Hiện tượng quang điện và thuyết lượng tử ánh sáng

Thí nghiệm Hertz về hiện tượng quang điện

Đặt một tấm kẽm đã được tích điện âm lên trên một điện nghiệm (tấm kẽm nối với điện cực của điện nghiệm) thì thấy hai lá kim loại của điện nghiệm xòe ra.

Chiếu một chùm ánh sáng hồ quang vào tấm kẽm thì thấy hai lá kim loại của điện nghiệm cụp lại chứng tỏ tấm kẽm bị mất điện tích âm nghĩa là êlectrôn đã bị bật ra khỏi tấm kẽm.

Hiện tượng trên không xảy ra nếu

• Ban đầu ta tích điện dương cho tấm kẽm
• Chắn chùm ánh sáng hồ quang bằng một tấm thủy tinh.

Lý do mà hiện tượng không xảy ra là

Nếu ban đầu tích điện dương (đủ lớn) cho tấm kẽm thì tấm kẽm này đang thiếu electrôn. Khi chiếu chùm ánh sáng hồ quang vào tấm kẽm thì cũng có  electrôn bị bật ra nhưng sẽ ngay lập tức bị tấm kẽm hút trở lại (Theo định luật Coulomb: “Hai điện tích trái dấu hút nhau”). Do đó điện tích của tấm kẽm không đổi. Hai lá kim loại của điện nghiệm vẫn tiếp tục xòe ra.

Tia tử ngoại trong chùm hồ quang bị thủy tinh hấp thụ mạnh nên chùm ánh sáng đến được tấm kẽm chỉ là các bức xạ đơn sắc có bước sóng dài (các tia tử ngoại có bước sóng dài, ánh sáng thấy được, tia hồng ngoại). Điều này giúp khẳng định rằng hiện tượng electrôn bị bật ra khỏi tấm kẽm chỉ xảy ra với các bức xạ tử ngoại có bước sóng ngắn mà thôi.

Từ thí nghiệm trên ta có thể rút ra kết luận sau:

Hiện tượng ánh sáng làm bật các electrôn ra khỏi bề mặt kim loại gọi là hiện tượng quang điện (ngoài).

Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra với một số bức xạ đơn sắc nào đó.

Định luật về giới hạn quang điện (Định luật quang điện thứ nhất)

• Giới hạn quang điện của các kim loại thông thường (như: bạc, đồng, kẽm, nhôm) ở trong miền tử ngoại.
• Giới hạn quang điện của các kim loại kiềm, kềm thổ (như: canxi, natri, xêsi, kali) ở trong miền ánh sáng thấy được.

Thuyết lượng tử ánh sáng

Giả thuyết Plăng

Lượng năng lượng mà mỗi lần nguyên tử hoặc phân tử hấp thụ hoặc bức xạ có một giá trị hoàn toàn xác định và bằng hf, trong đó h = 6,625.10 – 34 J.s là hằng số Plăng, f là tần số của ánh sáng ứng với bức xạ đang xét (Hz).

Thuyết lượng tử ánh sáng

c) Trong chân không, phôtôn bay với tốc độ c = 3.108 m/s dọc theo tia sáng.

d) Mỗi lần nguyên tử hay phân tử phát xạ hoặc hấp thụ thì chúng phát xạ và hấp thụ một phôtôn.

e) Phôtôn chỉ tồn tại trong trạng thái chuyển động, không có phôtôn đứng yên.

3. Giải thích định luật về giới hạn quang điện bằng thuyết lượng tử ánh sáng

Theo Anhxtanh, mỗi lần nguyên tử hay phân tử ở bề mặt kim loại hấp thụ một phôtôn thì nó dùng năng lượng này vào hai việc:

Cung cấp một một năng lượng A để bứt electrôn ra khỏi liên kết với hạt nhân nguyên tử. Năng lượng này được gọi là công thoát.

Phần năng lượng còn lại biến thành động năng của electrôn khi bứt khỏi kim loại.

Lưỡng tính sóng – hạt của ánh sáng

Từ thí nghiệm về nhiễu xạ ánh sáng và giao thoa ánh sáng ta thấy ánh sáng có tính chất sóng.

Từ thí nghiệm về hiện tượng quang điện ta thấy ánh sáng có tính chất hạt (tính chất lượng tử)

Do vậy ta nói: “Ánh sáng có lưỡng tính sóng – hạt”

Chú ý: Dù ánh sáng thể hiện ra là sóng hay là hạt thì ánh sáng vẫn có bản chất điện từ.