Hiệu ứng Quang điện Hướng dẫn

Tổng quan

Ánh sáng là sóng hay hạt? Vào năm 1905, Einstein đã đưa ra một câu trả lời gây chấn động thế giới bằng cách giải thích "Hiệu ứng Quang điện": ánh sáng có tính chất hạt. Thí nghiệm này mô phỏng quá trình các photon bắn phá bề mặt kim loại và làm bật ra các electron. Bằng cách điều chỉnh tần số, cường độ và điện áp ngược của ánh sáng, bạn sẽ đích thân trải nghiệm bình minh của cơ học lượng tử và kiểm chứng phương trình hiệu ứng quang điện nổi tiếng của Einstein.

Bối cảnh

• Năm 1887, Heinrich Hertz lần đầu tiên phát hiện ra hiện tượng hiệu ứng quang điện trong các thí nghiệm, nhưng ông không thể giải thích nó bằng lý thuyết sóng điện từ thời đó.
• Năm 1902, Philipp Lenard đã phát hiện qua thực nghiệm rằng động năng cực đại của các quang electron không phụ thuộc vào cường độ ánh sáng mà phụ thuộc vào tần số, điều này mâu thuẫn với lý thuyết sóng.
• Năm 1905, Albert Einstein đề xuất giả thuyết photon, giải thích thành công tất cả các hiện tượng thực nghiệm của hiệu ứng quang điện, và đã được trao giải Nobel Vật lý năm 1921 cho công trình này.

Khái niệm chính

Công thức và diễn giải

Các bước thí nghiệm

1. 1

   Tìm Tần số Giới hạn

   Chọn một kim loại (ví dụ: Natri). Đặt điện áp thành $0V$. Bắt đầu từ các bước sóng dài (ánh sáng đỏ), giảm dần bước sóng (tăng tần số) và quan sát ở bước sóng nào các electron bắt đầu bị bật ra. Tần số tương ứng với điểm tới hạn này là tần số giới hạn $f_0$.
2. 2

   Khám phá Ảnh hưởng của Cường độ

   Khi dòng quang điện đang được tạo ra, giữ nguyên bước sóng và điều chỉnh "Cường độ". Quan sát bất kỳ thay đổi nào về số lượng (mật độ) electron bị bật ra và tốc độ của chúng. Cường độ ánh sáng đại diện cho điều gì?
3. 3

   Đo Điện áp Hãm

   Giữ cường độ ánh sáng và tần số không đổi, và điều chỉnh điện áp pin thành giá trị âm (điện áp ngược). Quan sát cách các electron bị giảm tốc. Ghi lại giá trị điện áp khi dòng điện vừa giảm xuống $0$. Đây là điện áp hãm $V_s$.
4. 4

   Kiểm chứng Phương trình Einstein

   Thay đổi tần số của ánh sáng tới và lặp lại bước 3 để đo điện áp hãm ở các tần số khác nhau. Xem xét liệu có mối quan hệ tuyến tính giữa điện áp hãm (đại diện cho động năng cực đại) và tần số hay không.

Mục tiêu học tập

• Xác nhận rằng sự xuất hiện của hiệu ứng quang điện phụ thuộc vào tần số ánh sáng, không phải cường độ
• Nắm vững mối quan hệ tỷ lệ thuận giữa độ lớn của dòng quang điện và cường độ ánh sáng tới
• Kiểm chứng định luật rằng động năng ban đầu cực đại tăng tuyến tính với tần số của ánh sáng tới
• Hiểu đặc tính "hạt" trong lưỡng tính sóng-hạt của ánh sáng

Ứng dụng thực tế

• Tế bào Quang điện: Được sử dụng trong cửa tự động và cảm biến đèn đường để tạo ra dòng điện và điều khiển mạch khi được chiếu sáng.
• Pin Mặt trời: Sử dụng hiệu ứng quang điện để chuyển đổi trực tiếp năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện, một thành phần chính của năng lượng sạch.
• Ống Nhân quang: Phát hiện các tín hiệu ánh sáng yếu trong vật lý hạt nhân và chẩn đoán hình ảnh y tế (như chụp PET).
• Máy ảnh Kỹ thuật số (CCD/CMOS): Sử dụng hiệu ứng quang điện để chuyển đổi tín hiệu photon đi vào ống kính thành tín hiệu điện tử để tạo hình ảnh.

Sự hiểu lầm phổ biến

Đọc thêm

• Photoelectric effect - Wikipedia