Hiệu ứng quang điện

Giới thiệu

“Tế bào quang điện” là chương trình máy tính giúp mô phỏng lại thí nghiệm về hiệu ứng quang điện, gồm tế bào quang điện làm trung tâm và mạch điện khảo sát. Chương trình có thể được sử dụng như một thiết bị thí nghiệm ảo, khảo sát những tính chất đặc trưng của hiệu ứng quang điện.

Tế bào quang điện

Lưu ý: chương trình chạy trên nền java

Video minh hoạ

Các định luật quang điện

Hình 1

Hiệu ứng quang điện là hiện tượng các electron bị bứt ra khỏi bề mặt kim loại dưới tác dụng của chùm sáng rọi vào.

Việc nghiên cứu các đặc tính của hiệu ứng quang điện được tiến hành nhờ một ống chân không hai cực như hình 9.1. Khi chiếu lên cathode K một chùm ánh sáng đơn sắc, từ cathode phát xạ các electron và tạo thành dòng điện. Ta gọi đó là dòng quang điện, ghi lại bởi điện kế. Khi thay đổi điện áp U giữa anode và cathode, dòng quang điện thay đổi theo quy luật như đồ thị hình 9.2, còn gọi là đặc tuyến Volt-Ampere của dòng quang điện.

Hình 2

Khi tăng điện áp giữa hai cực, dòng quang điện sẽ tăng theo, nhưng đến một giá trị nào đó dòng điện trở nên bão hoà. Khi điện áp bị triệt tiêu về 0, dòng quang điện không bị triệt tiêu mà chỉ biến mất hoàn toàn khi điện áp được đảo ngược đến một giá trị U_c nhất định.

Những nghiên cứu chi tiết của Hertz và Stoletov đã dẫn đến ba định luật quang điện sau đây:

1. Dòng quang điện bão hoà tỉ lệ thuận với cường độ chùm sáng chiếu đến.

2. Đối với mỗi kim loại nhất định tồn tại một tần số cực tiểu \omega_{min} mà nếu chùm sáng chiếu đến có tần số nhỏ hơn giá trị này, hiệu ứng quang điện sẽ không xảy ra.

3. Động năng cực đại E_{max} của electron bứt ra khỏi cathode phụ thuộc tuyến tính vào tần số \omega của chùm sáng chiếu đến nhưng không phụ thuộc vào cường độ chùm sáng.

Công thức Einstein

Để giải thích các định luật quang điện, Einstein đã đưa ra lý thuyết về lượng tử ánh sáng, theo đó chùm sáng tạo thành từ dòng các photon, năng lượng của mỗi hạt có giá trị bằng
\varepsilon=\hbar\omega,
trong đó \hbar – hằng số Planck, hằng số cơ bản bậc nhất trong vật lý lượng tử và có thể đo được giá trị nhờ tiến hành thí nghiệm này.

Khi đập vào bề mặt cathode kim loại, một tỉ lệ photon bị hấp thụ bởi electron nằm trên gần bề mặt. Nếu năng lượng hấp thụ từ photon đủ lớn, vượt quá một giá trị A tối thiểu nào đó, electron mới có thể thoát khỏi bề mặt cathode. Số năng lượng dư thừa sẽ trở thành động năng của electron. Theo định luật bảo toàn năng lượng:
\hbar\omega=A+E_{max}.\tag{1}
Hệ số tự do A được gọi là công thoát của electron và chỉ phụ thuộc vào bản chất của chính kim loại bị chiếu sáng. Bản thân công thức (1) gọi là công thức Einstein.

Cách sử dụng chương trình

Chương trình có giao diện như hình 3, với tế bào quang điện làm trung tâm, cấu tạo từ một bóng thuỷ tinh rút hết không khí bên trong, đặt vào hai điện cực: bản phẳng kim loại làm cathode (cực âm), quả cầu nhỏ làm anode (cực dương). Tế bào quang điện được chiếu sáng bởi một đèn dây tóc có khả năng điều khiển được cường độ sáng. Chùm sáng đi qua kính lọc sắc với dải bước sóng từ tử ngoại đến hồng ngoại. Điện áp trên hai điện cực có thể điều khiển thông qua biến trở chiết áp. Dòng điện đi qua tế bào quang điện quan sát được qua volt kế và amper kế.

Hình 3

Khi thay đổi kính lọc sắc, chương trình mô phỏng được màu của chùm sáng chiếu lên cathode. Bước sóng càng ngắn, năng lượng của photon càng lớn, electron trên bề mặt cathode càng dễ bị bật ra.

Hình 4

Nếu bước sóng quá dài, năng lượng photon sẽ thấp hơn ngưỡng giới hạn, electron sẽ không bứt ra được (hình 5).

Hình 5

Sau khi đã cố định cường độ chùm sáng và màu sắc của chùm sáng, ta đã có thể làm thí nghiệm với tế bào quang điện. Thay đổi điện áp trên hai cực, ta thu được giá trị tương ứng của cường độ dòng quang điện. Giá trị dòng điện ấy có thể lưu lại bằng đồ thị như hình 6.

Hình 6 thể hiện hai đặc tuyến volt-amper dành cho hai trường hợp khác nhau của cường độ chùm sáng. Đường nằm trên tương ứng với chùm chiếu sáng cathode mạnh, đường dưới là khi chùm sáng yếu còn một nửa. Cả hai đường đều tiến đến khu vực bão hoà nằm ngang, khi toàn bộ electron từ cathode đều bị hấp thu bởi anode. Có thể thấy, cường độ dòng bão hoà tỉ lệ thuận với cường độ chùm sáng.

Hình 6