Bg vat ly dai cuong phan 2 4346

Chương DỊNG ĐIỆN KHƠNG ĐỔI 6.1 NHỮNG KHÁI NIỆM MỞ ĐẦU 6.1.1 Định nghĩa dịng điện Trong mơi trường dẫn điện điện tích tự ln ln chuyển động hỗn loạn Dưới tác dụng điện trường điện tích tự chuyển động có hướng: điện tích dương chuyển động chiều điện trường, tích âm chuyển động ngược chiều điện trường Dịng hạt điện tích chuyển động có hướng tác dụng điện trường gọi dòng điện Theo quy ước chiều dòng điện chiều chuyển dời hạt điện tích dương ngược chiều với chiều chuyển động hạt điện tích âm 6.1.2 Bản chất dịng điện mơi trường Bản chất dịng điện mơi trường khác khác (Hình 6.1) Thực ta biết kim loại nguyên tử liên kết chặt chẽ với tạo thành mạng tinh thể kim loại Các ion dương dao động xung quanh nút mạng, dòng điện tử tự (electron tự do) chuyển động hỗn loạn không gian nút mạng Dưới tác dụng điện trường điện tử tự chuyển động tạo dịng điện (Hình 6.1.a) Hình 6.1 Trái lại chất điện phân chưa có điện trường phân tử chất điện phân tương tác với tự phân ly thành ion dương, ion âm Dưới tác dụng điện trường ion chuyển động tạo dịng điện (Hình 6.1.b) Khối lượng m chất giải phóng điện cực bình điện phân tính theo cơng thức: 49 m(g) = A It F n (6.1) Trong F số gọi số Farađây: F = 96500C/mol, A khối lượng mol nguyên tử chất thu điện cực Đối với chất khí trạng thái bình thường phân tử khí trạng thái trung hồ điện Tuy nhiên có kích thích bên ngồi phân tử khí giải phóng điện tử thành ion dương Các điện tử giải phóng số trạng thái tự do, số kết hợp với ngun tử trung hồ khác thành ion âm Khi có điện trường ion dương, ion âm, điện tử chuyển động tạo dịng điện (Hình 6.1.c) Chân khơng vốn khơng có hạt mang điện Nó dẫn điện đưa electron vào Dòng điện chân khơng dịng chuyển dời có hướng electron bứt từ catốt bị nung nóng tác dụng điện trường Đặc điểm dòng điện chân khơng chạy theo chiều định từ anơt sang catơt Dịng điện bán dẫn dịng dịch chuyển có hướng electron tự lỗ trống tác dụng điện trường Tuỳ theo tạp chất pha vào bán dẫn tinh khiết mà bán dẫn thuộc hai loại bán dẫn loại n bán dẫn loại p Dòng điện bán dẫn loại n chủ yếu dòng electron, bán dẫn loại p chủ yếu dòng lỗ trống 6.1.3 Tác dụng dịng điện Tuy có chất khác dòng điện có tác dụng đặc trưng giống tác dụng nhiệt, tác dụng từ, tác dụng sinh lý, tác dụng học, Các tác dụng ứng dụng nhiều y học 6.2 NHỮNG ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CỦA DỊNG ĐIỆN 6.2.1 Cường độ dịng điện Xét điện tích S nằm mơi trường có dịng điện chạy qua (Hình 6.2) Cường độ dịng điện qua diện tích S đại lượng có trị số điện lượng chuyển qua diện tích đơn vị thời gian Hình 6.2 50 i= dq dt (6.2) Từ suy điện lượng q qua diện tích S thời gian t là: t t 0 q= ∫ dq= ∫ i.dt (6.3) Nếu i có phương chiều độ lớn khơng đổi theo thời gian dịng điện gọi dịng điện không đổi từ (2) i = I = hs Ta có: t q= ∫ i.dt=I.t (6.4) Trong hệ SI đơn vị cường độ dòng điện Ampe (A), đơn vị diện tích q Culơng (C) Ngồi thực tế dùng: Kilo Ampe: 1kA = 103 A Mili Ampe: 1mA = 10-3 A Micro Ampe: μ A = 10-6A 6.2.2 Véctơ mật độ dòng điện Cường độ dòng điện đặc trưng cho độ mạnh yếu dịng điện qua diện tích đó, chưa đặc trưng cho độ mạnh yếu dòng điện điểm mơi trường, ngồi cường độ dòng điện chưa cho ta biết phương, chiều dịng điện Vì vậy, ngồi cường độ dịng điện người ta dùng đại lượng vật lý khác để đặc trưng cho dịng điện vectơ mật độ dòng điện 6.2.2.1 Định nghĩa G Véctơ mật độ dòng điện j điểm M mơi trường có dịng điện vectơ có gốc M, có phương chiều phương chiều điện tích dương chuyển động qua điểm đó, có độ lớn cường độ dịng điện qua đơn Hình 6.3 vị diện tích đặt vng góc với phương chuyển động (Hình 6.3) Về độ lớn ta có: j= dI dSn (6.5) Từ (4) ta suy cường độ dòng điện qua diện tích vng góc Sn là: 51 I= ∫ dI= ∫ j.d.Sn Sn (6.6) Sn Nếu mặt Sn mà j = const Ta có: I=j.Sn Để tính cường qua điện tích S ta phải chia diện tích S thành phần tử dS Sao cho dS, j khơng đổi Gọi dSn hình chiếu dS phương G vng góc với j ; rõ ràng cường độ dòng điện qua dSn cường độ qua dS Ta có: Hình 6.4 dI=j.dSn = j.dS.cos α Vì: j.cos α = jn G G G jn hình chiếu j pháp tuyến n dS Nên dựng dS vectơ G có phương pháp tuyến n , có độ lớn giá trị dS Theo tốn học ta có: G G dI= j.dS G G I= ∫ dI= ∫ j.dS s s (6.7) G Trong hệ SI đơn vị j là: A/m2 6.2.2.2 Sự liên hệ véctơ mật độ dòng điện véctơ vận tốc điện tích chuyển động Nếu gọi n0 mật độ điện tích tự q độ lớn hạt điện tích, v độ lớn vận tốc hạt j, n0, q , v có mối liên hệ với Thực đơn vị thời gian số hạt điện tích qua dSn là: dn = n0 v.dSn Do cường độ dI qua dSn là: dI= n v.dSn q j= dI = n q v dSn Hình 6.5 Ta biểu diễn dạng tổng quát sau: G G j = n q.v (6.8) Dễ dàng nhận thấy (7) cho hạt mang điện tích dương điện tích âm 52 Thật vậy: G G q > → j chiều v G G q < → j ngược chiều v 53 Chương TỪ TRƯỜNG DÒNG ĐIỆN KHƠNG ĐỔI 7.1 Thí nghiệm tương tác từ dòng điện Ta biết xung quanh nam châm xuất từ trường Nhờ từ trường mà nam châm tương tác với (các cực dấu đẩy nhau, khác dấu hút nhau) Tương tác nam châm với gọi tương tác từ Các thí nghiệm sau chứng tỏ dịng điện có từ tính nam châm, nghĩa xung quanh dịng điện xuất từ trường 7.1.1.Thí nghiệm 1: Đặt kim nam châm tự kim nam châm luôn theo hướng Bắc Nam Căng sợi dây dẫn cho phương sợi dây song song với trục nam châm (hình 7.1a) Nếu cho dịng điện khơng đổi qua sợi dây kim nam châm bị quay góc (hình 7.1b) Hình 7.1 7.1.2 Thí nghiệm Đưa nam châm thẳng vào gần ống dây dẫn có dịng điện chạy thấy nam châm hút đẩy ống dây (hình 7.2) 7.1.3 Thí nghiệm Có hai dây dẫn đặt song song với Nếu cho Hình 7.2 dịng điện chạy qua hai dây dẫn chiều thấy hai dây dẫn hút nhau, dịng điện chạy ngược chiều hai dây dẫn đẩy (Hình 7.3) 7.1.4 Kết luận Qua nhiều thí nghiệm chứng tỏ nam châm tác dụng lên nam châm giống dòng điện tác dụng lên nam cham, hay nam châm tác dụng lên dòng điện dịng điện tác dụng lên dịng điện 54 Hình 7.3 Vậy xung quanh nam châm xung quanh dây dẫn có dịng điện chạy qua xuất từ trường Tương tác nam châm với nam châm, dòng điện với dòng điện, hay nam châm với dòng điện có chất gọi tương tác từ 7.2 Định luật ampe (amper) tương tác từ dòng điện 7.2.1 Phần tử dòng điện Trên dây dẫn có dịng điện I chạy qua ta thấy đoạn nhỏ MN, MN coi thẳng, phần tử dịng điện MN JG JG định nghĩa là: I dl dl véctơ có độ dài MN, có chiều chiều dịng điện I chạy dây dẫn (Hình 7.4) Hình 7.4 7.2.2 Định luật Ampe 7.2.2.1 Trong chân không Giả sử chân khơng có dịng điện I, I0 Trên dây dẫn có cường độ I, JG O ta thấy phần tử dịng điện I dl , dây dẫn có cường độ I0 ta lấy phần tử dòng điện I0 ta lấy JJG phần tử dòng điện I0 dl0 điểm M Kẻ vectơ G JJJJG r = OM JG G Dựng mặt phẳng P chứa I dl r Tại G M kẻ pháp tuyến n với mặt phẳng P cho JG G G thứ tự véctơ I dl , r , n lập thành tam Hình 7.5 diện thuận JG G JJG G Gọi θ góc I dl r , θ góc I0 dl0 n (Hình 7.5) JG JJG Qua thực nghiệm chứng tỏ lực tác dụng phần tử I dl lên phần tử I0 dl0 JJJG lực dF0 G JJG - Có phương vng góc với phần tử I0 dl0 vng góc với n JJG G JJJG - Có chiều cho thứ tự ba vectơ I0 dl0 , n dF0 lập thành tam diện thuận - Có độ lớn: dF0= K I.dl.sin.θ.I0 dl0 sinθ r2 (7.1) 55 K: hệ số tỷ kệ hệ SI: K = μ0 4π μ gọi số từ có giá trị: μ = 4π 10−7 H (henri/met) m Ta biểu diễn biểu thức toán học tổng quát sau: G G JJJG μ (I dl ) ∧ (I.dl ∧ Gr) 0 dF0 = 4π r3 (7.2) 7.2.2.2 Trong môi trường Thực nghiệm chứng tỏ, hai phần tử dịng điện đặt mơi trường, khoảng cách so với chúng đặt chân khơng lực tác dụng thay đổi μ lần JJG JJJG dF = μ.dF0 (7.3) μ gọi độ từ thẩm mơi trường Nếu μ >1 mơi trường gọi chất thuận từ μ > d điểm M xét gần O2 tia S1M S2M có độ nghiêng bé so với phương O1O2 Vì coi L2 + L1 ≈ D công thức (7.20) viết : L2 − L1 ≈ d x D (10.21) Kết hợp với điều kiện để có cực đại giao thoa (7.7) cực tiểu giao thoa (7.8) ta có: 91 d X max = k λ0 D X max = k λ d X = (2 k + 1) D λ0 D (10.22) d (2k + 1) ⋅ λ0 D X mim = (10.23) d Khi k = xmax = nên điểm O2 ta có vân sáng gọi vân sáng giữa, vân sáng tối khác xen kẽ đối xứng qua vân sáng Từ (10.22) (10.23) cho thấy khoảng cách hai vân sáng hai vân tối liên tiếp i= λ0 D d ; i rõ ràng không phụ thuộc vào k mà tỉ lệ với bước sóng λ0 chân khơng (ánh sáng đơn sắc) Trong trường hợp ánh sáng đơn sắc có λ0 khác i thay đổi S1 S2 phát ánh sáng trắng ánh sáng đơn sắc cho hệ thống giao thoa với màu sắc khác Những vân màu có giá trị k hợp thành vân sáng nhiều màu, nhiên vân vân sáng trắng có chồng chất tất vân sáng có màu khác 10.3 HIỆN TƯỢNG NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG 10.3.1 Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng 10.3.1.1 Thí nghiệm Fresnel tượng nhiễu xạ Ánh sáng từ nguồn điểm S truyền qua a' lỗ tròn chắn P (hình 10.7) a - Nếu lỗ trịn P có khích thước tương đối lớn ảnh Q sau P S ta thu vệt sáng trịn có kích thước ab, ánh sáng từ S truyền qua lỗ P b b' P tuân theo định luật truyền thẳng Q ánh sáng Hình 10.7 - Khi thu nhỏ lỗ trịn P kích thước lỗ trịn ab thu nhỏ lại Trong trường hợp kích thước lỗ trịn bé (vào khoảng vài phần nghìn khoảng cách từ tới nguồn sáng S) ta thấy ảnh Q xuất nhiều vòng tròn sáng tối đồng tâm xen kẽ nhau, kể bóng tối hình học a’, b’ Tâm điểm vịng trịn sáng tối sáng tối tuỳ thuộc vào kích thước lỗ trịn vị trí ảnh Q 92 Hiện tượng vân sáng, tối xuất vùng bóng tối hình học chứng tỏ ánh sáng lệch khỏi phương ban đầu 10.3.1.2 Định nghĩa nhiễu xạ ánh sáng Hiện tượng tia sáng bị lệch khỏi phương truyền thẳng môi trường đồng tính chúng gần vật chướng ngại, tạo nên vân sáng tối vùng bóng tối hình học gọi tượng nhiễu xạ ánh sáng Các vân sáng, tối xen kẽ gọi vân nhiễu xạ Các vật cản để gây nên tượng nhiễu xạ khe hở hình chữ nhật, lỗ trịn có kích thước bé đoạn dây kim loại mảnh Dựa vào nguyên lý Huyghen - Fresnel ta giải thích tượng nhiễu xạ sau: Mỗi điểm lỗ tròn nhận ánh sáng từ nguồn sáng điểm S gửi tới coi nguồn sáng thứ cấp, phát sóng ánh sáng truyền đến điểm M Q, dao động sáng M dao động tổng hợp dao động sáng thành phần nguồn sáng thứ cấp gửi tới Tuỳ theo hiệu số pha dao động sáng mà điểm M sáng tối 10.3.1.3 Nhiễu xạ sóng phẳng Ở ta xét tượng nhiễu xạ sóng cầu nguồn sáng điểm nằm gần vật chướng ngại gây Bây ta xét trường hợp nguồn sáng xa vật cản, sóng sáng phát từ nguồn coi sóng phẳng tượng nhiễu xạ xảy xa vật cản ánh sáng truyền qua gọi nhiễu xạ vơ cực hay cịn gọi nhiễu xạ Fraunhopher Hiện tượng nhiễu xạ vơ cực xảy cho chùm tia sáng song song (các sóng phẳng) qua khe hẹp hình chữ nhật có chiều dài vơ hạn hai khe hẹp song song, nhiều khe hẹp song song qua khe hở lỗ trịn có đường kính bé Trong phần chủ yếu ta xét đến tượng nhiễu xạ qua khe hẹp, qua lỗ tròn ứng dụng - Nhiễu xạ qua khe hẹp Một nguồn sáng điểm S đặt tiêu Q điểm thấu kính hội tụ L1 ánh sáng L2 phát từ S sau qua L1 chùm tia sáng song song rọi vng góc vào P L1 Bo B1 S 93 M ϕ H1 Σο Σ1 Σ2 Hình 10.8 x mặt phẳng khe hẹp có bề rộng b chắn sáng P (hình 10.8) Sau P đặt thấu kính hội tụ L2 ảnh Q trùng với mặt phẳng tiêu L2 Cả L1, L2 Q song song với P Khi b nhỏ so với chiều dài khe chùm sáng song song truyền tới khe bị nhiễu xạ theo phương Các tia nhiễu xạ lệch góc ϕ so với phương ban đầu hội tụ điểm M mặt phẳng tiêu Q thấu kính hội tụ L2, chùm tia nhiễu xạ khác hội tụ điểm khác Q kết tạo nên ảnh nhiễu xạ nguồn sáng S Vì S nguồn điểm nên ảnh nhiễu xạ dãy đoạn sáng ngăn cách điểm tối đen nằm đường thẳng x vng góc với chiều dài khe Theo nguyên lý Huyghen - Fresnel điểm sáng B0, B1, B2 khe nguồn phát sáng thứ cấp thuộc mặt kín ∑0, ∑1 Vì chiều rộng khe bé nên chùm tia nhiễu xạ song song gặp M xa vô nên ∑0, ∑1 coi mặt phẳng song song vng góc với chùm tia nhiễu xạ B0, B1, Các mặt sóng phẳng có tâm M có bán kính lớn lượng: λ0 = B1 H1 (10.24) Các mặt ∑0, ∑1 chia bề rộng khe hẹp thành dải khe hẹp (đới phẳng Fresnel) có bề rộng B0B1, B1B2 Từ hình 7.8 ta thấy: B0 B1 = λ0 B1 H1 = sin ϕ sin ϕ (10.25) Như số dải Fresnel thuộc mặt khe là: n= b b sin ϕ = λ0 λ0 sin ϕ (10.26) + Nếu khe chứa số chẵn dải Fresnel nghĩa : n= b sin ϕ = k với k = 0, ±1, ±2, λ0 (10.27) điểm M điểm tối, gọi cực tiểu nhiễu xạ Từ (10.27) ta có: sin ϕ = k λ0 (10.28) b 94 Với k = từ cơng thức (10.28) suy ϕ = nghĩa chùm sáng phát từ nguồn sáng thứ cấp phương với chùm tia tới hội tụ điểm M0 Q đồng thời hiệu quang lộ cặp tia khơng, cho cực đại sáng M0 có cường độ sáng lớn gọi cực đại nhiễu xạ + Nếu khe chứa số lẻ dải Fresnel nghĩa là: n= b sin ϕ = k + với k = 0, ±1, ±2, λ0 điểm M điểm sáng, gọi cực đại nhiễu xạ góc nghiêng ϕ ứng với cực đại nhiễu xạ xác định theo công thức sau: sin ϕ = (2 k + 1) λ0 Với k = ±1, ±2, 2b (10.29) Những vấn đề trình bày mơ tả giải thích trường hợp nhiễu xạ qua khe hẹp chùm sáng song I song phát từ nguồn sáng điểm S Io Trong trường hợp S khe sáng song song với khe hẹp chắn sáng P ảnh nhiễu xạ Q dãy vân sáng song song với khe sáng S qua cực đại nhiễu xạ nói trên, vân sáng ngăn cách -2λο b -λο b O λο b 2λο b sinϕ Hình 10.9 vạch tối đen Sự phân phối cường độ sáng cực đại cực tiểu nhiễu xạ mơ tả hình (hình 10.9) ∗ Vân sáng M0 có cường độ sáng lớn gấp nhiều lần so với cực đại nhiễu xạ tiếp theo, cực đại có cường độ sáng giảm dần, cực đại có cường độ sáng I0 cường độ sáng cực đại thứ I1= 0,047 I0 cực đại thứ hai I2= 0,016 I0, … ∗ Bề rộng cực đại gấp đôi bề rộng cực đại nhiễu xạ khác kể hai phía cực đại Do hai đặc điểm cường độ sáng vân nhiễu xạ mà nhiều trường hợp nghiên cứu ta quan tâm đến cực đại ứng với k = 95 Từ phân tích ta thấy phân bố cường độ sáng vân nhiễu xạ phụ thuộc vào phương chùm tia nhiễu xạ (ϕ) Do đó, dịch chuyển vị trí khe cho vân song song với ảnh nhiễu xạ thụ Q không thay đổi Như chiếu chùm tia sáng song song qua hai khe hẹp song song hay nhiều khe hẹp song song với có bề rộng ảnh nhiễu xạ khe riêng biệt hoàn toàn giống Tuy nhiên ngồi nhiễu xạ khe cịn có giao thoa chùm tia nhiễu xạ từ khe khác nhau, có phân bố lại cường độ sáng ảnh nhiễu xạ trở nên phức tạp Do có tượng giao thoa chùm tia nhiễu xạ từ khe khác mà có cực đại dao động sáng giao thoa pha với có cực tiểu phụ sóng sáng giao thoa ngược pha nhau, điểm ảnh Q sóng sáng gửi đến cực tiểu Bề rộng cực đại giảm tổng số khe hẹp tăng lên Khi tổng số khe hẹp lớn (vài nghìn khe trở lên) cực đại mảnh, cực đại phụ biến ảnh nhiễu xạ vạch sáng bật tối - Nhiễu xạ qua lỗ tròn Hiện tượng nhiễu xạ qua lỗ trịn có nhiều ứng dụng thực tế Ở thí nghiệm tượng nhiễu xạ qua khe hẹp, thay khe hẹp có bề rộng b lỗ trịn nhỏ có bán kính r ảnh Q thu ảnh nhiễu xạ vân sáng, tối xen kẽ đồng tâm (Hình 7.10) vân sáng trung tâm, có cường độ sáng cực đại I0 = Imax, vân tối, sáng xen kẽ Vân sáng thứ có cường độ sáng I1 = Hình 10.10 0,0174Imax,… Như xa vân trung tâm cường độ sáng giảm dần Bề rộng vân sáng giảm dần, xa vân trung tâm hẹp Vân tối ứng với góc lệch ϕ1 xác định theo công thức sau: λ sin ϕ = 0,61 R (10.30) 96 λ bước sóng ánh sáng tới, R bán kính lỗ Bán kính vân tối gọi bán kính ảnh nhiễu xạ (vân sáng trung tâm) ρ = 0,61 λ f R (7.31) với f tiêu cự thấu kính L2 97 10.4 HIỆN TƯỢNG PHÂN CỰC ÁNH SÁNG 10.4.1 Ánh sáng tự nhiên Theo thuyết điện từ ánh sáng, nguyên tử phát ánh sáng dạng đồn sóng điện từ nối tiếp Trong đồn sóng này, vectơ cường độ điện trường E ln ln dao động theo phương Tia s¸ng xác định vng góc với phương truyền tia sáng; chuyển động hỗn loạn bên nguyên tử nên đồn sóng ngun tử phát dao động theo nhiều phương khác xung quanh tia sáng; mặt khác nguồn sáng điểm ta xét dù nhỏ Hình 10.11 H×nh 7.11 bao gồm nhiều nguyên tử, nói ánh sáng tự nhiên ánh sáng vectơ cường độ điện trường E dao động cách đặn theo tất phương vng góc với tia sáng Để biểu diễn ánh sáng tự nhiên, ta vẽ mặt phẳng vng góc với tia sáng véctơ E phân bố đặn xung quanh đường tròn có tâm tia sáng (Hình 10.11) 10.4.2 Ánh sáng phân cực Nếu cho ánh sáng tự nhiên qua mơi trường bất đẳng hướng (ví dụ tinh thể tuốcmalin, thạch anh ) điều kiện định đó, tác dụng mơi trường lên ánh sáng làm cho vectơ cường độ điện trường E dao động theo phương xác định Ánh sáng vectơ cường độ điện trường E dao động theo phương xác định gọi ánh sáng phân cực thẳng hay ánh sáng phân cực tồn phần Nhưng có trường hợp tác dụng môi trường lên ánh sáng tự nhiên qua vectơ cường độ điện trường dao động theo tất phương vng góc với tia sáng có phương mạnh, phương yếu khác Trường hợp ánh sáng gọi ánh sáng phân cực phần Tia s¸ng Tia s¸ng E (b) (a) Hình 10.12 98 Hiện tượng biến ánh sáng tự nhiên thành ánh sáng phân cực toàn phần hay phân cực phần gọi tượng phân cực ánh sáng Trên hình 10.12 biểu diễn ánh sáng phân cực toàn phần (a) ánh sáng phân cực phần (b) 10.5 THUYẾT LƯỢNG TỬ VỀ BẢN CHẤT CỦA ÁNH SÁNG K E 10.5.1 Hiệu ứng quang điện A Hiệu ứng quang điện tượng electron giải phóng khỏi V mặt ngồi kim loại rọi G chùm ánh sáng thích hợp tới mặt kim loại ε1 ε2 10.5.1.1 Thí nghiệm Sơ đồ thiết bị thí nghiệm dùng để C R Hình 10.13 nghiên cứu hiệu ứng quang điện vẽ hình (10.13) Thiết bị gồm bóng đèn có áp suất khoảng 10-6 mmHg Trong bóng đèn có hai điện cực cực anốt (A), cực catốt (K) Catôt (K) làm kim loại cần nghiên cứu hiệu ứng quang điện Hai nguồn điện có suất điện động ε1 ε2 có cực mắc đối Một biến trở R, vôn kế, điện kế G Tất dụng cụ mắc thành mạch kín theo sơ đồ (Hình 10.13) Bóng đèn thủy tinh có cửa sổ thạch anh có tác dụng cho tia tử ngoại dễ dàng truyền qua Nguồn ε1 ε2 tạo nên hiệu điện UAK hai điện cực A K tức tạo nên điện trường hai điện cực, biến trở R có tác dụng thay đổi UAK độ lớn lẫn dấu Đầu tiên chưa rọi ánh sáng vào điện cực catôt ta thấy kim điện kế không quay; rọi chùm tia sáng tử ngoại qua cửa sổ thạch anh vào điện cực K thấy kim điện kế quay, điều chứng tỏ mạch có dịng điện Dòng điện xuất mạch gọi dòng quang điện Ta biết bóng đèn áp suất thấp (10-6mmHg), môi trường xem chân không (khơng chứa loại điện tích nào),như chùm tia tử ngoại chiếu vào catơt K có tác dụng giải 99 phóng điện tử khỏi bề mặt âm cực K Các điện tử giải phóng gọi quang điện tử Dưới tác dụng điện trường hai cực điện A K, quang điện tử chuyển động có hướng từ âm cực K sang dương cực A tiếp tục vào mạch điện tạo nên dịng quang điện khơng đổi Ia Khi thay đổi cường độ chùm tia tử ngoại hiệu điện hai cực UAK, tiến hành đo cường độ dòng quang điện Ia người rút nhận xét sau: − Tia tử ngoại có hiệu việc gây nên hiệu ứng quang điện − Cường độ dòng quang điện Ia tăng tỉ lệ với cường độ chùm tia sáng rọi vào âm cực K − Chỉ có vật tích điện âm điện tích bị rọi sáng, cịn vật tích điện dương khơng bị ảnh hưởng ánh sáng rọi tới Như điện tích bị bứt khỏi mặt kim loại điện tích âm − Hiệu ứng quang điện xảy tức thời, nghĩa dòng quang điện xuất đồng thời với chiếu sáng 10.5.1.2 Đường đặc trưng von - ampe Khi nghiên cứu biến đổi cường độ dòng quang điện Ia theo UAK ta Ia vẽ đường cong biểu diễn Ia = f(UAK), đường cong gọi đường I bh đặc trưng von - ampe kim loại làm âm cực K (Hình 10.14) Từ đường đặc trưng von - ampe ta thấy UAK tăng Ia tăng theo, nhiên UAK > U1 (một giá trị UAK) Ia khơng tăng -U2 U1 U AK Hình 10.14 có giá trị khơng đổi, lúc cường độ dịng quang điện gọi bão hồ (Ibh) Từ hình 10.14 cho ta thấy hiệu điện A K khơng (UAK = 0), dịng quang điện có giá trị I0 bị triệt tiêu UAK có giá trị âm xác định (-U2), -U2 gọi hiệu điện dừng, phụ thuộc vào chất kim loại bước sóng ánh sáng rọi vào kim loại Các giá trị hiệu điện UAK từ đến U1 100 gọi điện áp tăng tốc (tạo nên trường gia tốc) Dòng quang điện đạt giá trị bão hoà tất quang điện tử bị hút cực dương mà việc tiếp tục tăng UAK làm tăng vận tốc quang điện tử không làm tăng thêm lượng quang điện tử, điều có nghĩa cường độ dịng quang điện Ia không tăng 10.5.1.3 Các định luật quang điện Khi tiến hành thí nghiệm với chùm ánh sáng đơn sắc có bước sóng λ khác rọi vào cực âm (K) làm kim loại khác người ta tìm định luật quang điện sau: - Định luật giới hạn quang điện Đối với kim loại xác định hiệu ứng quang điện xảy bước sóng λ chùm ánh sáng đơn sắc rọi tới nhỏ giá trị xác định λ0; λ0 gọi giới hạn quang điện kim loại (λ λ0 với cường độ ánh sáng mạnh không gây nên hiệu ứng quang điện - Định luật dịng quang điện bão hồ Cường độ dịng quang điện bão hồ Ibh tăng tỉ lệ với cường độ chùm ánh sáng đơn sắc rọi tới kim loại - Định luật động cực đại quang điện tử Động cực đại quang điện tử tăng tỉ lệ với tần số chùm ánh sáng đơn sắc rọi tới kim loại không phụ vào cường độ chùm ánh sáng Để giải thích định luật quang điện người ta phải dựa vào chất ánh sáng Theo thuyết điện từ ánh sáng lượng ánh sáng truyền liên tục theo sóng cường độ ánh sáng lớn lượng sóng ánh sáng mang theo nhiều Như với quan điểm khơng giải thích đựơc định luật giới hạn quang điện (λ < λ0) ánh sáng rọi vào kim loại cần có cường độ lớn truyền nhiều lượng cho điện tử lớp mặt kim loại để bứt điện tử khỏi kim loại, khơng cần có điều kiện giới hạn quang điện 101 kim loại, điều khơng với thí nghiệm Thuyết điện từ ánh sáng khơng giải thích động cực đại ban đầu quang điện tử không phụ thuộc vào cường độ trường sáng rọi tới kim loại Về thời gian xuất hiệu ứng theo thuyết điện từ ánh sáng phải vài chục phút thực tế thí nghiệm khoảng thời gian kể từ rọi sáng vào kim loại xuất quang điện tử vào khoảng 10-9 s Nếu quan niệm chất ánh sáng sóng điện từ hồn tồn bất lực vận dụng để giải thích định luật quang điện 10.5.2 Thuyết lượng ánh sáng Einstein giải thích tượng quang điện 10.5.2.1 Thuyết lượng tử ánh sáng Einstein Để khắc phục khó khăn thuyết điện từ chất ánh sáng vận dụng để giải thích định luật quang điện, vào năm 1905 Einstein dựa vào thuyết lượng tử lượng Planck để nêu lên thuyết chất ánh sáng (Einstein thừa nhận thuyết điện từ ánh sáng) thuyết lượng tử ánh sáng Nội dung thuyết sau: - Ánh sáng gồm hạt nhỏ gọi photon hay lượng tử ánh sáng Mỗi photon mang lượng xác định là: ε =h.f (7.32) Trong h = 6,625.10-34 Js, gọi số Planck cịn f tần số sóng ánh sáng ứng với photon − Trong chân khơng photon truyền với tốc độ xác định c = 3.108 m/s Mỗi photon truyền mơi trường có lưỡng tính sóng hạt theo Einstein photon có tốc độ c, lượng ε = hf, khối lượng m (khối lượng động, photon khơng có khối lượng tĩnh) xác định theo công thức ε = mc2 Kết hợp với (7.32) ta suy ra: p = mc = hf h h = = c cT λ (10.33) Với p = mc động lượng photon đặc trưng cho tính chất hạt, λ bước sóng đặc trưng cho tính chất sóng (sóng điện từ) 102 - Cường độ chùm tia sáng tỉ lệ với số photon phát từ nguồn đơn vị thời gian 10.5.2.2 Giải thích định luật quang điện - Giải thích định luật giới hạn quang điện Ở trạng thái bình thường (khi chưa bị chiếu sáng) điện tử bị giữ kim loại Khi bị rọi sáng, điện tử hấp thụ lượng ε =h.f photon tới Nếu phần lượng mà điện tử hấp thụ lớn cơng điện tử A điện tử bị bứt khỏi mặt kim loại Như điều kiện để có hiệu ứng quang điện là: ε = h.f ≥ A f≥ Vì f = (10.34) A ≥ f0 h c c ; f0 = λ λ0 nên c c hc ≥ hay λ < λ0 = λ λ0 A (10.35) Từ (10.35) ta thấy chùm sáng gây hiệu ứng quang điện phải có bước sóng λ nhỏ giá trị xác định, λ = hc giới hạn quang điện, phụ thuộc vào A cơng điện tử A kim loại, tức phụ thuộc vào chất kim loại - Giải thích định luật dịng quang điện bão hồ Ta biết dịng quang điện trở nên bão hồ tất quang điện tử giải phóng khỏi mặt kim loại (âm cực K) chuyển động hết dương cực A Do số quang điện tử tỉ lệ với số photon bị hấp thụ, số photon lại tỉ lệ với số photon tới, cường độ dịng quang điện bão hồ tỉ lệ với số photon tới tức tỉ lệ với cường độ chùm sáng rọi tới âm cực K - Giải thích định luật động cực đại quang điện tử Các điện tử kim loại dùng làm âm cực K sát mặt ngồi hay sâu bên kim loại Các điện tử có khả hấp thụ tồn lượng photon kim loại bị rọi sáng Một phần lượng mà điện tử hấp thụ chủ yếu sinh cơng điện tử (vì lượng xác định chuyển động nhiệt 103 không đủ sinh công) phần tạo nên động ban đầu quang điện tử Đối với điện tử sâu bên phải tiêu hao phần lượng mà hấp thụ để chuyển động từ lớp bề mặt kim loại mà động ban đầu phải nhỏ so với động ban đầu điện tử bề mặt kim loại Vì với điện tử sát bề mặt kim loại bứt khỏi kim loại trở thành quang điện tử có động ban đầu cực đại Ta có: Eđ max = mv max = h f − A (10.36) Phương trình (10.36) gọi phương trình Einstein, cho biết Eđ max ban đầu quang điện tử phụ thuộc vào tần số chùm ánh sáng rọi tới bề mặt kim loại 104