Đường đặc trưng von - ampe Các định luật quang điện

97
Đầu tiên khi chưa rọi ánh sáng vào điện cực catôt ta thấy kim điện kế không quay; nếu rọi một chùm tia sáng tử ngoại qua cửa sổ bằng thạch anh vào điện cực K
thì thấy kim điện kế quay, điều đó chứng tỏ trong mạch đã có dòng điện. Dòng điện xuất hiện trong mạch gọi là dòng quang điện. Ta đã biết trong bóng đèn áp suất rất
thấp 10
-6
mmHg, môi trường được xem như chân không không chứa bất kỳ một loại điện tích nào,như vậy chùm tia tử ngoại chiếu vào catơt K có tác dụng giải
phóng các điện tử khỏi bề mặt âm cực K. Các điện tử được giải phóng gọi là quang điện tử. Dưới tác dụng của điện trường giữa hai cực điện A và K, các quang điện tử
chuyển động có hướng từ âm cực K sang dương cực A và tiếp tục đi vào mạch điện tạo nên dòng quang điện khơng đổi I
a
. Khi thay đổi cường độ chùm tia tử ngoại và hiệu điện thế giữa hai cực U
AK
, tiến hành đo cường độ dòng quang điện I
a
người ra rút ra được các nhận xét cơ bản sau:
− Tia tử ngoại có hiệu quả nhất trong việc gây nên hiệu ứng quang điện. − Cường độ dòng quang điện I
a
tăng tỉ lệ với cường độ chùm tia sáng rọi vào âm cực K.
− Chỉ có các vật tích điện âm mới mất điện tích khi bị rọi sáng, còn các vật tích điện dương khơng bị ảnh hưởng của ánh sáng rọi tới. Như vậy điện tích bị bứt
ra khỏi mặt kim loại sẽ là điện tích âm. − Hiệu ứng quang điện xảy ra tức thời, nghĩa là dòng quang điện xuất hiện
đồng thời với sự chiếu sáng.

10.5.1.2. Đường đặc trưng von - ampe

Khi nghiên cứu sự biến đổi của cường độ dòng quang điện I
a
theo U
AK
ta sẽ vẽ được đường cong biểu diễn I
a
= fU
AK
, đường cong này gọi là đường đặc trưng von - ampe của kim loại làm
âm cực K Hình 10.14 Từ đường đặc trưng von - ampe
ta thấy nếu U
AK
tăng thì I
a
cũng tăng theo, tuy nhiên U
AK
U
1
một giá trị
Hình 10.14 a
bh
AK 1
2
I
U I
U -U
98
nào đó của U
AK
thì I
a
khơng tăng nữa và có giá trị khơng đổi, lúc đó cường độ dòng quang điện được gọi là bão hồ I
bh
. Từ hình 10.14 cũng cho ta thấy rằng khi hiệu điện thế giữa A và K bằng không U
AK
= 0, dòng quang điện vẫn có giá trị I và
chỉ bị triệt tiêu khi U
AK
có giá trị âm xác định -U
2
, -U
2
gọi là hiệu điện thế dừng, phụ thuộc vào bản chất của kim loại và bước sóng ánh sáng rọi vào kim loại đó. Các
giá trị hiệu điện thế U
AK
từ 0 đến U
1
gọi là điện áp tăng tốc tạo nên trường gia tốc. Dòng quang điện đạt giá trị bão hoà khi tất cả các quang điện tử đều bị hút về cực
dương do vậy mà việc tiếp tục tăng U
AK
chỉ có thể làm tăng vận tốc của các quang điện tử chứ không làm tăng thêm được lượng các quang điện tử, điều có nghĩa là
cường độ dòng quang điện I
a
khơng tăng được nữa.

10.5.1.3. Các định luật quang điện

Khi tiến hành thí nghiệm với những chùm ánh sáng đơn sắc có bước sóng λ
khác nhau rọi vào các cực âm K làm bằng các kim loại khác nhau người ta tìm được các định luật quang điện sau:
- Định luật về giới hạn quang điện Đối với mỗi kim loại xác định hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi bước sóng
λ của chùm ánh sáng đơn sắc rọi tới nó nhỏ hơn giá trị xác định λ ;
λ gọi là giới
hạn quang điện của kim loại đó λ λ
λ phụ thuộc vào bản chất của kim loại được rọi sáng và trạng thái mặt ngoài
của kim loại. Theo định luật trên thì hiển nhiên rằng với những chùm ánh sáng đơn sắc có
λ λ và với cường độ ánh sáng rất mạnh cũng không gây nên được hiệu ứng
quang điện. - Định luật về dòng quang điện bão hồ
Cường độ dòng quang điện bão hoà I
bh
tăng tỉ lệ với cường độ của chùm ánh sáng đơn sắc rọi tới kim loại.
- Định luật về động năng cực đại của các quang điện tử Động năng cực đại của các quang điện tử tăng tỉ lệ với tần số của chùm ánh
sáng đơn sắc rọi tới kim loại và không phụ thộc vào cường độ của chùm ánh sáng đó. Để giải thích được các định luật quang điện người ta phải dựa vào bản chất
của ánh sáng. Theo thuyết điện từ ánh sáng thì năng lượng ánh sáng được truyền đi liên tục theo sóng và cường độ ánh sáng càng lớn thì năng lượng sóng ánh sáng
99
mang theo càng nhiều. Như vậy với quan điểm này sẽ khơng giải thích đựơc định luật về giới hạn quang điện
λ λ vì ánh sáng rọi vào kim loại chỉ cần có cường
độ lớn sẽ truyền được nhiều năng lượng cho điện tử ở lớp mặt ngoài kim loại để bứt điện tử ra khỏi kim loại, do vậy khơng cần có điều kiện về giới hạn quang điện
trong mỗi kim loại, điều này khơng đúng với thí nghiệm. Thuyết điện từ ánh sáng cũng khơng giải thích được tại sao động năng cực đại ban đầu của các quang điện tử
không phụ thuộc vào cường độ của trường sáng rọi tới kim loại đó. Về thời gian xuất hiện hiệu ứng theo thuyết điện từ ánh sáng phải mất vài chục phút nhưng thực
tế thí nghiệm thì khoảng thời gian kể từ khi rọi sáng vào kim loại cho đến khi xuất hiện quang điện tử đầu tiên chỉ vào khoảng 10
-9
s. Nếu chúng ta chỉ quan niệm bản chất của ánh sáng là sóng điện từ thì hồn tồn bất lực khi vận dụng nó để giải thích
các định luật quang điện.
10.5.2. Thuyết lượng ánh sáng của Einstein và sự giải thích hiện tượng quang điện 10.5.2.1. Thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein
Để khắc phục khó khăn của thuyết điện từ về bản chất ánh sáng khi vận dụng để giải thích các định luật quang điện, vào năm 1905 Einstein đã dựa vào thuyết
lượng tử năng lượng của Planck để nêu lên một thuyết mới về bản chất ánh sáng Einstein vẫn thừa nhận thuyết điện từ ánh sáng đó là thuyết lượng tử ánh sáng.
Nội dung thuyết như sau: - Ánh sáng gồm những hạt rất nhỏ gọi là photon hay lượng tử ánh sáng. Mỗi
photon mang một năng lượng xác định là: ε =h.f 7.32
Trong đó h = 6,625.10
-34
Js, gọi là hằng số Planck còn f là tần số của sóng ánh sáng ứng với photon đó.
− Trong chân khơng photon truyền đi với một tốc độ xác định là c = 3.10
8
ms. Mỗi photon truyền đi trong mơi trường thì có lưỡng tính sóng hạt vì theo Einstein mỗi photon có tốc độ c, năng lượng
ε = hf, khối lượng m khối lượng động, photon khơng có khối lượng tĩnh được xác định theo công thức
ε = mc
2
. Kết hợp với 7.32 ta suy ra:
hf h
h p
mc c
cT =
= =
= λ
10.33
100
Với p = mc là động lượng của photon đặc trưng cho tính chất hạt, λ là bước
sóng đặc trưng cho tính chất sóng sóng điện từ. - Cường độ của một chùm tia sáng sẽ tỉ lệ với số photon phát ra từ nguồn
trong một đơn vị thời gian.

10.5.2.2. Giải thích các định luật quang điện