Một số lưu ý về hiệu ứng quang điện

49

đưa ra các tính chất của tinh thể (ví dụ, tính tuần hoàn của cấu trúc bên trong), trong khi ở những loại khác thì không. Đây là những tinh thể lỏng. Vì sự kết hợp của các đặc tính dường như không tương thích như tính lưu động và tính trật tự, chúng được gọi là mezofaz (mezo có nghĩa là trung gian; tức là các pha trung gian).

Các phân tử polymer dài có thể tạo thành một loại trạng thái khác, ví dụ như aspic hoặc cao su. Ở những trạng thái này, các phân tử dài được kết hợp thành chuỗi hoặc mạng phân nhánh. Kết quả là sẽ xuất hiện một cơ thể giống tuyến đặc biệt, được gọi là “gel”. Các điều kiện thuộc loại này cũng cực kỳ phổ biến trong tự nhiên.

Cuối cùng, chúng ta hãy tập trung rất ngắn gọn vào một số cảm giác về các trạng thái cực đoan của vật chất.

Khi một chất khí được làm nóng, động năng của các phân tử của nó tăng lên và có thể ở mức năng lượng truyền nguyên tử. Sau đó, khi các phân tử va chạm với nhau, các nguyên tử có thể đan xen vào nhau và chúng ta thu được hỗn hợp các hạt trung tính và được nạp (dương và âm). Điều rất quan trọng là lượng chất gây ô nhiễm dương và âm luôn bằng nhau, để nói chung khí trung hòa về điện. Đây là plasma, một trạng thái vật chất hoàn toàn đặc biệt với một đặc tính độc nhất.

Và để kết luận, hãy chuyển sang…
tới các vì sao. Ngôi sao là một đám mây khí và bụi khổng lồ có xu hướng co lại dưới tác dụng của lực hấp dẫn. Kết quả của sự suy giảm này là nhiệt độ trong lõi của ngôi sao tăng lên và đến một lúc nào đó, phản ứng nhiệt hạch sẽ xảy ra: hạt nhân hydro hợp nhất và biến thành heli. Năng lượng được giải phóng trong trường hợp này tiếp tục biến ngôi sao thành sẹo và ngôi sao ổn định (chính ở giai đoạn tiến hóa sao này mà Mặt trời tọa lạc). Nhưng dần dần hydro cháy hết và cho chúng tôi biết khả năng xảy ra. Áp suất khổng lồ phát sinh trong trường hợp này sẽ nghiền nát các nguyên tử. Xuất hiện một trạng thái trong đó các electron dường như chuyển động tự do trong trường hạt nhân trần. Nếu khối lượng của ngôi sao không quá lớn (nhỏ hơn 1,25 khối lượng mặt trời), thì tỷ lệ cụ thể tồn tại giữa các electron sẽ biến nó thành lực nén (lực đẩy này không liên quan đến lực điện mà hoàn toàn có bản chất lượng tử). Kết quả là một trạng thái hoàn toàn đặc biệt phát sinh với mật độ rất lớn (khoảng 60 t/cm³). Các ngôi sao sắp xếp theo cách này được gọi là sao lùn trắng (do chúng có ánh sáng xanh nhạt và kích thước nhỏ). Nếu khối lượng của ngôi sao lớn hơn (lớn hơn 1,5-2 khối lượng Mặt Trời) thì các electron không thể chống lại sự co lại do hấp dẫn. Kết quả là, chúng (electron) di chuyển vào hạt nhân và hợp nhất với proton, tạo thành neutron. Xuất hiện một chất không bao gồm hạt nhân nguyên tử mà bao gồm các neutron với mật độ cao rất lớn (≈2·10⁹ t/cm³). Đây là những ngôi sao neutron.

Có lẽ chúng ta sẽ dừng ở đó. Mặc dù, thành thật mà nói, danh sách các trạng thái vật chất đáng kinh ngạc tồn tại trong tự nhiên vẫn còn lâu mới cạn kiệt.

E. E. Gorodetsky

Một số thay đổi về hiệu ứng ảnh

Trong môn vật lý ở trường, các em đã làm quen với hiện tượng hiệu ứng quang điện, tức là sự phát xạ electron của một chất dưới tác dụng của ánh sáng và các định luật của nó (“Vật lý 10”, chương 10).

Điều chính trong lý thuyết về hiệu ứng quang điện là gì? Tất nhiên, giả thuyết về lượng tử ánh sáng - photon. Hiệu ứng quang điện có thể được biểu diễn dưới dạng kết quả của hai quá trình liên tiếp: 1) sự hấp thụ lượng tử ánh sáng của một electron, 2) sự phát xạ của một electron bên ngoài chất. Nếu nó xảy ra

50

Cả quá trình và hiện tượng đều được gọi chính xác hơn là hiệu ứng quang học bên ngoài. Nếu sự hấp thụ photon không dẫn đến sự phát xạ electron khỏi chất mà làm thay đổi độ dẫn điện của nó, thì chúng nói lên hiệu ứng quang điện bên trong (thường thấy trong chất bán dẫn). Hiệu ứng quang điện thực tế thường được gọi là hiện tượng hấp thụ photon bởi electron.

Câu hỏi đặt ra: hiệu ứng quang điện có thể xảy ra trên một electron tự do không? Thoạt nhìn - tại sao không? Rốt cuộc, chúng ta nói: photon bị electron hấp thụ. Chất đó có liên quan gì đến nó?
Hãy lấy một electron, chiếu đèn pin vào nó và nó bắt đầu “nuốt” các photon và tăng tốc chúng! Hóa ra sẽ không có việc gì xảy ra. Một electron tự do không thể hấp thụ một photon đơn lẻ. Đúng, nó sẽ di chuyển khỏi vị trí của nó, nhưng lý do sẽ không phải là sự hấp thụ mà là sự tán xạ các photon. Đây cũng là một quá trình rất thú vị - hiệu ứng Compton nổi tiếng, trong đó các tính chất lượng tử của ánh sáng được thể hiện rõ ràng, nhưng… không phải hiệu ứng ảnh.

Tại sao electron tự do không thể hấp thụ photon? Chúng ta hãy thực hiện, như các nhà toán học nói, một bằng chứng “bằng mâu thuẫn”. Cho một electron (đứng yên hoặc chuyển động) hấp thụ một photon tới nó, đồng thời tốc độ của nó thay đổi. Hóa ra một quá trình như vậy bị cấm bởi các định luật bảo toàn năng lượng và động lượng. Điều này trở nên rất nghiêm trọng nếu bạn chọn một hệ thống báo cáo quán tính trong đó electron cuối cùng sẽ chết sau hiệu ứng quang điện. Xem cho chính mình. Chúng ta có gì ở trạng thái cuối cùng? Một electron đứng yên và không có gì khác. Và ở trạng thái ban đầu? Di chuyển một electron và một photon để khởi động. Năng lượng thực không được bảo toàn.

Điều này có nghĩa là hiệu ứng ảnh “theo mọi luật” chỉ có thể thực hiện được khi có sự có mặt của người tham gia thứ ba. Trong kim loại hình bán nguyệt, vai trò này được thực hiện bởi các ion của mạng tinh thể. Nhưng khi tính năng lượng (ví dụ, trong các phương trình của Einstein về hiệu ứng quang điện), chúng ta không tính đến chúng vì do khối lượng lớn nên chúng nhanh chóng chiếm một phần năng lượng rất nhỏ (có vai trò quan trọng trong định luật bảo toàn động lượng).

Hiệu ứng ảnh có thể xảy ra trên một nguyên tử (hoặc phân tử) - ví dụ: trong chất khí không? Hóa ra là có. Photon được hấp thụ bởi một trong các electron của nguyên tử và chỉ có xung lực được hạt nhân nguyên tử mang đi. Thật thú vị khi lưu ý rằng hiệu ứng quang điện lần đầu tiên được G. Herme phát hiện chính xác trong các thí nghiệm với chất khí (1887). Ông đã nghiên cứu sự đánh thủng về mặt điện của khe hở không khí giữa các điện cực và phát hiện ra rằng khi khe hở này được chiếu xạ bằng ánh sáng, sự đánh thủng xảy ra ở điện áp thấp hơn.

Tại sao trong môn vật lý ở trường chỉ có hiệu ứng ảnh bên ngoài được thảo luận chi tiết? Rốt cuộc, với bất kỳ hiệu ứng quang điện nào, hiện tượng lượng tử chính xảy ra - sự hấp thụ photon của electron. Vấn đề là các định luật về hiệu ứng quang học bên ngoài khá đơn giản và tương đối dễ nghiên cứu bằng thực nghiệm. Trong trường hợp này, các đặc tính định lượng của hiệu ứng quang có thể được tìm thấy cả từ các thí nghiệm về hiệu ứng quang bên ngoài và bằng các phương pháp độc lập. Hãy nói về điều này chi tiết hơn một chút.

phương trình Einstein

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

chứa hai đại lượng biến đổi trực tiếp: tần số ánh sáng $v$ và động năng cực đại của các electron bị đánh bật ra $mv^2/2$. Phương pháp quang học có thể tạo ra các chùm ánh sáng có tần số được chiết xuất tốt $v$. Để biết thông tin

51

o các electron phát ra (số lượng electron bị bật ra trong một giây, cũng như năng lượng cuối cùng tối đa) cực âm của đèn chân không được làm từ kim loại đang nghiên cứu. Vì dòng điện qua đèn bị các electron đánh bật một cách chính xác nên tất cả thông tin cần thiết có thể thu được từ đặc tính dòng điện-điện áp của đèn. Cụ thể, năng lượng cuối cùng cực đại của electron được biểu thị bằng điện áp trễ $U_3$:

$$\frac{mv^2}{2} = eU_3.$$

Nếu đối với các kim loại khác nhau, chúng ta vẽ đồ thị sự phụ thuộc thực nghiệm của $eU_3$ vào tần số ánh sáng $v$, thì theo phương trình Einstein, sẽ thu được các đường thẳng song song (xem hìnhok). Từ độ dốc của những đường thẳng này, người ta có thể tính được hằng số Planck $h$, và từ giao điểm của đồ thị với ong bắp cày, người ta có thể tìm ra hàm công $A$ và tần số giới hạn $v_{\min}$, gọi là giới hạn đỏ của hiệu ứng quang điện. Như bạn đã biết, lần đầu tiên khái niệm lượng tử hóa năng lượng ($E = hv$), cũng như hằng số $h$, được M. Planck đưa ra để giải thích các định luật về bức xạ nhiệt. Từ lý thuyết về hiệu ứng quang điện, người ta thu được giá trị tương tự (cho đến sai số thực nghiệm) $h$, điều này củng cố đáng kể vị thế của lý thuyết lượng tử.

Có thể thay đổi chức năng làm việc theo cách khác ngoài hiệu ứng ảnh không? Đáp số được điều khiển bởi chính nó - bạn cần bằng cách nào đó buộc các electron rời khỏi chất theo một cách khác mà không cần ánh sáng thông thường. Rõ ràng nhất là làm nóng loại vật liệu này, khiến các electron “bốc hơi” khỏi bề mặt của nó. Hiện tượng này được gọi là phát xạ nhiệt và được sử dụng trong các ống điện tử - điốt, triode, v.v. Quá trình phát xạ điện tử thực sự rất giống với sự bay hơi - chỉ những electron nhanh nhất, có năng lượng vượt quá công năng, mới có thể thoát ra.

Đối với hầu hết các kim loại, công năng theo thứ tự của một số electron. Nó nhiều hay ít? Chúng ta hãy ước tính năng lượng trung bình của chuyển động nhiệt của các electron bằng công thức thu được đối với khí đơn nguyên tử:

$$E = \frac{3}{2}kT.$$

Ở nhiệt độ phòng ($T \approx 300$ K), giá trị này bằng vài phần trăm của điện thế electron, tức là nhỏ hơn hàng trăm lần so với công. Điều này có nghĩa là số electron rời khỏi kim loại do chuyển động nhiệt ở nhiệt độ phòng là rất nhỏ (hiện tượng này có thể bỏ qua khi nghiên cứu hiệu ứng quang điện). Để quá trình “bay hơi” của điện tử trở thành một quá trình đáng chú ý, vật liệu này phải được nung nóng đến vài nghìn độ.

Bằng cách nghiên cứu sự phụ thuộc của số lượng electron phát ra vào nhiệt độ, có thể tính được hàm công. Các giá trị của hàm công được xác định theo cách này phù hợp tốt với các dự đoán của lý thuyết về hiệu ứng quang điện bên ngoài, đây là một xác nhận độc lập quan trọng về tính đúng đắn của các quy định chính của nó.

A. I. Chernovchan

Danh sách độc giả gửi đúng lời giải

(Để bắt đầu, xem trang 29)

(Diepropetrovsk) 17; M. Dorozhova (làng Chernovogovka, vùng Moscow) 05–07.13; A. Dunaevsky (Moscow) 07.13; V. Dyadechko (Vinnitsa) 03-05,13-17; A. Efimchik (Minsk) 03; A. Zhuk (Rivne) 03—07.17; V. Zhuravlev (Donetsk) 13; V. Zavadsky (Minsk) 05.12-17; V. Zaitsev (Borisoglebsk) 05; A. Zalesky (Kharkov) 05—07.17; F. Zanin (Starey Oskol) 03.05; S. Zelensky (Semipalatinsk) 17; D. Zolotagev (Kharkov) 03.13; K. Zuev (Vologda) 03.05.13; A. Zuevov (Donetsk) 05; M. Iznatev (Slavyansk) 13; I. Iopne (Moscow) 03; S. Kazenas (Almaty) 03-07.13; V. Kamchaty (Kyiv) 03—07.17; M. Kapustin (Lviv) 05—07,13,17; A. Karpenko (Brest) 05; S. Kasamyan (quận Oktemberyan của Cộng hòa Xã hội chủ nghĩa Xô viết Armenia) 05; D. Kirillov (Kalinerrad) 05; A. Kozhevnikov (Kaluga) 03-05.13; V. Kokolin (khu định cư Sobino, Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Xô viết tự trị Komi) 13; M. Kolpkov (làng Pochet, vùng Krasnoyarsk) 03–05.13; D. Komisarenko (Vinnitsa) 03.13-17; A. Komnik (Starey Oskol) 03-07; V. Kondratev (Kalinerrad) 05; S. Korenov (Vasilkov) 13; A. Korshkov (Mozyr)

(Cuối cùng xem trang 79)