Bài 9: Hiệu ứng quang điện

• Mục đích:

Khảo sát hiện tượng quang điện ngoài, xác định giá trị của hằng số Planck.

• Phần mềm mô phỏng:

Chưa cập nhật

• Video minh hoạ:

• Bản chất phép đo:

Các định luật quang điện

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 1a. 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 1b, còn gọi là đặc tuyến Volt-Ampere của dòng quang điện.

Hình 1: Sơ đồ thí nghiệm và đặc tuyến Volt-Ampere của dòng quang điện

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 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 cũng là đối tượng tìm kiếm của chúng ta trong bài 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:

\begin{equation}
\hbar\omega=A+E_{max}.
\label{Einstein}
\end{equation}

Hằng số 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 \eqref{Einstein} gọi là công thức Einstein.

 

Phép đo hằng số Planck

Ta viết lại công thức Einstein dưới dạng hàm số phụ thuộc giữa động năng cực đại E_{max} và tần số \omega:

\begin{equation}
E_{max}=\hbar\omega-A.
\label{Einstein2}
\end{equation}

Đây là một hàm tuyến tính, biểu diễn trên đồ thị dưới dạng một đường thẳng có hệ số góc bằng \hbar, cắt trục tung tại -A và cắt trục hoành tại \omega_{min}.

Hình 2: Xác định hằng số Planck theo góc nghiêng của hàm E_{max}(\omega)

Như vậy chỉ cần đo E_{max} theo một vài loại ánh sáng đơn sắc có tần số \omega khác nhau, ta có thể dựng được đồ thị như hình 2 và tính được hằng số Planck theo hệ số góc.

Điều cuối cùng, động năng cực đại có thể tính theo điện áp ngược cực đại làm triệt tiêu được dòng quang điện:

E_{max}=eU_c.

• Câu hỏi kiểm tra:

Loại C:

  • Hiệu ứng quang điện là gì?
  • Vẽ sơ đồ mạch nghiên cứu hiện tượng quang điện. Dòng quang điện là gì?
  • Khái niệm về lượng tử ánh sáng. Năng lượng của lượng tử ánh sáng.
  • Viết công thức Einstein về hiện tượng quang điện.

Loại B:

  • Cách xác định động năng cực đại của electron thoát ra khỏi cathode trong bài thí nghiệm.
  • Kể ra các định luật quang điện tìm thấy bởi Hertz và Stoletov.

Loại A:

  • Căn cứ vào công thức Einstein để giải thích các định luật quang điện.
  • Tại sao khi điện áp giữa anod và cathod bằng không, trong mạch vẫn xuất hiện dòng điện?
  • Nguyên lý xác định hằng số Planck qua hiện tượng quang điện.