Hiệu ứng quang điện đề cập đến những gì xảy ra khi các electron được phát ra từ một vật liệu đã hấp thụ bức xạ điện từ. Nhà vật lý Albert Einstein là người đầu tiên mô tả đầy đủ về hiệu ứng và nhận được giải thưởng Nobel cho công trình của mình.
Hiệu ứng quang điện là gì?
Ánh sáng có năng lượng trên một điểm nhất định có thể được sử dụng để đánh bật các electron lỏng lẻo, giải phóng chúng khỏi bề mặt kim loại rắn, theo Science American. Mỗi hạt ánh sáng, được gọi là photon, va chạm với một electron và sử dụng một phần năng lượng của nó để đánh bật electron. Phần còn lại của năng lượng của photon chuyển sang điện tích âm miễn phí, được gọi là quang điện tử.
Hiểu cách làm việc này cách mạng hóa vật lý hiện đại. Các ứng dụng của hiệu ứng quang điện đã mang đến cho chúng ta dụng cụ mở cửa "mắt điện", đồng hồ đo ánh sáng được sử dụng trong nhiếp ảnh, các tấm pin mặt trời và sao chép quang.
Khám phá
Trước Einstein, hiệu ứng đã được các nhà khoa học quan sát, nhưng họ bị nhầm lẫn bởi hành vi này vì họ không hiểu đầy đủ bản chất của ánh sáng. Vào cuối những năm 1800, các nhà vật lý James Clerk Maxwell ở Scotland và Hendrik Lorentz ở Hà Lan đã xác định rằng ánh sáng dường như hành xử như một làn sóng. Điều này đã được chứng minh bằng cách xem các sóng ánh sáng thể hiện sự giao thoa, nhiễu xạ và tán xạ, phổ biến đối với tất cả các loại sóng (bao gồm cả sóng trong nước.)
Vì vậy, lập luận của Einstein vào năm 1905 rằng ánh sáng cũng có thể hành xử như các tập hợp hạt là một cuộc cách mạng vì nó không phù hợp với lý thuyết cổ điển về bức xạ điện từ. Các nhà khoa học khác đã đưa ra lý thuyết trước ông, nhưng Einstein là người đầu tiên giải thích đầy đủ về lý do tại sao hiện tượng này xảy ra - và những hệ lụy.
Ví dụ, Heinrich Hertz của Đức là người đầu tiên nhìn thấy hiệu ứng quang điện, vào năm 1887. Ông phát hiện ra rằng nếu ông chiếu ánh sáng cực tím lên các điện cực kim loại, ông đã hạ điện áp cần thiết để tạo ra tia lửa di chuyển phía sau các điện cực, theo nhà thiên văn học người Anh David yêu.
Sau đó vào năm 1899, tại Anh, J.J. Thompson đã chứng minh rằng tia cực tím chiếu vào bề mặt kim loại gây ra sự phóng điện tử. Một phép đo định lượng của hiệu ứng quang điện được đưa ra vào năm 1902, với công trình của Philipp Lenard (một trợ lý cũ của Hertz.) Rõ ràng là ánh sáng có tính chất điện, nhưng những gì đang diễn ra không rõ ràng.
Theo Einstein, ánh sáng được tạo thành từ những gói nhỏ, lúc đầu được gọi là lượng tử và photon sau này. Làm thế nào lượng tử hành xử dưới hiệu ứng quang điện có thể được hiểu thông qua một thí nghiệm suy nghĩ. Hãy tưởng tượng một viên bi được khoanh tròn trong một cái giếng, nó sẽ giống như một electron liên kết với một nguyên tử. Khi một photon đi vào, nó chạm vào viên bi (hoặc electron), cho nó đủ năng lượng để thoát ra khỏi giếng. Điều này giải thích hành vi của các bề mặt kim loại nổi bật ánh sáng.
Trong khi Einstein, khi đó là một nhân viên sáng chế trẻ tuổi ở Thụy Sĩ, đã giải thích hiện tượng này vào năm 1905, phải mất thêm 16 năm để giải thưởng Nobel được trao cho công trình của ông. Điều này được đưa ra sau khi nhà vật lý người Mỹ Robert Millikan không chỉ xác minh công trình mà còn tìm thấy mối quan hệ giữa một trong các hằng số của Einstein và hằng số Planck. Hằng số sau mô tả cách các hạt và sóng hoạt động trong thế giới nguyên tử.
Các nghiên cứu lý thuyết ban đầu khác về hiệu ứng quang điện đã được Arthur Compton thực hiện vào năm 1922 (người cho thấy tia X cũng có thể được coi là photon và giành giải thưởng Nobel năm 1927), cũng như Ralph Howard Fowler năm 1931 (người đã nhìn vào mối quan hệ giữa nhiệt độ kim loại và dòng quang điện.)
Các ứng dụng
Trong khi mô tả về hiệu ứng quang điện nghe có vẻ lý thuyết cao, có nhiều ứng dụng thực tế trong công việc của nó. Britannica mô tả một vài:
Các tế bào quang điện ban đầu được sử dụng để phát hiện ánh sáng, sử dụng ống chân không chứa cực âm, để phát ra các electron và cực dương, để thu thập dòng điện kết quả. Ngày nay, các "phototubes" này đã phát triển thành các photodiod dựa trên chất bán dẫn được sử dụng trong các ứng dụng như pin mặt trời và viễn thông sợi quang.
Các ống photomultiplier là một biến thể của phototube, nhưng chúng có một số tấm kim loại gọi là dynodes. Các electron được giải phóng sau khi ánh sáng chiếu vào catốt. Các electron sau đó rơi vào dynode đầu tiên, nó giải phóng nhiều electron hơn rơi vào dynode thứ hai, sau đó đến thứ ba, thứ tư, v.v. Mỗi dynode khuếch đại dòng điện; sau khoảng 10 dynode, dòng điện đủ mạnh để các photomultipliers phát hiện ngay cả các photon đơn lẻ. Ví dụ về điều này được sử dụng trong quang phổ (phân tách ánh sáng thành các bước sóng khác nhau để tìm hiểu thêm về thành phần hóa học của sao, và chụp cắt lớp trục máy tính (CAT) kiểm tra cơ thể.
Các ứng dụng khác của photodiod và photomultipliers bao gồm:
- công nghệ hình ảnh, bao gồm các ống camera truyền hình (cũ) hoặc bộ tăng cường hình ảnh;
- nghiên cứu các quá trình hạt nhân;
- vật liệu phân tích hóa học dựa trên các electron phát ra của chúng;
- đưa ra thông tin lý thuyết về cách các electron trong nguyên tử chuyển đổi giữa các trạng thái năng lượng khác nhau.
Nhưng có lẽ ứng dụng quan trọng nhất của hiệu ứng quang điện là khởi đầu cuộc cách mạng lượng tử, theo
Khoa học Mỹ. Nó khiến các nhà vật lý nghĩ về bản chất của ánh sáng và cấu trúc của các nguyên tử theo một cách hoàn toàn mới.
