ánh sáng kích thích.

Định luật thứ ba: Định luật về động năng cực đại của electron

Động năng lúc đầu cực đại của electron không phụ thuộc vào cường độ chùm sáng kích thích, mà nó chỉ phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng kích thích và bản chất của kim loại.

Ứng dụng của hiện tượng quang điện trong cuộc sống

Sự phát hiện ra hiện tượng quang điện được xem là bước phát triển mới trong công nghệ chế tạo. Hiện tượng này được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực của đời sống như:

• Chế tạo pin mặt trời:

Đây là một trong số những ứng dụng phổ biến của hiện tượng quang điện. Pin mặt trời, tấm năng lượng mặt trời hay tấm quang điện có tác dụng chuyển năng lượng ánh sáng mà chúng thu về thành điện năng. Bề mặt của tấm năng lượng này được chế tạo từ nhiều tế bào quang điện và phần tử bán dẫn. 

• Chế tạo quang điện trở:

Quang điện trở là loại điện trở được làm từ chất quang dẫn. Nó được cấu tạo gồm một sợi dây làm bằng chất quang dẫn gắn trên một đế cách điện.

• Chế tạo điốt (Photodiode)

Là loại điốt bán dẫn thực hiện để chuyển đổi photon thành điện tích dựa trên hiệu ứng quang điện. Nó được ứng dụng phổ biến trong kỹ thuật điện tử, thiết bị đo đạc, truyền dẫn thông tin,…

• Chế cảm biến ghi hình ảnh

Hiện tượng quang dẫn còn được ứng dụng để tạo ra các cảm biến ghi hình ảnh như CCD. Cảm biến này giúp chuyển đổi hình ảnh quang học sang tín hiệu điện sử dụng trong thiết bị camera.

• Chế tạo đèn nhân quang điện

Đây là một linh kiện điện tử chân không nằm trong đèn photo. Thiết bị này thực hiện cảm biến photon theo hiện tượng quang điện từ đó tạo ra được điện tích.

Trên đây là một số kiến thức liên quan đến khái niệm, định luật và ứng dụng của hiện tượng quang điện. Đây là một hiện tượng thường thấy và có vai trò quan trọng đối với nhiều lĩnh vực công nghệ và chế tạo. Các bạn hãy thường xuyên ghé thăm mayvesinhmienbac.com để cập nhật kiến thức hay mỗi ngày nhé!