Bài giảng thuyết lượng tử ánh sáng

QUANG HỌCCHƯƠNG IX. TÍNH CHẤT LƯỢNG TỬ CỦA ÁNH SÁNG Giảng viên: Nguyễn Thị Huyền Trang Năm học, 2011 - 2012 1. HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN Khi một người tiến về garage, cánh cửa garage lập tức mở ra, sau khi người đó qua cửa, thì nó đóng lại. Cánh cửa đóng mở tự động dựa trên hiện tượng quang điện. Chứng tỏ : Tấm kẽm bị mất điện tích âm(êlectron) Tấm kẽm Zn Tĩnh điện kế Chiếu ánh sáng hồ quang vào 1 tấm kẽm ban đầu tích điện âm Heinrich Rudolf Hertz  1. HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN 1.1. Thí nghiệm của Héc về hiện tượng quang điện Góc lệch của kim tĩnh điện kế giảm chứng tỏ điều gì ? Trong thí nghiệm trên thì nguyên nhân nào làm êlectron bật khỏi tấm kẽm ? Vậy: Khi ánh sáng hồ quang chiếu vào tấm kẽm thì các êlectron bị bật khỏi tấm kẽm.  1. HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN 1.1 Thí nghiệm của Héc về hiện tượng quang điện Tấm kẽm tích điện dương Chiếu ánh sáng hồ quang vào một tấm kẽm ban đầu tích điện dương Điện tích của tấm kẽm như thế nào sau khi chiếu ánh sáng hồ quang ?  1. HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN Điện tích của tấm kẽm hầu như không đổi 1.1 Thí nghiệm của Héc về hiện tượng quang điện Tấm kẽm mang điện âm Chắn chùm tia hồ quang bằng tấm thủy tinh dày. Điện tích tấm kẽm như thế nào ? Hoạt động 2. Tìm hiểu hiện tượng quang điệnI. HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN1. Thí nghiệm của Héc về hiện tượng quang điện Tấm thủy tinh dày. Tấm kẽm không mất điện tích âm. 1.1 Thí nghiệm của Héc về hiện tượng quang điện Khi chiếu ánh sáng hồ quang vào tấm kẽm tích điện dương thì êlectron vẫn bị bật khỏi tấm kẽm nhưng bị tấm kẽm tích điện dương hút lại ngay. Vậy: Êlectron vẫn bị bật khỏi tấm kẽm mang điện dương khi ánh sáng hồ quang chiếu vào.  1. HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN Lặp lại thí nghiệm với tấm kẽm mang điện dương thì kim tĩnh điện kế không bị thay đổi. Vì sao ? Chú ý Bức xạ tử ngoại có khả năng gây ra hiện tượng quang điện ở kẽm, còn ánh sáng nhìn thấy thì không. Nếu chắn chùm tia hồ quang bằng tấm thủy tinh dày thì hiện tượng quang điện không xảy ra  chứng tỏ điều gì? 1. HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN V A G R K F 1.2.Thí nghiệm của Stoletov về hiện tượng quang điện Hai điện cực (A,K) được đặt trong một bình chân không có cửa sổ F bằng thạch anh, cho ánh sáng tử ngoại truyền qua dễ dàng. Catôt K được làm bằng kim loại cần nghiên cứu hiện tượng quang điện. Hiệu điện thế giữa A và K được thiết lập nhờ bộ nguồn một chiều P. Biến trở R cho phép thay đổi hiệu điện thế U giữa A, K và cả chiều điện trường được thiết lập giữa chúng. Ánh sáng đã làm bứt một số điện tích ra khỏi catot và chúng bị hút về phía anot dưới tác dụng của điện trường, tạo thành dòng điện trong mạch. Đó là dòng quang điện. Kết luận: ĐỊNH NGHĨA Hiện tượng quang điện (ngoài) là sự giải phóng các electron ra khỏi bề mặt kim loại, khi tấm kim loại này được rọi sáng bằng ánh sáng thích hợp. Đường đặc trưng vôn – ampe Đường cong biểu diễn sự thay đổi của cường độ dòng quang điện vào hiệu điện thế U giữa A và K ( khi cường độ sáng I không đổi) gọi là đường đặc trưng vôn - ampe ibh i U Uo Uh O Io 1.3. Các định luật quang điện b) Định luật về dòng quang điện bão hòa Cường độ của dòng quang điện bão hòa tỉ lệ với cường độ I của chùm sáng rọi lên catot. hoặc Số electron bị bứt ra khỏi catot trong một đơn vị thời gian tỉ lệ với cường độ I của chùm sáng rọi lên catot. c) Định luật về giới hạn đỏ của hiệu ứng quang điện Đối với mỗi kim loại xác định, hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi chùm sáng rọi vào kim loại đó có tần số v lớn hơn một giá trị giới hạn v0 tức là ánh sáng kích thích phải có bước sóng  nhỏ hơn hay bằng một giá trị giới hạn giới hạn 0 của kim loại đó.  <= 0 Tần số v0 hay bước sóng 0 được gọi là giới hạn đỏ của hiệu ứng quang điện. Mỗi kim lọai có một giới hạn quang điện 0 đặc trưng. d) Định luật về vận tốc ban đầu cực đại của quang electron Vận tốc ban đầu cực đại của quang electron bị bức ra khỏi catot không phụ thuộc vào cường độ của chùm sang rọi vào nó, mà chỉ phụ thuộc vào tần số của chùm sáng đó. Theo dõi đoạn phim sau : 2. THUYẾT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG Max Planck ( 1858-1947) 2.1. Thuyết lượng tử của Planck Năm 1905, dựa vào giả thuyết của Planck để giải thích hiện tượng quang điện, Einstein đề ra thuyết lượng tử ánh sáng Albert Einstein ( 1879-1955) 2.2. Thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein Thuyết lượng tử ánh sáng (thuyết photon) : Năng lượng của ánh sáng không những được bức xạ mà còn bị hấp thụ và truyền đi thành từng lượng năng lượng riêng biệt, gọi là lượng tử ánh sáng hay photo. 2.2. Thuyết lượng tử ánh sáng Như vậy dòng ánh sáng cấu tạo bởi các hạt lượng tử ánh sáng hay photo. Với mỗi ánh sáng đơn sắc có tần số ν, các phôtôn đều giống nhau, mỗi phôtôn mang năng lượng Trong đó: h = 6,625.10-34J.s là hằng số Planck. Trong chân không, phôtôn bay với tốc độ c = 3.108 m/s dọc theo tia các sáng. Khi nguyên tử (hay phân tử) phát xạ hay hấp thụ thì chúng phát ra hay hấp thụ 1 phôtôn. 2.3. Công thức Einstein Khi xảy ra hiệu ứng quang điện, mỗi electron hấp thụ hoàn toàn một photon và được truyền thêm một năng lượng Năng lượng này bị tiêu hao một phần là A, do electron va cham với các hạt khác trong mạng tinh thể khi đi từ các lớp sâu ra mặt ngoài của kim loại. Một phần năng lượng chuyển thành công thoát A để tách electron ra khỏi kim loại và phần còn lại chuyển thành động năng ban đầu của quang electron. 2.3. Công thức Einstein Đối với các êlectron nằm sâu trong kim loại, thì A1 càng lớn, và do đó động năng ban đầu càng nhỏ. Đối với êlectron ở ngay trên bề mặt kim loại thì A1=0, do đó động năng ban đầu và vận tốc ban đầu của chúng là lớn nhất. hay a) Giải thích định luật về giới hạn quang điện bằng thuyết lượng tử 2.4. Giải thích định luật về giới hạn quang điện b) Định luật về động năng ban đầu cực đại của quang electron c) Định luật về dòng điện bão hòa 2.5. Ứng dụng của hiệu ứng quang điện a) Tế bào quang điện chân không b) Ống nhân quang điện 2.6. Các thuộc tính của Photon Photon có khối lượng nghỉ bằng không Xung lượng hay Vậy xung lượng của photon tỉ lệ thuận với tần số hoặc tỉ lệ nghịch với bước sóng cử bức xạ điện từ tương ứng. Hiện tượng giao thoa chứng tỏ ánh sáng có tính chất sóng; Hiện tượng quang điện chứng tỏ ánh sáng có tính chất hạt. Vậy : Ánh sáng có lưỡng tính sóng hạt Ánh sáng có bước sóng càng ngắn thì tính chất hạt thể hiện rõ. Ánh sáng có bước sóng càng dài thì tính chất sóng thể hiện rõ. LƯỠNG TÍNH SÓNG–HẠT CỦA ÁNH SÁNG 3. HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN TRONG 3.1. Hiện tượng quang điện tronga. Hiện tượng quang dẫn b. Hiện tượng quang điện trong 3.2. Ứng dụng của hiện tượng quang điện trong Quang điện trở Pin quang điện *Vaät theå laø kim loaïi: Khi chieáu aùnh saùng coù böôùc soùng thích hôïp vaøo kim loaïi coù hieän töôïng gì xaûy ra? Hieän töôïng quang ñieän ngoaøi?  Vaät theå laø chaát baùn daãn: +laø chaát caùch ñieän khi khoâng bò chieáu saùng +laø chaát daãn ñieän khi bò chieáu saùng Hieän töôïng giaûm maïnh ñieän trôû cuûa chaát baùn daãn khi bò chieáu saùng  3.1. HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN TRONG a. Hiện tượng quang dẫn Hiện tượng giảm điện trở suất ,tức là tăng độ dẫn điện của bán dẫn ,khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào gọi là hiện tượng quang dẫn. Giải thích: - Do hiện tượng quang điện trong làm mật độ hạt tải điện tăng lên ,độ dẫn điện tăng tức là điện trở suất giảm - Cường độ sáng càng lớn thì điện trở suất càng nhỏ 3. HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN TRONGQUANG ĐIỆN TRỞ VÀ PIN QUANG ĐIỆN b. Hiện tượng quang điện trong Si Si Si Vậy hiện tượng quang điện trong là gì? Bán dẫn tinh khiết có đặc tính dẫn điện thế nào? 3.1. HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN TRONG b. Hiện tượng quang điện trong * Hiện tượng tạo thành các êlectron dẫn và lổ trống trong bán dẫn,do tác dụng của ánh sáng có bước sóng thích hợp(λ≤λ0),gọi là hiện tượng quang điện trong . * Điều kiện để gây ra hiện tượng quang điện trong là λ≤λ0 , λ0gọi là giới hạn quang điện của bán dẫn . 3.1. HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN TRONG b. Hiện tượng quang điện trong So saùnh hieän töôïng quang ñieän beân ngoaøi vaø hieän töôïng quang ñieän beân trong: Hieän töôïng quang ñieän ngoaøi Hieän töôïng quang ñieän beân trong Gioáng nhau * Ñeàu coù cuøng nguoàn kích thích laø aùùnh saùng Khaùc nhau Vaät bò chieáu saùng laø kim loaïi Vaät bò chieáu saùng laø chaát baùn daãn Cô cheá:aùnh saùng thích hôïp chieáu vaøo, electron baät ra khoûi kim loaïi Cô cheá: Trong hieän töôïng quang daãn:moãi phoâtoân cuûa aùnh saùng kích thích khi bò haáp thuï seõ giaûi phoùng 1 electron lieân keát thaønh electron daãn mang ñieän aâm, ñoàng thôøi ñeå laïi 1 “loã troáng” mang ñieän döông haït taûi ñieän beân trong chaát baùn daãn laø electron vaø loã troáng . Haït taûi ñieän: caùc electron töï do Haït taûi ñieän: caùc electron daãn vaø caùc loã troáng Phoâtoân kích thích phaûi coù naêng löôïng ñuû lôùn Khoâng ñoøi hoûi phoâtoân kích thích coù naêng löôïng lôùn 3.2. ỨNG DỤNG CỦA HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN TRONG 1. Quang điện trở 1 2 3 3 Định nghĩa: Là một tấm bán dẫn có giá trị điện trở thay đổi khi cường độ chùm sáng chiếu vào nó thay đổi. Hoạt động: dựa trên hiện tượng quang điện trong. Ứng dụng : tong các mạch khếch đại, thiết bị điều khiển bằng ánh sáng, máy đo ánh sáng. Cấu tạo: 3.2. ỨNG DỤNG CỦA HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN TRONG 2. Pin quang điện Trong trường hợp các bán dẫn không đồng nhất, ngoài sự thay đổi độ dẫn còn xảy ra sự tạo hiệu điện thế. Hiện tượng này gọi là quang ganvanic. Nó được ứng dụng để chế tạo pin quang điện Các dụng cụ bán dẫn có thể hoạt động được khi được rọi ánh sáng mà không cần hiệu điện thế ngoài, cho phép biến đổi trực tiếp quang năng thành điện Bán dẫn n Bán dẫn p +++++++++++++++++++++ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ++++++++++++++++++++++ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ + Ứng dụng: làm nguồn điện cho các vùng sâu, vùng xa, hải đảo, vệ tinh nhân tạo, tàu vũ trụ, máy tính bỏ túi, máy đo ánh sáng Một số ứng dụng trong thực tế CUÛNG COÁ: 1.Caâu naøo sai khi noùi veà hieän töôïng quang daãn?: a. Hieän töôïng giaûm maïnh ñieän trôû cuûa chaát baùn daãn khi bò chieáu saùng goïi laø hieän töôïng quang daãn b. Trong hieän töôïng quang daãn, electron ñöôïc giaûi phoùng trôû thaønh electron töï do chuyeån ñoäng trong khoái chaát baùn daãn ñoù c. Moät trong nhöõng öùng duïng quan troïng cuûa hieän töôïng quang daãn laø vieäc cheá taïo quang trôû(LDR) d. Trong hieän töôïng quang daãn, naêng löôïng caàn thieát ñeå giaûi phoùng electron lieân keát thaønh electron daãn laø raát lôùn. 2.Caâu naøo sai veà quang trôû: a. Boä phaän quan troïng cuûa quang trôû laø moät lôùp chaát baùn daãn coù gaén hai ñieän cöïc. b. Quang trôû thöïc chaát laø moät ñieän trôû maø giaù trò cuûa noù coù theå thay ñoåi theo nhieät ñoä c. Quang trôû coù theå duøng thay theá cho caùc teá baøo quang ñieän d. Quang trôû chæ hoaït ñoäng khi aùnh saùng chieáu vaøo noù coù böôùc soùng ngaén hôn giôùi haïn quang daãn cuûa quang trôû 3.Caâu naøo ñuùng veà pin quang ñieän: a. Pin quang ñieän laø moät nguoàn ñieän trong ñoù nhieät naêng bieán thaønh ñieän naêng b. Pin quang ñieän hoaït ñoäng döïa treân hieän töôïng caûm öùng ñieän töø. c. Pin quang ñieän hoaït ñoäng döïa vaøo hieän töôïng quang ñieän ngoaøi d. Pin quang ñieän hoaït ñoäng döïa treân hieän töôïng quang ñieän beân trong xaûy ra trong moät chaát baùn daãn. * *