Hiệu ứng quang điện là gì và các định luật liên quan

Hiện ứng quang điện được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực đời sống. Tuy nhiên, khá ít người thực sự hiểu hiệu ứng quang điện là gì? Hãy để Thiết Bị Điện Goldsun giải đáp hiệu ứng quang điện là gì nhé.

Hiệu ứng quang điện là gì?

Hiệu ứng quang điện 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 làm nguyên tử chuyển sang trạng thái kích thích làm bắn electron ra ngoài. Hiệu ứng quang điện đôi khi được người ta dùng với cái tên Hiệu ứng Hertz, do nhà khoa học Heinrich Hertz tìm ra.

Việc nghiên cứu hiệu ứng quang điện đưa tới những bước quan trọng trong việc tìm hiểu về lượng tử ánh sáng và các electron, cũng như tác động đến sự hình thành khái niệm lưỡng tính sóng hạt.

Hiện tượng

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.

Sự khác biệt giữa hiệu ứng quang điện trong và hiệu ứng quang điện ngoài

Hiệu ứng quang điện có 2 loại: Hiện tượng quang điện trong và ngoài. Vậy, 2 hiệu ứng này có gì khác biệt?

Hiệu ứng quang điện trong

Hiệu ứng quang điện trong được hiểu là hiện tượng ánh sáng giải phóng các electron liên kết, biến chúng thành electron có tính dẫn, cùng lúc đó tạo thành các lỗ trống, tham gia vào quá trình dẫn điện. Một số đặc điểm của hiệu ứng quang điện trọng:

• Electron chỉ di chuyển trong khối kim loại mà không bị bật ra ngoài.
• Điều kiện xảy ra: khi năng lượng photon ánh sáng lớn hơn hoặc bằng năng lượng kích thích để giải phóng electron.
• Bước sóng ánh sáng kích thích nhỏ hơn hoặc bằng bước sóng giới hạn của mỗi chất bán dẫn.

Hiệu ứng quang điện ngoài

Hiệu ứng quang điện ngoài được hiểu là hiệu tượng ánh sáng kích thích và tấm kim loại, làm bật các electron ra khỏi bề mặt. Đặc điểm của hiệu tượng quang điện ngoài khác hoàn toàn với cách tạo ra dòng điện của hiệu ứng quang điện trong.

Yêu cầu tấm vật liệu/ kim loại cần được tích điện âm từ trước. Sau đó, chiếu chùm sáng hồ quang hay đèn thủy ngân kích thích vào bề mặt tích điện, đều xuất hiện hiện tượng này.

Các định luật liên quan đến hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện có nhiều định luật liên quan. Cụ thể, các định luật quang điện như sau:

Định luật về giới hạn quang điện

Định luật giới hạn quang điện hay định luật quang điện thứ nhất: Khi ánh sáng có bước sóng nhỏ hơn bước sóng giới hạn, chỉ có thể làm bật e ra khỏi kim loại. Trong đó: Giới hạn quang điện phụ thuộc vào bản chất của kim loại.

Thuyết lượng tử ánh sáng

Thuyết Plăng cho rằng: Năng lượng của 1 nguyên tử hoặc 1 phân tử hấp thụ sẽ được xác định bằng công thức ∊ = h.f. Với ∊ là lượng tử năng lượng, h là hằng số Plăng, f là tần số ánh sáng.

Thuyết lượng tử ánh sáng:

• Ánh sáng được tạo thành từ các hạt photon.
• Mỗi ánh sáng đơn sắc có tần số f đều có hạt photon mang năng lượng giống nhau.
• Trong môi trường chân không, hạt photon bay dọc theo sánh sáng, với tốc độ c = 3.108 m/s.
• Trường hợp 1 nguyên tử hoặc 1 phân tử phát xạ hoặc hấp thụ ánh sáng, đồng thời nguyên tử hoặc phân tử đó sẽ hấp thụ hoặc phát ra 1 photon.
• Khi ánh sáng truyền đi, lượng tử ánh sáng không thay đổi hoặc không phụ thuộc vào khoảng cách đến nguồn sáng.
• Mặc dù năng lượng lượng tử ánh sáng rất nhỏ, nhưng trong 1 chùm sáng lại có rất nhiều hạt photon nên ta sẽ có chùm sáng liên tục.

Lịch sử của hiệu ứng quang điện

Alexandre Edmond Becquerel lần đầu tiên quan sát thấy hiệu ứng quang điện xảy ra với một điện cực được nhúng trong dung dịch dẫn điện được chiếu sáng vào năm 1839. Năm 1873, Willoughby Smith phát hiện rằng selen (Se) có tính quang dẫn.

Năm 1887, Heinrich Hertz quan sát thấy hiệu ứng quang điện ngoài đối với các kim loại (cũng là năm ông thực hiện thí nghiệm phát và thu sóng điện từ.

Sau đó Aleksandr Grigorievich Stoletov (Александр Григорьевич Столетов, 1839-1896)) đã tiến hành nghiên cứu một cách tỉ mỉ và xây dựng nên các định luật quang điện.

Một trong các công trình của Albert Einstein xuất bản trên tạp chí Annal der Physik đã lý giải một cách thành công hiệu ứng quang điện cũng như các định luật quang điện dựa trên mô hình hạt ánh sáng, theo Thuyết lượng tử vừa được công bố vào năm 1900 của Max Planck.

Các công trình này đã dẫn đến sự công nhận về bản chất hạt của ánh sáng, và sự phát triển của lý thuyết lưỡng tính sóng – hạt của ánh sáng.

Ứng dụng của hiệu ứng quang điện

• Pin mặt trời, photodiode, phototransistor…
• Các cảm biến ghi ảnh (ví dụ như cảm biến CCD sử dụng trong các camera)
• Các cảm biến quang học
• Các đèn nhân quang điện,…

Hiệu ứng quang điện là một hiện tượng phổ biến, quan trọng và có tính ứng dụng cao trong đời sống. Tìm hiểu kỹ về hiệu ứng này, cơ chế diễn ra của hiện tượng cũng như các định luật sẽ giúp bạn ứng dụng quang điện một cách hiệu quả hơn. Hy vọng những thông tin trên đây của Thiết Bị Điện Goldsun sẽ giúp bạn đọc hiểu rõ về hiện tượng quang điện trong đời sống.