Thuyết lượng tử và các định luật quang điện - Lượng tử ánh sáng

Đăng nhập / Đăng ký

Góp ý với Onthi.com

Gõ tiếng việt: On Off

Chú ý chú ý:

Ôn thi >> Lý thuyết >> Lượng tử ánh sáng >> Thuyết lượng tử và các định luật quang điện

1. Các định luật quang điện

a) Định luật quang điện thứ nhất: Đối với mỗi kim loại dùng làm catốt có một bước sóng giới hạn nhất định gọi là giới hạn quang điện. Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi bước sóng của ánh sáng kích thích nhỏ hơn giới hạn quang điện ( ).

Bảng giá trị giới hạn quang điện của một số kim loại (tính ra )

Bạc    0,26,    Canxi    0,45, Đồng    0,30,    Natri    0,50,    Kẽm    0,35,    Kali    0,55,    Nhôm    0,36,    Xedi    0,66.

Nhìn vào bảng trên, ta thấy ánh sáng nhìn thấy được chỉ có khả năng gây ra được hiện tượng quang điện ở canxi và các kim loại kiềm.

b) Định luật quang điện thứ hai: Với ánh sáng kích thích có bước sóng thoả mãn định luật quang điện thứ nhất thì cường độ dòng quang điện bão hòa tỉ lệ thuận với cường độ của chùm sáng kích thích.

c) Định luật quang điện thứ ba: Sự tồn tại của hiệu điện thế hãm chứng tỏ rằng khi bật ra khỏi mặt kim loại, các êlectrôn quang điện có một vận tốc ban đầu . Điện trường cản mạnh đến mức độ nào đó thì ngay cả những êlectrôn có vận tốc ban đầu lớn nhất cũng không bay đến được anốt. Lúc đó dòng quang điện triệt tiêu hoàn toàn và công của điện trường cản có giá trị đúng bằng động năng ban đầu cực đại của êlectrôn quang điện.



Từ sự nghiên cứu thực nghiệm giá trị của mà ta đã trình bày ở bài trước, ta rút ra định luật sau:

Động năng ban đầu cực đại của các êlectrôn quang điện không phụ thuộc vào cường độ của chùm sáng kích thích, mà chỉ phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng kích thích và bản chất kim loại dùng làm catốt.

2. Thuyết lượng tử

a) Các định luật quang điện hoàn toàn mâu thuẫn với tính chất sóng của ánh sáng. Thực vậy, theo thuyết sóng, khi ánh sáng chiếu vào mặt catốt, điện trường biến thiên trong sóng ánh sáng sẽ làm cho các electrôn trong kim loại dao động. Cường độ của chùm sáng kích thích càng lớn. thì điện trường đó càng mạnh và nó làm cho êlectrôn dao động càng mạnh. Đến mức độ nào đó thì electrôn sẽ bị bật ra, tạo thành dòng quang điện. Do đó, bất kì chùm sáng nào cũng có thể gây ra hiện tượng quang điện, miễn là nó có cường độ đủ lớn và động năng ban đầu cực đại của êlectrôn quang điện phải phụ thuộc vào cường độ của chùm sáng kích thích.

b) Ta chỉ có thể giải thích được các định luật quang điện, nếu thừa nhận một thuyết mới gọi là thuyết lượng từ do nhà bác học Plăng (Planck) người Đức, đề xướng vào năm 1900.

Theo thuyết lượng tử: Những nguyên tử hay phân tử vật chất không hấp thụ hay bức xạ ánh sáng một cách liên tục, mà thành từng phần riêng biệt, đứt quãng. Mỗi phần có mang một năng lượng hoàn toàn xác định được gọi là lượng tử ánh sáng, có độ lớn là , trong đó, là tần số của ánh sáng mà nó phát ra, còn là một hằng số gọi là hằng số Plăng.


Mỗi phần đó gọi là một lượng tử năng lượng

Ta thấy mỗi lượng tử ánh sáng rất nhỏ, mỗi chùm sáng dù yếu cũng chứa một số rất lớn lượng tự ánh sáng. Do đó, ta có cảm giác chùm sáng là liên tục.

Khi ánh sáng truyền đi, các lượng tử ánh sáng không bị thay đổi, không phụ thuộc khoảng cách tới nguồn sáng, dù nguồn đó là một ngôi sao nằm cách xa ta hàng triệu năm ánh sáng.

3. Giải thích các định luật quang điện bằng thuyết lượng tử

Nhà bác học Anhxtanh (Einstein), người Đức, là người đầu tiên vận dụng thuyết lượng tử để giải thích các định luật quang điện. Ông coi chùm sáng như một chùm hạt và gọi mỗi hạt là một phôtôn. Mỗi phôtôn ứng với một lượng tử ánh sáng.

Theo Anhxtanh, trong hiện tượng quang điện có sự hấp thụ hoàn toàn phôtôn chiếu tới. Mỗi phôtôn bị hấp thụ sẽ truyền toàn bộ năng lượng của nó cho một êlectroon. Đối với các êlectroon nằm ngay trên bề mặt kim loại thì phần năng lượng này sẽ được dùng vào hai việc:

    - Cung cấp cho êlectrôn đó một công A để nó thắng được các lực liên kết trong tinh thể và thoát ra ngoài. Công này gọi là công thoát.

    - Cung cấp cho êlectrôn đó một động năng ban đầu. So với động năng ban đầu mà các êlectrôn nằm ở các lớp sâu thu được khi bị bứt ra thì động năng ban đầu này là cực đại:

                                     (8-1)

Đây là công thức Anhxtanh về hiện tượng quang điện.

Đối với các êlectroon nằm ở các lớp sâu bên trong mặt kim loại thì trước khi đến bề mặt kim loại, chúng đã chạm với các iôn của kim loại và mất một phần năng lượng. Do đó động năng ban đầu của chúng nhỏ hơn động năng ban đầu cực đại nói ở trên.

Công thức (8-1) cho thấy động năng ban đầu cực đại của các êlectrôn quang điện chỉ phụ thuộc tần số (hay bước sóng ) của ánh sáng kích thích và bản chất của kim loại dùng làm catốt (K) mà không phụ thuộc vào cường độ của chùm sáng kích thích. Đó chính là nội dung của định luật quang điện thứ ba.

Công thức (8-1) còn cho thấy: nếu năng lượng của phôtôn nhỏ hơn công thoát thì nó không thể làm cho êlectroon bật ra khỏi catốt và hiện tượng quang điện sẽ không xẩy ra.
Ta có



Đặt                (8-2)

chính là giới hạn quang điện của kim loại. Bất đẳng thức (8-2) biểu thị định luật quang điện thứ nhất.

Cuối cùng, ta giải thích định luật quang điện thứ hai như sau:

Với chùm sáng có khả năng gây ra hiện tượng quang điện thì số êlectrôn quang điện bị bật ra khỏi catốt trong đơn vị thời gian tỉ lể thuận với số phôtôn đến đập vào mắt catốt trong thời gian đó. Mặt khác, số phôtôn này lại tỉ lệ thuận với cường độ của chùm sáng; còn cường độ dòng quang điện bão hoà lại tỉ lệ thuận với số êlectrôn quang điện bị bật ra khỏi catốt trong đơn vị thời gian. Vì vậy, cường độ của dòng quang điện bão hoà sẽ tỉ lệ thuận với cường độ của chùm sáng kích thích.

4. Lưỡng tính sóng - hạt của ánh sáng

Ở trong chương VII, ta đã thấy: ánh sáng nhìn thấy cũng như các tia hồng ngoại, tia tử ngoại, tia Rơnghen, đều là các sóng điện từ có bước sóng khác nhau. Người ta nói chúng có cùng bản chất điện từ.

Đến đây, ta lại thấy ánh sáng có tính chất hạt (tính chất lượng tử). Vậy, ánh sáng vừa có tính chất sóng, vừa có tính chất hạt. Người ta nói: ánh sáng có lưỡng tính sóng - hạt.

Những sóng điện từ có bước sóng càng ngắn thì phôtôn ứng với chúng có năng lượng càng lớn. Thực nghiệm cho thấy tính chất hạt của chúng thể hiện càng đậm nét, tính chất sóng càng ít thể hiện.

Ta có thể coi những tác dụng sau đây là những biểu hiẹn của tính chất hạt: khả năng đâm xuyên, tác dụng quang điện, tác dụng iôn hoá, tác dụng phát quang.

Ngược lại, những sóng điện từ có bước sóng càng dài thì phôtôn ứng với chúng có năng lượng càng nhỏ. Thực nghiệm cho thấy: tính chất hạt của chúng càng khó thể hiện, tính hất sóng của chùng càng dễ bộc lộ. Ta dễ dàng quan sát thấy hiện tượng giao thoa, hiện tượng tán sắc của các sóng đó.

Sự tồn tại đồng thời của hai tính chất trái ngược nhau (sóng và hạt) trong cùng một sự vật (ánh sáng) là một minh hoạ rất rõ cho luận điểm triết học về sự thống nhất biện chứng của các mặt đối lập.