Hiện tượng quang điện đã trở thành một trong những bước tiến đáng kể trong công nghệ chế tạo, và đã mở ra nhiều tiềm năng cho việc ứng dụng nó trong nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống.
Mục lục bài viết
1. Hiện tượng quan điện là gì?
Hiệu ứng quang điện là một hiện tượng điện – lượng tử rất quan trọng trong lĩnh vực vật lý và điện tử. Hiệu ứng này xảy ra khi các điện tử được tách ra khỏi nguyên tử hay vật chất sau khi hấp thụ năng lượng từ các photon trong ánh sáng. Ánh sáng có tính chất sóng và hạt, và trong trường hợp này, các hạt photon mang năng lượng gặp phải các electron trong vật liệu và làm chúng trở nên kích thích hơn, dẫn đến việc tách khỏi nguyên tử hoặc chất rắn.
Hiệu ứng quang điện được người ta đặt tên là Hiệu ứng Hertz, để tưởng nhớ đến nhà khoa học Heinrich Hertz, người đầu tiên tìm ra hiệu ứng này và tiên đoán được sự tồn tại của sóng điện từ.
Trong những năm gần đây, nhờ sự phát triển của các thiết bị và công nghệ mới, hiệu ứng quang điện đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi hơn trong nhiều lĩnh vực mới. Ví dụ như trong cảm biến quang điện, công nghệ bảo mật, và nhiều hơn thế nữa. Hiệu ứng này đang mở ra những tiềm năng mới để tạo ra những sản phẩm và công nghệ thông minh hơn, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của cuộc sống hiện đại.
2. HIện tượng quang điện xảy ra khi nào?
Hiện tượng quang điện là một hiện tượng quan trọng trong lĩnh vực vật lý điện tử và cũng là một trong những nguyên tắc cơ bản của các thiết bị điện tử như đèn LED, cảm biến, và các loại điện tử khác. Hiện tượng này xảy ra khi các electron tại trạng thái liên kết của một chất bán dẫn bị giải phóng và trở thành các electron dẫn sau khi bị kích thích bởi ánh sáng. Để hiện tượng quang điện xảy ra, hai điều kiện chính là năng lượng phôtôn và độ dài sóng của ánh sáng kích thích phải đáp ứng được.
Điều kiện đầu tiên là năng lượng phôtôn của ánh sáng kích thích phải lớn hơn hoặc bằng với năng lượng kích hoạt A, năng lượng cần thiết để giải phóng electron liên kết thành những electron dẫn. Năng lượng phôtôn và năng lượng kích hoạt này phụ thuộc vào từng chất bán dẫn khác nhau và có thể được tính toán bằng cách sử dụng các phương trình liên quan đến lượng tử.
Điều kiện thứ hai là độ dài sóng λ của ánh sáng kích thích phải nhỏ hơn hoặc bằng một bước sóng giới hạn 0 ứng với mỗi chất bán dẫn, được gọi là giới hạn quang dẫn. Giới hạn quang dẫn của từng chất bán dẫn khác nhau và là một thông số quan trọng được sử dụng để xác định các thiết bị điện tử. Nếu ánh sáng kích thích đáp ứng đủ hai điều kiện này, thì hiện tượng quang điện sẽ xảy ra.
Nói cách khác, hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi độ dài sóng của ánh sáng kích thích bằng với giới hạn quang dẫn của chất bán dẫn, tức là λ = λ0. Việc hiểu rõ hơn về hiện tượng quang điện là rất quan trọng trong việc phát triển và ứng dụng các thiết bị điện tử mới.
3. Ứng dụng của hiện tượng quang điện:
Hiện tượng quang điện đã trở thành một trong những bước tiến đáng kể trong công nghệ chế tạo, và đã mở ra nhiều tiềm năng cho việc ứng dụng nó trong nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống. Dưới đây là một số ví dụ về các ứng dụng của hiện tượng quang điện:
3.1. Chế tạo pin mặt trời:
Một trong những ứng dụng phổ biến nhất của hiện tượng quang điện là chế tạo pin mặt trời, hay còn được gọi là tấm năng lượng mặt trời hoặc tấm quang điện. Tấm năng lượng này có tác dụng chuyển đổi năng lượng ánh sáng thu được thành điện năng. Bề mặt của tấm năng lượng này được chế tạo từ nhiều tế bào quang điện và phần tử bán dẫn, giúp tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Pin mặt trời là một trong những giải pháp năng lượng tái tạo hiệu quả nhất hiện nay, và được sử dụng rộng rãi trên khắp thế giới.
3.2. Chế tạo quang điện trở:
Quang điện trở là một loại điện trở được làm từ chất quang dẫn. Nó được thiết kế với một sợi dây được làm bằng chất quang dẫn gắn trên một đế cách điện, giúp tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi. Quang điện trở được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm điều khiển ánh sáng, điều khiển nhiệt độ, và các thiết bị đo đạc.
3.3. Chế tạo điốt (Photodiode):
Điốt bán dẫn này thực hiện chuyển đổi photon thành điện tích dựa trên hiệu ứng quang điện. Nó được ứng dụng phổ biến trong kỹ thuật điện tử, các thiết bị đo đạc, truyền dẫn thông tin và nhiều lĩnh vực khác nữa. Photodiode cũng được sử dụng để đo đạc độ sáng trong các ứng dụng như máy ảnh, đồng hồ đo ánh sáng, và các thiết bị đo độ phân giải.
3.4. Tạo ra cảm biến ghi ảnh:
Hiện tượng quang dẫn còn được ứng dụng để tạo ra các cảm biến ghi ảnh như CCD, giúp chuyển đổi hình ảnh quang học sang tín hiệu điện sử dụng trong các thiết bị camera. Nhờ đó, các thiết bị này có thể tạo ra các hình ảnh chất lượng cao và sắc nét hơn. CCD cũng được sử dụng trong các thiết bị quét mã vạch và các thiết bị đo đạc.
3.5. Chế tạo đèn nhân quang điện:
Đèn nhân quang điện là một linh kiện điện tử chân không nằm trong nhóm đèn photo. Thiết bị này thực hiện cảm biến photon theo hiện tượng quang điện từ đó tạo ra điện tích. Các đèn nhân quang điện này được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị đo đạc và các ứng dụng công nghiệp khác.
Tóm lại, hiện tượng quang điện đã mở ra nhiều tiềm năng cho việc ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau của đời sống. Các ứng dụng này không chỉ giúp tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi năng lượng, mà còn giúp tạo ra các thiết bị đo đạc và các sản phẩm công nghiệp với chất lượng cao hơn và hiệu suất tốt hơn.
4. Câu hỏi vận dụng:
Câu 1: Theo thuyết lượng tử ánh sáng thì năng lượng của
A. một photon bằng năng lượng nghỉ của một êlectrôn.
B. một photon phụ thuộc vào khoảng cách từ photon đó tới nguồn phát ra nó.
C. các photon trong chùm sáng đơn sắc bằng nhau.
D. một photon tỉ lệ thuận với bước sóng ánh sáng tương ứng với photon đó.
Đáp án: C
Câu 2: Hiện tượng quang điện là hiện tượng êlectron bị bứt ra khỏi bề mặt tấm kim loại
A. khi tấm kim loại bị nung nóng.
B. nhiễm điện do tiếp xúc với một vật nhiễm điện khác.
C. do bất kì nguyên nhân nào.
D. khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào nó.
Đáp án: D
Câu 3: Ðể gây ra hiện tượng quang điện, bức xạ rọi vào kim loại phải thỏa mãn điều kiện nào sau đây?
A. Tần số có giá trị bất kì.
B. Tần số nhỏ hơn một tần số nào đó.
C. Bước sóng nhỏ hơn giới hạn quang điện.
D. Bước sóng lớn hơn giới hạn quang điện.
Đáp án: C
Câu 4: Tìm phát biểu sai khi nói về thuyết lượng tử ánh sáng?
A. Nguyên tử hay phân tử vật chất không hấp thụ hay bức xạ ánh sáng một cách liên tục mà thành từng phần riêng biệt, đứt quãng.
B. Ánh sáng được tạo bởi các hạt gọi là photon.
C. Năng lượng của các photon ánh sáng là như nhau, không phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng.
D. Khi ánh sáng truyền đi, các lượng tử ánh sáng không thay đổi và không phụ thuộc vào khoảng cách tới nguồn sáng.
Đáp án: C
Câu 5: Một photon có năng lượng 2,48 eV trong chân không. Nếu ở trong môi trường có chiết suất n = 1,5 thì năng lượng của photon này bằng:
A. 3,98 eV.
B. 1,65 eV.
C. 2,48 eV.
D. 3,72 eV.
Đáp án: C
Câu 6: Nội dung chủ yếu của thuyết lượng tử trực tiếp nói về
A. sự hình thành các vạch quang phổ của nguyên tử.
B. sự tồn tại các trạng thái dừng của nguyên tử hiđrô.
C. cấu tạo của các nguyên tử, phân tử.
D. sự phát xạ và hấp thụ ánh sáng của nguyên tử, phân tử.
Đáp án: D
Câu 7: Chùm sáng đơn sắc đỏ khi truyền trong chân không có bước sóng 0,75 μm. Nếu chùm sáng này truyền vào trong thủy tinh (có chiết suất n = 1,5) thì năng lượng photon ứng với ánh sáng đó là:
A. 3,98.10-19 J.
B. 2,65.10-19 J.
C. 1,77.10-19 J.
D. 1,99.10-19 J.
Đáp án: B
Câu 8: Cho hằng số Plăng h = 6,625.10−34 J.s; tốc độ ánh sáng trong chân không c = 3.108 m/s. Một nguồn phát ánh sáng đơn sắc có bước sóng 0,51 μm. Công suất bức xạ của nguồn là 2,65 W. Số photon mà nguồn phát ra trong 1 giây là
A. 6,8.1018.
B. 2,04.1019.
C. 1,33.1025.
D. 2,57.1017.
Đáp án: A
Câu 9: Thuyết lượng tử ánh sáng không được dùng để giải thích
A. hiện tượng quang điện.
B. hiện tượng quang-phát quang.
C. hiện tượng giao thoa ánh sáng.
D. nguyên tắc hoạt động của pin quang điện.
Đáp án: C
Câu 10: Khi ánh sáng truyền đi, các lượng tử năng lượng
A. không bị thay đổi, không phụ thuộc vào khoảng cách nguồn sáng xa hay gần.
B. thay đổi, phụ thuộc vào khoảng cách nguồn sáng xa hay gần.
C. thay đổi tuỳ theo ánh sáng truyền theo môi trường nào.
D. không bị thay đổi khi ánh sáng truyền trong chân không.
Đáp án: A
Câu 11: Thí nghiệm Hertz về hiện tượng quang điện chứng tỏ:
A. Hiện tượng quang điện không xảy ra với tấm kim loại nhiễm điện dương với mọi ánh sáng kích thích.
B. Electron bị bứt ra khỏi tấm kim loại khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào.
C. Tấm thủy tỉnh không màu hấp thụ hoàn toàn tia tử ngoại trong ánh sáng của đèn hồ quang.
D. Ánh sáng nhìn thấy không gây ra được hiện tượng quang điện trên mọi kim loại.
Đáp án: B
Câu 12: Chọn phát biểu đúng về hiện tượng quang điện.
A. Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi tần số của ánh sáng kích thích nhỏ hơn tần số giới hạn f0 nào đó.
B. Các photon quang điện luôn bắn ra khỏi kim loại theo phương vuông góc với bề mặt kim loại.
C. Giới hạn quang điện phụ thuộc vào bản chất kim loại.
D. Giới hạn quang điện của kim loại tỉ lệ với công thoát êlectron của kim loại.
Đáp án: D
Câu 13: Tính bước sóng ánh sáng mà năng lượng của photon là 2,8.10−19 J. Cho hằng số Plăng h = 6,625.10−34 Js, vận tốc ánh sáng trong chân không c = 3.108 m/s
A. 0,71 μm.
B. 0,66 μm.
C. 0,58 μm.
D. 0,45 μm.
Đáp án: A
Câu 14: Công thoát êlectron của một kim loại 2 eV. Cho hằng số Plăng h = 6,625.10−34 Js, vận tốc ánh sáng trong chân không c = 3.108 m/s Trong số bốn bức xạ sau đây, bức xạ không gây ra được hiện tượng quang điện khi chiếu vào tấm kim loại nói trên có
A. bước sóng 450 nm.
B. bước sóng 350 nm.
C. tần số 6,5.1014 Hz.
D. tần số 4,8.1014 Hz.
Đáp án: D
Câu 15: Trong thí nghiệm Hecxơ: chiếu một chùm sáng phát ra từ một hồ quang vào một tấm kẽm thì thấy các electron bật ra khỏi tấm kim loại. Khi chắn chùm sáng hồ quang bằng tấm thuỷ tỉnh dày thì thấy không có electron bật ra nữa, điều này chứng tỏ
A. tấm kim loại đã tích điện đương và mang điện thế dương.
B. chỉ có ánh sáng thích hợp mới gây ra được hiện tượng quang điện.
C. ánh sáng phát ra từ hồ quang có bước sóng nhỏ hơn giới hạn quang điện.
D. tấm thuỷ tỉnh đã hấp thụ tất cả ánh sáng phát ra từ hồ quang.
Đáp án: B
Câu 16: Êlectrôn bật ra khỏi kim loại khi có một bức xạ đơn sắc chiếu vào, là vì
A. bức xạ đó có cường độ rất lớn.
B. vận tốc của bức xạ đó lớn hơn vận tốc xác định.
C. bức xạ đó có bước sóng λ xác định.
D. tần số bức xạ đó có giá trị lớn hơn một giá trị xác định.
Đáp án: D
Câu 17: Trong chân không, ánh sáng tím có bước sóng 0,4 . Mỗi photon ánh sáng này mang năng lượng xấp xỉ bằng
A. 4,97.10−31 J.
B. 4,97.10−19 J.
C. 2,49.10−19 J.
D. 2,49.10−31 J.
Đáp án: B
Câu 18: Chiếu ánh sáng có bước sóng λ = 0,542 μm vào catôt của một tế bào quang điện (một dụng cụ chân không có hai điện cực là catôt nối với cực âm và anôt nối với cực dương của nguồn điện) thì có hiện tượng quang điện. Công suất của chùm sáng chiếu tới là 0,625 W, biết rằng cứ 100 photon tới catôt thì có 1 êlectron bứt ra khỏi catôt. Khi đó cường độ dòng quang điện bão hòa có giá trị là
A. 2,72 mA.
B. 2,04 mA.
C. 4,26 mA.
D. 2,57 mA.
Đáp án: A
