Hiệu ứng quang điện và lượng tử

29

Thật không may, không có tinh thể lý tưởng và không thể đạt được nhiệt độ bằng 0. Trên thực tế, các electron mất năng lượng khi tương tác với các nguyên tử mạng đang dao động, do đó điện trở của kim loại thật tăng theo nhiệt độ (không giống như điện trở của chất bán dẫn). Nhưng điều quan trọng nhất là ở bất kỳ nhiệt độ nào, độ điện tử của kim loại đều cao hơn đáng kể so với độ điện tử của chất bán dẫn vì kim loại chứa nhiều electron hơn có khả năng dẫn dòng điện tử.

Hiệu ứng quang điện và lượng tử

Hiệu ứng quang điện được phát hiện bởi nhà vật lý thực nghiệm người Đức W. Gallwack vào năm 1888.*) Ông phát hiện ra rằng khi chiếu sáng một vật dẫn mang điện âm bằng tia cực tím, điện tích của vật dẫn đó nhanh chóng giảm đi.

Hiệu ứng quang điện được nghiên cứu chi tiết vào năm 1888-1890 bởi nhà khoa học người Nga A. G. Stoletov và sau đó là nhà khoa học người Đức F. Lenard. Do đó, vào năm 1899, Lenard đã chứng minh rằng khi chiếu sáng kim loại bằng ánh sáng cực tím (và đôi khi nhìn thấy được), các hạt tích điện âm - electron - thoát ra khỏi kim loại.**)

Việc các electron bật ra khỏi kim loại dưới tác dụng của ánh sáng không có gì đáng ngạc nhiên. Đến thời điểm này người ta đã biết ánh sáng là sóng điện từ. Điều này có nghĩa là ánh sáng chiếu vào bề mặt kim loại sẽ mang theo một điện trường xoay chiều. Trong đó

*) Một năm trước đó, nhà vật lý người Đức G. Hertz đã phát hiện ra rằng sự phóng điện giữa hai electron xảy ra mạnh hơn nếu khe tia lửa được chiếu sáng bằng tia cực tím.

**) Chính xác hơn, sự phát xạ electron của các vật rắn và lỏng nên gọi là hiệu ứng quang điện bên ngoài (ngược lại với hiệu ứng quang điện bên trong, khi dưới tác dụng của ánh sáng, các electron vẫn ở bên trong vật và chỉ thay đổi trạng thái).

Trong trường hôn mê, một electron trong kim loại phải dao động và khi đạt biên độ lớn, nó có thể bay ra khỏi kim loại, nơi nó được giữ bởi lực hút của một hạt tích điện dương (hãy nhớ rằng biên độ quyết định năng lượng dao động). Bạn có thể mong đợi rằng sẽ mất một thời gian để electron “lắc lư” (các tính toán cho thấy thậm chí có thể mất vài phút). Số lượng electron phát ra trong một đơn vị thời gian phải được xác định, thậm chí có thể mất vài phút. Vì vậy, ánh sáng của máy chiếu mạnh đương nhiên sẽ hút ra nhiều electron hơn ánh sáng của đèn pin. Năng lượng của các electron phát ra cũng phụ thuộc vào cường độ ánh sáng cung cấp.

Vì vậy, dựa trên lý thuyết sóng ánh sáng, chúng ta có thể mong đợi rằng:

1. Bất kỳ ánh sáng nào, tức là bất kỳ bước sóng nào, đều phải hút các electron ra khỏi kim loại, vì tất cả ánh sáng đều mang theo một điện trường xoay chiều.

2. Cần có thời gian để bứt electron ra khỏi kim loại. Do đó, các quang điện tử (electron phát ra từ ánh sáng) sẽ xuất hiện một thời gian sau khi bật đèn.

3. Số lượng electron bật ra và năng lượng của chúng phải tỷ lệ thuận với cường độ ánh sáng (tức là bình phương biên độ dao động trong sóng ánh sáng).

Tuy nhiên, các nghiên cứu được thực hiện bởi A. G. Stoletov, V. Gallvak và F. Lenard cho thấy quy luật của hiệu ứng quang học hoàn toàn không như mong đợi. Hóa ra là:

1. Không phải tất cả ánh sáng đều đẩy electron ra khỏi kim loại. Đối với mỗi kim loại, có một tần số nhỏ nhất nhất định $v_{\min}$ (bước sóng dài nhất $\lambda_{\max}$), sao cho ánh sáng nhỏ hơn tần số (bước sóng dài hơn) hoàn toàn không phát ra electron. Nếu tần số dao động của sóng ánh sáng nhỏ hơn giới hạn này

30

tần số, thì máy chiếu mạnh nhất phát ra ánh sáng như vậy sẽ không phát ra một electron nào. Nhưng nếu tần số lớn hơn $v_{\min}$ thì ngay cả một chiếc đèn pin nhỏ cũng sẽ khiến các electron bay ra ngoài. Tần số thấp nhất (bước sóng dài nhất) này được gọi là cạnh đỏ của hiệu ứng quang điện.

2. Sự phát xạ electron từ kim loại bắt đầu gần như đồng thời với thời điểm bắt đầu chiếu sáng. Hành động tức thời là điều khiến hiệu ứng ảnh trở nên quan trọng trong các thiết bị tự động khác nhau.

3. Các electron thẳng hàng với ánh sáng có các giá trị động năng khác nhau - từ giá trị nhỏ nhất đến giá trị cực đại nào đó $mv^2_{\max}/2$. Năng lượng quang điện cực đại này phụ thuộc tuyến tính vào tần số của ánh sáng chứ không phụ thuộc vào cường độ của nó. Cường độ ánh sáng chỉ tỷ lệ thuận với số lượng electron thẳng hàng (ở trạng thái này, định luật Stoletav về hiệu ứng quang điện).

Do đó, tần số ánh sáng đóng vai trò chính, xác định màu sắc của nó, nhưng không liên quan gì đến năng lượng của sóng. Do đó, các định luật về hiệu ứng quang điện hóa ra không tương thích với lý thuyết sóng của ánh sáng.

Lời giải thích lý thuyết đầy đủ về hiệu ứng quang điện được A. Einstein tìm ra vào năm 1905. Ông đã chỉ ra rằng trong trường hợp này, ánh sáng hành xử không giống như sóng mà giống như một dòng hạt, lượng tử ánh sáng, năng lượng của nó được biểu thị bằng đẳng thức $E=hv$, được M. Planck đưa ra 5 năm trước để giải thích một quá trình hoàn toàn khác.

Bản thân hiệu ứng ảnh bao gồm thực tế là các hạt ánh sáng, va chạm với các electron kim loại, truyền năng lượng và động lượng cho chúng (bản thân lượng tử biến mất trong trường hợp này). Nếu năng lượng của lượng tử ánh sáng tới lớn hơn công mà electron phải thực hiện để chống lại lực hút đối với các hạt tích điện dương của chất đó thì electron có thể bay ra khỏi kim loại. Nếu năng lượng của lượng tử nhỏ hơn công này (hàm công của một electron từ kim loại), thì một electron sẽ không bay ra khỏi kim loại.

Ý nghĩa của tần số cắt, tức là viền màu đỏ của hiệu ứng quang điện, trở nên rõ ràng: để xé một electron ra khỏi kim loại, năng lượng của lượng tử phải không nhỏ hơn $hv_{\min}$. Năng lượng này bằng với công năng $A$ của một electron từ một kim loại nhất định. Trong trường hợp năng lượng $hv$ của lượng tử tới lớn hơn $A$ thì động năng cực đại của electron bằng hiệu $hv-A$:

$$\frac{mv^2_{\max}}{2} = hv-A.$$

Đây là công thức của Einstein về hiệu ứng ảnh. Rõ ràng nó được viết dưới dạng

$$hv = A + \frac{mv^2_{\max}}{2}.$$

Ánh sáng có gì thú vị? Nó có đóng vai trò gì không? Vâng, anh ấy đang chơi. Nếu ánh sáng gây ra hiệu ứng quang điện thì số electron phát ra trong một đơn vị thời gian tỉ lệ thuận với ánh sáng. Nhưng mối quan tâm của ánh sáng hiện nay không liên quan đến biên độ dao động của sóng ánh sáng mà liên quan đến số lượng tử do nguồn phát ra trong một đơn vị thời gian. Một chiếc đèn “mạnh” gấp đôi sẽ phát ra số vòng lượng tử nhiều gấp đôi; ánh sáng của ngọn đèn như vậy và các electron từ kim loại được nhân đôi thành một vòng. Nhưng năng lượng của các electron phát ra không phụ thuộc vào cường độ ánh sáng của đèn mà phụ thuộc vào màu sắc của ánh sáng mà nó phát ra.

Lý thuyết của Einstein đã được kiểm tra kỹ lưỡng bằng thực nghiệm (trong các thí nghiệm tương tự như những thí nghiệm được mô tả trong Vật lý 10 trên trang 225). Các phép đo đặc biệt chính xác được thực hiện vào năm 1916 bởi nhà vật lý người Mỹ R. Millikan. Kết quả của những nghiên cứu này có thể