Hiệu ứng quang điện là hiện tượng các electron bị bứt ra khỏi bề mặt kim loại dưới tác dụng của chùm sáng rọi vào.
Việc điều tra và nghiên cứu những đặc tính của hiệu ứng quang điện được triển khai nhờ một ống chân không hai cực như hình 1. Khi chiếu lên cathode \ ( K \ ) một chùm ánh sáng đơn sắc, từ cathode phát xạ những electron và tạo thành dòng điện. Ta gọi đó là dòng quang điện, ghi lại bởi điện kế. Khi biến hóa điện áp \ ( U \ ) giữa anode và cathode, dòng quang điện biến hóa theo quy luật như đồ thị hình 2, còn gọi là đặc tuyến Volt-Ampere của dòng quang điện .
Hình 1: Sơ đồ khảo sát hiệu ứng quang điệnKhi tăng điện áp giữa hai cực, dòng quang điện sẽ tăng theo, nhưng đến một giá trị nào đó dòng điện trở nên bão hòa. Khi điện áp bị triệt tiêu về \ ( 0 \ ), dòng quang điện không bị triệt tiêu mà chỉ biến mất trọn vẹn khi điện áp được đảo ngược đến một giá trị \ ( U_c \ ) nhất định .
Hình 2: Đặc tuyến Volt-Ampere của dòng quang điệnNhững điều tra và nghiên cứu cụ thể của Hertz và Stoletov đã dẫn đến ba định luật quang điện sau đây :
1. Dòng quang điện bão hòa tỉ lệ thuận với cường độ chùm sáng chiếu đến .
2. Đối với mỗi sắt kẽm kim loại nhất định sống sót một tần số cực tiểu \ ( \ omega_ { min } \ ) mà nếu chùm sáng chiếu đến có tần số nhỏ hơn giá trị này, hiệu ứng quang điện sẽ không xảy ra .
3. Động năng cực lớn \ ( E_ { max } \ ) của electron bứt ra khỏi cathode phụ thuộc vào tuyến tính vào tần số \ ( \ omega \ ) của chùm sáng chiếu đến nhưng không phụ thuộc vào vào cường độ chùm sáng .
Công thức Einstein
Để lý giải những định luật quang điện, Einstein đã đưa ra kim chỉ nan về lượng tử ánh sáng, theo đó chùm sáng tạo thành từ dòng những photon, nguồn năng lượng của mỗi hạt có giá trị bằng
\ [ \ varepsilon = \ hbar \ omega, \ ]
trong đó \ ( \ hbar \ ) – hằng số Planck, hằng số cơ bản bậc nhất trong vật lý lượng tử và hoàn toàn có thể đo được giá trị nhờ triển khai thí nghiệm này .
Khi đập vào mặt phẳng cathode sắt kẽm kim loại, một tỉ lệ photon bị hấp thụ bởi electron nằm trên gần mặt phẳng. Nếu nguồn năng lượng hấp thụ từ photon đủ lớn, vượt quá một giá trị \ ( A \ ) tối thiểu nào đó, electron mới hoàn toàn có thể thoát khỏi mặt phẳng cathode. Số nguồn năng lượng dư thừa sẽ trở thành động năng của electron. Theo định luật bảo toàn nguồn năng lượng :
\ [ \ hbar \ omega = A + E_ { max }. \ tag { 1 } \ ]
Hệ số tự do \ ( A \ ) được gọi là công thoát của electron và chỉ phụ thuộc vào vào thực chất của chính sắt kẽm kim loại bị chiếu sáng. Bản thân công thức ( 1 ) gọi là công thức Einstein .
Phép đo hằng số Planck
Ta viết lại công thức Einstein dưới dạng hàm số nhờ vào giữa động năng cực lớn \ ( E_ { max } \ ) và tần số \ ( \ omega \ ) :
\ [ E_ { max } = \ hbar \ omega-A. \ ]
Đây là một hàm tuyến tính, màn biểu diễn trên đồ thị dưới dạng một đường thẳng có thông số góc bằng \ ( \ hbar \ ), cắt trục tung tại \ ( – A \ ) và cắt trục hoành tại \ ( \ omega_ { min } \ ). Như vậy chỉ cần đo \ ( E_ { max } \ ) theo một vài loại ánh sáng đơn sắc có tần số \ ( \ omega \ ) khác nhau, ta hoàn toàn có thể dựng được đồ thị như hình 3 và tính được hằng số Planck theo thông số góc .
Hình 3: Dạng đồ thị thực nghiệm dùng để xác định hằng số Planck
Ở đây động năng cực đại của electron có thể tính theo điện áp nghịch cực đại làm triệt tiêu được dòng quang điện:
\ [ E_ { max } = eU_c. \ ]
Quy trình thí nghiệm
Dựng đặc tuyến Volt-Ampere với điện áp thuận
Tại phần này ta sẽ kiểm tra lại quy luật đổi khác của dòng quang điện khi biến hóa điện áp, thuộc nhánh bên phải trên đồ thị hình 2 .
Thiết lập mạch điện như sơ đồ hình 4 .
Hình 4: Sơ đồ mạch khảo sát hiệu ứng quang điện – điện áp thuậnNhận khoảng chừng 2 giá trị dòng bão hòa từ giảng viên, ví dụ 30 \ ( \ mu \ ) A và 60 \ ( \ mu \ ) A. Quy trình khảo sát đặc tuyến Volt-Ampere như sau :
- Đặt điện áp \(U_{AK}\) trên anode và cathode khoảng 60 V. Điều chỉnh cường độ nguồn sáng sao cho dòng điện chỉ trên ampere kế chỉ tầm 30 \(\mu\)A.
- Chỉnh điện áp \(U_{AK}\) về lại 0 để bắt đầu khảo sát. Vặn từ từ núm xoay \(U_{AK}\) để số chỉ của volt kế tăng dần từ 0 – 80 V, mỗi lần tăng khoảng 2 – 4 V. Đọc và ghi các số chỉ cường độ \(I\) vào bảng 9.1.
- Lặp lại các bước 1 và 2 với cường độ nguồn sáng khác.
[ bổ trợ bảng ]
Từ bảng số liệu trên vẽ những đặc tuyến Volt-Ampere của dòng quang điện với điện áp thuận .
Xác định hằng số Planck
Dựa trên phân tích và minh hoạ tại phần Nguyên lý phép đo, ta cần xác định động năng cực đại của electron tương ứng với các bước sóng khác nhau.
Thiết lập mạch điện như sơ đồ hình 5 .
Hình 5: Sơ đồ mạch khảo sát hiệu ứng quang điện – điện áp nghịch
Cân chỉnh thiết bị đo theo các bước sau:
1. Chuyển thang đo ampere kế về 1 \(\mu\)A. Chuyển thang đo volt kế về 1 V, giữ ở mức 0.
2. Tạm thời tắt nguồn sáng, che tế bào quang điện bằng tấm chắn đen.
3. Cân chỉnh ampere kế về 0.
Xây dựng đặc tuyến Volt-Ampere với điện áp nghịch theo các bước sau:
1. Thay tấm chắn bằng một kính lọc sắc tương ứng với một bước sóng nhất định. Bật đèn và điều chỉnh cường độ nguồn sáng, sao cho kim ampere kế trỏ ở mức \(80-90\%\) thang đo.
2. Tăng dần điện áp \(U_{AK}\) từ 0-1 V theo từng bước 0.1 V, ghi lại giá trị dòng điện vào bảng 9.2.
3. Thay kính lọc sắc tương ứng với bước sóng khác. Lặp lại các bước 1-2.
[ bổ trợ bảng ]
Xử lý dữ liệu
Từ bảng số liệu 9.1 vẽ những đặc tuyến Volt-Ampere của dòng quang điện với điện áp thuận trên cùng một đồ thị. Nêu nhận xét về quy luật biến hóa của dòng quang điện khi biến hóa điện áp. Chỉ ra khu vực dòng quang điện bị bão hòa. Nêu nhận xét về giá trị của những dòng bão hòa khi cường độ chiếu sáng khác nhau .
Từ bảng số liệu vẽ những đặc tuyến Volt-Ampere của dòng quang điện với điện áp nghịch trên những trục đồ thị riêng không liên quan gì đến nhau. Căn cứ vào đồ thị, ta sẽ lấy được giá trị \ ( U_c \ ) của điện áp nghịch khiến cho dòng quang điện trọn vẹn bị triệt tiêu. Ghi giá trị \ ( U_c \ ) vào bảng 9.2 .
Từ số liệu trên bảng 9.2, ta có thể dựng đồ thị của hàm số \(E_{max}(\omega)\) như hướng dẫn tại phần Nguyên lý để tính ra hằng số Planck.
Cách sử dụng chương trình
Chương trình có giao diện như hình 3, với tế bào quang điện làm trung tâm, cấu tạo từ một bóng thuỷ tinh rút hết không khí bên trong, đặt vào hai điện cực: bản phẳng kim loại làm cathode (cực âm), quả cầu nhỏ làm anode (cực dương). Tế bào quang điện được chiếu sáng bởi một đèn dây tóc có khả năng điều khiển được cường độ sáng. Chùm sáng đi qua kính lọc sắc với dải bước sóng từ tử ngoại đến hồng ngoại. Điện áp trên hai điện cực có thể điều khiển thông qua biến trở chiết áp. Dòng điện đi qua tế bào quang điện quan sát được qua volt kế và amper kế.
Hình 3: Điện áp trên tế bào quang điện thay đổi nhờ biến trở
Khi thay đổi kính lọc sắc, chương trình mô phỏng được màu của chùm sáng chiếu lên cathode. Bước sóng càng ngắn, năng lượng của photon càng lớn, electron trên bề mặt cathode càng dễ bị bật ra.
Hình 4: Thay đổi bước sóng bằng kính lọc sắcNếu bước sóng quá dài, nguồn năng lượng photon sẽ thấp hơn ngưỡng số lượng giới hạn, electron sẽ không bứt ra được ( hình 5 ) .
Hình 5: Electron không còn bứt ra do năng lượng photon yếuSau khi đã cố định và thắt chặt cường độ chùm sáng và sắc tố của chùm sáng, ta đã hoàn toàn có thể làm thí nghiệm với tế bào quang điện. Thay đổi điện áp trên hai cực, ta thu được giá trị tương ứng của cường độ dòng quang điện. Giá trị dòng điện ấy hoàn toàn có thể lưu lại bằng đồ thị như hình 6 .
Hình 6 biểu lộ hai đặc tuyến volt-amper dành cho hai trường hợp khác nhau của cường độ chùm sáng. Đường nằm trên tương ứng với chùm chiếu sáng cathode mạnh, đường dưới là khi chùm sáng yếu còn 50%. Cả hai đường đều tiến đến khu vực bão hòa nằm ngang, khi hàng loạt electron từ cathode đều bị hấp thu bởi anode. Có thể thấy, cường độ dòng bão hòa tỉ lệ thuận với cường độ chùm sáng .
Hình 6: Phần mềm có chức năng lưu lại dữ liệu các lần đo, thu được đặc tuyến Volt-Ampere
