Kiến thức Phổ thông

Hiệu ứng quang điện là gì: Phát kiến giúp Einstein đạt giải Nobel Vật lý năm 1921

Hiệu ứng quang điện đặt ra một thách thức đáng kể cho nghiên cứu quang học trong phần sau của những năm 1800. Nó thách thức ánh sáng lý thuyết sóng cổ điển, đó là lý thuyết thịnh hành thời bấy giờ. Chính giải pháp cho vấn đề nan giải vật lý này đã khiến Einstein trở nên nổi tiếng trong cộng đồng vật lý, cuối cùng mang về cho ông giải thưởng Nobel năm 1921.

Hiệu ứng quang điện xảy ra khi vật chất phát ra các electron khi tiếp xúc với bức xạ điện từ, chẳng hạn như photon ánh sáng. Dưới đây là một cái nhìn sâu hơn về hiệu ứng quang điện là gì và cách thức hoạt động của nó.

Tổng quan về hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện được nghiên cứu một phần bởi vì nó có thể là một giới thiệu về lưỡng tính sóng và hạt cơ học lượng tử. Khi một bề mặt tiếp xúc với năng lượng điện từ đủ năng lượng, ánh sáng sẽ được hấp thụ và các electron sẽ được phát ra. Tần số ngưỡng là khác nhau cho các vật liệu khác nhau. Nó là ánh sáng nhìn thấy được đối với các kim loại kiềm, ánh sáng cực tím đối với các kim loại khác và bức xạ cực tím đối với các phi kim. Hiệu ứng quang điện xảy ra với các photon có năng lượng từ một vài electronvol đến hơn 1 MeV. Ở các năng lượng photon cao tương đương với năng lượng nghỉ của electron là 511 keV, sự tán xạ Compton có thể xảy ra quá trình sản xuất cặp có thể diễn ra ở các năng lượng trên 1.022 MeV.

Einstein đã đề xuất rằng ánh sáng bao gồm lượng tử, mà chúng ta gọi là photon. Ông cho rằng năng lượng trong mỗi lượng tử ánh sáng bằng tần số nhân với một hằng số (hằng số Planck) và một photon có tần số trên một ngưỡng nhất định sẽ có đủ năng lượng để phóng ra một electron, tạo ra hiệu ứng quang điện. Hóa ra ánh sáng không cần phải được lượng tử hóa để giải thích hiệu ứng quang điện, nhưng một số sách giáo khoa vẫn cho rằng hiệu ứng quang điện thể hiện bản chất hạt của ánh sáng.

Phương trình của Einstein cho hiệu ứng quang điện

Giải thích của Einstein về hiệu ứng quang điện dẫn đến các phương trình có giá trị đối với ánh sáng nhìn thấy và tia cực tím: hv = W + E

(năng lượng của photon = năng lượng cần thiết để loại bỏ một electron + động năng của electron phát ra)

Trong đó

  • h là hằng số Planck
  • ν là tần số của photon tới
  • W là hàm làm việc, là năng lượng tối thiểu cần thiết để loại bỏ electron khỏi bề mặt của một kim loại nhất định: hv 0
  • E là động năng cực đại của các electron bị đẩy ra: 1 / 2 mv 2
  • ν 0 là tần số ngưỡng cho hiệu ứng quang điện
  • m là khối lượng nghỉ của electron bị đẩy ra
  • v là tốc độ của electron bị đẩy ra

Sẽ không có electron nào được phát ra nếu năng lượng của photon tới nhỏ hơn hàm làm việc.

Áp dụng lý thuyết tương đối đặc biệt của Einstein , mối quan hệ giữa năng lượng (E) và động lượng (p) của hạt là E = [(pc) 2 + (mc 2 ) 2 ] (1/2)

Trong đó m là khối lượng nghỉ của hạt và c là vận tốc ánh sáng trong chân không.

Các tính năng chính của hiệu ứng quang điện

  • Tốc độ mà các quang điện tử được đẩy ra tỷ lệ thuận với cường độ của ánh sáng tới, trong một tần số nhất định của bức xạ tới và kim loại.
  • Thời gian giữa tần suất và phát xạ của quang điện tử là rất nhỏ, chưa đến 10 phút9 giây.
  • Đối với một kim loại nhất định, có tần số tối thiểu của bức xạ tới bên dưới mà hiệu ứng quang điện sẽ không xảy ra để không phát ra quang điện tử (tần số ngưỡng).
  • Trên tần số ngưỡng, động năng cực đại của quang điện tử phát ra phụ thuộc vào tần số của bức xạ tới nhưng không phụ thuộc vào cường độ của nó.
  • Nếu ánh sáng tới bị phân cực tuyến tính thì sự phân bố hướng của các electron được phát ra sẽ đạt cực đại theo hướng phân cực (hướng của điện trường).
  • So sánh hiệu ứng quang điện với các tương tác khác: Khi ánh sáng và vật chất tương tác, một số quá trình có thể, tùy thuộc vào năng lượng của bức xạ sự cố. Hiệu ứng quang điện là kết quả của ánh sáng năng lượng thấp. Năng lượng trung bình có thể tạo ra tán xạ Thomson và tán xạ Compton . Ánh sáng năng lượng cao có thể gây ra sản xuất cặp.


Số lượng tử là gì? - Hóa học chủ yếu là nghiên cứu về sự tương tác điện tử giữa các nguyên tử và phân tử. Hiểu hành vi của các electron trong nguyên tử là một phần quan trọng để hiểu các phản ứng hóa học . Các lý thuyết nguyên tử ban đầu đã sử dụng ý tưởng rằng… Đọc thêm
Chủ đề trong bài
Show More
Back to top button
Close

Adblock Detected

Please consider supporting us by disabling your ad blocker