Bài 30. Hiện tượng quang điện. Thuyết lượng tử ánh sáng

THUYẾT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG

Vào cuối thế kỷ XIX, người ta đã khám phá ra một loạt sự kiện thực nghiệm làm lung lai nền tảng của Vật lí học cổ điển và là tiền đề cho sự ra đời của Vật lí học hiện đại mà cơ sở lý thyết là Thuyết tương đối và Thuyết lượng tử. Hiện tượng quang điện là một trong những sự kiện nói trên.
I. Giả thuyết lượng tử của Plăng 


Năm 1900, Plăng đề ra giả thuyết sau đây:

Lượng năng lượng mà mỗi nguyên tử hay phân tử nhận vào hay tỏa ra trong mỗi lần hấp thụ hay bức xạ ánh sáng có giá trị hoàn toàn xác định, và bằng hf; trong đó f là tần số của ánh sáng, còn h là một hằng số.
Mác Plăng (1858 – 1947)
h = 6,625.10-34J.s : hằng số Plang
f : tần số của ánh sáng (Hz)
II. Lượng tử năng lượng

Lượng năng lượng nói ở trên gọi là lượng tử năng lượng và được kí hiệu bằng chữ ε:
ε = hf          
h gọi là hằng số Plăng và được xác định bằng thực nghiệm:  h = 6,625.10-34 Js
Ví dụ : Lượng tử năng lượng ứng với ánh sáng tím (λ = 0,4μm)   ε =4,965.10ᶺ-19 J.

III. THUYẾT PHÔTÔN ÁNH SÁNG

Định luật 1:

Chùm sáng là một chùm các phôtôn (các lượng tử ánh sáng). Mỗi phôtôn có năng lượng xác định ε = hf (f là tần số của ánh sáng có bước sóng đơn sắc tương ứng). Cường độ của chùm ánh sáng tỉ lệ với số phôtôn phát ra trong một giây.

Giải thích:

Theo hệ thức Anh – tanh: mỗi phôtôn bị hấp thụ sẽ truyền toàn bộ năng lượng của nó cho một êlectron. Để cho êlectron bứt ra khỏi mặt kim loại phải cung cấp cho nó một công để “thắng” các liên kết với mạng kim loại. Công này gọi là công thoát (A). Vậy muốn cho hiện tượng quang điện xảy ra thì năng lượng của phôtôn ánh sáng kích thích phải lớn hơn hoặc bằng công thoát :


        
  Từ đó suy ra : 
 
Đặt:
             
Ta có :λο : gọi là giới hạn quang điện của kim loại dùng làm catôt

Định luật 2:
Phân tử, nguyên tử, electron… phát xạ hay hấp thụ ánh sáng cũng có nghĩa là chúng phát xạ hay hấp thụ photon
Tỉ lệ
Định luật 3:
Các photon chuyển động với vận tốc c=3.10ᶺ8m/s
Electron bắn ra khỏi catot có thể có vận tốc khác nhau với các electron trên bề mặt catot, năng lượng hf của photon gồm một phần Wο để bức e khỏi kim loại, một phần chuyển thành động năng của electron.

hf = Wο + ½mv²