* Định nghĩa: Hiệu ứng quang điện là hiện tượng giải phóng electron ra khỏi bề mặt kim loại dưới tác dụng của ánh sáng thích hợp.
8.4.2. Sơ đồ nghiên cứu của hiệu ứng quang điện
Một bóng đèn bằng thủy tinh, trong có độ chân không cao cỡ 10-6 mmHg. Bóng đèn có cửa số H bằng thạch anh để chiếu ánh sáng vào trong ống.
Trong bóng có 2 bản kim loại dùng làm anốt và katốt. Anốt nối với cực dương của nguồn điện. Katôt nối với cực âm của nguồn điện. Trong mạch có một vôn kế để đo hiệu điện thế giữa anôt và catôt.
* Trình tự thí nghiệm: Khi chưa chiếu ánh sáng vào catôt, kim điện kế chỉ số O chứng tỏ trong mạch không có dòng điện. Chiếu ánh sáng thích hợp vào katôt qua cửa sổ H ta thấy kim điện kế G quay chứng tỏ trong mạch xuất hiện 1 dòng điện. * Giải thích hiện tượng trên: Anốt và catôt được mắc với 2 cực của nguồn điện bên ngoài nên giữa chúng có một điện trường hướng từ anốt sang katôt, khi không có ánh sáng chiếu vào katốt, giữa anốt và katốt mạch còn hở trong mạch không có dòng điện, chiếu ánh sáng thích hợp các electron của bản kim loại dùng làm Katốt được giải phóng khỏi bề mặt kim loại và dưới tác dụng của điện trường giữa anốt và
katốt chúng chuyển động ngược chiều điện trường về phía anôt tạo nên dòng điện trong mạch.
Các electron được giải phóng ra khỏi bề mặt katôt được gọi là các quang electron. Dòng điện chạy trong mạch gọi là dòng quang điện.
8.4.3. Các định luật quang điện
Nghiên cứu hiện tượng quang điện Stolêtốp đã tìm được ra 3 định luật sau: * Đối với mỗi kim loại xác định hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi bước sóng
của chùm ánh sáng đơn sắc rọi tới kim loại nhỏ hơn một bước sóng 0 được gọi là giới hạn quang điện hay giới hạn đỏ của kim loại đó.
Kim loại Pt Zn Na Cs
Giới hạn đỏ0(m) 0,235 0,290 0,550 0,620
* Cường độ dòng quang điện bão hòa (số cực đại các quang electron được giải phóng khỏi katot chuyển hết về anot trong một đơn vị thời gian) tỷ lệ thuận với cường độ chùm sáng chiếu vào kim loại.
I J với J là cường độ sáng của chùm ánh sáng
* Động năng cực đại của các quang electron không phụ thuộc vào cường độ chùm sáng chiếu vào kim loại (không phụ thuộc J) mà chỉ phụ thuộc vào tần số
của chùm ánh sáng đó.
8.4.4. Giải thích các tính chất quang điện bằng thuyết lượng tử
+ Giải thích định luật 1: Bình thường electron liên kết chặt chẽ với nguyên tử trong kim loại nên muốn cho electron bị bứt ra khỏi bề mặt kim loại, ta phải truyền cho nó một năng lượng lớn hơn hay bằng công thoát A (A có giá trị bằng năng lượng cần phải truyền cho electron để nó bứt ra khỏi bề mặt kim loại).
Nếu ta coi ánh sáng là một chùm các hạt phôton, mỗi phôton có năng lượng = h. và ta xét trường hợp đơn giản cứ 1 phôton tới đập vào mặt katốt thì làm bắn ra 1 electrontruyền cho electron năng lượng h của mình vì vậy điều kiện để có hiệu ứng quang điện là:
Vì vậy điều kiện để có hiệu ứng quang điện là:
h A hay h c >A => 1 > A hc (12) Ở đây , là tần số và bước sóng của ánh sáng kích thích chiếu lên Katốt A là công thoát của electron của kim loại làm Katốt.
Đặt A hc = 1 0 => 0 = A hc (13)
Với mỗi kim loại xác định thì A= Const. Từ (13) suy ra 0 là xác định. Sử dụng 0 ta viết lại (12) như sau:
1
>
1
Vậy điều kiện để có hiệu ứng quang điện là bước sóng của ánh sáng kích thích
phải nhỏ hơn một giá trị xác định 0 (Giới hạn đỏ của kim loại làm Katôt)
+ Giải thích định luật 2: Theo thuyết lượng tử ánh sáng của Anhstanh cường độ chùm sáng tỷ lệ thuận với số phôtôn phát ra từ nguồn trong 1 đơn vị thời gian (Jo: Nf ) mà N càng lớn thì số phôtôn tới đập vào bề mặt katốt càng nhiều, do đó số quang electron bị bật ra khỏi katốt càng lớn, dẫn đến Ibh càng lớn. Vậy Ibh J + Giải thích định luật 3: Ta chỉ xét các electron nằm sát bề mặt kim loại, khi các electron này nhận được năng lượng h của phôtôn gửi tới một phần nó dùng làm công thoát A để bật khỏi kim loại, phần còn lại biến thành động năng ban đầu của electron. Theo định luật bảo toàn và biến hóa năng lượng, ta có:
n = + 2 max mv h A 2 (14) (Phương trình Anhstanh)
Vì h là hằng số, A có một giá trị xác định đối với mỗi kim loại xác định nên
2 max mV
2