Hiện tượng quang điện ngoài là gì? Thí nghiệm, ứng dụng

Hiện tượng quang điện ngoài là phần kiến thức quan trọng trong chương trình học phổ thông môn Vật lý. Bên cạnh đó, hiện tượng này cũng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống. Tuy nhiên, khá ít người có thể thực sự hiểu được hiện tượng quang điện ngoài là gì?. Cùng thapgiainhietliangchi tìm hiểu rõ hơn qua bài viết dưới đây nhé.

Hiện tượng quang điện ngoài là gì?

Hiện tượng quang điện ngoài là hiện tượng ánh sáng làm bật các electron ra khỏi bề mặt kim loại. Các electron bật ra đó được gọi là electron quang điện. Hiện tượng này thường được gọi tắt là hiện tượng quang điện.

Hiện tượng quang điện ngoài sử dụng ánh sáng làm bật electron khỏi kim loại
Hiện tượng quang điện ngoài sử dụng ánh sáng làm bật electron khỏi kim loại

Thí nghiệm hiện tượng quang điện ngoài

Heinrich Hertz đã thực hiện thí nghiệm này với Zn (kẽm) bằng cách chiếu chùm sáng hồ quang vào tấm Zn tích điện âm. Sau một thời gian 2 lá điện nghiệm tự động khép lại. Điều này chứng tỏ tấm Zn đã bị hết tích điện, electron lúc này đã bật ra do ánh sáng.

Hiện tượng trên sẽ không xảy ra nếu: 

  • Ban đầu ta tích điện dương cho tấm Zn
  • Chắn chùm ánh sáng hồ quang không cho chiếu trực tiếp lên tấm Zn bằng một tấm thủy tinh.

Nguyên nhân hiện tượng không xảy ra được lý giải như sau:

  1. Nếu ban đầu tấm Zn được tích điện dương thì tấm Zn đó sẽ ở trong tình trạng thiếu electron. Khi chiếu chùm ánh sáng hồ quang vào tấm Zn, electron cũng sẽ bị bật ra nhưng ngay lập tức bị tấm Zn hút ngược trowr lại (Theo định luật Coulomb: “Hai điện tích trái dấu hút nhau”). Do đó điện tích của tấm kẽm không đổi và không xảy ra hiện tượng tự khép lại.
Hình ảnh mô phỏng thí nghiệm
Hình ảnh mô phỏng thí nghiệm
  1. Khi chùm hồ quang chiếu vào tấm thủy tinh sẽ bị hấp thụ mạnh, nên khi chùm sáng đến được tấm Zn chỉ là bức xạ đơn, bước sóng dài. Do đó, không có hiện tượng tấm Zn tự động khép lại. Điều này cũng khẳng định hiện tượng electron bị bật ra khỏi tấm kẽm chỉ xảy ra khi chùm sáng có bước sóng ngắn với các bức xạ tử ngoại mà thôi.

Như vậy, từ thí nghiệm trên có thể rút ra kết luận rằng: Hiện tượng ánh sáng làm bật các hạt electron ra khỏi bề mặt kim loại được gọi là hiện tượng quang điện ngoài. 

Xem thêm: Hiện tượng quang dẫn là hiện tượng gì? Ứng dụng thực tế

Một số định luật quang điện thường được áp dụng

Có 3 định luật liên quan đến quang điện, cụ thể là:

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

Để xảy ra hiện tượng quang điện, với mỗi kim loại sẽ có bước sóng của ánh sáng kích thích (λ) ngắn hơn hoặc bằng giá trị giới hạn quang điện (λ0). Nói cách khác, điều kiện để hiện tượng quang dẫn xảy ra khi và chỉ khi λ ≤ λ0.

Hầu hết các kim loại thông thường (kẽm, đồng, bạc, nhôm,…) đều có giới hạn quang điện nằm trong miền tử ngoại. Còn các kim loại thuộc nhóm kiềm thổ, kiềm (natri, kali, canxi,…) thường có λ0 nằm trong miền ánh sáng thấy được.

Mỗi kim loại sẽ có giới hạn quang điện riêng nhằm thể hiện các đặc trưng của kim loại đó. Dưới đây là bảng tổng hợp các giá trị cụ thể của một số kim loại thông dụng trong bảng giới hạn quang điện như sau:

Kim loại λ0(μm) Kim loại λ0(μm) Kim loại λ0(μm)
Bạc 0,26 Natri 0,50 CdS 0,90
Đồng 0,30 Kali 0,55 Si 1,11
Kẽm 0,35 Xesi 0,66 Ge 1,88
Nhôm 0,36 Canxi 0,75 PbS 4,14

Định luật về cường độ dòng quang điện bão hòa (định luật thứ 2)

Mỗi một ánh sáng thích hợp có bước sóng λ ≤ λ0 thì cường độ dòng quang điện bão hòa sẽ tỉ lệ thuận với cường độ của chùm ánh sáng kích thích.

Định luật về động năng cực đại của quang electron (định luật thứ 3)

Động năng ban đầu cực đại của quang electron sẽ chỉ phụ thuộc vào bản chất của kim loại, bước sóng của ánh sáng kích thích. Nó không phụ thuộc vào cường độ của chùm ánh sáng kích thích.

Xem thêm: Hiện tượng quang điện trong là gì? Điều kiện xảy ra, ứng dụng

Những ứng dụng của hiện tượng quang điện ngoài

Hiện tượng quang điện ngoài được phát hiện đã đánh dấu một bước chuyển biến lớn trong công nghệ chế tạo. Trong thực tế chúng được dùng để chế tạo các tế bào quang trong nhiều thiết bị bán dẫn, điều khiển tự động,…Bên cạnh đó, các ứng dụng nổi bật khác của hiện tượng này có thể kể đến như:

  • Pin mặt trời: Còn được gọi là tấm quang điện hay tấm năng lượng mặt trời. Cấu tạo của pin mặt trời được tạo thành từ nhiều tế bào quang điện – phần tử bán dẫn với nhiều cảm biến ánh sáng điốt quang trên bề mặt. Tấm pin này sẽ được sử dụng để chuyển năng lượng ánh sáng sang năng lượng điện.
Ứng dụng hiện tượng quang điện làm pin mặt trời
Ứng dụng hiện tượng quang điện làm pin mặt trời
  • Photodiode (hay diode quang): là một loại bán dẫn được ứng dụng từ hiện tượng quang điện để chuyển hóa photon thành điện tích.
  • Phototransistor: là một dạng transistor đóng vỏ sử dụng cửa trong suốt để giúp các hạt photon xâm nhập. Đây cũng là một ứng dụng để hạn chế dòng rò và nhiễu sóng.
  • Ứng dụng trong cảm biến ghi ảnh, ví dụ như cảm biến CCD. Những cảm biến dạng này sẽ chuyển đổi hình ảnh quang học sang tín hiệu điện trong các camera. Hầu hết các cảm biến quang học trong cuộc sống cũng đều ứng dụng hiện tượng này.
  • Đèn nhân quang điện: Là một loại linh kiện điện tử có bên trong lớp đèn điện tử chân không và nằm trong nhóm đèn photon. Nó thực hiện cảm biến photon dựa trên hiện tượng quang điện để tạo ra điện tích. Đồng thời, dòng điện này cũng sẽ được nhân lên hàng trăm đến hàng triệu lần (160 dB).

Qua bài viết, chúng ta đã có thể hiểu rõ hơn về hiện tượng quang điện là gì, một số định luật, thí nghiệm và ứng dụng của hiện tượng này. Mong rằng qua những chia sẻ trên đây sẽ giúp bạn hiểu thêm về hiện tượng vật lý và có thêm nhiều kiến thức thú vị hơn trong cuộc sống.

About Hoangcuc

Tôi là Hoàng Thị Cúc - Tôi đã có nhiều năm kinh nghiệm review các loại thiết bị vệ sinh công nghiệp và các kiến thức đời sống khác. Hy vọng những thông tin mà tôi chia sẻ sẽ giúp ích cho quý vị và các bạn!

View all posts by Hoangcuc →

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *