HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN

Chương IX

HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN



§§1. THÍ NGHIỆM CĂN BẢN.

Dùng một bản P bằng kẽm và gắn với một bình điện
nghiêm như hình vẽ. Tích điện vào bình. Rọi vào bản P một
chùm tia sáng giàu tia tử ngoại, ta thấy kết quả như sau :
Nếu bình điện nghiêm được tích điện dương thì sự chiếu
sáng trên không gây ra một tác dụng nào đối với điện tích
của bình : f vẫn tách khỏi E như cũ.
Nếu bình điện nghiêm được tích đ
iện âm, ta thấy f khép
lại khá nhanh, chứng tỏ điện tích của bình điện nghiêm, cũng
như của bản P giảm đi và triệt tiêu : bình đã phóng điện.
Bây giờ lại tích điện âm vào bản P và bình điện nghiêm
nhưng đặt giữa nguồn sáng và bản P một bản thủy tinh (bản này có tính chất hấp thụ tia tử
ngoại). Ta thấy sự phóng điện không xảy ra : f và E vẫn đẩ
y nhau.
Từ thí nghiệm này, người ta kết luận :
Ánh sáng tử ngoại khi chiếu tới bản kẽm đã làm bật ra các electron ở bản P, do đó điện
tích âm ở bản P và ở bình giảm đi và triệt tiêu.
Sự phóng thích electron gây ra bởi ánh sáng như vậy được gọi là hiệu ứng quang điện :
các electron được phóng thích trong hiệu ứng này được gọi là quang điện tử. Hiệu ứng này
được khám phá bởi Hertz năm 1887.

§§2. TẾ BÀO QUANG ĐIỆN.
Dụng cụ chính để khảo sát hiện tượng quang điện là tế bào quang điện. Đó là một bóng
trong suốt không cản tia tử ngoại, bên trong bóng hầu như là chân
không và gồm có :
- Một cathôd C (bản âm cực) là một lớp kim loại tinh chất mà ta
muốn khảo sát.
- Một anôd A (bản dương cực) là một thanh kim loại (có thể là
một vòng kim loại).
Anôd A được nối với một điện thế cao hơn đ
iện thế ở cathod C.
Do đó khi rọi vào cathod một chùm tia sáng thích hợp, làm bật ra các
electron thì những electron này sẽ bị hút về phía anod tạo thành một dòng electron di
chuyển.






H.2
H.1
f

E

P
•

§§3. KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM – CÁC ĐỊNH LUẬT.
Dòng electron di chuyển tạo thành trong mạch (hình vẽ) một dòng điện i có cường độ rất
yếu, gọi là dòng quang điện. Để đo dòng điện này ta phải dùng một điện kế G rất nhạy. Một
volt kế V để đo hiện điện thế giữa anod A và cathod C.
Từ thí nghiệm trên ta suy ra các định luật sau :











* Định luật 1:
Đối với một kim loại tinh chất hi
ện tượng quang điện chỉ xảy ra nếu tần số của ánh sáng
kích thích lớn hơn một trị số (o tùy thuộc tính chất của bản C.
Nói cách khác, hiệu ứng chỉ xảy ra nếu độ dài sóng của ánh sáng kích thích nhỏ hơn trị
số (o. Độ dài sóng (o được gọi là thềm quang điện hay thềm kích thích. Dưới đây là thềm
quang điện đối với một số kim loại tinh chất.

Kim loại K Ca Zn Cu Ag

λ
o
0,55 0,45 0,37 0,29 0,27 (µ)

Trị số của (o sẽ thay đổi trong kim loại có lẫn tạp chất.
Trong trường hợp độ dài sóng ( của ánh sáng kích thích lớn hơn (o ta không thể gây ra
hiệu ứng dù chùm tia sáng có cường độ rất mạnh.

* Định luật 2 :
Bây giờ ta dùng một chùm tia sáng kích thích có công suất bức xạ không thay đổi và
thay đổi hiệu điện thế V giữa anod và cathod, ghi cường độ i của dòng quang điện ứng với
mỗi tr
ị số của V, ta vẽ được đường biểu diễn sự biến thiên của i theo V. Ta thấy lúc đầu i
tăng theo V nhưng khi V tới một trị số nào đó thì cường độ dòng quang điện giữa nguyên
một trị số I được gọi là cường độ bão hòa, lúc đó tất cả electron được phóng thích khỏi c
trong một đơn vị thời gian đều bị hút về anod trong cùng thời gian đó.









•
H.3
G
V
A
C
e
-
i

I
1

o

I
2

-V
o

V=V
A
-V
C

P
1

P
2

i
H.4
Khi dùng các chùm tia kích thích có cùng độ dài sóng nhưng có công suất bức xạ khác
nhau : P1, P2,…. ta thấy các đường biểu diễn i theo V có cùng dạng tổng quát nhưng có các
trị số cường độ bão hòa khác nhau I1, I2, … (hình 4)
Thí nghiệm cho thấy :
=== .......
2

2
1
1
P
I
P
I
haèng soá
Ta có định luật 2 như sau :
- Cường độ dòng điện bão hòa (hay cường độ phát xạ quang điện tử bởi cathod) tỉ lệ với
công suất bức xạ nhận được bởi cathod.
Định luật này được gọi là định luật Stôlêtôp.
* Định luật 3 :
Quan sát các đường biểu diễn i theo v, ta thấy với cùng một độ dài sóng của ánh sáng
kích thích, dòng quang điện i triệt tiêu khi v có một trị số âm – Vo. Với hiệu
điện thế này,
điện trường cản trở chuyển động của electron, vận tốc electron giảm dần khi tiến về anod.
Vì i triệt tiêu, nên ngay với các electron có vận tốc lớn nhất (lúc bật ra khỏi cathod) vận tốc
của nó cũng bị triệt tiêu bởi điện trường giữa anod và cathod trước khi nó đi tới A.
Ta có : ĉ
Trong đó :

VM = vận tốc lớn nhất của electron lúc bật ra khỏi cathod

e = điện tích của electron (giá trị tuyệt đối)

m = khối lượng của electron
Vậy : ĉ (2.1)
Trị số tuyệt đối Vo được gọi là điện thế dừng.

Nhận xét công thức (2.1) ta thấy động năng cực đại của electron chỉ tùy thuộc vào Vo
mà không tùy thuộc vào công suất bức xạ của chùm tia rọi tới cathod (thực nghiệm chứng tỏ
Vo không tùy thuộc công suất bức xạ của chùm tia kích thích, hình 4). Nhưng nếu ta thực
hi
ện thí nghiệm với các bức xạ có tần số khác nhau, giả sử (2 > (1 và giữ công suất bức xạ
không đổi, các đường biểu diễn i theo V như sau:
Ta có : Vo2 > Vo1
Định luật 3 được phát biểu như sau :
- Động năng cực đại của electron bật ra khỏi kim loại ở cathod thì độc lập đối với công
suất bức xạ chiếu tới cathod và là một hàm đồng biến của tần số bức xạ kích thích.
Định luật 3 còn được gọi là định luật Einstein (Anhstanh)..





V
I
-V
o1

i

H.5
-V
o2

§§4. SỰ GIẢI THÍCH CỦA EINSTEIN - THUYẾT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG.
Thuyết sóng điện tử về ánh sáng đã tỏ ra bất lực khi cố gắng giải thích các định luật
trong hiệu ứng quang điện. Theo thuyết này nếu chùm tia sáng kích thích có công suất bức
xạ càng lớn thì năng lượng nó cung cấp cho electron ở cathod C càng nhiều, do đó với một
chùm tia, dù độ dài sóng là bao nhiêu, nếu có cường độ đủ mạnh thì sẽ gây ra được hiệu ứng
quang điện. Điều này mâu thuẫn với
định luật về thềm quang điện. Hơn nữa, nếu công suất
bức xạ của chùm tia sáng kích thích càng lớn thì động năng ban đầu cực đại của electron
cũng phải càng lớn, điều này cũng không phù hợp với thực nghiệm cho thấy động năng cực
đại này độc lập đối với công suất bức xạ.
Để giải thích hiệu ứng quang điện, năm 1905, Einstein
đưa ra thuyết lượng tử ánh sáng.
Như ta đã biết, thuyết lượng tử được Planck nêu ra để giải thích hiện tượng bức xạ của vật
đen. Nhưng Planck cho rằng chỉ áp dụng cho nguồn dao động bức xạ và với bức xạ ở trong
vùng lân cận nguồn mà thôi, còn khi truyền đi trong không gian thì vẫn tuân theo các định
luật của lý thuyết điện từ cổ điển.
Einstein khai triển thuyế
t của Planck, áp dụng thuyết lượng tử cho bức xạ trong toàn
không gian và thời gian. Những nét chính của thuyết lượng tử ánh sáng như sau : ánh sáng
gồm những hạt rất nhỏ gọi là quang tử hay photon. Mỗi photon mang một năng lượng là ( =
h(, trong đó h là hằng số Planck, ( là tần số của ánh sáng. Với cùng một đơn sắc thì các
photon đều giống nhau. Ở trong chân không, tất cả mọi photon ứng với tất cả mọi đơn sắc,
đều truyền đi với cùng một vận tốc là c ( 3 x 108 m/s. Cường độ của một chùm ánh sáng thì
tỉ lệ với số photon đi qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian.
Dựa vào thuyết này, Einstein đã giải thích được các định luật của hiệu ứng quang điện.
* Giải thích định luật 1:

Các photon mang năng lượng h( đập vào cathod C, truyền năng lượng này cho electron ở
cathod. Tác dụng giữa photon và electron có tính cách cá nhân, ngh
ĩa là giữa một photon và
một electron. Muốn làm electron bật ra khỏi cathod để có thể gây ra dòng quang điện thì ít
nhất năng lượng h( phải bằng công suất Wo để bứt rời electron khỏi kim loại.
hν ≥ W
o
Wo tùy thuộc tính chất của kim loại.
Vậy tần số của ánh sáng kích thích phải lớn hơn một trị sốĠ hay độ dài sóng phải nhỏ
hơn một trị số Ġ
( ( (o (thềm quang điện)
* Giải thích định luật 2:
Giữ công suất phát xạ của chùm tia kích thích không đổi, tăng hiệu điện thế V, số
electron bị hút về anod trong một đơn vị thời gian tăng lên, do đó dòng quang
điện i tăng.
Khi V lớn hơn một trị số nào đó, tất cả electron bắn ra khỏi cathod trong một đơn vị thời
gian đều bị hút về anod trong cùng thời gian đó. Vì vậy dù tăng V nữa, số electron tới anod
trong một đơn vị thời gian không thể tăng thêm, dòng quang điện i đạt tới trị số bão hòa.
Khi tăng công suất của chùm tia kích thích, nghĩa là tăng số photon đập vào cathod, ta đã
làm cho số electron b
ị bắn ra khỏi cathod tăng lên, số electron này tỉ lệ với số photon tác
dụng vào cathod C. Vậy cường độ phát xạ quang điện tử (hay cường độ bão hòa của dòng
quang điện) tỉ lệ với công suất của chùm tia kích thích.
- Giải thích Định luật 3:
Electron bắn ra khỏi cathoid có thể có các vận tốc khác nhau. Với các electron ở trên bề
mặt của cathod C, năng lượng hv của photon gồm một phần Wo để bứt electron kh
ỏi kim
loại, một phần còn lại chuyển thành động năng của electron. Động năng của electron này
lớn nhất. Ta có:

2
1
2
M
hv Wo mV=+
(4.1)
Với các electron nằm bên trong lớp kim loại dùng làm cathod, động năng của nó khi
thốt khỏi cathod sẽ nhỏ hơn, vì một phần năng lượng bị mất đi do sự đụng với các ngun
tử kim loại khi đi ra tới bề mặt của cathod. Với các electron này ta có :
2
1
2
hv Wo mv>+
(4.2)
Xét cơng thức (4.1) ta thấy, với cùng một kim loại, động năng cực đạiĠ của electron
(ECM = hν - Wo) tăng theo tần số của ánh sáng kích thích và khơng tùy thuộc cơng suất của
chùm tia này.

§§5. HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN TRONG.
Hiện tượng ta khảo sát trên được gọi là hiệu
ứng quang điện ngồi: khi ta rọi tới một kim loại
một chùm tia sáng có độ dài sóng thích hợp, các
photon làm bật ra từ bề mặt kim loại những
electron. Ta còn có thể nhận thấy hiệu ứng quang
điện trong các chất bán dẫn. Một photon có thể
làm cho một electron của chất bán dẫn nhảy từ
dải hóa tri lên dải dẫn điện. Muốn gây được tác
dụng v
ậy, năng lượng của photon phải lớn hơn khoảng cách năng lượng (W giữa hai dải.
Cũng như hiệu ứng quang điện ngồi, ta cũng có thềm quang điện đối với hiệu ứng quang

điện trong. Ánh sáng muốn gây ra được hiệu ứng này thì tần số của nó phải lớn hơn một tri
số là


hay độ dài sóng phải nhỏ hơn một tri số là


kết qu
ả là độ dẫn điện của chất khảo sát tăng lên.

§§6. VÀI DỤNG CỤ QUANG ĐIỆN.
1. Tế bào quang điện.
Trong khi khảo sát về hiệu ứng quang điện, ta đã đề cập tới loại tế bào quang điện chân
khơng nghĩa là bên trong tế bào được hút hết tất cả các chất khí, coi như chỉ là chân khơng.
Loại tế bào quang điện này có độ nhạy rất yếu, vào cỡ 15 (A/(m (độ nhạy ở đây được định
nghĩa là tỷ số giữa cường độ bão hòa, tính ra microampere, và quang thơng roi tới cathod,
tính ra lumen).
Ta cũng có thể dùng loại tế bào quang điện có khí, bên trong tế bào quang điện loại này
có chứa một chất khí hiếm, thí dụ Argon, để tránh tác dụng với kim loại ở cathod.
Áp suất trong tế bào tốt nhất vào cỡ 0,1 mm Hg. Tham gia vào dòng quang điện, ngồi
các electron sơ cấp bật ra từ cathod do các photon, ta còn có các electron thứ cấp sinh ra do :
h
W
V
o
∆
=

W
hc

V
c
o
o
∆
==
λ

Dải cấm
∆W
Dải hóa trò
Dải dẫn điện