5. CÁC BƢỚC THỰC HIỆN LUẬN VĂN
4.3.2.1Albert Einstein – người được trao giải Nobel về “Hiệu ứng quang
Albert Einstein (1879–1955) là nhà vật lý lý thuyết sinh ra ở nƣớc Đức, ngƣời đã phát triển thuyết tƣơng đối tổng quát, một trong hai trụ cột của vật lý hiện đại (trụ cột kia là cơ học lƣợng tử). Mặc dù đƣợc biết đến nhiều nhất qua phƣơng trình về sự tƣơng đƣơng khối lƣợng - năng lƣợng E = mc2, ông lại đƣợc trao Giải Nobel Vật lý năm 1921 "cho những cống hiến của ông đối với vật lý lý thuyết, và đặc biệt cho sự khám phá ra định luật của hiệu ứng quang điện". Công trình về hiệu ứng quang điện của ông có tính chất bƣớc ngoặt khai sinh ra lý thuyết lƣợng tử.
Hình 4.12: Albert Einstein
Khi bƣớc vào sự nghiệp của mình, Einstein đã nhận ra cơ học Newton không còn có thể thống nhất các định luật của cơ học cổ điển với các định luật của trƣờng điện từ. Từ đó ông phát triển thuyết tƣơng đối đặc biệt, với các bài báo đăng trong năm 1905. Tuy nhiên, ông nhận thấy nguyên lý tƣơng đối có thể mở rộng cho cả trƣờng hấp dẫn, và điều này dẫn đến sự ra đời của lý thuyết về hấp dẫn trong năm 1916, năm ông xuất bản một bài báo về thuyết tƣơng đối tổng quát. Ông tiếp tục nghiên cứu các bài toán của cơ học thống kê và lý thuyết lƣợng tử, trong đó đƣa ra những giải thích về lý thuyết hạt và sự chuyển động của các phân tử. Ông cũng nghiên cứu các tính chất nhiệt học của ánh sáng và đặt cơ sở cho lý thuyết lƣợng tử ánh sáng. Năm 1917, Einstein sử dụng thuyết tƣơng đối tổng quát để miêu tả mô hình cấu trúc của toàn thể vũ trụ. Cùng với Satyendra Nath Bose, năm 1924-1925 ông tiên đoán một trạng thái vật chất mới đó là ngƣng tụ Bose-Einstein của những hệ lƣợng tử ở trạng thái gần độ không tuyệt. Tuy cũng là cha đẻ của thuyết lƣợng tử, nhƣng ông lại tỏ ra khắt khe với lý thuyết này. Điều này thể hiện qua những tranh luận của ông với Niels Bohr và nghịch lý EPR về lý thuyết lƣợng tử.
Khi ông đang thăm Hoa Kỳ thì Adolf Hitler lên nắm quyền vào năm 1933, do vậy ông đã không trở lại nƣớc Đức, nơi ông đang là giáo sƣ ở Viện Hàn lâm Khoa học Berlin. Ông định cƣ tại Hoa Kỳ và chính thức trở thành công dân Mỹ vào năm 1940. Vào lúc sắp diễn ra Chiến tranh thế giới lần hai, ông đã ký vào một lá thƣ cảnh báo Tổng thống Franklin D. Roosevelt rằng Đức Quốc xã có thể đang nghiên cứu phát triển "một loại bom mới cực kỳ nguy hiểm" và khuyến cáo nƣớc Mỹ nên có những nghiên cứu tƣơng tự. Thực sự, nó đã dẫn đến sự ra đời của Dự án Manhattan sau này. Einstein ủng hộ bảo vệ các lực lƣợng Đồng minh, nhƣng nói chung chống lại việc sử dụng phát kiến mới về phân hạch hạt nhân làm vũ khí. Sau này, cùng với nhà triết học ngƣời Anh Bertrand Russell, ông đã ký Tuyên ngôn Russell–Einstein, nêu bật sự nguy hiểm của vũ khí hạt nhân. Einstein làm việc tại Viện Nghiên cứu Cao cấp ở Princeton, New Jersey cho đến khi ông qua đời vào năm 1955.
Einstein đã công bố hơn 300 bài báo khoa học và hơn 150 bài viết khác về những chủ đề khác nhau, ông cũng nhận đƣợc nhiều bằng tiến sĩ danh dự trong khoa học, y học và triết học từ nhiều cơ sở giáo dục đại học ở châu Âu và Bắc Mỹ. Ông
GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 85 SVTH: Quách Thùy Dƣơng
đƣợc tạp chí Times gọi là "Con ngƣời của thế kỷ". Những thành tựu tri thức lớn lao của ông đã khiến tên gọi "Einstein" đã trở nên đồng nghĩa với từ thiên tài.
4.3.2.2 Hiệu ứng quang điện
Alexandre Edmond Becquerel lần đầu tiên quan sát thấy hiệu ứng quang điện xảy ra với một điện cực đƣợc nhúng trong dung dịch dẫn điện đƣợc chiếu sáng vào năm 1839. Năm 1873, Willoughby Smith phát hiện rằng selen (Se) có tính quang dẫn.
Năm 1886, nhà vật lý ngƣời Đức Heinrich Hertz đã làm thí nghiệm với bộ phóng điện để phát sóng điện từ - đó là hai quả cầu kim loại. Khi áp vào chúng một hiệu điện thế giữa chúng phát sinh tia lửa điện; còn khi ông chiếu sáng một trong hai quả cầu bằng các tia tử ngoại, thì sự phóng điện lại mạnh lên. Bằng cách đó ngƣời ta phát hiện đƣợc hiệu ứng quang điện ngoài.
Hình 4.13: Heinrich Hertz
Năm 1888, một ngƣời Đức khác tên là Wilhelm Hallwachs (1854-1852), đã xác định đƣợc rằng, một bản kim loại đƣợc chiếu sáng bằng ánh sáng tử ngoại thì trở nên tích điện dƣơng. Khám phá thứ hai về hiệu ứng quang điện đã diễn ra nhƣ thế. Cũng năm ấy một ngƣời Italia có tên là Auusto Righi (1850-1921) đã có khám phá thứ ba về hiệu ứng này mà không hay biết gì về các thí nghiệm của Hertz và Hallwachs. Ông giải thích rằng, hiệu ứng quang điện có thể xảy ra cả trong các kim loại lẫn điện môi. Righi đã tạo ra đƣợc hiệu ứng quang điện – đó là một dụng cụ có thể biến ánh sáng thành dòng điện.
Song câu chuyện về hiệu ứng quang điện vẫn chƣa kết thúc: nhà vật lý ngƣời Nga Aleksandr Grigoryevich Stoletov (1839-1896) là nhà bác học thứ tƣ, độc lập với những ngƣời kia đã khám phá ra hiệu ứng quang điện (năm 1888) bằng cách dùng một tế bào quang điện có cấu tạo đặc biệt. Trong vòng hai năm Stoletov đã nghiên cứu một cách toàn diện hiện tƣợng mới mẻ này và nêu ra các quy luật cơ bản của nó. Hóa ra, cƣờng độ dòng quang điện (dòng điện xuất hiện dƣới tác dụng của bức xạ tử ngoại), thứ nhất là tỷ lệ thuận với cƣờng độ chùm ánh sáng tới và thứ hai là với một cƣờng độ chiếu sáng ấn định trƣớc thì nó mới đầu tăng theo mức tăng hiệu điện thế nhƣng khi đạt tới giá trị xác định (dòng bão hòa) thì không tăng thêm nữa.
GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 86 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Hình 4.13: Aleksandr Grigoryevich Stoletov
- Định luật quang điện:
1. Ở mỗi tần số bức xạ và mỗi kim loại, cƣờng độ dòng quang điện (cƣờng độ dòng điện tử phát xạ do bức xạ điện từ) tỉ lệ thuận với cƣờng độ chùm sáng tới. 2. Với mỗi kim loại, tồn tại một tần số tối thiểu của bức xạ điện từ mà ở dƣới tần
số đó, hiện tƣợng quang điện không xảy ra. Tần số này đƣợc gọi là tần số ngƣỡng, hay giới hạn quang điện của kim loại đó.
3. Ở trên tần số ngƣỡng, động năng cực đại của quang điện tử không phụ thuộc vào cƣờng độ chùm sáng tới mà chỉ phụ thuộc vào tần số của bức xạ.
4. Thời gian trong quá trình từ lúc bức xạ chiếu tới và các điện tử phát ra là rất ngắn, dƣới 10-9 giây.
Hiệu ứng quang điện không bứt đƣợc hết các electron ra khỏi chất rắn. Trong không khí, các nguyên tử (hay phân tử) nằm ở trạng thái hầu nhƣ tự do. Trong trƣờng hợp này ngƣời ta không nói về công thoát mà nói về năng lƣợng ion hóa, nghĩa là năng lƣợng cần bổ sung cho electron để nó thoát khỏi nguyên tử.
Bên cạnh hiệu ứng quang điện ngoài còn có hiệu ứng quang điện trong: Khi cho chùm photon chiếu vào các chất bán dẫn hay điện môi, trong chúng xuất hiện thêm các electron tự do và hay cái gọi là các lỗ trống có tác dụng làm tăng độ dẫn điện.
Năm 1899, một ngƣời Đức tên là Philipp Lenard (1862-1947) và một ngƣời Anh tên là Joseph Thomson đã chứng minh đƣợc rằng ánh sáng đập vào bề mặt kim loại làm bật ra từ đó các electron. Các electron này chuyển động và làm xuất hiện dòng quang điện. Tuy nhiên ngƣời ta không hiểu đƣợc bản chất của hiệu ứng quang điện khi vận dụng điện động lực học cổ điển. Ngƣời ta cũng không cắt nghĩa đƣợc vì sao dòng quang điện chỉ xuất hiện khi tần số của ánh sáng tới phải lớn hơn hoàn toàn giá trị xác định đối với mỗi kim loại.
Chỉ tới năm 1905 Einstein mới làm cho điều bí ẩn này thành một bức tranh hoàn toàn sáng sủa và dễ hiểu đến từng chi tiết. 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 nhƣ các định luật quang điện dựa trên mô hình hạt ánh sáng, theo Thuyết lƣợng tử vừa đƣợc công bố vào năm 1900 của Max Planck. Bằng cách phát triển giả thuyết lƣợng tử của Planck, ông đã cho rằng bức xạ điện từ không đơn giản đƣợc bức xạ theo từng phần nhỏ - mà còn đƣợc truyền đi trong không gian và đƣợc vật
GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 87 SVTH: Quách Thùy Dƣơng
chất hấp thụ cũng dƣới dạng từng phần nhỏ - các lƣợng tử ánh sáng (các photon). Chính vì thế nên để hiệu ứng quang điện xảy ra, điều quan trọng tuyệt nhiên không phải là ở cƣờng độ chùm sáng tới.
=> Dựa vào thuyết photon của Einstein chúng ta mới giải thích đƣợc trọn vẹn bản chất và các định luật của hiện tƣợng quang điện. Và ông đƣợc trao Giải Nobel Vật lý năm 1921.
Điểm chính yếu là một lƣợng tử ánh sáng riêng lẻ có đủ năng lƣợng để bứt electron ra khỏi vật chất không. Năng lƣợng tối thiểu cần thiết để làm đƣợc việc đó, gọi là công thoát .Cuối cùng, Einstein đã đƣa ra phƣơng trình sau đây nhờ hiệu ứng quang điện:
(4.4)
Các công trình này đã dẫn đến sự công nhận về bản chất hạt của ánh sáng, và sự phát triển của lý thuyết lƣỡng tính sóng – hạt của ánh sáng.
Hiệu ứng quang điện là một hiện tƣợng điện – lƣợng tử, trong đó các điện tử đƣợc thoát ra khỏi vật chất sau khi hấp thụ năng lƣợng từ các bức xạ điện từ. Hiệu ứng quang điện đôi khi đƣợc ngƣời ta dùng với cái tên Hiệu ứng Hertz, do nhà khoa học Heinrich Hertz tìm ra.
Việc nghiên cứu hiệu ứng quang điện đƣa tới những bƣớc quan trọng trong việc tìm hiểu về lƣợng tử ánh sáng và các electron, cũng nhƣ tác động đến sự hình thành khái niệm lƣỡng tính sóng hạt. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 4.14: Hiệu ứng quang điện
Khi bề mặt của một tấm kim loại đƣợc chiếu bởi bức xạ điện từ có tần số lớn hơn một tần số ngƣỡng (tần số ngƣỡng này là giá trị đặc trƣng cho chất làm nên tấm kim loại này), các điện tử sẽ hấp thụ năng lƣợng 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 ngƣỡng bởi điện tử không đƣợc cung cấp đủ năng lƣợng cần thiết để vƣợt ra khỏi rào thế (gọi là công thoát). Điện tử phát xạ ra dƣới tác dụng của bức xạ điện từ đƣợc gọi là quang điện tử. Ở một số chất khác, khi đƣợc chiếu sáng với tần số vƣợt trên tần số ngƣỡng, 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 hiêu 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, ngƣời ta còn gọi hiệu ứng này là hiệu ứng quang dẫn.
GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 88 SVTH: Quách Thùy Dƣơng
Có nhiều ngƣời đƣa ra các mô hình giải thích khác nhau về hiệu ứng quang điện tuy nhiên đều không thành công do sử dụng mô hình sóng ánh sáng. Albert Einstein là ngƣời giải thích thành công hiệu ứng quang điện bằng cách sử dụng mô hình lƣợng tử ánh sáng. Albert Einstein đã sử dụng Thuyết lƣợng tử để lý giải hiện tƣợng quang điện.
Mỗi photon có tần số sẽ tƣơng ứng với một lƣợng tử năng lƣợng có năng lƣợng:
(4.5) Với h: là hằng số Planck.
* Năng lƣợng mà điện tử hấp thụ đƣợc sẽ đƣợc dùng cho hai việc:
- Thoát ra khỏi liên kết với bề mặt kim loại (vƣợt qua công thoát ) - Cung cấp cho điện tử một động năng ban đầu: Nhƣ vậy, theo định luật bảo toàn năng lƣợng, ta có thể viết phƣơng trình:
(4.6)
Do động năng luôn mang giá trị dƣơng, do đó, hiệu ứng này chỉ xảy ra khi: Có nghĩa là hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi:
: Chính là giới hạn quang điện của kim loại.
Rõ ràng là chỉ có sóng ánh sáng có tần số đủ cao mới có thể gây ra hiệu ứng quang điện, còn cƣờng độ dòng quang điện thì tỉ lệ với cƣờng độ của dòng ánh sáng bị hấp thụ, nghĩa là tỷ lệ với số photon có khả năng bức đƣợc electron khỏi vật chất. Lý thuyết Einstein hoàn toàn giải thích đƣợc tất cả các dữ liệu thực nghiệm.
Năm 1907, Einstein trong khi nghiên cứu lý thuyết nhiệt dung của các chất rắn đã giải thích rõ thêm giả thuyết lƣợng tử. Vì sao vật thể (nguyên tử, phân tử, tinh thể) lại bức xạ ánh sáng theo Planck, chỉ theo từng lƣợng nhỏ? Einstein trả lời: ―Bởi vì các nguyên tử chỉ có một bộ gián đoạn các giá trị năng lƣợng khả dĩ‖. Nhƣ vậy, lý thuyết bức xạ và hấp thụ đã có đƣợc dạng hoàn chỉnh.
Một ngƣời Mỹ tên là Arthur Compton (1892-1926) đã có đƣợc chứng cứ xác nhận quan trọng nhất về các lƣợng tử ánh sáng vào năm 1922. Ông phát hiện ra rằng bƣớc sóng của bức xạ Rơnghen bị thay đổi khi tán xạ trên các electron của vật chất. Nhƣng theo điện động lực học cổ điển khi tán xạ bƣớc sóng ánh sáng không thể thay đổi đƣợc. Khi Compton thực hiện tính toán đã giả thuyết rằng tán xạ lên electron không phải là các sóng mà là các hạt (các photon). Kết quả tính toán trùng với thực nghiệm. Đó là bằng chứng trực tiếp về sự tồn tại thực tế của các photon.
GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 89 SVTH: Quách Thùy Dƣơng
Chƣơng 5: VẬN DỤNG CÁC ĐỊNH LUẬT VẬT LÝ VÀO THỰC TIỄN CUỘC SỐNG VÀ TRONG GIẢNG DẠY