Hiệu ứng quang điện khảo sát đăc tuyến Vôn-Ampe của tế bào quang điện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƯ PHẠM
BỘ MÔN VẬT LÍ
ĐỀ TÀI:
HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN
KHẢO SÁT ĐẶC TUYẾN VÔN_AMPE CỦA
TẾ BÀO QUANG ĐIỆN
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
NGÀNH SƯ PHẠM VẬT L
Í
Giáo viên hướng dẫn Sinh viên thực hiện
ThS. Phạm Văn Tuấn Đặng Phúc Đảm
Lớp: Sư phạm Lí K31
MSSV 1050117
-- Cần Thơ, 2009 --
Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý
GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM
1
Phần A. MỞ ĐẦU
I. Lý do chọn đề tài
Ngày nay, với sự tiến bộ vượt bậc của khoa học kỹ thuật, con người đã đạt được
nhiều thành tựu khoa học kỹ thuật quan trọng. Những thành tựu đáng chú ý đó là chế
tạo thành công pin Mặt trời và các thiết bị điều khiển tự động như: thiết bị chống
trộm, thiết bị báo cháy, các thiết bị đóng mở đèn tự động, các cửa tự động...Tất cả các
thiết bị này đã gây cho tôi một sự say mê tìm tòi: “tại sao người ta lại làm được như
thế?”. Và qua thời gian nghiên cứu học hỏi tôi đã biết được: người ta dựa vào hiện
tượng quang điện để chế tạo ra các thiết bị hữu ích n
ày. Vì vậy, tôi đã quyết định
nghiên cứu về hiện tượng quang điện, và chọn đề tài “ hiện tượng quang điện_khảo
sát đặc tuyến Vôn_Ampe của tế bào quang điện”
. Qua đây tôi có thể hiểu sâu hơn,

tổng quát hơn về hiện tượng vật lý có nhiều ứng dụng này.
II. Mục đích nghiên cứu
- Thông qua việc nghiên cứu đề tài này giúp tôi có được kiến thức vững vàng hơn
về các lý thuyết liên quan đến hiệu ứng quang điện, đặc biệt là các lý thuyết về việc
giải thích các định luật quang điện.
- Giúp rèn luyện cho tôi có được kĩ năng thực hành và kĩ năng thiết kế chế tạo
các bộ dụng cụ thí nghiệm, phục vụ đắc lực cho việc giảng dạy sau này một cách có
hiệu quả và đạt kết quả cao nhất có thể được.
III. Các giả thuyết của đề tài
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết liên quan đến thí nghiệm và một số lý thuyết khác liên
quan. T
ừ việc nghiên cứu lý thuyết đó, tôi đã phần nào nắm vững lý thuyết và đã đủ tự
tin để tự thiết kế, chế tạo bộ dụng cụng thí ng
hiệm với tế bào quang điện.
- Với bộ thí nghiệm này ta có thể kiểm nghiệm được sự phụ thuộc của cường độ
dòng quang điện vào hiệu điện thế đặt vào tế bào quang điện, sự phụ thuộc của cường
độ d
òng quang điện bão hòa, hiệu điện thế hãm vào công suất của nguồn sáng và vào
t
ừng bước sóng ánh sáng khác nhau. Và đăc biệt là ta có thể tính lại được hằng số
Plăng và kiểm nghiệm lại được các định luật quang điện.
IV. Các bước tiến hành
- Bước 1: Nghiên cứu lý thuyết.
- Bước 2: Chế tạo và lắp ráp bài thí nghiệm.
Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý
GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM
2
- Bước 3: Tiến hành đo đạc, lấy số liệu thực nghiệm.
- Bước 4: Phân tích số liệu đo được
- Bước 5: Hoàn thành đề tài.

V. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu các tài liệu liên quan đến hiện tượng quang
điện như: Thuyết miền năng lượng,
các thí nghiệm và các kết quả thí nghiệm về hiện
tương quang điện, các lý thuyết về việc giải thích hiện tượng quang điện, các loại tế
bào quang điện, chất bán dẫn, quang bán dẫn.
- Phương pháp thực nghiệm: thiết kế, chế tạo bài thí nghiệm với tế bào quang điện.
Phần B. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
I. Thuyết miền năng lượng của vật rắn
Khái niệm tổng quát về cấu trúc miền. Cấu trúc miền của các tinh thể (các vật
rắn) là cơ sở của phần lớn các quan niệm hiện đại về các cơ chế của những hiện tượng
khác trong các chất cách điện (điện môi), các chất bán dẫn điện và các chất dẫn điện
(các kim loại). Trong những nét tổng quát nhất, quan niệm đó rút về một điều là,
electron trong v
ật rắn có năng lượng thay đổi liên tục trong những khoảng xác định
(E
1min
, E
1max
), (E
2min
, E
2max
), (E
3min
, E
3max
) ngăn cách nhau bởi những miền giá trị cấm
của năng lượng. Các khoảng những giá trị cho phép được gọi là vùng những giá trị cho
phép c

ủa năng lượng, các khoảng năng lượng không được thực hiện trong các tinh thể
được
gọi là vùng cấm. Số các trạng thái khả dĩ trong các vùng cho phép là hữu hạn, do
nguyên lý c
ấm của Pauli, số các trạng thái đó dẫn đến số hữu hạn các electron có năng
l
ượng trong vùng đang xét. Sự dời chuyển của êlectrôn từ vùng này sang vùng khác
liên quan
đến sự biến đổi năng lượng một vùng không nhỏ hơn bề rộng của vùng cấm.
S
ự dời chuyển có thể được thực hiện nhờ năng lượng của dao động nhiệt của mạng,
nhờ sự chiếu sáng hay điện trường. Về mặt lý thuyết, cấu trúc miền của các tinh thể có
th
ể xuất hiện khi giải phương trình Shrôdinger cho tinh thể sau một số sự đơn giản hóa
để đưa bài toán cho tinh thể về bài toán cho một hạt. Xuất phát từ thưc nghiệm, người
ta c
ũng có thể đi tới cấu trúc miền. Chẳng hạn các phổ hấp thụ của những vật rắn trong
mi
ền quang học và miền các tia Rơnghen mềm gồm các dải rộng riêng biệt. Điều đó
nói lên các electron của vật rắn có thể chỉ hấp thụ một năng lượng không nhỏ hơn bề
Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý
GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM
3
rộng của vùng cấm, và không lớn hơn khoảng cách giữa đáy của một vùng này với lớp
trên của vùng khác cao hơn.
I.1 Trong kim loại
Trong kim loại, sau khi tạo thành mạng tinh thể, từ các nguyên tử của kim loại
đứt ra các electron li
ên kết yếu hơn với nguyên tử. Các electron này trở thành các
electron t

ự do. Xuất phát từ quan niệm về các electron tự do Đrútđơ và Lorent đã hoàn
ch
ỉnh thuyết electron cổ điển. Thuyết này giúp ta giải thích được tính dẫn điện của kim
loại, nguyên nhân của điện trở, bản chất của nhiệt dung, độ dẫn điện, độ tự cảm và
điện động lực của kim loại…Nhưng những gì mà thuyết electron mang lại chưa thật
hoàn hảo. Nó không giúp ta giải thích được sự khác biệt giữa kim loại, bán kim loại,
bán dẫn và chất cách điện, sự xuất hiện của hằng số Hall và nhiều tính chất khác. Điều
này làm nảy sinh yêu cầu cần có một lý thuyết mới chặt chẽ hơn.
Như ta biết mạng tinh thể
có cấu trúc tuần hoàn nên thế năng của electron trong mạng
cũng là một hàm tuần hoàn theo chu kì mạng. Ví dụ, với mạng một chiều, thế năng có
dạng như hình vẽ sau:
Chuy
ển động của electron trong một trường tuần hoàn tạo nên một cấu trúc mới về
phổ năng lượng. Việc giải thích phương trình Schrodinger với một thế năng tuần hoàn
khá ph
ức tạp, vượt ra ngoài phạm vi của vật lý đại cương. Nhưng để hiểu những nét
chính, chúng ta có thể suy luận như sau: xét một tinh thể có N nguyên tử giống nhau.
Giả sử ban đầu các nguyên tử này ở rất xa nhau (coi như không tương tác với nhau).
Lúc đó mức năng lượng của electron trong mọi nguy
ên tử là giống nhau.
a
0
x
E
….
….
Hình 1: Thế năng của electron trong mạng tuần hoàn một
chiều.U(x) = U(x + a)
Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý

GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM
4
Gọi g
n
là độ suy biến của mức n thì hệ gồm N nguyên tử trên có độ suy biến là N.g
n
.
Bây gi
ờ ta cho các nguyên tử lại gần nhau để tạo thành tinh thể như nó tồn tại trên thực
tế, lúc đó các nguyên tử sẽ tương tác với nhau và các mức năng lượng trên sẽ tách ra,
độ suy biến giảm. Do N l
à một số rất lớn (vào cỡ 10
23
nguyên tử/cm
3
) nên khoảng tách
giữa các mức là rất bé, ta có thể coi như là có một vùng năng lượng gần như liên tục.
Để minh họa
, ta xét hai nguyên tử và xét hai mức năng lượng 1s và 2s của chúng lúc
hai nguyên tử lại gần nhau thì mỗi mức bị tách ra làm hai (hình 2.a), nếu có 6 nguyên
t
ử thì một mức bị tách ra làm 6 mức con (hình 2.b). Khi số nguyên tử N lớn (cỡ 10
23
nguyên tử/cm
3
) thì mỗi một mức ban đầu tách ra thành một vùng năng lượng gần như
1s
2s
Năng lượng
Hình 2.a.

Năng lượng
Khoảng cách
nguyên tử
Hình 2.b
2P
3S
2S
1
S
Hình 3
năng lượng
Khoảng cách
nguyên tử
Vùng năng lượng
được phép
Khe năng lượng
Hình 2.c
Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý
GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM
5
liên tục (hình 2.c). Các vùng này gọi là vùng được phép. Vùng có mức năng lượng cao
hơn gọi l
à vùng dẫn, vùng có năng lượng thấp hơn gọi là hóa trị. Giữa các vùng này có
nh
ững khoảng trống, gọi là khe năng lượng (hay vùng cấm) trong đó không tồn tại
trạng thái nào của electron và dĩ nhiên không có electron nào trong vùng đó. Cũng có
những miền trong đó có hai hay nhiều vùng năng lượng xen phủ nhau về mặt năng
lượng. Các vùng được phép có thể l
à vùng trống nếu như mọi mức năng lượng của nó
chưa bị

êlectron chiếm chỗ; cũng có thể là vùng đầy nếu như mọi mức năng lượng đều
bị electron chiếm chỗ; hoặc có thể là vùng chưa đầy nếu như có một số mức năng
lượng ở phía tr
ên trong vùng còn bị bỏ trống. Hình 3 mô tả sơ đồ vùng năng lượng của
tinh thể Natri, trong đó vùng chiếm đầy 3s chỉ mới choán đầy một nửa. Các tính chất
điện của một vật rắn phụ thuộc v
ào sự sắp xếp các vùng và các khe năng lượng, đồng
thời cũng phụ thuộc vào việc các vùng đó được cư trú bởi các electron như thế nào.
a. Vùng hóa trị (valence band): Là vùng có năng lượng thấp nhất theo thang năng
lượng, là vùng mà điện tử bị li
ên kết mạnh với nguyên tử và không linh động.
b. Vùng dẫn (Conduction band): Vùng có mức năng lượng cao nhất, là vùng mà điện
tử sẽ linh động (như các điện tử tự do) và điện tử ở vùng này sẽ là điện tử dẫn, có
nghĩa là chất sẽ có khả năng dẫn điện khi có điện tử tồn tại trên vùng dẫn. Tính dẫn
điện tăng khi mật độ điện tử tr
ên vùng dẫn tăng. c. Vùng cấm (Forbidden band) hay
còn g
ọi là vùng trống năng lượng: Là vùng nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn, không
có mức năng lượng nào do đó điện tử không thể tồn tại trên vùng cấm. Nếu bán dẫn
pha tạp, có thể xuất hiện các mức năng lượng trong vùng cấm (mức pha tạp).
Các mức
chưa lấp
Các mức
đ
ã lấp
Năng
lượng
Vùng dẫn
Vùng trống
năng

Vùng hóa
tr
ị
Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý
GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM
6
Khoảng cách giữa đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị gọi là độ rộng vùng cấm, hay
năng lượng v
ùng cấm (Band Gap). Tùy theo độ rộng vùng cấm lớn hay nhỏ mà chất có
thể là dẫn điện hoặc không dẫn điện.
Như vậy, tính dẫn điện của các chất rắn và tính chất của chất bán dẫn có
thể lý giải một cách đơn giản nhờ lý thuyết vùng năng lượng như sau:
a. Trong kim loại: vùng dẫn và vùng hóa trị phủ lên nhau (không có vùng cấm), do
đó luôn luôn có điện tử trên vùng dẫn vì thế mà kim loại luôn luôn dẫn điện. Ngay ở
nhiệt độ thường các electron hóa trị dễ dàng di chuyển lên mức năng lượng cao hơn,
rồi tới mức năng lượng cao hơn nữa từ miền hóa trị lên miền dẫn và trở thành electron
t
ự do. Số lượng electron tự do rất lớn. Do đó kim loại dẫn điện rất tốt.
Hình 4. Các miền năng lượng của electron trong kim loại.
b. Trong điện môi:
Miền cấm rộng cỡ 3eV trở lên. Các electron hóa trị tạo nên liên kết chặt chẽ giữa
các nguyên tử cạnh nhau. Các liên kết này khó bị đứt nên khó tạo thành electron tự
do.Theo thuyết miền năng lượng, tất cả các mức trong miền hóa trị đều bị chiếm,
Năng lượng của êlectron
●
●
●
●
Năng lượng của electron
●

●
●
●
Hình 5. Các mức năng lượng của electron trong điện môi
Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý
GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM
7
tất cả các mức trong miền dẫn còn trống. Muốn cho electron từ miền hóa trị vượt
qua miền cấm đến miền dẫn thì phải cung cấp cho nó một động năng lớn. Vì vậy ở
nhiệt độ thường năng lượng chuyển động nhiệt không đủ để nó chuyển động lên
mi
ền dẫn. Do đó, ở nhiệt độ thường điện môi là chất cách điện.
I.2 Trong chất bán dẫn: có vùng cấm có một độ rộng xác định. Ở không độ tuyệt
đối (0 K),
mức Fermi nằm giữa vùng cấm, có nghĩa là tất cả các điện tử tồn tại ở
vùng hóa trị, do đó chất bán dẫn không dẫn điện. Khi tăng dần nhiệt độ, các điện tử
sẽ nhận được năng lượng nhiệt (k
B
.T với k
B
là hằng số Boltzmann) nhưng năng
lượng này chưa đủ để điện tử vượt qua v
ùng cấm nên điện tử vẫn ở vùng hóa trị.
Khi tăng nhiệt độ đến mức đủ cao, sẽ có một số điện tử nhận được năng lượng lớn
hơn năng lượng v
ùng cấm và nó sẽ nhảy lên vùng dẫn và chất rắn trở thành dẫn
điện. Khi nhiệt độ càng tăng lên, mật độ điện tử tr
ên vùng dẫn sẽ càng tăng lên, do
đó, tính dẫn điện của chất bán dẫn tăng dần theo
nhiệt độ (hay điện trở suất giảm

dần theo nhiệt độ). Một cách gần đúng, có thể viết sự phụ thuộc của điện trở chất
bán dẫn vào nhiệt độ như sau:










Tk
E
RR
B
g
o
2
exp.
với: R
0
là hằng số,
g
E
là độ rộng vùng cấm. Ngoài ra, tính dẫn điện của chất bán dẫn
có thể thay đổi nhờ các kích thích năng lượng khác, ví dụ như ánh sáng. Khi chiếu
sáng, các điện tử sẽ hấp thu năng lượng từ
phôtôn, và có thể nhảy lên vùng dẫn nếu
năng lượng đủ lớn. Đây chính l

à nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi về tính chất của chất
bán dẫn dưới tác dụng của ánh sáng (quang-bán dẫn).
Năng lượng của êlectron
●
●
Năng lượng của lỗ trống
●
○
●
Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý
GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM
8
Một tính chất có tầm quan trọng thực tiễn của các chất bán dẫn là sự hưởng ứng của
chúng đối với ánh sáng. Các photon có ánh sáng với năng lượng lượng tử hf > E
g
có
th
ể kích thích các electron lên miền dẫn khi chúng bị hấp thụ do các va chạm quang
điện. Khi năng lượng của vật rắn tăng l
ên, chiều rộng của miền được phép (miền dẫn,
miền hóa trị) tăng lên, còn chiều rộng của miền cấm giảm đi, Do đó, tính chất dẫn điện
của kim loại, chất bán dẫn tăng khi nhiệt độ tăng. Đặc điểm nổi bật của chất bán dẫn là
điện trở suất giảm khi nhiệt độ tăng.
Muốn cho electron chuyển từ miền hóa trị lên miền dẫn phải cung cấp cho electron
một năng lượng tối thiểu bằng chiều rộng của miền cấm (vài eV). Để các electron di
chuyển trong miền được phép chỉ cần một năng lượng nhỏ (khoảng 10
-22
eV)
Các mi
ền năng lượng được hình thành là do bên trong vật rắn có điện trường tuần

hoàn. Trường n
ày tạo nên do các nút mạng tinh thể phân bố có trật tự trong không
gian.
II. Dòng điện
Dòng điện là các dòng điện tích dịch chuyển có hướng, gồm có dòng điện dẫn,
dòng điện đối lưu và dòng điện trong chân không.
II.1 Dòng điện dẫn : là các dòng điện tích vi mô chuyển động ở bên trong một
vật vĩ mô đứng yên (chất rắn, chất lỏng hay chất khí).
II.2 Dòng điện đối lưu: là dòng các điện tích được mang đi cùng với các hạt
vĩ mô hay các vật chứa các điện tích đó.
II.3 Dòng điện trong chân khộng: là dòng các hát mang điện vi mô ( các iôn
hay các êlectrôn) chuyển động không phụ thuộc vào các vật vĩ mô ở trong chân không.
 Cường độ dòng điện: Đại lượng i xác định bởi điện lượng dq đi qua tiết diện
ngang của vật dẫn sau khoảng thời gian vô cùng nhỏ dt được gọi là cường độ dòng
điện:
dt
dq
i

.
N
ếu sau các khoảng thời gian bằng nhau tuỳ ý, các điện tích đi qua tiết diện ngang của
vật dẫn như nhau, thì dòng điện được gọi là dòng điện không đổi (về độ lớn và chiều
và được kí hiệu l
à chữ I.
 Mật độ dòng điện J là đại lượng đo bằng điện tích đi qua một đơn vị mặt của
vật dẫn trong một đơn vị thời gian.
Mật độ dòng điện là một véc tơ vuông góc với mặt phẳng có dòng điện chạy qua.
Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý
GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM

9
Về trị số:
S
i
j

, trong đó S là tiết diện ngang của vật dẫn.
T
a quy ước lấy chiều dòng điện là chiều chuyển động của các điện tích dương ( hay
chiều ngược với chiều chuyển động của các điện tích âm).
III. Bản chất của tia sáng
Thuyết hạt về ánh sáng được I. Newton phát triển đầu tiên vào cuối thết kỉ thứ
XVII đ
ã coi ánh sáng như dòng các hạt do nguồn sáng phát ra và lan truyền thẳng
trong môi trường đồng chất. Sự phản xạ v
à khúc xạ ánh sáng được thuyết đó giải
thích bằng phương pháp cơ học. Chẳng hạn như, sự phản xạ của hạt ánh sáng từ
một tấm gương được so sánh với sự phản xạ của một quả cầu đàn hồi từ một thành
nào đó, vì trong trường hợp này, góc phản xạ bằng góc tới, sự phản xạ ánh sáng
được giải thích, l
à do các hạt của ánh sáng bị các hạt của môi trường thứ hai hút khi
chúng chuyển từ môi trường này sang môi trường khác. Khi đó các thành phần tiếp
tuyến
t
v
1
và
t
v
2

của vận tốc ánh sáng trong môi trường thứ nhất và thứ hai đều như
nhau, còn các thành phần pháp tuyến khác nhau. Vì
tt
ivv sin
11

và
kxt
ivv sin
22

, nên chiết suất:
1
2
sin
sin
v
v
i
i
n
kx
t

.
Thuy
ết hạt của ánh sáng đã không thể giải thích được các hiện tượng nhiễu xạ, giao
thoa, phân cực ánh sáng và đễn thế kỉ XIX.
Thuyết sóng ánh sáng lần đầu tiên do nhà vật lý Hà Lan Chistian Huygens (1962-
1965) đề xuất, ông cho rằng ánh sáng là sóng đàn hồi truyền trong mồi trường ête.

Ête là môi trường đặc biệt chiếm đầy mọi khoảng không gian bên trong vật cũng
như giữa chúng.
Trong suốt thế kỉ XVIII, thuyết hạt của Niutơn đã thống trị trong khoa học. Mãi
đến khi thuyết sóng giải thích được hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ thì thuyết sóng
mới có được vị trí xứng đáng của nó. Cuối thế kỉ XIX, Moăcxoen đã thiết lập
thuyết điện từ ánh sáng. Theo ông sóng ánh sáng là sóng điện từ có tần số cao.
Thuyết điện từ ánh sáng là một thuyết đúng đắn nhưng vẫn không thể giải thích
được hiện tượng tán sắc ánh. Do đó Lorenx đ
ã đưa đưa ra thuyết êlêctrôn để giải
thích hiện tượng này. Thuyết êlêctrôn giải thích được một số hiện tượng như tán
sắc, hấp thụ ánh sáng, nhưng không giải thích được các hiện tượng khác như sự
phát xạ của vật đen tuyệt đối. Để giải quyết khó khăn này, năm 1900 Plăng đã đưa
Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý
GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM
10
ra thuyết lượng tử Plăng. Theo ông sự phát xạ ánh của vật không xảy ra một cách
liên tục mà gián đoạn, nghĩa là thành từng phần năng lượng

xác định bởi:
hv

v
tần số phát xạ,
h
là hằng số Plăng.
Năm 1905 Anhxtanh đ
ã phát triển thuyết lượng tử của Plăng thành thuyết lượng tử
ánh sáng hay còn gọi là thuyết phôtôn. Theo Anhxtanh, không phải chỉ có sự phát
xạ mà còn có sự hấp thụ và sự lan truyền của ánh sáng cũng xảy ra dưới dạng
những lượng tử ánh sáng riêng biệt, gọi là lượng tử ánh sáng hay phôtôn.

Thuyết phôtôn khác với thuyết hạt của Niutơn ở chỗ trong thuyết phôtôn còn giữ
những khái niệm sóng: lượng tử ánh sáng hay là phôtôn được biểu diễn theo tần só
sóng theo hệ thức
hv

. Như vậy, ánh sáng vừa có tính chất sóng, vừa có tính
chất hạt, hay nói cách khác nó có lưỡng tính sóng-hạt. Thuyết phôtôn giải thích
được h
àng loạt hiện tượng mà thuyết điện từ ánh sáng tỏ ra bất lực (như sự phát xạ,
hấp thụ ánh sáng, các hiện tượng quang điện, huỳnh quang…), nhưng thuyết
phôtôn không hề phủ nhận thuyết điện từ ánh sáng. Ngày nay, thuyết điện từ ánh
sáng và thuyết phôtôn được coi là hai thuyết đúng đắn về bản chất ánh sáng.
IV. T
ế bào quang điện
IV.1 Tế bào quang điện
IV.1.1 Hiệu ứng quang điện (hiện tượng quang điện)
Heinrich Rudolf Hertz Alexander Stoletov
Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý
GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM
11
Hiệu ứng quang điện do Héc phát hiện ra đầu tiên 1887, sau đó việc nghiên cứu
chi tiết hiện tượng đã được Xtô-lê-tốp (Stoletov) tiến hành vào những năm 1888-1889,
r
ồi đến Lê-na (Lénard) năm 1889-1902 và nhiều nhà thực nghiệm khác vào những
năm 90 của thế kỉ XIX.
Trong những thí nghiệm này người ta đã thu được dòng quang
điện và đến đầu thế kỉ XX các định luật quang điện đã được thiết lập.
Hiệu ứng quang điện gồm có hai loại chính: hiệu ứng quang điện ngoài và hiệu ứng
quang điện trong.
Ngoài ra còn có hiệu ứng quang điện của lớp chặn.

- Hiệu ứng quang điện ngoài: hiện tượng ánh sáng có bước sóng thích hợp, khi chiếu
vào kim loại, làm bật các electron ra khỏi bề mặt kim loại, gọi là hiện tượng quang
điện ngo
ài.
- Hi
ệu ứng quang điện trong: do tác dụng của ánh sáng có bước sóng thích hợp các
electron d
ẫn và lỗ trống trong bán dẫn được tạo thành, kết quả là tính dẫn điện của vật
được tăng l
ên.
- Hi
ệu ứng quang điện của lớp chặn: thể hiện ở sự xuất hiện hiệu điện thế trên các vật
bán dẫn đặt tiếp xúc nhau được chiếu sáng. Hiệu ứng này được giải thích bởi cớ chế
dẫn điện trong các vật bán dẫn. Nếu một bán dẫn có tính dẫn bằng electron và một bán
dẫn có tính dẫn bằng lỗ trống được đặt tiếp xúc nhau và bán dẫn có tính dẫn bằng lỗ
trống được chiếu sáng, thì các electron của nó sau khi hấp thụ lượng tử ánh sáng sẽ
chuyển sang bán dẫn có tính dẫn bằng electron, bán dẫn này được tích điện âm và bán
d
ẫn kia được tích điện dương. Một nguồn điện được tạo ra, thêm vào đó qua lớp chặn
dòng quang điện đi theo hướng ngược với chiều dòng điện đi qua thiết bị đó, thiết bị
này được dùng như một cái chỉnh lưu.
Trong luận văn này phần lý thuyết thì ta nghiên cứu cả hai hiện tượng quang điện, còn
ph
ần thực nghiệm ta chỉ nghiên cứu phần hiện tượng quang điện ngoài, (nghiên cứu
tác dụng của ánh sáng lên tế bào quang điện chân không).
Hi
ệu ứng quang điện hầu như không có quán tính, nghĩa là không có sự chậm trễ giữa
lúc bắt đầu chiếu sáng và lúc xuất hiện các quang electron.
IV.1.2 Thí nghiệm: Sơ đồ thí nghiệm thường dùng để nghiên cứu hiệu ứng
quang điện như h

ình vẽ. Nó gồm một bóng đèn chân không cao (áp suất vào khoảng
10
-6
mmHg ). Trong bóng đèn có hai bản kim loại: bản dương cực A (anot) và bản âm
cực K (catot ). Bản âm cực K làm bằng kim loại cần nghiên cứu hiệu ứng quang điện.
Nhờ hai nguồn điện
1

và
2

(có các cực mắc đối nhau) và một biến trở R nối với
Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý
GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM
12
hai bản A và K như hình vẽ 23, ta có thể đặt bản A ở hiệu điện thế cao hơn bản K
(hoặc ngược lại ) bằng cách dịch chuyển con chạy C trên biến trở R.
Cho một chùm ánh sáng tử ngoại (bước sóng ngắn ) chiếu qua nắp thạch anh N tới rọi
trên mặt bản âm cực K. Chùm ánh sáng này sẽ giải phóng các electron khỏi mặt bản
âm cực K, những electron này gọi là các quang electron. Dưới tác dụng của điện
trường giữa A v
à K, các quang electron sẽ chuyển động về dương cực A và tiếp tục đi
vào trong mạch điện, tạo thành một dòng điện không đổi có chiều ngược lại gọi là
dòng
điện. Cường độ dòng điện I
a
đo bằng điện kế G, còn hiệu điện thế U
AK
= V
A

- V
k
giữa hai bản kim loại A và K được đo bằng vôn kế V.
IV.1.3 Đường đặc trưng (đặc tuyến) vôn-ampe: khi nghiên cứu sự biến đổi
của cường độ dòng quang điện I
a
theo hiệu điện thế U
AK
ta vẽ được đường cong biểu
diễn I
a
= f(U
AK
) gọi là đường đặc trưng vôn–ampe của kim loại K. Ta nhận thấy, nếu
U
AK
tăng thì I
a
cũng tăng theo. Khi U
AK
lớn hơn một giá trị U
1
nào đó ( U
AK
> U
1
),
cường độ dòng quang điện I
a
sẽ không tăng nữa và có giá trị không đổi bằng I

bh
. Giá trị
I
bh
được gọi là cường độ của dòng quang điện bão hòa. Nó đặc trưng cho tác dụng
quang điện của một ch
ùm ánh sáng nhất định đối với mỗi kim loại.
Hình 23
G
+
V
A
N
K
E

C
R
2


+
-
-
Chùm tia
t
ử ngoại
Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý
GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM
13

IV.1.4 Sự hấp thụ phôtôn của các êletron:
Trong hi
ện tượng quang điện (ngoài), nói chung êlêctron chỉ hấp thụ một
phôtôn, do đó năng lượng của êlêctrôn tăng lên c
òn phôtôn thì “biến mất”. Êlêctrôn chỉ
có thể hấp thụ hoàn toàn một phôtôn với điều kiện là êlêctrôn ở trạng thái liên kết
(trong nguyên tử, phân tử hay trong vật rắn). Sự hấp thụ hoàn toàn phôtôn bởi êlêctrôn
t
ự do là không thể xảy ra, là bị “cấm”, vì sẽ vi phạm các định luật bảo toàn năng
lượng và động lượng. Sau đây ta sẽ chứng minh điều đó: Để cho đơn giản, giả sử rằng,
trước khi hấp thụ phôtôn, êlêctrôn đứng yên. Khi đó, áp dụng các định luật bảo to
àn
năng lượng và động lượng cho các hạt tương tác (phôtôn và êlêctrôn) ta có, theo thuyết
tương đối
:
2242
0
2
0
cpcmhcm 

và
p
h


trong đó

h
và


h
tương ứng là năng lượng và xung lượng của phôtôn, còn p là động
lượng của
êlêctrôn sau khi hấp thụ phôtôn, m
0
. c
2
là năng lượng nghỉ của êlêctrôn từ
hai phương tr
ình đó ta suy ra:
2242
0
2
0
fhcmhcm 

với chú ý là



c
Dễ dàng thấy rằng đẳng thức vừa tìm được sẽ không đúng với mọi tần số

khác
không. Do đó, ta phải kết luận rằng trong hiệu ứng quang điện phôtôn tương tác với
êlêctrôn liên kết. Sự liên kết của êlêctrôn trong nguyên tử được đặc trưng bởi năng
lượng ion hoá nguy
ên tử, còn trong nguyên tử thì nó được đặc trưng bằng công thoát
A. Như vậy, để hiệ

u ứng quang điện ngoài có thể xảy ra, thì năng lượng của phôtôn
U= V
A
– V
K
U
1
0
-U
2
i
o
l
a
i
bh
Điện áp giảm tốc Điện áp tăng tốc
Hình 24
Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý
GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM
14
phải lớn hơn năng lượng ion hoá hay công thoát. Năng lượng này thực ra chưa phải là
l
ớn. Với những phôtôn có năng lượng từ hàng chục đến hàng nghìn êlêctrôn vôn, xác
su
ất của hiệu ứng quang điện giảm đi nếu năng lượng của phôtôn tiếp tục tăng.
Thế nhưng trong quang học phi tuyến (quang học phi tuyến là quang học
được khảo sát dưới tác dụng của các chùm ánh sáng có cường độ mạnh, ví dụ như
chùm lade hay máy phát lượng tử…), thực nghiệm chứng tỏ rằng, giả định về sự hấp
thụ một phôtôn bởi hệ nguyên tử hoặc phân tử hay vật rắn, chỉ đúng khi các chùm sáng

y
ếu. Còn khi rọi vào môi trường chùm sáng lade có công suất lớn thì có thể xảy ra sự
hấp thụ nhiều phôtôn. Hiện tượng hấp thụ nhiều phôtôn được biểu hiện dưới những
dạng sau:
a) Khi một chùm sáng lade đủ mạnh có tần số

truyền qua môi trường mà
nguyên t
ử (hoặc phân tử hay vật rắn của nó) có hai mức năng lượng thỏa mãn điều
kiện:

nhEE 
12
Với n = 2,3…thì nguyên tử (hoặc phân tử hay vật rắn) có thể hấp thụ đồng thời hai,
ba…phôtôn để chuyển từ trạng thái E
1
lên trạng thái E
2
Tất nhiên đối với một môi trường đã cho thì phải chọn tần số của lade thích hợp. Còn
khi t
ần số lade đã xác định thì phải chọn môi trường thích hợp để

nhEE 
12
được
thỏa mãn. Hiện tượng hấp thụ hai phôtôn được phát hiện khi chiếu bức xạ lade rubi với
m

693,0
lên tinh thể CaF

2
, thấy trong ánh sáng thoát ra từ tinh thể ngoài bức
xạ
m

693,0
còn có các bức xạ có bước sóng
m

425,0
.
b) Khi chi
ếu một chùm sáng trắng qua một môi trường mà có thể xảy ra sự hấp thụ
một phôtôn
0

h
, thỏa mãn hệ thức
012

hEE 
, thì khi chiếu một chùm sáng trắng và
m
ột chùm lade đủ mạnh tần số

qua môi trường đó, chùm ánh sáng bị hấp thụ hoàn
toàn hai t
ần số
1


và
0

với


01
. Như vậy, do sự có mặt của phôtôn

h
của
chùm sáng mạnh, phân tử (hoặc nguyên tử hay vật rắn) của môi trường đã hấp thụ
đồng thời hai phôtôn có tần số khác nhau

và
1

thoả mãn hệ thức:
1
210
EEhhh 

c) Bằng thực nghiệm đã quan sát được hiêu ứng quang điện nhiều phôtôn và sự ion
hóa nhiều phôtôn khi chiếu sáng môi trường bằng những chùm ánh sáng đủ mạnh và
có t
ần số

tương đối thấp. Hiệu ứng quang điện thường (hiệu ứng quang điện một
phôtôn) quan sát được khi tần số của phôtôn lớn hơn một tần số giới hạn
0


nào đó,
Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý
GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM
15
còn hiệu ứng quang điện nhiều phôtôn lại có thể xảy ra ở tần số bé hớn tần số giới hạn
quang điệnn lần (n l
à số phôtôn tham gia đồng thời vào một quá trình cơ bản).
IV.1.5 Các định luật quang điện:
Định luật I
( Định luật về giới hạn đỏ của hiệu ứng quang điện ) :

Đối với mỗi kim loại xác định, hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi bước sóng

của chùm ánh sáng rọi tới nó nhỏ hơn một giá trị xác định
0

gọi là “giới hạn
quang điện” của kim loại đó.

<
0

Giới hạn quang điện
0

phụ thuộc bản chất của kim loại được rọi sáng, ngoài ra nó
còn ph
ụ thuộc vào trạng thái mặt ngoài của kim loại đó. Nếu chùm ánh sáng tới có
bước sóng không thích hợp (


>
0

), thí dụ cường độ sáng rất mạnh, thì nó cũng
không th
ể gây ra hiệu ứng quang điện.
Định luật II ( Định luật Stoletop về dòng điện bão hòa ):
Cường độ dòng điện bão hòa I
bh
(nghĩa là số electron được giải phóng khỏi kim loại
trong một đơn vị thời gian ) tăng tỉ lệ thuận với cường độ sáng I của chùm ánh sáng rọi
tới kim loại.
Định luật III ( Định luật Anhxtanh về động năng cực đại của quang electron ):
Động năng cực đại của các quang electron tăng tỉ lệ với tần số

của chùm ánh sáng
r
ọi tới nó và không phụ thuộc vào cường độ sáng I của chùm ánh sáng đó.
IV.1.6 Giải thích các định luật quang điện
IV.1.6.1 Theo lý thuyết sóng (sự bất lực của thuyết điện từ về ánh sáng):
Theo thuyết điện từ về ánh sáng, năng lượng ánh sáng được truyền đi liên tục theo
sóng ánh sáng và cường độ á
nh sáng càng lớn thì năng lượng ánh sáng mang theo càng
nhi
ều. Như vậy, dù ánh sáng có bước sóng lớn thế nào đi nữa, nhưng nếu có cường độ
lớn thì nó sẽ cung cấp được nhiều năng lượng cho electron và do đó sẽ giải phóng
được electron khỏi kim loại. V
ì thế, thuyết điện từ không thể giải thích được tại sao có
“giới hạn quang điện”, cũng như không thể giải thích được tại sao có động năng cực

đại ban đầu của các quang electron không phụ thuộc vào cường độ ch
ùm sáng rọi tới
kim loại. Hơn nữa, theo thuyết điện từ về ánh sáng, từ khi ánh sáng rọi tới kim loại đến
khi có các quang electron đầu ti
ên xuất hiện phải mất một khoảng thời gian mấy chục
phút. Nhưng thí nghiệm chứng tỏ rằng, khoảng thời gian đó rất bé (không quá 10
-
Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý
GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM
16
9
giây). Đó là những bất lực của thuyết điện từ về ánh sáng trong việc giải thích hiện
tượng quang điện.
IV.1.6.2 Theo lý thuyết hạt của Anhxtanh
IV.1.6.2.1 Thuy
ết lượng tử năng lượng của Plăng
Năm 1900, Plăng đưa ra giả thuyết: Lượng năng lượng mà mỗi lần một nguyên
t
ử hay phân tử hấp thụ hay phát xạ có giá trị hoàn toàn xác định và bằng h

; trong đó

là tần số của ánh sáng bị hấp thụ hay được phát ra; còn h là một hằng số.
IV.1.6.2.2 Thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein (Anhxtanh) (1905)
Dựa vào thuyết lượng tử năng lượng của Plăng Einstein đã phát triển thành
thuyết lượng tử ánh sáng (hay còn gọi là thuyết phôtôn), nội dung cơ bản như sau:
a) Chùm ánh sáng là một chùm các phôtôn (các lượng tử ánh sáng). Mỗi phôtôn
có năng lượng xác định

h

(Trong đó h=6,625.10
-34
J.s là hằng số Plăng, còn

là tần số của sóng ánh sáng tương ứng với phôtôn đó). Cường độ của chùm sáng tỉ
lệ với số phôtôn phát ra trong một giây.
b) Phân tử, nguyên tử, êlectron…phát xạ hay hấp thụ ánh sáng, cũng có nghĩa là
chúng phát x
ạ hay hấp thụ phôtôn.
c) Các phôtôn bay dọc theo tia sáng với tốc độ c = 3.10
8
m/s trong chân không.
Chú ý rằng, thuyết lượng tử ánh sáng không khẳng định rằng mọi năng lượng có
tính gián đoạn, m
à chỉ khẳng định rằng năng lượng ánh sáng do nguyên tử hoặc phân
tử hấp thụ hoặc phát xạ mới có tính gián đoạn mà thôi. Còn động năng tịnh tiến của
phân tử, nguyên tử và êlêctrôn vẫn có thể biến thiên những giá trị tuỳ ý, tức là vẫn liên
t
ục. Trong công thức Anhxtanh, ta cũng thấy rằng động năng của êlêctrôn luôn luôn
nh
ỏ hơn lượng tử năng lượng

h
.
 Các thuộc tính của phôton:
Theo thuyết tương đối Anhxtanh, giữa năng lượng và khối lượng của phôton có hệ
thức:
2
mc


và năng lượng của phôton ứng với bức xạ điện từ đơn sắc tần số

là:

h
. Từ đó suy ra khối lượng của phôton là:


.
.
22
c
h
c
h
c
m 
Theo thuyết tương đối, khối lượng phụ thuộc vào vận tốc theo hệ thức:
2
2
1
c
v
m
m
o


, trong đó m
o

là khối lượng nghỉ. Từ đó suy ra:
Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý
GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM
17
2
2
1.
c
v
mm
o

. Đối với phôton v = c nên m
o
= 0, tức là đối với phôton thì khối
lượng nghỉ bằng không.
Phôton luôn chuyển động với vận tốc c nên nó có xung lượng là:
c
h
mcp


hay

h
p

Vậy, xung lượng của phôton tỷ lệ với tần số hoặc tỷ lệ nghịch với bước sóng của bức
xạ điện từ tương ứng.
 Công thức Anhxtanh về hiện tượng quang điện

Theo Anhxtanh, khi xảy ra hiệu ứng quang điện, mỗi êlectron của kim loại hấp thụ
hoàn toàn một phôtôn và nhận thêm một năng lượng

h
do phôtôn truyền qua.
Đối với các
êlectron nằm sâu trong kim loại năng lượng

nhận được bị tiêu hao một
phần A
1
do va chạm với các hạt khác trong mạng tinh thể khi đi từ các lớp sâu ra mặt
ngoài kim loại. Một phần chuyển thành công thoát A để tách êlectron tách êlectron ra
kh
ỏi kim loại và phần còn lại chuyển thành động năng ban đầu của quang êlectron.
Theo định luật bảo toàn năng lượng ta có:
2
2
1
o
mV
AAh


Như vậy, các êlectron nằm càng sâu trong kim loại thì A
1
càng lớn, do đó động năng
ban đầu c
àng nhỏ. Còn các êlectron ở ngay trên bề mặt kim loại thì A
1

= 0 nên động
năng ban đầu v
à vận tốc ban đầu của chúng lớn nhất, khi đó ta có:
2
max
2
o
mV
Ah


, hay
2
max
2
o
mV
A
c
h


, hệ thức này chính là công thức
Anhxtanh về hiện tượng quang điện.
IV.1.6.2.3 Giải thích các định luật quang điện:
a) Giải thích định luật I (định luật về giới hạn đỏ của hiệu ứng quang điện): ở
trạng thái bình thường các electron bị “giam” trong kim loại. Khi kim loại được rọi
sáng, mỗi electron sẽ hấp thụ hoàn toàn một photon tới nó và nhận thêm năng lượng

h

của photon đó. Nếu phần năng lượng

này lớn hơn công thoát A của
electron, thì electron có thể được giải phóng khỏi kim loại. Như vậy, điều kiện để hiệu
ứng quang điện xảy ra l
à:

h
>A
Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý
GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM
18
Hay:

>
0


h
A
(*)
Trong đó
h
A

0

là giá trị cực tiểu của tần số sóng ánh sáng gây ra hiệu ứng quang
điện.
Nếu thay tần số bằng bước sóng, ta sẽ có:



c

và


hcc

0
0
Khi đó điều kiện (*) sẽ viết thành:


hc

0
Nghĩa là chùm ánh sáng gây ra hiệu ứng quang điện phải có bước sóng

nhỏ hơn
một giá trị xác định
A
hc

0

. Giá trị
0

chính là “giới hạn quang điện” và rõ

ràng nó ch
ỉ phụ thuộc vào công thoát A, tức là phụ thuộc vào bản chất của kim loại ta
cần nghiên cứu hiệu ứng quang điện.
b) Giải thích định luật II (Định luật Stoletop về dòng quang điện bão hòa):
dòng quang
điện sẽ trở nên bão hòa khi tất cả các quang electron trên được giải phóng
khỏi bản kim loại âm cực K đều chuyển động hết về bản dương cực A. Nhưng số
quang electron được giải phóng khỏi âm cực K tỉ lệ thuận với số photon bị hấp thụ; số
photon này lại tỉ lệ thuận với số photon tới âm cực K. Vì vậy, cường độ dòng quang
điện bão hòa (bằng số electron được giải phóng khỏi âm cực K trong đơn vị thời gian)
sẽ tỉ lệ với số photon tới âm cực, tức là tỉ lệ thuận với cường độ sáng của chùm ánh
sáng r
ọi tới bản kim loại âm cực K.
c) Giải thích định luật III (Định luật Anhstanh về động năng ban đầu cực đại
của quang electron): Trong số các electron được giải phóng khỏi kim loại, có electron
ở sát ngay mặt ngo
ài kim loại, có electron ở sâu trong kim loại. Đối với electron ở sát
ngay mặt ngoài kim loại, năng lượng

h
mà electron hấp thụ được của photon
dùng để sinh công thoát A, phần c
òn lại chuyển thành động năng ban đầu của electron
đó. Đối với electron ở sâu trong kim loại, một phần năng lượng m
à nó hấp thụ được
của photon bị tiêu hao trong quá trình chạy từ trong ra ngoài mặt kim loại. Do đó,
động năng của nó khi thoát khỏi kim loại sẽ nhỏ hơn động năng ban đầu của electron
Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý
GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM
19

nói trên. Như vậy các electron ở sát ngay mặt ngoài của kim loại, khi được giải phóng
khỏi kim loại, sẽ có động năng ban đầu cực đại.
Khi đó, theo định luật bảo toàn năng lượng, động năng cực đại ban đầu của quang
electron (
max
2
2
1
mv
) sẽ bằng hiệu số của năng lượng

h
mà nó hấp thụ được của
phôtôn trừ đi công thoát A của nó khỏi mặt kim loại:
Ahmv 

max
2
2
1
Phương trình này được gọi là phương trình Anhstanh. Nó chứng tỏ rằng, đối với mỗi
kim loại xác định, động năng cực đại ban đầu của quang electron chỉ phụ thuộc vào tần
số

của chùm ánh sáng rọi tới mặt kim loại. Kết quả tính toán được theo phương
trình Anhstanh rất phù hợp với kết quả đo được bằng thực nghiệm.
Như vậy, thuyết lượng tử ánh sáng của Anhstanh đ
ã giải thích được hoàn toàn các định
luật quang điện. Ngược lại, việc giải thích thành công các định luật quang điện chứng
tỏ thuyết lượng tử ánh sáng của Anhstanh hoàn toàn đúng và nó đã đem lại cho chúng

ta thêm một quan niệm mới về bản chất ánh sáng: đó là tính chất hạt của ánh sáng.
Ngoài hiện tượng quang điện, còn nhiều hiện tượng khác như hiệu ứng Compton, áp
suất ánh sáng cũng là những hiện tượng thực nghiệm xác nhận rõ thêm bản chất hạt
của ánh sáng.
IV.2 Sự phát electron nhiệt
Êlectrôn thoát ra khỏi bề mặt vật rắn, ngoài hiện tượng quang điện thì nếu vật
được
nung nóng các êlectrôn cũng được giải phóng khỏi bề mặt kim loại, hiện tượng
này còn gọi là sự phát êlectrôn nhiệt.
Trong chuy
ển động hỗn loạn ở bên trong nguyên tử, các êlectrôn riêng lẻ thu được
động
năng lớn hơn công thoát của êlectrôn khỏi kim loại và bị bứt khỏi kim loại. Khi
đó kim loại tích điện dương và hút các êlectrtôn đã bay ra. Do kết quả của hai quá
trình: “s
ự bốc hơi” của các êlectrôn khỏi kim loại và sự “ngưng động” của các êlectrôn
trong kim lo
ại, nên có một nồng độ êlectrôn nào đó được hình thành ở phía trên kim
lo
ại. Nồng độ đó rất nhỏ, không đáng kể ở các nhiệt độ thông thường và tăng đột ngột
khi nhiệt độ tăng.
N
ếu kim loại được nung nóng là catốt của đèn chân không và hiệu điện thế tác dụng
lên đèn bảo đảm cho tất cả các êlectrôn phát ra từ catốt đều bị điện trường hút về anốt,
thì
đặc trưng của các tính chất phát êlectrôn nhiệt của chất làm catốt là dòng phát xạ
Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý
GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM
20
ứng với mỗi cm

2
của mặt bị nung nóng của vật, nghĩa là mật độ của dòng phát xạ khi
bão hòa.
M
ật độ dòng phát xạ bão hòa j
bh
được mô tả bởi công thức Dustman – Richardson:
kT
A
bh
th
eBTj


2
,
trong
đó B là hằng số, T là nhiệt độ tuyệt đối của catốt, A
th
là công thoát của êlectrôn
kh
ỏi kim loại, k là hằng sô Boltzmann.
IV.3 Các loại tế bào quang điện
IV.3.1 Tế bào quang điện chân không và có khí:
Tế bào quang điện chân không và tế
bào quang điện có khí l
à loại tế bào quang
điện đơn giản nhất. Nguyên tắc hoạt động
của chúng dựa trên hiện tượng, hiệu ứng
quang điện ngo

ài, tức là sự giải phóng các
electron khỏi mặt kim loại khi ta rọi một
chùm sáng thích hợp (
0


) tới mặt kim
loại đó.
a. Tế bào quang điện chân không:
nó gồm một bóng đèn chân không (áp suất
khoảng 10
-6
mmHg) bằng thủy tinh hoặc
thạch anh, một phần mặt trong của bóng đèn
có ph
ủ một lớp chất rất nhạy đối với ánh
sáng như xesi (Cs), natri (Na), kali (K), bạc (Ag),…d
ùng làm âm cực K phát ra các
quang electron. Chính giữa đèn là một vòng dây kim loại dùng làm dương cực A. Âm
cực K và dương cực A được nối với một nguồn điện

(bộ acqui ) và một microampe
kế dùng đo cường độ dòng quang điện. Suất điện động của nguồn điện

phải đủ lớn
để tạo ra được d
òng quang điện bão hòa. Cường độ dòng quang điện bão hòa được xác
định bằng một đại lượng vật lý gọi là độ nhạ
y của tế bào quang điện. Độ nhạy của tế
bào quang điện có trị số bằng tỉ số giữa cường độ d

òng quang điện bão hòa và quang
thông c
ủa chùm ánh sáng rọi tới âm cực K. Đơn vị của nó là microampe trên lumen

A
K
A
+-
Hình
25
Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý
GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM
21
(
lmA/

). Thông thường, tế bào quang điện chân không có độ nhạy rất nhỏ chỉ vào
kho
ảng từ 10

15
lmA/

.
b.Tế bào quang điện có khí: để tăng độ nhạy của tế bào quang điện, người ta
cho thêm khí trơ (
thí dụ Ar chẳng hạn ) vào trong bóng đèn tới áp suất khoảng 0,01

1
mmHg để tạo thành tế bào quang điện có khí. Trong tế bào quang điện có khí, các

electron sơ cấp từ âm cực K phát ra sẽ ion hóa các nguy
ên tử khí trơ trên đường đi của
chúng và làm xuất hiện các electron thứ cấp do ion hóa. Các electron thứ cấp này trên
đường đi về dương cực A lại ion hóa các nguyên tử khí trơ khác, do đó số electron sẽ
tăng lên m
ãi và làm cho dòng quang điện trong tế bào có khí tiếp tục tăng mãi không
bão hòa.
Độ nhạy của loại tế bào quang điện có khí này có thể đạt tới 100
lmA/

.
IV.3.2 Tế bào nhân quang điện và ống nhân quang điện:
a. Tế bào nhân quang điện ( một tầng ): sơ
đồ
tế bào nhân quang điện ( một tầng ) như hình vẽ
(26). Các quang electron được giải phóng khỏi âm
cực K sẽ chuyển động về dương cực phụ A
1
nhờ
trường tĩnh điện tạo bởi nguồn điện
1

Sau khi đập
vào dương cực phụ A
1
, các quang electron này sẽ làm
b
ật khỏi dương cực phụ A
1
một số electron mới gọi là

electron th
ứ cấp
Những electron thứ cấp này sẽ chuyển động về
dương cực chính A ( có dạng một lưới kim loại ) nhờ
nguồn điện
2

và tạo thành dòng quang điện có
cường độ khá lớn.
Độ nhạy của loại tế bào nhân quang điện ( một tầng )
này đạt tới giá trị từ 500

1000
lmA/

.
b. Ống nhân quang điện: Là một dụng cụ
khuếch đại electron bức xạ từ cathode nhờ một đèn
chân không có nhi
ều dương cực phụ được đặt ở
những điện thế khác nhau . Nó gồm một bóng thủy tinh chân không trong có quang âm
cực K ở điện thế thấp nhất và dương cực chính A ở điện thế cao nhất, còn có các điện
cực trung gian K
1
, K
2
, K
3
… gọi là các cực phát ( hình 27). Hệu điện thế giữa K
1

, K
2
,
1

2

A
A
1
K
+
-
+
-
Hình 26
Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý
GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM
22
K
3
…A tăng dần theo cấp số cộng. Hiệu điện thế giữa hai điện cực liên tiếp thường vào
kho
ảng 100 đến 200V.
Gi
ả sử một lượng tử ánh sáng

h
rọi vào âm cực K làm bứt một êlectron.
Electron này

được tăng tốc trong điện trường giữa K với K
1
khi đến K
1
nó đã có động
năng đủ lớn để làm bật một số electron ra khỏi K
1
. Đây là hiện tượng phát xạ electron
th
ứ cấp. Các electron thứ cấp này lại được tăng tốc trong điện trường giữa K
1
và K
2
,
làm K
2
bật ra một số electron thứ cấp lớn hơn. Cứ như vậy mà số electron thứ cấp
được
tăng lên gần như theo cấp số nhân. Kết quả là từ một electron ban đầu ở K, ta có
th
ể nhận hàng triệu electron thứ cấp ở dường cực A. Do đó ống nhân quang điện có tác
d
ụng khuếch đại dòng quang điện, những ống nhân quang điện hiện đại có từ 15 đến
20 điện cực, sẽ có hệ số khuếch đại từ 10
6
đến 10
7
.
IV.3.3 Tế bào quang điện trở (hay quang điện trở)
Tế bào quang điện trở là loại tế bào quang điện hoạt động dựa trên hiệu ứng quang

điện trong, tức l
à hiện tượng khi ta rọi ánh sáng vào chất bán dẫn hay điện môi thì một
số electron sẽ được giải phóng khỏi các nguyên tử, trở thành các electron tự do ở lại
trong các chất này và làm cho độ dẫn điện của các chất này tăng lên rất nhiều. Hiện
nay, tế bào quang điện trở được chế tạo được bằng chất chì sunfua, bit muyt sunfua,
catm
i sunfua…và được dùng làm các rơle quang điện.
Việc chế tạo các quang điện trở rất đơn giản, không cần bóng đèn, cũng không cần
chân không. Thông thường, quang điện trở l
à một bản thủy tinh có quét một lớp mỏng
Quang âm
cực
1
2
3
4
5
6
A
K
Điện
kế
+-
Hình 27
Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý
GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM
23
chất bán dẫn. Trên mặt lớp bán dẫn này, có gắn các điện cực và tất cả quang điện trở
được phủ một lớp sương trong suốt. Khác với tế bào quang điện chân không, nó không
có dòng quang điện bão hòa. Độ nhạy của quang điện trở lớn hơn độ nhậy của tế bào

quang điện dựa trên hiệu ứng quang điện ngoài từ một trăm đến một nghìn lần. Mặt
khác, nó có thể sử dụng đối với một khoảng rất rộng của bước sóng từ phạm vi hồng
ngoại đến bức xạ Ronghen và gama. Ngoài ra, tính chất của quang điện trở phụ thuộc
rất nhiều vào nhiệt độ.
IV.3.4 Tế bào pin quang điện ( hay pin quang điện )
Tế bào pin quang điện là loại tế bào hoạt động dựa trên hiệu ứng pin quang điện,
tức là hiệu ứng quang điện trong xảy ra ở lớp ngăn giữa bán dẫn và kim loại, hoặc ở
lớp ngăn giữa bán dẫn loại p và bán dẫn loại n (đó là một hệ gồm hai mẫu bán dẫn loại
P và một lọai N được ghép sát nhau sau, khi có sự khuếch tán điện tử và lỗ trống lớp
ghép nối xuất hiện điện trường phụ hướng từ lớp N (có nhiều lỗ trống khuếch tán qua)
sang l
ớp P (có nhiều điện tử khuếch tán sang) không cho dòng điện đi qua khối N-P.
Khi có ánh sáng chi
ếu tới mẫu N các electron nhận được năng lượng và bức xạ điện tử
liên tục tạo thành các electron tự do. Khi nối cực P và N qua một thiết bị tiêu thụ điện
sẽ có một dòng điện qua dây dẫn từ P sang N. Các e đi từ N qua R đến P để trung hoà
v
ới các lỗ trống). Do tác dụng chỉnh lưu của lớp ngăn các electron nhận được năng
lượng của photon rọi tới pin quang điện chỉ chạy được qua lớp ngăn đó theo một ch
iều
(từ kim loại sang bán dẫn, hoặc từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p) và làm xuất hiện
một suất điện động. Sơ đồ pin quang điện bán dẫn p-n như hình vẽ (hình 28). Nếu ta
nối hai bán dẫn loại p và n bằng một dây dẫn, thì qua dây dẫn đó sẽ có một dòng điện
chạy từ bán dẫn loại p sang bán dẫn loại n. Hiện nay người ta đã chế tạo các loại pin
quang điện đồng oxit, pin quang điện Selen, pin quang điện Silic, pin quang điện
Điện
kế
Bán dẫn loại p
Lớp ngăn p-n
Bán d

ẫn loại n
I
Hình 28
N
P
Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý
GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM
24
Gecmani. Ưu điểm nổi bật của loại tế bào pin quang điện bán dẫn là nó có thể biến đổi
trực tiếp năng lượng ánh sáng Mặt trời thành điện năng mà không cần nguồn điện bên
ngoài. Độ nhạy của loại tế bào pin quang điện này có thể đạt tới 1000
lmA/

. Đặc
biệt, một vài loại tế bào pin quang điện có thể rất nhạy đối với cả những bức xạ trong
vùng hồng ngoại; do đó chúng đã được sử dụng trong kỹ thuật quân sự hiện đại.
IV.4 Ứng dụng của tế bào quang điện
IV.4.1 Tự động hóa bằng máy tiếp quang điện
Sơ đồ của máy tiếp quang điện như hình vẽ.
Khi rọi chùm ánh sáng vào tế bào quang điện trong mạch điện của nó sẽ xuất hiện một
dòng điện nhỏ I chạy qua điện trở R theo chiều từ M đến N và làm cho điện thế tại M
lớn hơn điện thế tại N một lượng bằng RI. Nếu ta quy ước điện thế ở âm cực K của
đèn triot Y ( đèn khuếch đại ba cực ) bằng không th
ì trước khi rọi ánh sáng, điện thế ở
lưới G l
à -

. Sau khi rọi ánh sáng, điện thế ở lưới G sẽ là -

+RI, nghĩa là lớn hơn

một chút. Khi đó dòng điện I trong mạch của đèn triot sẽ tăng lên và làm cho nam
châm điện C đủ sức hút được thanh kim loại T để ngắt mạch điện của máy D.
Khi thôi không rọi ánh sáng vào tế bào quang điện đó nữa, điện thế lưới G lại trở về
giá trị -

như cũ. Dòng điện I trong mạch của đèn triot Y lại giảm xuống, nam
châm C không đủ sức giữ thanh kim loại T nữa v
à nhả nó về điểm tiếp xúc P; mạch
điện của máy D được đóng lại.Nhờ nguy
ên tắc hoạt động như trên, máy tiếp quang
I
N
Y
G
K
P
C
T
+
-
+
-
+
-
M
R
+ -
O

A

D
Hình 29