HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN NGOÀI. CÁC ĐỊNH LUẬT QUANG ĐIỆN

I. HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN NGOÀI: (External Photoelectric Effect)

• THÍ NGHIỆM CỦA HEINRICH RUDOFT HERTZ :
  (thật ra là của WILHELM HALLWACHS, các bạn tìm hiểu cụ thể hơn ở phần VÀI NÉT VỀ LỊCH SỬ ở bên dưới)
      +) Ban đầu, tích điện âm cho tấm kẽm làm cho 2 lá điện nghiệm cùng tích điện âm nên chúng đẩy nhau và xòe ra.
      +) Chiếu tia UV vào tấm kẽm, 2 lá điện nghiệm dần khép lại do tấm kẽm bị mất điện tích âm (nếu sử dụng ánh sáng khả kiến thì không có hiện tượng).
      +) Sau khi mất hết điện tích âm được tích thêm lúc đầu, lúc này, tấm kẽm trung hòa về điện nên làm 2 lá của điện nghiệm khép lại như cũ. Tiếp tục chiếu tia UV vào tấm kẽm sẽ làm các e trên BỀ MẶT bật ra (không nhiều) làm tấm kẽm tích điện dương và 2 lá điện nghiệm lại xoè ra.
      +) Hertz cho rằng : Tia tử ngoại (có bước sóng ngắn) khi chiếu vào tấm kẽm, đã làm bật các electron ra khỏi tấm đó.

  

  Ảnh minh họa thí nghiệm

      +) Xem 2 video dưới đây về mô phỏng thí nghiệm trên :
  
  Photoelectric Effect Demonstration
  Photoelectric - hiện tượng quang điện
• HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN NGOÀI (Hiện tượng quang điện) : 
      +) Là hiện tượng ánh sáng làm bật các electron ra khỏi BỀ MẶT KIM LOẠI.
  
      +) Các electron bị bật ra khỏi bề mặt kim loại chiếu sáng gọi là QUANG ELECTRON (quang e), hay ELECTRON QUANG ĐIỆN.

II. KHẢO SÁT ĐỊNH LƯỢNG HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN:

• TẾ BÀO QUANG ĐIỆN CHÂN KHÔNG :   
      +) Có 1 bình trong suốt thường được làm bằng thạch anh, được hút chân không hoặc có áp suất thấp (10^-6 – 10^-8 mmHg).
      +) Catode : có phủ lớp vật liệu nhạy với ánh sáng (Cs₃Sb, K₂CsSb, Cs₂Te, Rb₂Te, CsTe, ...). Cs (Cesi) là một kim loại kiềm được ứng dụng phổ biến vào chế tạo tế bào quang điện.
      +) Anode : một vòng/ thanh làm bằng kim loại.

  

  Ảnh minh họa tế bào quang điện

• SƠ ĐỒ THÍ NGHIỆM :
  Xem hình vẽ :

  

  Tế bào quang điện được gắn với nguồn điện

• KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM :
      +) Dòng quang điện chỉ xuất hiện khi ánh sáng chiếu vào catode có bước sóng thích hợp (nhỏ hơn hoặc bằng giá trị λ₀). Người ta gọi λ₀ là GIỚI HẠN QUANG ĐIỆN, trị số này khác nhau với mỗi kim loại khác nhau.
      +) Với cường độ sáng nhất định, ta có đặc tuyến vôn-ampe của tế bào quang điện như sau :

  

  Chú thích : Uh : hiệu điện thế hãm
  (1) (2) (3) lần lượt ứng với công suất đèn là P3 > P2 > P1

      +) Ta có các nhận xét sau :
  - U_AK ≤ -U_h : dòng quang điện bị triệt tiêu hoàn toàn. Tuy nhiên, khi đó vẫn có electron bay ra khỏi catode nhưng bị lực điện trường do Uh gây ra đủ mạnh ngăn không cho chúng đến anode tạo thành dòng quang điện.

  

  Ảnh minh họa

  - -U_h < U_AK < U₁ : khi U tăng thì I tăng. Phần lớn quang e bay ra khỏi catode đều đến được anode, một số vẫn bị giữ lơ lửng.
  - U_AK ≥ U₁ : dù U tăng nhưng I không đổi và đạt giá trị bão hòa. Tức toàn bộ quang e bay ra khỏi catode đều đến được anode.
  - Ta có công thức sau :
  
  - Các bạn xem video Photoelectric Basics để hình dung rõ hơn về các nhận xét phía trên.

III. BA ĐỊNH LUẬT QUANG ĐIỆN :

• ĐL1 : ĐỊNH LUẬT VỀ GIỚI HẠN QUANG ĐIỆN
      +) Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi ánh sáng có bước sóng λ ≤ λ₀, λ₀ được gọi là giới hạn quang điện (GHQĐ) của kim loại đó.
  - GHQĐ của các KL trung bình, yếu (Ag, Cu, Zn) đa số nằm trong miền tử ngoại.
  - GHQĐ của các KL kiềm, KL kiềm thổ (Ca, Na, K, Cs, ...) thường nằm trong miền ánh sáng khả kiến.
  

  

  Kali cần năng lượng 2eV để bứt ra quang e
  Những bước sóng dài có năng lượng photon nhỏ hơn 2eV thì không thể gây ra hiện tượng quang điện của Kali.

• ĐL2 : ĐỊNH LUẬT VỀ CƯỜNG ĐỘ CHÙM SÁNG BÃO HÒA
      +) Với mỗi ánh sáng thích hợp, cường độ dòng điện bão hòa tỉ lệ thuận với cường độ chùm sáng kích thích 

  

  Ở hình b, ta thấy được cường độ chùm sáng càng lớn thì cường độ dòng điện bão hòa càng lớn.

• ĐL3 : ĐỊNH LUẬT VỀ ĐỘNG NĂNG CỰC ĐẠI CỦA QUANG ELECTRON
      +) Động năng cực đại của quang electron :
  - KHÔNG phụ thuộc vào CƯỜNG ĐỘ CHÙM SÁNG kích thích.
  - CHỈ phụ thuộc vào BƯỚC SÓNG ÁNH SÁNG và BẢN CHẤT KL.

  

  Quang e tạo bởi ánh sáng tím có vận tốc nhanh hơn quang e tạo bởi ánh sáng lục

IV. MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA TẾ BÀO QUANG ĐIỆN :
     +) Các thiết bị cảm biến :

Cảm biến khói thuốc lá, khí CO và các khi độc khác, ...

Cảnh báo trộm (burglar alarms / alarm system).

Cảm biến tự động mở nước ở bồn rửa tay

Cảm biến mở cửa tự động thường thấy ở các trung tâm thương mại (Automatic door openers)

    +) Phát hiện phóng xạ trong các nhà máy hạt nhân dựa trên hiện tượng "nhân quang điện - photomultiplier".

Cấu tạo trong của ống nhân quang điện

V. VÀI NÉT VỀ LỊCH SỬ :

    +) Năm 1887, Heinrich Rudolf Hertz – người Đức phát hiện ra hiện tượng quang điện khi đang nghiên cứu về sự bức xạ sóng điện từ của tia lửa điện. Ông nhận thấy rằng, nếu catode được chiếu bởi tia UV thì sẽ xuất hiện tia lửa điện cao áp đi qua khoảng cách giữa các điện cực.
    +) Năm 1888, Wilhelm Hallwachs – người Đức phát triển ý tưởng của Hertz và mới là người làm thí nghiệm như trên phần I.

    +) Năm 1902, Philip Lenard – người Đức là người tìm ra định luật 3 quang điện (ĐL về động năng cực đại của quang e)

    +) Năm 1905, Einstein đã dùng thuyết LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG của mình để giải thích cả 3 định luật quang điện và công trình đã nhận được giải thưởng Nobel Vật Lý danh giá vào năm 1921.