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

PHÁT XẠ QUANG ĐIỆN TỬ
Nhóm thực hiện:
_ Huỳnh Lê Thùy Trang
_ Đào Vân Thúy
Thắc mắc xin liên hệ: [email protected]
Hiện tượng quang điện tử
Sự phát xạ quang điện tử đối với kim loại
Sự phát xạ quang điện tử đối với chất cách điện và chất bán dẫn
Yêu cầu của photocathode



I.LÝ THUYẾT
Lịch sử của hiệu ứng quang điện
_ Năm 1839 Alexandre Edmond Becquerel lần đầu tiên quan sát thấy hiệu ứng quang điện xảy ra với một điện cực được nhúng trong dung dịch dẫn điện được chiếu sáng.

_ Năm 1887, Heinrich Hertz quan sát thấy hiệu ứng quang điện ngoài đối với các kim loại (cũng là năm ông thực hiện thí nghiệm phát và thu sóng điện từ. Sau đó Aleksandr Grigorievich Stoletov (1839-1896) ) đã tiến hành nghiên cứu một cách tỉ mỉ và xây dựng nên các định luật quang điện.

_ Năm 1905 Albert Einstein đã lý giải một cách thành công hiệu ứng quang điện cũng như các định luật quang điện dựa trên mô hình hạt ánh sáng, theo Thuyết lượng tử vừa được công bố vào năm 1900 của Max Planck. Các công trình này đã dẫn đến sự công nhận về bản chất hạt của ánh sáng, và sự phát triển của lý thuyết lưỡng tính sóng - hạt của ánh sáng.


1.HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN TỬ
Khi thông lượng bức xạ điện từ đập lên bề mặt một vật thể thì 1 phần bị phản xạ lại, 1 phần bị hấp thụ.Bức xạ bị hấp thu nên có thể:
☻ Làm xuất hiện những hạt tải điện mới (điện tử trong vùng dẫn và lỗ trống trong vùng lấp đầy) làm tăng độ dẫn điện ⟹ là hiện tương quang dẫn (hiệu ứng quang điện nội), xuất hiện ở chất bán dẫn và chất cách điện.
☻ Xuất hiện những điện tử có năng lượng lớn có thể vượt qua hàng rào thế năng và phát xạ ⟹ là hiệu ứng quang điện ngoại (phát xạ quang điện tử).
1.HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN TỬ
Hiện tượng:
Thí nghiệm của Millikan về hiện tượng quang điện
♦ Sự phụ thuộc của dòng vào cường độ:
Dòng quang điện tăng tuyến tính với cường độ ánh sáng tới
♦ Sự phụ thuộc của dòng quang điện vào điện thế áp:
Vs :thế hãm ⟹ I=0
_ Thế hãm tỉ lệ với động năng cực đại của quang điện tử: Kmax =eVs
_ Thế hãm không đổi khi cường độ dòng thay đổi⟹động năng của quang điện tử không phụ thuộc cường độ tới
♦ Động năng phụ thuộc tuyến tính vào tần số ánh sáng tới
1.HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN TỬ
☻ ĐỊNH LUẬT STOLETOV
Dòng quang điện tử (trong chế độ bão hòa) tỷ lệ thuận với dòng bức xạ đập lên cathode
☻ ĐỊNH LUẬT EINSTEIN
Năng lượng cực đại của quang điện tử tỷ lệ thuận với tần số bức xạ và không phụ thuộc vào cường độ của nó:
1.HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN TỬ
╬ T > 0K:
_Năng lượng của điện tử trong kim loại: ε + δW
_Sau khi hấp thu năng lượng photon, điện tử có :
W = ε + δW + hυ
_Trên đường đi đến bề mặt kim loại, điện tử mất 1 năng lượng ΔW, sau khi vuot qua rào thế W0 ,điện tử còn động năng :
mv2 /2 = ε + δW + hυ – ΔW – W0
= hυ + δW – ΔW – Φ0
_Động năng đạt cực đại khi: ΔW = 0, lúc đó:
(mv2 /2)max =hυ – Φ0 + δW
╬ T = 0K: δW=0
Phương trình Einstein
ĐỊNH LUẬT EINSTEIN
2.PHÁT XẠ QUANG ĐIỆN TỬ ĐỐI VỚI KIM LOẠI
Nhận xét:
♦ Sự phụ thuộc vào cường độ ánh sáng tới:
Vận tốc của quang điện tử chỉ phụ thuộc vào tần số υ của bức xạ chiếu tới mà không phụ thuộc vào cường độ ánh sáng tới.
Dòng quang điện tỉ lệ với cường độ ánh sáng tới ( khi tăng cường độ ánh sáng tới tức tăng số photon thì số quang điện hay cường độ dòng quang điện tăng)
♦ Sự phụ thuộc vào tần số của ánh sáng tới:
hυ < Φ0 : hiệu ứng quang điện không xảy ra
υ0 = Φ0 /h: biên đỏ của hiệu ứng quang điện
Định luật Einstein chỉ nghiệm đúng khi T=0K với υ ≤ 1.5υ0
hoặc T>0K nhưng không lớn lắm (khoảng nhiệt độ phòng)
♦ Sự phụ thuộc thời gian của phát xạ quang điện tử
2.PHÁT XẠ QUANG ĐIỆN TỬ ĐỐI VỚI KIM LOẠI
♦ Từ pt Einstein:
☻Mật độ dòng phát xạ:
♦ Xác suất hấp thụ photon của điện tử phải phụ thuộc vào tần số υ, cường độ, năng lượng photon
♦Sự phân bố năng lượng điện tử sau khi hấp thụ photon
♦Xác suất điện tử hấp thụ photon đến bề mặt kim loại và sự mất mát năng lượng trên đường đi của chúng.
♣ Biễu diễn trạng thái điện tử trong kim loại bằng thuyết Sommerfield
♣ Xét dãy tần số υ ~ υ0 ÷ 1.5υ0 ⟹ xác suất hấp thụ photon P của điện tử bất kỳ trong hiệu ứng quang điện là như nhau, P=const
♣ Hệ số truyền qua:
♣ Quang điện tử khi thoát ra ngoài chân không, không bị va chạm trong kim loại
LÝ THUYẾT FLOWER
2. PHÁT XẠ QUANG ĐIỆN TỬ ĐỐI VỚI KIM LOẠI
☻ Điện tử khí ở lớp trên bề mặt kim loại được chiếu sáng với tần số υ gồm 2 loại:

+ điện tử thông thường nằm gần mức Fermi: ở nhiệt độ thường (W0 – ε >> kT)⟹ không thể tự thoát khỏi kim loại.
+ điện tử được kích thích bởi hυ
☻Số điện tử có năng lượng trong khoảng từWx đến Wx + dWx đập lên 1 đơn vị diện tích bề mặt kim loại trong 1s:
☻ Số quang điện tử thoát ra trên 1cm2 bề mặt kim loại trong 1s:
α là xác suất hay tỉ số giữa mật độ điện tử khí được kích thích bởi photon trên lớp bề mặt kim loại với mật độ điện tử khí thông thường, α = const
2. PHÁT XẠ QUANG ĐIỆN TỬ ĐỐI VỚI KIM LOẠI
Đưa pt về dạng
Với :
Hàm số:
⟹Mật độ dòng quang điện tử:
Hằng số nhiệt điện tử Sommerfield
2. PHÁT XẠ QUANG ĐIỆN TỬ ĐỐI VỚI KIM LOẠI
Nhận xét kết quả:
TH: υ = 0 (và α = 1)
Mật độ dòng:
TH: T = 0K
☻ υ < υ0 ; x→ -∞ ⟹ jΦ = 0 : đúng với định luật Einstein
☻υ > υ0 ; x→ ∞
TH: T > 0 K
☻ υ = υ0 ; x = 0 ⟹
☻ υ > υ0 ; x>> 1
☻ υ < υ0 ; x<< -1
f(x) ≈ ex
jΦ = αAo T2
Trùng với pt phát xạ nhiệt điện tử
Mâu thuẫn với ĐL Einstein
JΦ phụ thuộc rất ít vào T
Sự hấp thụ lượng tử tương đương sự giảm công thoát 1 lượng hυ
T= 0K
Điều kiện để phát xạ quang điện tử
hυ ≥ ψ + Eg
Tần số biên của phát xạ quang điện tử υ0 :
hυ0 = ΦΦ = ψ + Q0
Cấu trúc vùng năng lượng của bán dẫn tinh khiết và chất cách điện ở T= 0 K
Công thoát phát xạ nhiệt điện tử:
Φ0 = W0 – ε = ψ + Q0 /2 = ΦΦ – Q0 /2
Ở T= 0K: đối với kim loại: Φ0 = ΦΦ
3.PHÁT XẠ QUANG ĐIỆN TỬ CỦA CHẤT BÁN DẪN VÀ CHẤT CÁCH ĐIỆN
BÁN DẪN TINH KHIẾT VÀ CHẤT CÁCH ĐIỆN
ΦΦ :công thoát quang điện tử
BÁN DẪN LOẠI N
Ở nhiệt độ thấp
♦Tần số biên được xác định:
hυ0 = ΦΦ = ψ + Q
δ≈ Q/2
♦ Hệ thức giữa ΦΦ và Φ0 có dạng:
Φ0 = ΦΦ - δ = ΦΦ – Q/2
3.PHÁT XẠ QUANG ĐIỆN TỬ CỦA CHẤT BÁN DẪN VÀ CHẤT CÁCH ĐIỆN
BÁN DẪN CÓ TẠP CHẤT
BÁN DẪN LOẠI P
♦Tần số biên được xác định:
hυ0 = ΦΦ = ψ + Q0
δ≈ Q/2
♦ Hệ thức giữa ΦΦ và Φ0 có dạng:
Φ0 = ΦΦ - δ
4.YÊU CẦU CỦA PHOTOCATHODE
Biên quang điện tử
Lượng tử thoát (độ nhạy γ = số quang điện tử/ số hυ)
ĐỐI VỚI KIM LOẠI
☻ Độ nhạy rất nhỏ, luôn luôn không đổi
☻ Ở nhiệt độ thường phát xạ nhiệt điện tử hoàn toàn không xảy ra⟹ quan trọng đối với cathoade làm nhân quang điện
☻Biên quang điện tử của tất cả các kim loại (trừ kim loại kiềm) đều nằm trong vùng tử ngoại hoặc ở biên vùng ánh sáng tím
☻Cathode kim loại được dùng khi cần có photocathode có độ nhạy lớn ở vùng tử ngoại
ĐỐI VỚI CHẤT CÁCH ĐIỆN
☻ Tần số biên luôn nằm rất xavùng tử ngoại
☻Không thuận lợi
♦ Nhận biết ánh sáng trong vùng khả kiến
♦ Có lượng tử thoát lớn
☻Hấp thụ quang điện tử là lớn nhất khi quang điện tử thoát ra từ vùng đầy vì số điện tử trong vùng đầy luôn lớn hơn vùng tạp chất.
☻Sự mất mát năng lượng của quang điện tử trên đường đi của nó đến bề mặt cathode là không nhiều
Để thỏa yêu cầu của một photocathode thì ngoài lượng tử thoát lớn còn cần giảm công thoát quang điện tử ΦΦ⟹phủ lên bề mặt cathode 1 lớp đơn nguyên tử mỏng.
PHOTOCATHODE BÁN DẪN PHỨC TẠP
PHOTOCATHODE BÁN DẪN
4.YÊU CẦU CỦA PHOTOCATHODE
PHOTOCATHODE
Ag-Cs2O-Cs
Cathode bán dẫn loại n
PHOTOCATHODE Cs3Sb
Cathode bán dẫn loại p
Độ nhạy tích phân:
Đặc trưng của phổ photocathode
Cs3Sb không trong suốt
Cs3Sb trong suốt
Ag-Cs2O-Cs (theo tỷ lệ xích bên phải)
Cs3Sb( photocathode hiệu dụng)
_ Bước sóng biên quang điện λ0 ≈6200÷7000A0 (ΦΦ ≈1.7÷2eV) :nhờ sự phát xạ từ mức tạp chất aceptor
_Tại miền cực đại (λmax ≈4200÷4500A0): γ rất lớn (0.25÷0.3),, độ nhạy tích phân đạt khoảng 60÷100mA/Watt, do dự phát xạ quang điện tử ở vùng hóa trị.
Ag-Cs2O-Cs
_ Biên quang điện λ0 lớn hơn 12000-14000A0 (ΦΦ ≈0.87÷1eV)
_ Cực đại thứ nhất(λ max≈3500A0 ):γ ≈0.01, STP ≈2mA/Watt, đủ lớn.
_ Cực đại thứ 2 (λmax ≈8000÷8500A0 ) độ nhạy phổ trong vùng hồng ngoại (loại cathode phát xạ duy nhất có độ nhạy lớn trong vùng hồng ngoại.
Mật độ dòng nhiệt tương đối nhỏ 10-16 ÷10-15 A/cm2
Mật độ dòng nhiệt lớn 10-13 ÷ 10-11 A/cm2 (ở nhiệt độ phòng)