Tính chất của lượng tử ánh sáng

Tính chất của lượng tử ánh sáng

QUANG HỌC

CHƯƠNG IX TÍNH CHẤT LƯỢNG TỬ CỦA ÁNH SÁNG

Năm học, 2011 - 2012

1 HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN

- - - -

Heinrich Rudolf Hertz

1 HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN

1.1 Thí nghiệm của Héc về hiện tượng quang điện

Góc lệch của kim tĩnh điện kế

giảm chứng tỏ điều gì ?

• Trong thí nghiệm trên thì nguyên nhân

nào làm êlectron bật khỏi tấm kẽm ?

Vậy: Khi ánh sáng hồ quang chiếu vào tấm

kẽm thì các êlectron bị bật khỏi tấm

kẽm.

1 HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN

1.1 Thí nghiệm của Héc về hiện tượng quang điện

Tấm kẽm tích điện dương

như không đổi

1.1 Thí nghiệm của Héc về hiện tượng quang điện

Tấm kẽm mang điện âm

Hoạt động 2 Tìm hiểu hiện tượng quang điện

I HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN

1 Thí nghiệm của Héc về hiện tượng quang điện

Tấm thủy tinh dày

Tấm kẽm

không mất

điện tích âm.

1.1 Thí nghiệm của Héc về hiện tượng quang điện

tích điện dương thì êlectron vẫn bị bật khỏi tấm kẽm nhưng bị tấm kẽm tích điện dương hút lại ngay.

Vậy: Êlectron vẫn bị bật khỏi tấm kẽm mang

điện dương khi ánh sáng hồ quang chiếu vào.

1 HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN

Lặp lại thí nghiệm với tấm kẽm mang điện dương thì kim tĩnh điện kế không

bị thay đổi Vì sao ?

Chú ý

Bức xạ tử ngoại có khả năng gây ra hiện tượng quang điện ở kẽm, còn ánh sáng nhìn thấy thì không.

Nếu chắn chùm tia hồ quang bằng

tấm thủy tinh dày thì hiện tượng

quang điện không xảy ra → chứng tỏ điều gì?

1 HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN

V A

G R

K

F

1.2.Thí nghiệm của Stoletov về hiện tượng quang điện

• Hai điện cực (A,K) được đặt trong

một bình chân không có cửa sổ F

bằng thạch anh, cho ánh sáng tử

ngoại truyền qua dễ dàng Catôt K

được làm bằng kim loại cần nghiên

cứu hiện tượng quang điện

• Hiệu điện thế giữa A và K được

thiết lập nhờ bộ nguồn một chiều P

Biến trở R cho phép thay đổi hiệu

điện thế U giữa A, K và cả chiều

điện trường được thiết lập giữa

chúng

• Ánh sáng đã làm bứt một số điện

tích ra khỏi catot và chúng bị hút về

phía anot dưới tác dụng của điện

trường, tạo thành dòng điện trong

mạch Đó là dòng quang điện.

Kết luận:

ĐỊNH NGHĨA

Hiện tượng quang điện (ngoài) là sự

giải phóng các electron ra khỏi bề

mặt kim loại, khi tấm kim loại này

được rọi sáng bằng ánh sáng thích

hợp

a)Đường đặc trưng vôn – ampe

Đường cong biểu diễn sự thay

đổi của cường độ dòng quang

điện vào hiệu điện thế U giữa A

và K ( khi cường độ sáng I

không đổi) gọi là đường đặc

trưng vôn - ampe

ibhi

b) Định luật về dòng quang điện bão hòa

• Cường độ của dòng quang điện bão hòa tỉ lệ với cường độ I của chùm sáng rọi lên catot

hoặc

• Số electron bị bứt ra khỏi catot trong một

đơn vị thời gian tỉ lệ với cường độ I của chùm sáng rọi lên catot.

c) Định luật về giới hạn đỏ của hiệu

ứng quang điện

• Đối với mỗi kim loại xác định, hiệu ứng

quang điện chỉ xảy ra khi chùm sáng rọi vào

kim loại đó có tần số v lớn hơn một giá trị

giới hạn v0 tức là ánh sáng kích thích phải có bước sóng λ nhỏ hơn hay bằng một giá trị

giới hạn giới hạn λ0 của kim loại đó

λ <= λ0

• Tần số v0 hay bước sóng λ0 được gọi là giới hạn

đỏ của hiệu ứng quang điện

• Mỗi kim lọai có một giới hạn quang điện λ 0 đặc trưng.

d) Định luật về vận tốc ban đầu cực đại

của quang electron

• Vận tốc ban đầu cực đại của quang

electron bị bức ra khỏi catot không phụ thuộc vào cường độ của chùm sang rọi vào nó, mà chỉ phụ thuộc vào tần số

Theo dõi đoạn phim sau :

2 THUYẾT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG

2.1 Thuyết lượng tử của Planck

• Năm 1905, dựa vào giả thuyết của Planck để giải thích hiện tượng quang điện,

Einstein đề ra thuyết lượng tử ánh sáng

và truyền đi thành từng lượng

năng lượng riêng biệt, gọi là

lượng tử ánh sáng hay photo

2.2 Thuyết lượng tử ánh sáng

sáng hay photo.

giống nhau, mỗi phôtôn mang năng lượng

2.3 Công thức Einstein

• Khi xảy ra hiệu ứng quang điện, mỗi electron hấp thụ hoàn toàn một photon và được truyền thêm một năng

• Năng lượng này bị tiêu hao một phần là A, do electron

va cham với các hạt khác trong mạng tinh thể khi đi từ các lớp sâu ra mặt ngoài của kim loại Một phần năng lượng chuyển thành công thoát A để tách electron ra

khỏi kim loại và phần còn lại chuyển thành động năng ban đầu của quang electron

2 1

2

mv

hv = A + + A

2.3 Công thức Einstein

• Đối với các êlectron nằm sâu trong kim loại, thì A1

càng lớn, và do đó động năng ban đầu càng nhỏ

• Đối với êlectron ở ngay trên bề mặt kim loại thì A1=0,

do đó động năng ban đầu và vận tốc ban đầu của

chúng là lớn nhất.

hay

2ax

a) Giải thích định luật về giới hạn quang điện

bằng thuyết lượng tử

2.4 Giải thích định luật về giới hạn quang điện

b) Định luật về động năng ban đầu cực đại của quang electron

c) Định luật về dòng điện bão hòa

2.5 Ứng dụng của hiệu ứng quang

điện

a) Tế bào quang điện chân không

b) Ống nhân quang điện

2.6 Các thuộc tính của Photon

• Photon có khối lượng nghỉ bằng không

λ

=

• Hiện tượng giao thoa chứng tỏ ánh sáng có

tính chất sóng; Hiện tượng quang điện chứng

3 HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN TRONG

3.1 Hiện tượng quang điện trong

a Hiện tượng quang dẫn

b Hiện tượng quang điện trong

3.2 Ứng dụng của hiện tượng quang điện

trong

• Quang điện trở

• Pin quang điện

*Vật thể là kim loại:

Khi chiếu ánh sáng có bước sóng thích hợp vào kim loại có hiện tượng gì xảy ra?

Vật thể là chất bán dẫn:

+là chất cách điện khi không bị chiếu sáng

+là chất dẫn điện khi bị chiếu sáng

Hiện tượng giảm mạnh điện trở của chất bán dẫn khi bị chiếu sáng 

3.1 HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN TRONG

a Hiện tượng quang dẫn

Hiện tượng giảm điện trở suất ,tức là tăng độ dẫn điện của bán dẫn ,khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào gọi là hiện tượng quang dẫn.

Giải thích:

- Do hiện tượng quang điện trong làm mật độ hạt tải điện tăng lên ,độ dẫn điện tăng tức là điện trở suất giảm

- Cường độ sáng càng lớn thì điện trở suất càng

3 HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN TRONG QUANG ĐIỆN TRỞ VÀ PIN QUANG ĐIỆN

b Hiện tượng quang điện trong

3.1 HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN TRONG

b Hiện tượng quang điện trong

* Hiện tượng tạo thành các êlectron dẫn và lổ trống trong bán dẫn,do tác dụng của ánh sáng

có bước sóng thích hợp(λ≤λ0),gọi là hiện

tượng quang điện trong

* Điều kiện để gây ra hiện tượng quang điện trong là λ≤λ0 , λ0gọi là giới hạn quang điện của bán dẫn

3.1 HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN TRONG

b Hiện tượng quang điện trong

So sánh hiện tượng quang điện bên ngoài và hiện tượng quang điện bên trong:

Hiện tượng quang điện ngoài Hiện tượng quang điện bên trong

Giống

nhau * Đều có cùng nguồn kích thích là áùnh sáng

Khác

nhau

Vật bị chiếu sáng là kim loại Vật bị chiếu sáng là chất bán dẫn

Cơ chế:ánh sáng thích hợp

chiếu vào, electron bật

ra khỏi kim loại

Cơ chế: Trong hiện tượng quang

dẫn:mỗi phôtôn của ánh sáng kích thích khi bị hấp thụ sẽ giải phóng 1 electron liên kết thành electron dẫn mang điện âm, đồng thời để lại 1

“lỗ trống” mang điện dương

hạt tải điện bên trong chất bán dẫn là electron và lỗ trống

Hạt tải điện: các electron tự do Hạt tải điện: các electron dẫn và các lỗ trống

3.2 ỨNG DỤNG CỦA HIỆN TƯỢNG QUANG

b Hoạt động: dựa trên hiện tượng

quang điện trong.

c Ứng dụng : tong các mạch

khếch đại, thiết bị điều khiển bằng ánh sáng, máy đo ánh sáng.

a Cấu tạo:

3.2 ỨNG DỤNG CỦA HIỆN TƯỢNG QUANG

ĐIỆN TRONG

2 Pin quang điện

còn xảy ra sự tạo hiệu điện thế Hiện tượng này gọi là quang ganvanic Nó được ứng dụng để chế tạo pin quang điện

• Các dụng cụ bán dẫn có thể hoạt động được khi được rọi ánh sáng mà không cần hiệu điện thế ngoài, cho phép biến đổi trực tiếp quang năng thành điện

Ứng dụng: làm nguồn điện cho các

vùng sâu, vùng xa, hải đảo, vệ tinh nhân tạo, tàu vũ trụ, máy tính bỏ túi, máy đo ánh sáng

Một số ứng dụng trong thực tế

CỦNG CỐ:

1.Câu nào sai khi nói về hiện tượng quang dẫn?:

a Hiện tượng giảm mạnh điện trở của chất bán dẫn khi bị chiếu sáng gọi là hiện tượng quang dẫn

b Trong hiện tượng quang dẫn, electron được giải phóng trở thành electron tự do chuyển động trong khối chất bán dẫn đó

c Một trong những ứng dụng quan trọng của hiện tượng quang dẫn là việc chế tạo quang trở(LDR)

d Trong hiện tượng quang dẫn, năng lượng cần thiết để giải phóng electron liên kết thành electron dẫn là rất lớn.

2.Câu nào sai về quang trở:

a Bộ phận quan trọng của quang trở là một lớp chất bán dẫn có gắn hai điện cực.

b Quang trở thực chất là một điện trở mà giá trị của nó có thể thay đổi theo nhiệt độ

c Quang trở có thể dùng thay thế cho các tế bào quang điện

d Quang trở chỉ hoạt động khi ánh sáng chiếu vào nó có bước sóng ngắn hơn giới hạn quang dẫn của quang trở

3.Câu nào đúng về pin quang điện:

a Pin quang điện là một nguồn điện trong đó nhiệt năng biến thành điện năng

b Pin quang điện hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ.

c Pin quang điện hoạt động dựa vào hiện tượng quang điện ngoài

d Pin quang điện hoạt động dựa trên hiện tượng quang điện bên trong xảy ra trong một chất bán dẫn.

Tiết học kết thúc