5. CÁC BƢỚC THỰC HIỆN LUẬN VĂN
3.2.3.4Giải thích các định luật quang điện
Định luật 1: Theo công thức (3.7), muốn hiện tƣợng quang điện xảy ra (electron bật ra khỏi catod thì photon của ánh sáng tới phải có năng lƣợng lớn hơn hay bằng công thoát A, nghĩ là phải có:
hay , suy ra
Đặt , ta có:
: Giới hạn quang điện của kim loại dùng làm catod
Định luật 2: Với các chùm sáng có khả năng gây ra hiện tƣợng quang điện thì số electron quang điện bị bật ra khỏi mặt kim loại trong một đơn vị thời gian tỉ lệ thuận với số photon đến đập vào mặt catod trong thời gian đó. Mặt khác số photon này lại tỉ lệ với cƣờng độ chùm sáng tới, còn cƣờng độ dòng quang điện bảo hòa lại tỉ lệ thuận với số electron quang điện bật ra khỏi catod trong một đơn vị thời gian. Vì vậy cƣờng độ dòng quang điện bảo hòa tỉ lệ thuận với cƣờng độ của chùm sáng chiếu vào catod.
Định luật 3: Theo công thức (3.7), động năng ban đầu cực đại của các electron quang điện chỉ phụ thuộc vào tần số của ánh sáng tới chứ không phụ thuộc vào cƣờng độ chùm ánh sáng.
Hình 3.16: Thí nghiệm xác định động năng ban đầu cực đại của các electron Trong khuôn khổ giả thuyết này thì Einstein đã giải thích đƣợc tất cả các sự kiện thực nghiệm quan sát đƣợc. Nhƣ vậy, một lần nữa ánh sáng lại đƣợc khẳng định về bản chất hạt của nó, tuy nhiên ta có thể thấy quan niệm "hạt ánh sáng" do Einstein đƣa ra là
A K
F
A V
GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 65 SVTH: Quách Thùy Dƣơng
khác với quan niệm trƣớc đây của Newton, đó không phải là những hạt cơ học đơn giản nhƣ quan niệm của Newton mà có những thuộc tính riêng của nó. Nhờ vào giả thuyết về lƣợng tử ánh sáng này Einstein đã hoàn toàn giải thích đƣợc 3 thí nghiệm của mình về hiệu ứng quang điện.
Sau đó hơn 10 năm, trong thập niên 1920, lí thuyết của Einstein về tính chất hạt của ánh sáng một lần nữa đƣợc củng cố bởi các thí nghiệm của nhà vật lí ngƣời Mĩ Arthur H.Compton, ngƣời chứng minh đƣợc photon có xung lƣợng, một yêu cầu cần thiết để củng cố lí thuyết vật chất và năng lƣợng có thể hoán đổi cho nhau, hiệu ứng đó sau này đƣợc gọi là hiệu ứng Compton. Đó là hiện tƣợng xảy ra khi Compton nghiên cứu sự khuếch tán (hay tán xạ) tia X bởi graphit (than chì). Trong thí nghiệm của mình, ông nhận thấy khi cho một chùm tia X có độ dài sóng đi qua một khối graphit, chùm tia bị khuếch tán. Khi khảo sát chùm tia khuếch tán ở một góc khuếch tán nhờ máy quang phổ, ngƣời ta thấy ngoài vạch ứng với độ dài sóng còn một vách ứng với độ dài sóng . Compton đã giải thích hiện tƣợng này bằng sự va chạm giữa photon với electron của chất khuếch tán, trong đó ông photon nhƣ một hạt có tính cơ học. Nếu thừa nhận ánh sáng có bản chất sóng thì Compton sẽ không thể giải thích đƣợc hiện tƣợng đã xảy ra, chỉ khi chấp nhận ánh sáng có bản chất hạt, và sử dụng thuyết photon của Einstein thì ông mới có thể giải thích đƣợc trọn vẹn hiện tƣợng.
Nhƣ vậy, cho đến đầu thế kỉ thứ 20 tồn tại một câu hỏi đặt ra cho các nhà khoa học:bản chất của ánh sáng là sóng hay hạt?Trƣớc khi hiện tƣợng quang điện xuất hiện con ngƣời có thể dễ dàng tin chắc rằng ánh sáng là sóng điện từ với các hiện tƣợng liên quan đến sự truyền của ánh sáng nhƣ giao thoa, nhiễu xạ, Tuy nhiên cho đến đầu thế kỉ 20, với lí thuyết sóng ánh sáng con ngƣời sẽ không thể lí giải đƣợc cho các hiện tƣợng về sự tƣơng tác giữa ánh sáng và vật chất nhƣ hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton Để có đƣợc đáp án cho những hiện tƣợng này, con ngƣời sẽ phải chấp nhận quan điểm hạt photon của Einstein. Vậy ánh sáng thực chất là sóng hay hạt?
Cùng khoảng thời gian nghiên cứu của Compton, một nhà khoa học ngƣời Pháp Louis Victor-de Broglie cho rằng tất cả vật chất và bức xạ đều có những tính chất vừa giống sóng vừa giống hạt. Dƣới sự chỉ dẫn của Max Planck, De Broglie đã ngoại suy công thức nổi tiếng của Einstein liên hệ khối lƣợng với năng lƣợng chứa luôn hằng số Planck:
= mc2 = (3.8) Trong đó : : năng lƣợng của hạt
m: là khối lƣợng c: là vận tốc ánh sáng h: là hằng số Planck : là tần số.
Công trình của De Broglie, liên hệ tần số của một sóng với năng lƣợng và khối lƣợng của một hạt, mang tính cơ sở trong sự phát triển của một lĩnh vực mới cuối cùng sẽ dùng để giải thích bản chất vừa giống sóng vừa giống hạt của ánh sáng. Đó chính là ngành cơ học lƣợng tử.
GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 66 SVTH: Quách Thùy Dƣơng
Qua đó ta thấy, vấn đề đặt ra ở thế kỉ XX khi tìm hiểu về ánh sáng không phải là sự tranh chấp giữa hai quan điểm để xác định quan điểm nào đúng mà lại là sự thống nhất chúng lại trong một lí thuyết mới. Ngày nay chúng ta công nhận ánh sáng có lƣỡng tính sóng - hạt. Hai tính chất này cùng tồn tại trong một thể thống nhất là ánh sáng và tùy điều kiện của hiện tƣợng khảo sát, bản chất này hay bản chất kia của ánh sáng đƣợc hiện ra. Ta có thể coi" sóng và hạt là hai tính phụ nhau của ánh sáng. Giữa hai mặt sóng và hạt của ánh sáng có những liên hệ, có tính thống nhất, chứ không hoàn toàn là hai mặt độc lập với nhau. Cho đến đầu thế kỉ XX, việc thừa nhận sự kết hợp hai bản chất sóng và hạt đã giúp con ngƣời hiểu đƣợc một cách bao quát các đặc tính của ánh sáng. Ánh sáng không là sóng và cũng chẳng là hạt, nói ánh sáng là lƣỡng tính sóng - hạt thực chất các nhà khoa học muốn đề cập đến ánh sáng nhƣ một đối tƣợng mới trong vật lí học mà bản chất của nó vừa giống sóng vừa giống hạt. Quan điểm này đã thực sự khép lại những cuộc tranh luận về bản chất ánh sáng là sóng hay hạt. Nhiệm vụ của vật lí học về ánh sáng là tìm hiểu về cái bản chất vô cùng đặc biệt này, và hơn thế nữa, đối tƣợng "lƣỡng tính sóng-hạt" không chỉ tồn tại ở ánh sáng mà còn đƣợc suy rộng ra cho các hạt vật chất, nhƣ ta đã biết trong lí thuyết củaDe Broglie.
GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 67 SVTH: Quách Thùy Dƣơng
Chƣơng 4: CÁC GIẢI THƢỞNG NOBEL VỀ QUANG HỌC