Hiện tượng quang điện là một kiến thức quan trọng trong chương trình vật lý phổ thông. Ngày nay, nó được ứng dụng trong rất nhiều các sản phẩm công nghệ. Các thiết bị này phục vụ nhiều hoạt động giải trí và sinh hoạt của chúng ta. Hãy cùng kienthucmaymoc.com tìm hiểu rõ về hiện tượng này và ứng dụng của nó trong đời sống.
Mục lục bài viết
Hiện tượng quang điện là gì ?
Các khái niệm tương quan đến hiện tượng này gồm hiện tượng quang điện trong và hiện tượng quang điện ngoài. Dưới đây là từng khái niệm đơn cử :
Quang điện trong là gì?
Đó là hiện tượng ánh sáng giải phóng những electron link thành những electron dẫn. Các electron được giải phóng sẽ tạo ra những lỗ trống cùng tham gia vào việc dẫn điện. Đối với hiện tượng này thì những electron không bị bật ra ngoài mà chỉ hoạt động trong vật thể bán dẫn .
Hiện tượng quang điện ngoài là gì?
Đây chính là hiện tượng ánh sáng khiến các electron bật ra khỏi bề mặt kim loại. Hiện tượng này thường được gọi tắt là hiện tượng quang điện.
Một số định luật quang điện
Có 3 định luật tương quan đến quang điện, đơn cử là :
Định luật về giới hạn quang điện (định luật thứ nhất)
Đối với mỗi sắt kẽm kim loại, bước sóng của ánh sáng kích thích ( λ ) cần phải ngắn hơn hoặc bằng giá trị số lượng giới hạn quang điện ( λ0 ) thì mới xảy ra hiện tượng quang điện. Nói cách khác, điều kiện kèm theo để hiện tượng quang dẫn xảy ra khi và chỉ khi λ ≤ λ0 .
Hầu hết những sắt kẽm kim loại thường thì ( kẽm, đồng, bạc, nhôm, … ) đều có số lượng giới hạn quang điện nằm trong miền tử ngoại. Còn những sắt kẽm kim loại kiềm thổ, kiềm ( natri, kali, canxi, … ) thường có λ0 nằm trong miền ánh sáng thấy được .
Mỗi sắt kẽm kim loại có số lượng giới hạn quang điện riêng bộc lộ đặc trưng của sắt kẽm kim loại đó. Chúng tôi đã tổng hợp giá trị đơn cử của một số ít sắt kẽm kim loại thông dụng trong bảng số lượng giới hạn quang điện sau :
| Kim loại | λ0(μm) | Kim loại | λ0(μm) | Kim loại | λ0(μm) |
| Bạc | 0,26 | Natri | 0,50 | CdS | 0,90 |
| Đồng | 0,30 | Kali | 0,55 | Si | 1,11 |
| Kẽm | 0,35 | Xesi | 0,66 | Ge | 1,88 |
| Nhôm | 0,36 | Canxi | 0,75 | PbS | 4,14 |
Định luật về cường độ dòng quang điện bão hòa (định luật thứ 2)
Với mỗi ánh sáng thích hợp ( tức là có bước sóng λ ≤ λ0 ) thì cường độ dòng quang điện bão hòa sẽ tỉ lệ thuận với cường độ của chùm ánh sáng kích thích .
Định luật về động năng cực đại của quang electron (định luật thứ 3)
Động năng khởi đầu cực lớn của quang electron sẽ không nhờ vào vào cường độ của chùm ánh sáng kích thích. Nó chỉ phụ thuộc vào vào thực chất của sắt kẽm kim loại và bước sóng của ánh sáng kích thích .
Thuyết lượng tử ánh sáng
Giả thuyết Plăng về lượng tử năng lượng
Theo Plăng, nguồn năng lượng mà mỗi lần nguyên tử hoặc phân tử hấp thụ hay phát xạ có giá trị xác lập. Nó được gọi là lượng tử nguồn năng lượng và được ký hiệu là. Giá trị của lượng tử nguồn năng lượng được tính bằng :
ε = h. f
Trong đó :
- f : Tần số của ánh sáng được phát ra hoặc bị hấp thụ .
- h : Hằng số Plăng, h = 6,625. 10 ^- 34J.s
Thuyết lượng tử ánh sáng
Nhằm lý giải cho hiện tượng quang điện, nhà bác học vĩ đại Anhxtanh đã tăng trưởng thêm dựa trên giả thuyết Plăng. Ông đã đề xuất kiến nghị thuyết lượng tử ánh sáng hay còn gọi là thuyết photon. Nội dung đơn cử như sau :
- Ánh sáng được tạo thành từ những hạt photon ( hay còn gọi là những lượng tử ánh sáng ) .
- Trong chùm ánh sáng đơn sắc, mỗi photon có nguồn năng lượng xác lập là :
ε = h. f = h. c / λ
Trong đó : f là tần số của ánh sáng đơn sắc đang xét
c là tốc độ của ánh sáng trong chân không
λ là bước sóng của ánh sáng tương ứng trong chân không
- Trong chân không, những phôtôn bay dọc theo tia sáng với tốc độ c = 3.10 ^ 8 m / s .
- Mỗi lần nguyên tử hoặc phân tử hấp thụ hoặc phát xạ ánh sáng, cũng đồng nghĩa là chúng hấp thụ hoặc phát ra photon .
- Các photon không đứng yên một vị trí, nó chỉ sống sót trong trạng thái hoạt động .
Định luật số lượng giới hạn quang điện bằng thuyết lượng tử ánh sáng
Ta có công thức Anhxtanh về hiện tượng quang điện thuyết lượng tử ánh sáng là :
h. f = h. c / λ
Để xảy ra hiện tượng quang điện tức là electron bật ra khỏi mặt phẳng sắt kẽm kim loại thì ta phải phân phối cho nó một công đủ lớn để “ thắng ” những lực link. Công này được gọi là công thoát và ký hiệu là A. Như vậy, hiện tượng quang dẫn xảy ra thì :
h. f ≥ A => h. c / λ ≥ A => λ ≤ h. c / A
Ta đặt λ0 = h. c / A
Khi đó, ta được : λ ≤ λ0 ( với λ0 là số lượng giới hạn quang điện của sắt kẽm kim loại đang xét )
Những ứng dụng điển hình nổi bật của hiện tượng quang điện
Phát minh ra hiện tượng này đã ghi lại một bước chuyển biến lớn trong công nghệ tiên tiến sản xuất. Nó được dùng để sản xuất những tế bào quang trong nhiều thiết bị bán dẫn, tinh chỉnh và điều khiển tự động hóa, … Các ứng dụng điển hình nổi bật của hiện tượng này hoàn toàn có thể kể đến như :
- Pin mặt trời : Thiết bị này còn được gọi là tấm nguồn năng lượng mặt trời hoặc tấm quang điện. Nó được cấu trúc từ nhiều tế bào quang điện – thành phần bán dẫn có chứa nhiều cảm ứng ánh sáng điốt quang trên mặt phẳng. Tấm pin này sẽ chuyển nguồn năng lượng ánh sáng sang nguồn năng lượng điện .
- Photodiode ( hay diode quang ) là một loại bán dẫn ứng dụng hiện tượng quang điện để chuyển photon thành điện tích .
- Phototransistor là một dạng transistor đóng vỏ với cửa trong suốt để những photon xâm nhập. Nó là giải pháp hạn chế dòng rò và nhiễu .
Ứng dụng trong việc tạo ra các cảm biến ghi ảnh, ví dụ như cảm biến CCD. Cảm biến này sẽ chuyển đổi hình ảnh quang học sang tín hiệu điện trong các camera. Bên cạnh đó, các cảm biến quang học cũng ứng dụng hiện tượng này.
- Đèn nhân quang điện : Đây là một loại linh phụ kiện điện tử trong lớp đèn điện tử chân không và nằm trong nhóm đèn photo. Nó triển khai cảm ứng photon theo hiện tượng quang điện tạo ra điện tích. Đồng thời, dòng điện này còn được nhân lên hàng trăm đến hàng triệu lần ( 160 dB ) .
- Ứng dụng trong phổ quang điện tử, …
Qua bài viết, ta có thể thấy rằng hiện tượng quang điện là hiện tượng ánh sáng giải phóng các electron và làm bật chúng ra khỏi bề mặt kim loại. Điều kiện để có hiện tượng này là bước sóng của ánh sáng kích thích nhỏ hơn hoặc bằng giới hạn quang điện. Mong rằng, bài viết này sẽ giúp các bạn hiểu thêm về công nghệ được ứng dụng trong các thiết bị thông dụng trong đời sống hiện nay.
Source: https://bem2.vn
Category: Ứng dụng hay
