I. Thí nghiệm Hertz (Hecxơ)
Khi chiếu một chùm sáng thích hợp (có bước sóng ngắn) vào mặt một tấm kim loại thì nó làm cho các êlectron ở mặt kim loại đó bật ra. Hiện tượng đó là hiện tượng quang điện. Các êlectron bật ra gọi là êlectron quang điện.
+ Nếu tấm kim loại tích điện dương thì không có êlectron bật ra vì ở bề mặt tấm kim loại có một điện trường có tác dụng ngăn cản các êlectron bật ra. (Thực ra vẫn có các êlectron bật ra khỏi tấm kim loại nhưng lập tức bị hút trở lại).
+ Khi chắn chùm tia sáng của hồ quang bằng một tấm thủy tinh không màu thì các êlectron cũng không bật ra vì thuỷ tinh hấp thu mạnh các tia tử ngoại.
II. Kết quả thí nghiệm với tế bào quang điện
+ Đối với mỗi kim loại catôt, ánh sáng kích thích phải có bước sóng $\lambda $ nhỏ hơn một giới hạn ${\lambda _o}$ nào đó.
+ Cường độ dòng quang điện bão hòa tỉ lệ thuận với cường độ chùm sáng kích thích.
+ Muốn dòng quang điện triệt tiêu hoàn toàn thì phải có ${U_h} = {U_{KA}},{U_h}$gọi là điện áp hãm. Điện áp hãm phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng kích thích.
Chú ý :
+ Khi ${U_{KA}} = 0$thì vẫn có dòng quang điện vì các êlectron khi bật ra khỏi catôt có vận tốc ban đầu nên vẫn chuyển động về Anôt tạo ra dòng quang điện.
+ Khi tăng điện áp ${U_{KA}}$ thì cường độ dòng quang điện chỉ tăng tới giá trị ${I_{bh}}$ thì không tăng nữa vì số phôtôn chiếu vào catôt trong 1s có giới hạn nên số êlectron bật ra trong 1s cũng có giới hạn.
III. Các định luật quang điện
* Định luật 1: Đối với mỗi kim loại dùng làm catôt có một bước sóng giới hạn ${\lambda _o}$ nhất định gọi là giới hạn quang điện. Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi bước sóng $\lambda $ của ánh sáng kích thích nhỏ hơn giới hạn quang điện $\left( {\lambda \leqslant {\lambda _o}} \right)$
* Định luật 2: Với ánh sáng kích thích có bước sóng thích hợp $\left( {\lambda \leqslant {\lambda _o}} \right)$ thì cường độ dòng quang điện bão hòa tỉ lệ thuận với cường độ của chùm sáng kích thích.
* Định luật 3: Động năng ban đầu cực đại của electron quang điện không phụ thuộc vào cường độ của chùm sáng kích thích mà chỉ phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng kích thích và bản chất kim loại dùng làm catôt.
IV. Giải thích các định luật quang điện bằng thuyết lượng tử
* Giả thuyết lượng tử năng lượng của Plăng:
+ Năng lượng mà mỗi lần một nguyên tử hay phân tử hấp thụ hay phát xạ có giá trị hoàn toàn xác định, gọi là lượng tử năng lượng.
+ Lượng tử năng lượng kí hiệu e, có giá trị bằng: $\varepsilon = hf$
(Với h là hằng số Plăng, $h = 6,{625.10^{ - 34}}Js$; f : tần số ánh sáng)
* Thuyết lượng tử ánh sáng (hay thuyết phôtôn):
Do Anh-xtanh đề xuất, gồm các nội dung cơ bản sau:
+ Chùm ánh sáng là chùm các phôtôn (các lượng tử ánh sáng). Mỗi phôtôn có năng lượng xác định $\varepsilon = hf$.
+ Cường độ chùm sáng đơn sắc tỉ lệ với số phôtôn phát ra trong 1 s.
+ Phân tử, nguyên tử, êlectron … phát xạ hay hấp thu ánh sáng, nghĩa là chúng phát xạ hay hấp thu phôtôn.
+ Các phôtôn bay dọc theo tia sáng với tốc độ $c \approx {3.10^8}m/s$ trong chân không. Các phôtôn luôn ở trạng thái chuyển động, không có phôtôn đứng yên.
+ Khi ánh sáng truyền đi, phôtôn không bị thay đổi, không phụ thuộc khoảng cách nguồn sáng xa hay gần.
+ Một chùm sáng dù yếu cũng chứa rất nhiều phôtôn, do vậy ta cảm thấy chùm sáng liên tục.
V. Lưỡng tính sóng – hạt của ánh sáng
Hiện tượng giao thoa chứng tỏ ánh sáng có tính chất sóng; hiện tượng quang điện chứng tỏ ánh sáng có tính chất hạt. Như vậy nếu chỉ coi ánh sáng là hạt thì không giải thích được hiện tượng giao thoa, còn nếu chỉ coi ánh sáng là sóng thì không giải thích được hiện tượng quang điện. Nghĩa là ánh sáng có lưỡng tính sóng - hạt.
- Những sóng điện từ có bước sóng càng ngắn thì phôton ứng với chúng có năng lượng càng lớn ; tính hạt càng thể hiện rõ, tính sóng càng ít thể hiện.
- Những sóng điện từ có bước sóng càng dài thì phôton ứng với chúng có năng lượng càng nhỏ ; tính hạt càng ít thể hiện, tính sóng càng thể hiện rõ.
VI. Hiện tượng quang điện trong
Hiện tượng tạo thành các êlectron dẫn và lỗ trống trong bán dẫn do tác dụng của ánh sáng có bước sóng thích hợp, gọi là hiện tượng quang điện trong. Để gây ra hiện tượng quang điện trong thì ánh sáng kích thích phải có bước sóng nhỏ hơn hoặc bằng một giá trị l0, gọi là giới hạn quang điện của bán dẫn. Giới hạn này thường nằm trong vùng ánh sáng hồng ngoại.
VII. Hiện tượng quang dẫn:
Hiện tượng giảm mạnh điện trở suất (nghĩa là tăng độ dẫn điện) của chất bán dẫn khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào gọi là hiện tượng quang dẫn.
So sánh hiện tượng quang điện bên trong và hiện tượng quang điện bên ngoài:
+ Cả hai khi được chiếu sáng thích hợp đều làm bứt êlectron, nhưng đối với hiện tượng quang điện bên ngoài thì các êlectron bứt ra ngoài khối chất còn đối với hiện tượng quang điện bên trong các êlectron bứt khỏi liên kết và ở trong khối chất.
+ Cả hai đều có bước sóng giới hạn l0, nhưng giới hạn quang điện bên trong có l0lớn (ánh sáng hồng ngoại) do năng lượng cần làm bứt các êlectron liên kết thành êlectron dẫn khá nhỏ.
VIII. Quang điện trở
Quang trở được chế tạo dựa trên hiệu ứng quang điện trong. Đó là tấm bán dẫn (hay tấm có tính quang dẫn) có giá trị điện trở thay đổi khi thay đổi cường độ chùm sáng chiếu vào nó (từ vài mêgaôm xuống còn vài chục ôm).
Quang trở được lắp với mạch khuếch đại trong các thiết bị điều khiển bằng ánh sáng, trong các máy đo ánh sáng….
IX. Pin quang điện (hay Pin Mặt Trời)
Pin quang điện là một nguồn điện chạy bằng năng lượng ánh sáng. Pin quang điện biến đổi trực tiếp quang năng thành điện năng.
Hoạt động :
Dựa trên hiện tượng quang điện bên trong, xảy ra bên cạnh một lớp chặn (hay lớp tiếp xúc giữa hai bán dẫn n và p).
Suất điện động trong pin quang điện chỉ xuất hiện khi có ánh sáng chiếu vào pin. Suất điện động này có giá trị nhỏ (từ 0,5 V đến 0,8 V). Pin quang điện có hiệu suất không cao (khoảng 10 %).
Ứng dụng :
Pin quang điện là nguồn cung cấp điện cho
+ vùng sâu, vùng xa ở nước ta.
+ vệ tinh nhân tạo, máy tính bỏ túi, tàu vũ trụ, máy đo ánh sáng, ôtô ....
