Hiệu ứng quang điện
Chiếu ánh sáng lên bề mặt kim loại và, trong điều kiện thích hợp, nó sẽ bắn ra các electron — một kết quả kỳ lạ đến ngoan cố khi vật lý cổ điển cố gắng giải thích nó. Thuyết sóng của thế kỷ mười chín tiên đoán rằng ánh sáng yếu hơn vẫn nên bật ra electron, chỉ là chậm hơn, miễn là có đủ thời gian để tích lũy năng lượng. Các thí nghiệm thực tế lại cho thấy điều ngược lại: dưới một tần số ngưỡng rõ rệt, dù cường độ có lớn đến đâu hay chờ đợi bao lâu cũng không tạo ra một electron nào, trong khi ngay cả ánh sáng yếu ớt nhất trên tần số đó cũng bắn ra electron ngay lập tức. Lời giải thích năm 1905 của Einstein — rằng chính ánh sáng đến dưới dạng các gói năng lượng rời rạc, sau này được gọi là photon — đã giải quyết bí ẩn này và trở thành một trong những kết quả nền tảng của cơ học lượng tử, nhờ đó ông đoạt Giải Nobel Vật lý năm 1921.
Hiệu Ứng Quang Điện
Ánh sáng không va vào kim loại như một sóng liên tục — nó đến trong những đợt nhỏ gọi là photon, mỗi photon mang một lượng năng lượng cố định. Một electron chỉ thoát ra nếu năng lượng của một photon lớn hơn hoặc bằng công thoát của kim loại, năng lượng thường giữ electron cố định. Phần năng lượng còn lại trở thành động năng của electron khi nó bay ra.
Công thức
KEₘₐₓ = h · f − φ
- KEₘₐₓ — động năng cực đại (eV): năng lượng lớn nhất mà một electron bị bật ra mang theo
- h — hằng số Planck (eV·s): hằng số rất nhỏ liên kết tần số của photon với năng lượng của nó
- f — tần số (Hz): bao nhiêu sóng ánh sáng đến mỗi giây
- φ — công thoát (eV): năng lượng tối thiểu cần thiết để kéo một electron ra khỏi kim loại
Ví dụ đã giải
Một photon va vào bề mặt natri mang năng lượng 3,1 eV. Công thoát của natri là 2,1 eV. Động năng cực đại của một electron bị bật ra là bao nhiêu?
- hf = 3.1 eV
- φ = 2.1 eV
- KEₘₐₓ = h · f − φ
- KEₘₐₓ = 3.1 eV − 2.1 eV
KEₘₐₓ = 1.0 eV
Tự kiểm tra
Bây giờ nguồn sáng được đổi thành nguồn có tần số cao hơn, cung cấp photon với năng lượng 3,6 eV cho cùng bề mặt natri (công thoát vẫn là 2,1 eV). Động năng cực đại mới là bao nhiêu?
- 5.7 eV
- Đáp án đúng: 1.5 eV
- 1.0 eV
Đúng! KEₘₐₓ = 3.6 eV − 2.1 eV = 1.5 eV.
Giả sử năng lượng photon hf nhỏ hơn công thoát φ của kim loại. Điều gì xảy ra?
- Electron vẫn bị bật ra nhưng chậm hơn
- Electron bị bật ra với động năng âm
- Đáp án đúng: Không có electron nào thoát ra
Đúng — dưới công thoát, một photon đơn lẻ không thể cung cấp đủ năng lượng, nên không có electron nào thoát ra dù ánh sáng có sáng đến mức nào.
Bạn thấy điều này ở đâu
Một tấm pin mặt trời trên mái nhà chính là hiệu ứng này đang làm việc kiếm sống: các photon của ánh sáng Mặt Trời va vào silic, mỗi photon đánh bật ra nhiều nhất một electron, và những electron được giải phóng đó chảy ra thành dòng điện. Những chiếc đèn đường tự cảm biến lúc chạng vạng và các cánh cửa dùng tế bào quang điện cũ hoạt động trên đúng kiểu trao đổi một photon cho một electron đó.
Những sai lầm phổ biến
Sai lầm kinh điển là nghĩ ánh sáng sáng hơn sẽ hất electron ra mạnh hơn — cường độ chỉ tạo ra NHIỀU electron hơn; năng lượng của từng electron phụ thuộc riêng lẻ vào tần số của photon, thông qua KEₘₐₓ = h · f − φ. Và dưới ngưỡng thì không có gì xảy ra, dù chùm sáng có sáng đến đâu: động năng không thể âm, nên nếu hf nhỏ hơn công thoát φ thì không có electron nào thoát ra chút nào. Trên ngưỡng, lấy phép trừ: photon 3.6 eV chiếu vào natri (φ = 2.1 eV) bật electron ra với 1.5 eV.
Nó liên kết như thế nào
Đây là vết nứt khai sinh trong vật lý cổ điển — ánh sáng hành xử như những hạt — và là cánh cửa dẫn vào toàn bộ mô-đun vật lý hiện đại: tán xạ Compton, ngay sau đây, cho thấy những photon đó mang động lượng như những quả bóng bi-a, và tính lưỡng tính sóng-hạt kết thúc ở sóng vật chất thì bắt đầu ngay từ đây.