Hiện tượng quang điện là gì và thuyết lượng tử ánh sáng

Hiện tượng quang điện là một phần kiến thức quan trọng trong chương trình học Vật lý phổ thông. Ngày nay, nó được ứng dụng vào rất nhiều sản phẩm công nghệ phục vụ cho cuộc sống của chúng ta. Sansosanh.com sẽ cùng bạn tìm hiểu kiến thức về định nghĩa hiện tượng quang điện và thuyết lượng tử ánh sáng.

Hiện tượng quang điện là gì?

Trong khái niệm về hiện tượng quang điện bao gồm hiện tượng quang điện ngoài và hiện tượng quang điện trong. Chúng ta sẽ tìm hiểu từng khái niệm cụ thể ngay sau đây:

Hiện tượng quang điện là gì?

Hiện tượng quang điện ngoài là gì? 

Đây là hiện tượng ánh sáng khiến các electron bật ra khỏi bề mặt kim loại. Hiện tượng này được gọi tắt là hiện tượng quang điện. Hiện tượng này được Héc (Hertz) phát hiện ra trong quá trình làm thí nghiệm vào năm 1887.

Hiện tượng quang điện trong là gì?

Đây là hiện tượng mà ánh sáng giải phóng các electron liên kết thành các electron dẫn. Electron được giải phóng sẽ tạo ra các lỗ trống tham gia vào việc dẫn điện. Đối với hiện tượng này các electron sẽ không bị bật ra ngoài như hiện tượng quang điện ngoài, mà chỉ chuyển động trong vật thể bán dẫn.

Các định luật quang điện 

Giới hạn quang điện (được gọi là định luật thứ nhất)

Đối với kim loại, bước sóng của ánh sáng kích thích (λ) phải ngắn hơn hoặc tương đương giá trị giới hạn quang điện  (λ0) thì hiện tượng quang điện mới xảy ra. Hay nói cách khác, hiện tượng quang dẫn chỉ xảy ra khi và chỉ khi λ ≤ λ0. 

Đa phần các kim loại thông thường như kẽm, bạc, đồng, nhôm,... chúng đều có giới hạn quang điện nằm trong miền tử ngoại. Còn đối với những kim loại kiềm thổ và kiềm như Natri, Canxi, Kali,... thường có λ0 thuộc miền ánh sáng thấy được. Mỗi kim loại sẽ có giới hạn quang điện riêng, thể hiện đặc trưng của kim loại đó.

Nội dung chính của định luật giới hạn quang điện

Định luật thứ 2 - cường độ dòng quang điện bão hoà

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

Định luật thứ 3 - động năng cực đại của quang electron

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

Những điều bạn nên biết về thuyết lượng tử ánh sáng

Để hiểu rõ hiện tượng quang điện là gì thì chúng ta không thể bỏ qua thuyết lượng tử ánh sáng. Bài viết sẽ giúp bạn biết thêm về thuyết lượng tử ánh sáng ngay sau đây:

Giả thuyết Plăng (Planck) về lượng tử năng lượng

Theo nhà vật lý người Đức Planck, năng lượng mà mỗi lần nguyên tử hay phân tử phát xạ hay hấp thụ có giá trị hoàn toàn xác định, đó được gọi là lượng tử năng lượng. Nó được kí hiệu bằng ε. Giá trị lượng tử năng lượng được tính như sau:

ε = h.f

Trong đó: f là tần số ánh bị bị hấp thụ hoặc được phát ra.

h là hằng số Planck (Plăng), h = 6,625.10^-34 J.s

Thuyết lượng tử ánh sáng

Với mục đích giải thích cho hiện tượng quang điện, nhà bác học Anhxtanh đã phát triển thêm một bước giả thuyết Planck (Plăng). Sau đó, ông đã đề xuất thuyết lượng tử ánh sáng hay còn được gọi với cái tên là thuyết phôtôn. Nội dung của thuyết này như sau:

Thuyết lượng tử ánh sáng được phát triển bởi Anhxtanh

• Chùm ánh sáng được tạo thành từ một chùm các phôtôn, nó còn được gọi là các lượng tử ánh sáng.
• Trong ánh sáng đơn sắc, mỗi phôtôn có năng lượng xác định là ε = h.f = h.c/ λ (Trong đó, f là tần số ánh sáng đơn sắc, c là vận tốc ánh sáng chân không, λ là bước sóng của ánh sáng tương ứng trong chân không).
• Trong chân không, photon bay dọc tia theo tia sáng với vận tốc c = 3.10^8 m/s.
• Mỗi khi phân tử hay nguyên tử hấp thụ hoặc phát xạ ánh sáng thì đồng nghĩa với việc chúng hấp thụ hoặc phát ra phôtôn.
• Các phôtôn không bao giờ đứng yên một vị trí, chúng luôn trong trạng thái chuyển động.

Hiện tượng quang điện được ứng dụng ra sao?

Sau khi tìm hiểu hiện tượng quang điện là gì, chắc chắn bạn sẽ tò mò nó giúp ích được gì cho cuộc sống đúng không? Hiện tượng quang điện ra đời đánh dấu một bước chuyển biến lớn trong công nghệ chế tạo. Hiện tượng này được dùng để chế tạo bào quang trong nhiều thiết bị bán dẫn điều khiển tự động,... Những ứng dụng nổi bật của hiện tượng quang điện bao gồm:

• Pin mặt trời: Đây là một thiết bị quen thuộc với chúng ta, nó còn có tên gọi là tấm năng lượng mặt trời hay tấm quang điện. Pin mặt trời được cấu tạo từ nhiều tế bào quang điện - phần tử bán dẫn chứa mộ số lượng lớn cảm biến ánh sáng điốt quang trên bề mặt. Tấm pin năng lượng mặt trời sẽ chuyển năng lượng ánh sáng sang dạng năng lượng điện.

Pin năng lượng mặt trời là một ứng dụng nổi bật của hiện tượng quang điện

• Photodiode hay còn được gọi là diode quang: Đây là một loại bán dẫn ứng dụng dụng hiện tượng quang điện để chuyển các phôtôn thành điện tích. Điốt được sử dụng phổ biến trong kỹ thuật điện tử, thiết bị đo đạc, truyền dẫn thông tin,...
• Cảm biến ghi hình ảnh: Hiện tượng quang điện được ứng dụng nhiều để chế tạo ra các cảm biến ghi hình ảnh, ví dụ cảm biến CCD. Loại cảm biến này sẽ chuyển đổi hình ảnh quang học sang tín hiệu điện trong camera. 
• Đèn nhân quang điện: Đây là loại linh kiện điện tử chân không thuộc nhóm đèn photo. Nó thực hiện cảm biến phôtôn theo hiện tượng quang điện để tạo ra điện tích. 

Bài viết trên đây đã giúp bạn biết thêm kiến thức hiện tượng quang điện là gì và những kiến thức xoay quanh hiện tượng này. Đây là một hiện tượng thường thấy và có nhiều ứng dụng hữu ích đối với lĩnh vực công nghệ, chế tạo. Đừng quên thường xuyên ghé thăm sansosanh.com để biết thêm được nhiều kiến thức bổ ích nhé!