Một hiện tượng thú vị trong lĩnh vực vật lý là hiện tượng quang điện. Hiện tượng này đã được các nhà khoa học nghiên cứu và giải thích bằng thuyết lượng tử ánh sáng. Trước khi đi vào chi tiết, chúng ta hãy tìm hiểu về hiện tượng quang điện.
Mục lục
Hiện tượng quang điện
Hiện tượng quang điện là hiện tượng khi ánh sáng chiếu vào một bề mặt kim loại, các electron trong kim loại sẽ bị bật ra khỏi bề mặt đó. Tuy nhiên, hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi ánh sáng có tần số nhất định và các điều kiện khác được đáp ứng.
Thí nghiệm Hertz về hiện tượng quang điện
Một thí nghiệm nổi tiếng về hiện tượng quang điện là thí nghiệm của Hertz. Trong thí nghiệm này, một tấm kẽm được tích điện âm đặt trên một điện cực, sau đó ánh sáng hồ quang được chiếu vào tấm kẽm. Kết quả là hai lá kim loại của điện nghiệm xòe ra. Tuy nhiên, nếu ban đầu ta tích điện dương cho tấm kẽm hoặc chắn chùm ánh sáng hồ quang bằng một tấm thủy tinh, hiện tượng quang điện không xảy ra.
Lý do hiện tượng không xảy ra trong trường hợp này là do hai nguyên nhân sau:
-
Nếu ta tích điện dương cho tấm kẽm, tấm kẽm sẽ thiếu electron. Khi chiếu chùm ánh sáng vào tấm kẽm, electron sẽ được bật ra nhưng ngay lập tức bị tấm kẽm hút trở lại theo định luật Coulomb. Do đó, điện tích của tấm kẽm không đổi và hai lá kim loại của điện nghiệm vẫn xòe ra.
-
Tia tử ngoại trong chùm hồ quang bị thủy tinh hấp thụ mạnh, do đó ánh sáng đến được tấm kẽm chỉ là các bức xạ đơn sắc có bước sóng dài. Điều này chứng tỏ hiện tượng bật electron ra khỏi tấm kẽm chỉ xảy ra với các bức xạ tử ngoại có bước sóng ngắn.
Từ thí nghiệm này, chúng ta có thể rút ra hai kết luận sau:
- Hiện tượng ánh sáng làm bật electron ra khỏi bề mặt kim loại được gọi là hiện tượng quang điện.
- Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra với một số bức xạ đơn sắc nhất định.
Định luật về giới hạn quang điện
Đối với mỗi loại kim loại, để gây ra hiện tượng quang điện, ánh sáng kích thích phải có tần số nhỏ hơn hoặc bằng giới hạn quang điện của kim loại đó. Điều này có nghĩa là không phải loại ánh sáng nào cũng có thể gây ra hiện tượng quang điện trên mọi loại kim loại.
Ví dụ:
- Giới hạn quang điện của các kim loại thông thường như bạc, đồng, kẽm, nhôm nằm trong miền tử ngoại.
- Giới hạn quang điện của các kim loại kiềm, kiềm thổ như canxi, natri, xêsi, kali nằm trong miền ánh sáng thấy được.
Thuyết lượng tử ánh sáng
Để giải thích hiện tượng quang điện, nhà khoa học đã đưa ra thuyết lượng tử ánh sáng. Thuyết lượng tử ánh sáng bao gồm hai phần quan trọng: giả thuyết Plăng và thuyết lượng tử ánh sáng.
Giả thuyết Plăng
Theo giả thuyết Plăng, mỗi lần một nguyên tử hoặc phân tử hấp thụ hoặc bức xạ ánh sáng, năng lượng của nó có giá trị xác định và bằng hf, trong đó h là hằng số Plăng và f là tần số của ánh sáng tương ứng.
Thuyết lượng tử ánh sáng
- Ánh sáng được tạo thành từ các hạt gọi là phôtôn.
- Trong một chùm ánh sáng đơn sắc có tần số f, mỗi phôtôn có một năng lượng không đổi, tỉ lệ thuận với tần số f.
- Trong chân không, phôtôn di chuyển với tốc độ c = 3.108 m/s theo tia sáng.
- Mỗi lần nguyên tử hoặc phân tử phát xạ hoặc hấp thụ, chúng phát xạ hoặc hấp thụ một phôtôn.
- Phôtôn chỉ tồn tại trong trạng thái chuyển động, không thể đứng yên.
Giải thích định luật về giới hạn quang điện bằng thuyết lượng tử ánh sáng
Theo giả thiết của thuyết lượng tử ánh sáng, mỗi lần một nguyên tử hoặc phân tử ở bề mặt kim loại hấp thụ một phôtôn, năng lượng này được sử dụng để:
- Cung cấp năng lượng để bật electron ra khỏi liên kết với hạt nhân nguyên tử. Năng lượng này được gọi là công thoát.
- Phần năng lượng còn lại biến thành động năng của electron khi thoát khỏi kim loại.
Theo định luật bảo toàn năng lượng, công thoát và động năng cần bằng tổng năng lượng của phôtôn. Vì vậy, có thể suy ra điều kiện để hiện tượng quang điện xảy ra là công thoát phải bằng hoặc nhỏ hơn năng lượng của phôtôn. Ta có công thức tính công thoát của kim loại là:
Công thoát = hf – Ne.Uh
Trong đó, f là tần số ánh sáng, N là số mỏi kim loại, Uh là hiệu điện thế hãm (hiệu điện thế UAK vừa đủ để làm triệt tiêu dòng quang điện).
Lưỡng tính sóng – hạt của ánh sáng
Từ các thí nghiệm về nhiễu xạ ánh sáng và giao thoa ánh sáng, chúng ta thấy ánh sáng có tính chất sóng. Tuy nhiên, từ thí nghiệm về hiện tượng quang điện, chúng ta cũng thấy ánh sáng có tính chất hạt. Vì vậy, ta có thể nói rằng ánh sáng có lưỡng tính sóng – hạt.
Chú ý: Dù ánh sáng có tính chất sóng hay hạt, ánh sáng vẫn có bản chất điện từ.
Đây là những điểm cơ bản về hiện tượng quang điện và giải thích của nó dựa trên thuyết lượng tử ánh sáng. Hi vọng bạn đã hiểu rõ hơn về hiện tượng này.
