Hiệu ứng quang điện và bản chất hạt của ánh sáng

Năm 1905, Albert Einstein (1879–1955) đề xuất rằng ánh sáng được mô tả như lượng tử năng lượng hoạt động như các hạt. Một photon là một hạt bức xạ điện từ có khối lượng bằng không và mang một lượng tử năng lượng. Năng lượng của photon ánh sáng được lượng tử hóa theo  phương trình E =  hv. Trong nhiều năm, ánh sáng chỉ được mô tả bằng cách sử dụng các khái niệm sóng, và các nhà khoa học được đào tạo về vật lý cổ điển nhận thấy tính hai mặt sóng-hạt của ánh sáng là một ý tưởng khó chấp nhận. Một thí nghiệm quan trọng được Einstein giải thích bằng cách sử dụng bản chất hạt của ánh sáng được gọi là hiệu ứng quang điện.

Hình minh họa hiệu ứng quang điện: Các quang điện tử được phát ra từ bề mặt kim loại khi có ánh sáng chiếu vào nó. Các electron được tách ra khỏi kim loại theo cách này được gọi là quang điện tử, mỗi electron chỉ có thể hấp thụ một photon duy nhất
Hình minh họa hiệu ứng quang điện: Các quang điện tử được phát ra từ bề mặt kim loại khi có ánh sáng chiếu vào nó. Các electron được tách ra khỏi kim loại theo cách này được gọi là quang điện tử, mỗi electron chỉ có thể hấp thụ một photon duy nhất

Hiệu ứng quang điện là hiện tượng xảy ra khi ánh sáng chiếu vào bề mặt kim loại gây ra hiện tượng electron ra khỏi kim loại đó. Người ta quan sát thấy rằng chỉ có một số tần số ánh sáng nhất định mới có thể gây ra sự phóng ra của các electron. Nếu tần số của ánh sáng tới quá thấp (ví dụ như ánh sáng đỏ), thì không có electron nào bị đẩy ra ngay cả khi cường độ của ánh sáng rất cao hoặc nó được chiếu vào bề mặt trong một thời gian dài. Nếu tần số của ánh sáng cao hơn (ví dụ như ánh sáng xanh lục), thì các electron có thể bị đẩy ra khỏi bề mặt kim loại ngay cả khi cường độ của ánh sáng rất thấp hoặc nó chỉ được chiếu trong một thời gian ngắn. Tần số tối thiểu cần thiết để gây ra hiện tượng phóng điện tử được gọi là tần số giới hạn.

Vật lý cổ điển không thể giải thích hiệu ứng quang điện. Nếu vật lý cổ điển áp dụng vào tình huống này, electron trong kim loại cuối cùng có thể thu thập đủ năng lượng để đẩy ra khỏi bề mặt ngay cả khi ánh sáng tới có tần số thấp. Einstein đã sử dụng lý thuyết hạt của ánh sáng để giải thích hiệu ứng quang điện như trong hình dưới đây.

Xét phương trình E =  hv . Các E  là năng lượng tối thiểu là cần thiết để cho electron của kim loại được đẩy ra. Nếu tần số của ánh sáng tới, v , thấp hơn tần số ngưỡng, sẽ không bao giờ có đủ năng lượng để khiến electron bị đẩy ra. Nếu tần số bằng hoặc cao hơn tần số ngưỡng, các electron sẽ bị đẩy ra.

Khi tần số tăng lên quá ngưỡng, các electron bị đẩy ra sẽ di chuyển nhanh hơn. Sự gia tăng cường độ của ánh sáng tới cao hơn tần số ngưỡng làm cho số lượng các electron bị đẩy ra tăng lên, nhưng chúng không di chuyển nhanh hơn nữa. Hiệu ứng quang điện được áp dụng trong các thiết bị gọi là tế bào quang điện, thường thấy trong tấm pin mặt trời để tạo ra điện.

Quan sát hiệu ứng quang điện

Thiết lập điển hình của thí nghiệm kính điện lá vàng
Thiết lập điển hình của thí nghiệm kính điện lá vàng
  • Hiệu ứng quang điện có thể quan sát được trên kính điện lá vàng
  • Một tấm kim loại, thường là kẽm, được gắn với một lá vàng, ban đầu mang điện tích âm, làm cho nó bị đẩy bởi một thanh mang điện tích âm ở giữa. Điều này gây ra điện tích âm, hoặc các điện tử, tích tụ trên tấm kẽm
  • Tia UV được chiếu vào tấm kim loại, dẫn đến sự phát xạ các quang điện tử. Điều này làm cho các điện tử thừa trên thanh trung tâm và lá vàng bị loại bỏ, do đó, lá vàng bắt đầu rơi trở lại thanh trung tâm. Điều này là do chúng trở nên ít tích điện âm hơn, và do đó ít đẩy lùi

Một số nhận xét đáng chú ý:

    • Đặt nguồn sáng UV gần tấm kim loại làm cho lá vàng rơi nhanh hơn
    • Sử dụng nguồn sáng có tần số cao hơn không làm thay đổi tốc độ rơi của lá vàng
    • Sử dụng nguồn sáng dây tóc không làm thay đổi vị trí của lá vàng
    • Sử dụng một tấm tích điện dương cũng không làm thay đổi vị trí của lá vàng

Công ty TNHH Năng lượng Quang Điện chuyên lắp điện năng lượng mặt trời, Chúng tôi cung cấp tới khách hàng các hệ thống điện mặt trời đạt tiêu chuẩn tốt nhất, cho hiệu suất cao, vận hành bền bỉ, an toàn và đảm bảo thẩm mỹ với giá thành hợp lý.

Công ty TNHH Năng lượng Quang Điện

Địa chỉ: Phòng 746 CT10A – Khu đô thị Đại Thanh – Thanh Trì – Hà Nội

Liên hệ: 0973.356.328

5/5 - (2 bình chọn)

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai.

  • Liên Hệ 0973.356.328