KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN NGOÀI – XÁC ĐỊNH CÔNG THOÁT ELECTRON
1.2. Giải thích hiện tượng quang điện
Sự xuất hiện của dòng quang điện trong mạch có thể được giải thích nhờ thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein. Theo thuyết này, ánh sáng cấu tạo bởi vô số các photon (lượng tử ánh sáng). Mỗi photon mang một năng lượng xác định bằng: µA kế Cathode Anode A Ánh sáng Hình 9.2: Sơ đồ thí nghiệm
với tế bào quang điện
V + _ R I Ibh2 Ibh1 O Uc U0 UAK Cường độ ánh sáng 1 Cường độ ánh sáng 2 I02 I01
c h .f h .
ε = =
λ (9.2)
với h = 6,625.10-34J.s là hằng số Planck, c = 3.108m/s là vận tốc ánh sáng trong chân không, νlà tần số và λlà bước sóng của ánh sáng đơn sắc.
Như đã biết, electron tự do trong kim loại muốn thoát ra khỏi bề mặt kim loại thì cần phải nhận được một năng lượng tối thiểu bằng công thoát A của nó đối với kim loại đó.
Nếu chiếu ánh sáng thích hợp vào bề mặt kim loại, electron nằm ở gần sát bề mặt này sẽ hấp thụ hoàn toàn năng lượng ε =h f. của photon để chuyển một phần thành công thoát A của nó và phần còn lại chuyển thành động năng ban đầu cực đại khi vừa thoát khỏi bề mặt kim loại. Áp dụng định luật bảo toàn năng lượng đối với các quang electron, ta nhận được phương trình Einstein:
2max max m v h .f A 2 ε = = + (9.3) Vì 2 max m v 0 2 ≥ , nên hν ≥A. Thay f = c
λ, ta suy ra điều kiện xảy
ra hiện tượng quang điện
o h .c
A
λ ≤ = λ
Với chùm ánh sáng thích hợp (λ≤λo) chiếu vào cathode, ta nhận thấy:
Khi UAK> 0 và càng tăng thì số quang electron chuyển động từ cathode K về anode A trong mỗi đơn vị thời gian càng nhiều và cường độ I của dòng quang điện càng tăng.
Khi UAK≥ U0 thì toàn bộ số quang electron thoát khỏi cathode K trong mỗi đơn vị thời gian đều bị hút hết về anode A, do đó cường độ I của dòng quang điện không tăng nữa và đạt giá trị bão hòa Ibh. Nếu cường độ chùm ánh sáng thích hợp chiếu vào cathode K càng mạnh thì số photon đến đập vào cathode K trong mỗi đơn vị thời gian càng nhiều. Do đó, số quang electron thoát khỏi cathode K và chuyển động về anode A trong mỗi đơn vị thời gian càng nhiều, nên cường độ dòng quang điện bão hòa Ibhcàng lớn.
Rõ ràng là ngay cả khi UAK = 0, một số quang electron có động năng cực đại đủ lớn vẫn có thể bay từ cathode K sang anode A để tạo
thành dòng quang điện có cường độ nhỏ Io ≠ 0 như trên hình 9.3. Muốn triệt tiêu dòng quang điện (I = 0), ta phải đặt vào hai cực của tế bào quang điện một hiệu điện thế cản Uc có giá trị âm sao cho công cản của điện trường giữa anode A và cathode K có trị số bằng động năng cực đại của quang electron.
2max max c m.v e.U 2 = (9.4)
ở đây e = - 1,6.10 -19 C là điện tích của quang electron. So sánh (9.2) với (9.4), ta tìm được.
c
e.U =hf−A (9.5)
Với các ánh sáng đơn sắc có tần số lần lượt là f, hiệu điện thế cản có giá trị tương ứng là Uc. Từ đó, ta suy ra giá trị của công thoát electron.
c
A=hf−e.U (9.6)
Trong thí nghiệm này, ta sẽ khảo sát hiện tượng quang điện bằng cách vẽ đường đặc trưng volt-ampere I = f (UAK) của tế bào quang điện chân không và xác định công thoát electron A theo công thức (9.6).
2. DỤNG CỤ VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO
2.1. Dụng cụ thí nghiệm
Các dụng cụ thí nghiệm gồm có:
a. Bộ thí nghiệm vật lý BKO-100PS gồm có: - Nguồn điện một chiều ổn áp 0 - 100V.
- Nguồn xoay chiều 6V-3A cấp điện cho đèn chiếu. - Tế bào quang điện chân không.
- Đèn chiếu Đ có cần gạt để thay đổi cường độ ánh sáng chiếu vào tế bào quang điện.
- Volt kế.
- Microampere kế. b. Các kính lọc sắc.
c. Miếng nhựa che ánh sáng chiếu vào tế bào quang điện. d. Bộ dây dẫn dùng nối mạch điện (9 dây).
2.2. Phương pháp đo