nghiên cứu chương trình lượng tử ánh sáng LOP 12

KIẾN THỨC CHUNG CỦA PHẦN LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG Kiến thức chung của phần này gồm có: hiện tượng quang điện, các định luật quang điện, thuyết lượng tử ánh sáng, mẫu nguyên tử Bo, sự hấp thụ án

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HUẾ

PHÂN TÍCH CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÍ PHỔ THÔNG GHIÊN CỨU NỘI DUNG KIẾN THỨC CƠ BẢN

PHẦN: LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG

Lê Thanh Sơn Lớp LL&PPDH Vật lý – K23

Huế, tháng 4 năm 2015

MỤC LỤC

Lượng tử ánh sáng chủ yếu nghiên cứu về những hiện tượng ánh sáng thể hiện tính chất hạt, trong đó sự ra đời của thuyết lượng tử ánh sáng đã đánh dấu một bước ngoặc về sự nhìn nhận tính chất hạt của ánh sáng

Đối với giáo viên, để có thể hoàn thành nhiệm vụ dẫn dắt học sinh chiếm lĩnh tri thức, người giáo viên càng cần phải nghiên cứu sâu rộng hơn nữa những kiến thức môn Vật lý Hơn nữa, người giáo viên Vật lý phải nhận ra được những kiến thức cơ bản của môn Vật lý, biết phân loại được thành các nội dung

cụ thể - như khái niệm, định luật, thuyết vật lý, phương pháp vật lý và các ứng dụng của nó trong kĩ thuật, để có thể đề ra những phương pháp tiếp cận tri thức phù hợp cho học sinh

Với những lý do trên, chúng tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu nội dung kiến

thức cơ bản phần Lượng tử ánh sáng”.

NỘI DUNG

1 KIẾN THỨC CHUNG CỦA PHẦN LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG

Kiến thức chung của phần này gồm có: hiện tượng quang điện, các định luật quang điện, thuyết lượng tử ánh sáng, mẫu nguyên tử Bo, sự hấp thụ ánh sáng,

sự phát quang, sơ lược về laze

2 KIẾN THỨC CƠ BẢN

2.1 Khái niệm về các sự vật, hiện tượng và các quá trình vật lý:

- Hiện tượng quang điện

2.2 Định luật và nguyên lý vật lý cơ bản:

- Các định luật quang điện

3 NỘI DUNG CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN

3.1 Hiện tượng quang điện

Hiện tượng quang điện là hiện tượng điện xảy ra khi chiếu sáng vật chất bằng ánh sáng, cụ thể là: tách điện tử khỏi vật chất (gọi là sự phát xạ điện hay hiện tượng quang điện ngoài), xuất hiện suất điện động (hiện tượng quang điện chỉnh lưu), thay đổi độ dẫn điện (hiện tượng quang dẫn)

3.1.1 Hiện tượng quang điện ngoài

Hiện tượng quang điện ngoài là hiệu ứng bắn ra các

electron từ một tấm kim loại khi rọi vào tấm kim loại đó

một bức xạ điện từ thích hợp Các electron bắn ra được gọi là các quang electron

Năm 1887, Héc (Heinrich Rudolf Hertz, 1894) nhà vật lí người Đức thực hiện thí nghiệm: Trước tiên gắn một tấm kẽm P tích điện

1857-âm vào cần của một tĩnh điện kế, hai lá của điện nghiệm xòe ra (sơ đồ tương tự như hình vẽ 1, với P là tấm kẽm; H là đèn hồ quang; A là điện nghiệm; T là tấm thủy tinh không màu)

Chiếu ánh sáng hồ quang vào tấm kẽm P ban đầu tích điện âm thì hai lá của điện nghiệm khép lại: tấm kẽm mất điện tích âm

Chắn ánh sáng hồ quang bằng tấm thủy tinh không màu (để hấp thụ tia tử ngoại) thì hai lá của điện nghiệm không bị cụp lại: tấm kẽm không mất điện tích âm

e e

H

T P

A

Hình 2 Thí nghiệm phát

hiện hiện tượng quang điện

Hình 1

Kết quả thí nghiệm cho thấy tấm kẽm P bị mất điện tích âm khi chiếu ánh sáng hồ quang.

Các thí nghiệm với các tấm kim loại khác (như đồng, nhôm, bạc, niken,…) cũng cho hiện tượng tương tự xảy ra

Héc cho rằng, tia tử ngoại (có bước sóng ngắn) chiếu vào tấm kim loại đã làm bật các êlectron ra khỏi tấm kim loại đó

Thí nghiệm Stoletov khảo sát định lượng hiện tượng quang điện:

Dụng cụ thí nghiệm như hình vẽ bên, trong đó phần chủ yếu là tế bào quang điện là một bình chân không gồm có 2 điện cực bằng kim loại A và K Ta thiết lập giữa A và K một điện trường nhờ nguồn điện E

Hiệu điện thế U giữa A và K có thể thay đổi được

khi di chuyển con chạy B trên PQ Biến trở này

không những cho phép ta thay đổi độ lớn của U mà

cả chiều của điện trường giữa A và K Ta đo hiệu

điện thế U bằng vôn kế V và đo điện trong mạch

bằng ampe kế nhạy G

Kết quả thí nghiệm như sau:

- Khi chiếu một chùm bức xạ điện từ thích hợp

có tần số ν vào Catốt (K) của tế bào quang điện thì

trong mạch điện nối giữa A và K luôn xuất hiện

một dòng điện gọi là dòng quang điện Điều này

chứng tỏ khi chiếu ánh sáng vào K thì có các

Dưới đây là trị số của λ0 của một số kim loại:

λ0 (μm) 0,55 0,54 0,50 0,273 0,262 0,261 0,265 0,305

- Nghiên cứu sự phụ thuộc của

cường độ dòng quang điện I vào

hiệu điện thế U giữa hai cực A và

5

VG

A

TKĐ

F

CB

M

Hình 3 Sơ đồ thí nghiệm với tế bào quang điện

-Uh

Ibh2

2 1

Ibh1

O I

Hình 4 Đặc tuyến vôn - ampe của tế bào

K, ta thu được các đường cong gọi là các đường đặc trưng vôn-ampe của hiện tượng quang điện U coi là dương khi điện trường hướng từ A sang K.

Khi tăng U thì I cũng tăng; nhưng U tăng đến một giá trị nào đó thì I sẽ đạt tới trị số Ibh Khi đó, mặc dù U có tăng thì I cũng không tăng nữa

Khi U giảm đến trị số âm, dòng quang điện vẫn tồn tại U giảm đến giá trị

Uh lúc đó dòng quang điện mới bị tắt hẳn

Uh gọi là hiệu điện thế hãm

Ứng với mỗi dòng quang năng có công

suất khác nhau, ta sẽ được đường đặc

trưng vôn-ampe riêng Tăng công suất của

dòng quang năng, dòng quang điện bão

hòa cũng tăng Tuy nhiên, tất cả các

đường đặc trưng von-ampe khác nhau đó

có chung một hiệu điện thế hãm Uh

- Giá trị của hiệu điện thế hãm phụ

thuộc chủ yếu vào tần số (hoặc bước sóng) của ánh sáng kích thích Milican đã nghiên cứu sự phụ thuộc của hiệu điện thế hãm Uh vào tần số ν của ánh sáng

kích thích bằng thực nghiệm và thấy rằng với một kim loại xác định, -Uh là một

hàm số bậc nhất của tần số ν:

-U h = Pν – Q (với P > 0 và Q > 0) (3.1.1)

3.1.2 Hiện tượng quang điện trong

Bản chất của hiện tượng quang điện trong là khi chiếu sáng bán dẫn hay

chất điện môi, các điện tử tách ra từ một số nguyên tử nào đó, các điện tử này khác với các điện tử ở hiện tượng quang điện ngoài là không ra khỏi bề mặt của vật mà ở trong vật Kết quả của hiện tượng quang điện trong là làm xuất hiện các điện tử và lỗ trống trong bán dẫn, và điện trở của chất bán dẫn, chất điện môi giảm xuống

Một số chất bán dẫn là chất cách điện khi không bị chiếu sáng và trở thành chất dẫn điện khi bị chiếu sáng Hiện tượng giảm mạnh điện trở của chất bán

dẫn khi bị chiếu sáng gọi là hiện tượng quang dẫn Trong hiện tượng quang

dẫn, mỗi phôton của ánh sáng kích thích khi bị hấp thụ sẽ giải phóng một electron liên kết để nó trở thành một electron tự do chuyển động trong khối chất bán dẫn đó Các electron liên kết khi được giải phóng, sẽ để lại một lỗ trống mang điện dương Những lỗ trống này cũng có thể chuyển động tự do từ nút mạng này sang nút mạng khác và cũng tham gia vào quá trình dẫn điện

-Eee

Hình 5 Khi UAK < - Uh, êlectron quang điện không tới được anôt

Hiện tượng giải phóng electron liên kết để cho chúng trở thành các electron dẫn, đồng thời tạo ra các lỗ trống cùng tham gia vào quá trình dẫn điện gọi là

hiện tượng quang điện trong.

Vì năng lượng cần thiết để giải phóng một electron liên kết chuyển nó thành electron dẫn không lớn lắm, nên để gây ra hiện tượng quang dẫn, không đòi hỏi

phôtôn phải có năng lượng lớn Rất nhiều chất quang dẫn hoạt động được với ánh sáng hồng ngoại Thí dụ: CdS có giới hạn quang dẫn là 0,9μm Ta hiểu giới hạn quang dẫn của một chất là bước sóng dài nhất của ánh sáng có khả năng gây ra hiện tượng quang dẫn ở chất đó Đây là một lợi thế của hiện tượng quang dẫn so với hiện tượng quang điện

3.1.3 Hiện tượng quang điện chỉnh lưu

Khi chiếu sáng ranh giới giữa các vật dẫn điện có độ dẫn điện khác nhau thì

xuất hiện suất điện động Hiện tượng này gọi là hiện tượng quang điện chỉnh

lưu.

3.2 Các định luật quang điện

- Định luật quang điện thứ nhất (hay định luật về giới hạn quang điện):

Ánh sáng chỉ có khả năng gây ra hiệu ứng quang điện nếu bước sóng của nó ngắn hơn giới hạn quang điện của kim loại dùng làm catốt.

λ < λ 0

Các kim loại khác nhau có giới hạn quang điện khác nhau (xem bảng giá trị giới hạn quang điện λ0 của một số kim loại) Trừ kim loại kiềm hoặc một vài kim loại kiềm thổ có giới hạn quang điện trong miền ánh sáng nhìn thấy, các kim loại thường dùng khác đều có giới hạn quang điện trong miền tử ngoại

- Định luật quang điện thứ hai (hay định luật về cường độ dòng quang điện bão hòa): Cường độ của dòng quang điện bão hòa tỉ lệ thuận với cường

độ của chùm sáng kích thích.

Rõ ràng là dòng quang điện đạt tới giá trị bão hòa khi số quang electron do ánh sáng làm bắn ra khỏi bản catốt đi tới anốt trong đơn vị thời gian là không

đổi Vì vậy, có thể viết: I bh = kne

với n là số electron bị bứt ra khỏi tấm kim loại Catốt trong một đơn vị thời gian, k là hệ số tỉ lệ

Do đó, định luật trên có thể phát biểu dưới hình thức khác: Số electron bị

bứt ra khỏi tấm kim loại Catốt trong một đơn vị thời gian tỉ lệ với cường độ của chùm sáng tới.

- Định luật quang điện thứ ba (hay định luật về động năng cực đại của quang electron):

Sự tồn tại của hiệu điện thế hãm Uh chứng tỏ rằng khi bật ra khỏi mặt kim loại, các electron quang điện có một vận tốc ban đầu v0 Điện trường cản mạnh đến mức độ nào đó thì ngay cả những electron có vận tốc ban đầu lớn nhất v0max

cũng không bay đến được anốt Lúc đó dòng quang điện triệt tiêu hoàn toàn và công của điện trường cản có giá trị đúng bằng động năng ban đầu cực đại của electron quang điện

2

0 max

12

3.3 Giả thuyết lượng tử năng lượng của Plăng

Để giải thích các định luật bức xạ nhiệt của vật đen tuyệt đối, lúc đầu các nhà vật lí dựa vào quan điểm của vật lí học cổ điển cho rằng các nguyên tử, phân tử phát xạ và hấp thụ bức xạ điện từ một cách liên tục, đồng thời dựa vào định luật về sự phân bố đều năng lượng theo bậc tự do Kết quả là họ đã tìm được công thức sau đây xác định năng suất phát xạ đơn sắc ρλ, T (là năng lượng

do một đơn vị diện tích mặt ngoài của vật đen tuyệt đối phát ra bức xạ có bước sóng λ theo mọi phương trong một đơn vị thời gian): λ,T 4

2 cρ

Kết quả này mâu thuẫn với thực nghiệm, vì theo thực nghiệm thì R T = σT 4, với

σ là hằng số Điều mâu thuẫn này được gọi là sự khủng hoảng ở vùng tử ngoại.

Để giải quyết triệt để vấn đề bức xạ vật đen tuyệt đối,

năm 1900, Plăng (Max Planck) đề ra giả thuyết lượng tử năng

lượng với nội dung như sau:

- Năng lượng của bức xạ do nguồn phát sáng nguyên tố

phát ra không thể có giá trị liên tục mà chỉ có thể có những

giá trị gián đoạn đo bằng một số nguyên lần lượng năng

Vận dụng giả thuyết của Plăng giải thích được tất cả các định luật về bức

xạ nhiệt

Giả thuyết lượng tử của Plăng chỉ mới nói đến tính

chất gián đoạn của năng lượng bức xạ của vật đen tuyệt

đối và đã được rất nhiều sự kiện thực nghiệm xác nhận là

đúng Nó là tiền đề của một thuyết vật lí mới: Thuyết

lượng tử hay thuyết phôtôn

3.4 Thuyết lượng tử ánh sáng của Anhxtanh

Năm 1905, nhà bác học Anh-xtanh (Albert Einstein),

đã phát triển giả thuyết của Plăng lên một bước và đề xuất

thuyết lượng tử ánh sáng để giải thích hiện tượng quang

điện Thuyết lượng tử ánh sáng về sau được gọi là thuyết phôtôn

Nội dung của thuyết lượng tử ánh sáng như sau:

ANH-XTANH (Albert Einstein, 1879-1955)

PLĂNG(Max Planck, 1858-1947)

- Bức xạ điện từ cấu tạo bởi vô số các hạt gọi là lượng tử ánh sáng hay phôtôn.

- Với mỗi bức xạ điện từ đơn sắc nhất định, các phôtôn đều giống nhau và mang một năng lượng xác định bằng ε hν hc

Hệ quả của thuyết lượng tử là có thể giải thích được nhiều hiện tượng,

trong đó đặc biệt là hiện tượng quang điện và hiện tượng Compton

3.5 Giải thích các định luật quang điện

3.5.1 Sự bất lực của thuyết điện từ trong việc giải thích các định luật quang điện

Theo thuyết điện từ, khi ánh sáng chiếu vào mặt kim loại thì nó sẽ làm cho các electron trong kim loại dao động cưỡng bức Biên độ của dao động cưỡng bức phụ thuộc vào biên độ của điện trường trong ánh sáng kích thích và hiệu giữa tần số của ánh sáng và tần số dao động riêng của electron Nếu tăng cường

độ điện trường trong ánh sáng tới (tức là tăng công suất của dòng quang năng tới), biên độ dao động của electron sẽ tăng lên và khi bị bắn ra khỏi kim loại, vận tốc ban đầu của nó sẽ lớn lên

Như vậy, theo thuyết điện từ, vận tốc ban đầu của quang electron phải phụ thuộc vào công suất của dòng ánh sáng tới Điều đó trái với thực nghiệm

Mặt khác, cũng theo thuyết điện từ, bất kì ánh sáng có bước sóng dài hay ngắn ra sao, nếu có công suất đủ lớn thì đều có thể gây ra hiện tượng quang điện

Cuối cùng, theo thuyết sóng, năng lượng được phân bố một cách liên tục trên toàn bộ mặt sóng Mỗi electron chỉ nhận được một phần rất nhỏ năng lượng mà sóng ánh sáng mang tới Do đó, cần phải có một thời gian nhất định (khoảng vài phút) thì electron mới thu đủ năng lượng để thoát ra khỏi kim loại Điều này cũng mâu thuẫn với thực nghiệm

Tóm lại, không thể dựa vào thuyết sóng để giải thích các định luật quang điện được.

3.5.2 Dùng thuyết phôtôn để giải thích các định luật quang điện

Như đã biết, electron (tự do) trong kim loại muốn thoát ra ngoài kim loại phải có năng lượng ít nhất bằng công thoát A của electron đối với kim loại đó Bình thường, động năng chuyển động nhiệt của các electron đều nhỏ hơn A Tuy nhiên, khi bức xạ điện từ thích hợp rọi tới, các electron tự do trong kim loại sẽ hấp thụ phôtôn Mỗi electron hấp thụ một phôtôn, do đó, nó được truyền

thêm một năng lượng bằng ε = hν Lượng năng lượng này dùng để:

- sinh một công A để tách electron ra khỏi kim loại Công A được gọi là công thoát của electron

- truyền cho electron một động năng ban đầu ½ mv2, động năng ban đầu này càng lớn khi electron càng gần mặt ngoài kim loại, và động năng ban đầu sẽ cực đại đối với các quang electron ở sát mặt ngoài kim loại

Theo định luật bảo toàn năng lượng, có thể viết: 2

0 max

12

hν = +A mv

Công thức trên được gọi là công thức Anhxtanh về hiện tượng quang điện.

Từ công thức Anhxtanh, có thể nhận thấy:

- Động năng cũng như vận tốc ban đầu của quang electron chỉ phụ thuộc tần

số của ánh sáng tới và bản chất của kim loại (A) mà không phụ thuộc cường độ của chùm sáng kích thích Đây là nội dung định luật quang điện thứ ba

= bước sóng λ0 chính là giới hạn quang điện của kim loại

Đó là điều kiện cần để có thể xảy ra hiện tượng quang điện, nó được diễn tả trong định luật thứ nhất của hiện tượng quang điện

- Dòng quang điện trở nên bão hòa khi số quang electron thoát khỏi Catốt đến Anốt trong đơn vị thời gian là không đổi Nhưng số quang electron thoát ra khỏi Catốt tỉ lệ với số phôtôn bị hấp thụ, số phôtôn này lại tỉ lệ với cường độ của chùm bức xạ rọi tới Do đó, cường độ của dòng quang điện bão hòa tỉ lệ với cường độ của chùm bức xạ rọi tới

3.6 Ứng dụng của hiện tượng quang điện

3.6.1 Quang điện trở

Quang điện trở được chế tạo dựa trên hiệu ứng quang điện trong

Đó là một tấm bán dẫn có giá trị điện trở thay đổi khi cường độ chùm sáng chiếu vào nó thay đổi

Sơ đồ một mạch điện dùng quang

điện trở được vẽ như hình sau:

Khi trên lớp bán dẫn chưa có ánh

sáng rọi vào, trong mạch có một

dòng điện nhỏ gọi là dòng tối Nó

phụ thuộc vào điện trở thuần của

quang điện trở và vào hiệu điện thế

đặt vào hai điện cực Khi rọi sáng

lớp bán dẫn, cường độ dòng điện qua

nó phụ thuộc cường độ chùm sáng và hiệu điện thế giữa hai điện cực

Hình 7: Ứng dụng quang điện trởQuang điện trở thường được sử dụng thay cho tế bào quang điện trong hầu hết các mạch điều khiển tự động hiện nay

Đế cách điện (1) (bằng thủy tinh hay bằng chất dẻo) được phủ lên trên bằng một lớp bán dẫn mỏng (2), bề dày chừng 20-30μm (như chì sunfua hay cadimi sunfun) Từ hai đầu của lớp bán dẫn có thể làm các điện cực (3) bằng kim loại

và dẫn ra ngoài bằng các dây dẫn, mạch ngoài nối với điện kế (5), một điện trở tải R và nguồn điện (6)

Khi cường độ ánh sáng chiếu vào quang điện trở thay đổi, thì cường độ dòng điện trong mạch cũng thay đổi và hiệu điện thế hai đầu điện trở R cũng thay đổi, phù hợp với sự biến thiên của cường độ ánh sáng

5

G

6

Hình 6 Mạch điện dùng quang điện trở

Khác với tế bào quang điện chân không, quang điện trở không có dòng bão hòa Độ nhạy của quang điện trở lớn hơn độ nhạy của tế bào quang điện chân không hàng nghìn lần.

Nhược điểm chủ yếu của quang điện trở là nó có quán tính lớn, cụ thể là: khi rọi sáng, dòng điện trong mạch không đạt ngay đến giá trị cực đại của nó và sau khi ngừng rọi sáng, dòng quang điện cũng giảm từ từ đến dòng tối Quán tính của quang điện trở thường vào cỡ 10-5s đến 10-3s

3.6.2 Pin quang điện

Pin quang điện là nguồn điện, trong đó năng lượng quang được biến đổi trực tiếp thành lượng năng điện Hoạt động của pin dựa trên hiện tượng quang điện trong của một số chất bán dẫn như ôxit, sêlen, silic…

Khả năng trực tiếp biến năng lượng quang thành năng lượng điện trong pin quang điện được ứng dụng để chế tạo "pin Mặt trời" Đó là dụng cụ quang điện cho phép sản xuất ra một dòng điện đủ lớn dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời Dụng cụ này gồm nhiều pin quang điện silic ghép với nhau một cách thích hợp Pin mặt trời đã trở thành nguồn cung cấp điện năng cho các vùng sâu, vùng xa ở nước ta, trên các vệ tinh nhân tạo, con tàu vũ trụ…

Loại pin mặt trời thông dụng nhất hiện nay là loại sử dụng Silic tinh thể

Để hiểu về nguyên lý làm việc của pin mặt trời loại này, cần biết một vài đặc điểm của chất bán dẫn Silic

Trong bảng tuần hoàn Silic (Si) có số

thứ tự 14- 1s22s22p63s23p2 Các điện tử của nó

được sắp xếp vào 3 lớp vỏ 2 lớp vỏ bên trong

được xếp đầy bởi 10 điện tử Tuy nhiên lớp

ngoài cùng của nó chỉ được lấp đầy 1 nửa với 4

điện tử 3s23p2 Điều này làm nguyên tử Si có

xu hướng dùng chung các điện tử của nó với

các nguyên tử Si khác Trong cấu trúc mạng

tinh thể nguyên tử Si liên kết với 4 nguyên tử

Si lân cận để lớp vỏ ngoài cùng có chung 8 điện tử (bền vững)

Tinh thể Si tinh khiết là chất bán dẫn dẫn điện rất kém vì các điện tử bị giam giữ bởi liên kết mạng, không có điện tử tự do Chỉ trong điều kiện kích thích quang, hay nhiệt làm các điện tử bị bứt ra khỏi liên kết, hay nói theo ngôn ngữ vùng năng lượng là các điện tử (tích điện âm) nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn bỏ lại vùng hóa trị 1 lỗ trống (tích điện dương), thì khi đó chất bán dẫn mới dẫn điện

Để tăng khả năng dẫn điện của bán dẫn silicon, có thể pha thêm tạp chất vào trong đó Trước tiên, xét trường hợp tạp chất là nguyên tử photpho (P) với

tỷ lệ khoảng một phần triệu P có 5 điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng nên khi liên kết

Hình 8

trong tinh thể Si sẽ dư ra 1 điện tử Điện tử này trong điều kiện bị kích thích nhiệt có thể bứt khỏi liên kết với hạt nhân P để khuếch tán trong mạng tinh thể.

Chất bán dẫn Si pha tạp P được gọi là bán dẫn loại n (negative) vì có tính chất dẫn điện bằng các điện tử tự do Ngược lại, nếu pha tạp tinh thể Si bằng các nguyên tử Boron (B) chỉ có 3 điện tử ở lớp vỏ, chúng ta sẽ có chất bán dẫn loại p (positive) có tính chất dẫn điện chủ yếu bằng các lỗ trống

Khi cho hai loại bán dẫn trên tiếp xúc với nhau, các điện tử tự do ở gần mặt tiếp xúc trong bán dẫn loại n sẽ khuyếch tán từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p và lấp các lỗ trống trong phần bán dẫn loại p này

Liệu các điện tử tự do của bán dẫn n có bị chạy hết sang bán dẫn p hay không? Câu trả lời là không Vì khi các điện

tử di chuyển như vậy nó làm cho bán dẫn n

mất điện tử và tích điện dương, ngược lại

bán dẫn p tích điện âm Ở bề mặt tiếp xúc

của hai chất bán dẫn bây giờ tích điện trái

ngược và xuất hiện một điện trường hướng

từ bán dẫn n sang p ngăn cản dòng điện tử

chạy từ bán dẫn n sang p Và trong khoảng

tạo bởi điện trường này hầu như không có

êlectron hay lỗ trống tự do

Thiết bị vừa mô tả ở trên chính là một điốt

bán dẫn Điện trường tạo ra ở bề mặt tiếp xúc làm

nó chỉ cho phép dòng điện tử chạy theo một chiều,

ở đây là từ bán dẫn loại p sang bán dẫn loại n,

dòng điện tử sẽ không được phép chạy theo hướng

ngược lại

Pin quang điện chính là một điốt bán dẫn có

diện tích bề mặt rộng và có lớp n cực mỏng để ánh sáng có thể truyền qua Khi chiếu ánh sáng vào pin quang điện một phần sẽ bị phản xạ (và do đó trên bề mặt pin quang điện có một lớp chống phản xạ) và một phần bị hấp thụ khi truyền qua lớp n Một phần may mắn hơn đến được lớp chuyển tiếp, nơi có các cặp êlectron và lỗ trống nằm trong điện trường của bề mặt giới hạn p-

n Với các bước sóng thích hợp sẽ truyền cho êlectron một năng lượng đủ lớn

để bật khỏi liên kết Sẽ không thể có chuyện gì nếu không có điện trường nhỏ tạo bởi lớp chuyển tiếp Đó là lí do giải thích vì sao nếu ta chiếu ánh sáng vào một vật bán dẫn thì không thể sinh ra dòng điện

Những cặp êlectron và lỗ trống này nằm trong tác dụng của điện trường

do đó êlectron sẽ bị kéo về phía bán dẫn loại n còn lỗ trống bị kéo về phía bán dẫn loại p Kết quả là nếu ta nối hai cực vào hai phần bán dẫn loại n và p sẽ đo

Hình 9

Hình 10

được một hiệu điện thế Giá trị hiệu điện thế này phụ thuộc vào bản chất của chất làm bán dẫn và tạp chấp được hấp thụ Với Si (B; P) thì giá trị này ở khoảng 0,6V.

Ánh sáng mặt trời cung cấp cho chúng ta khoảng 1 kW/m2 (chính xác là 1,34 kW/m2, đây chính là hằng số mặt trời) Tuy nhiên, các hiệu suất chuyển thành điện năng của các pin mặt trời chỉ vào khoảng 8% đến 12% Tại sao lại ít vậy? Câu trả lời là ánh sáng mặt trời có phổ tần số khá rộng Không phải tần số nào cũng có đủ năng lượng để kích thích điện tử từ vùng hóa trị lên vùng dẫn Chỉ có những phôtôn năng lượng cao hơn khe vùng bán dẫn mới làm được điều này Đối với bán dẫn Si khe vùng vào khoảng 1.1eV Các phôtôn năng lượng thấp hơn sẽ không sử dụng được Nếu phôtôn có năng lượng cao hơn khe vùng thì phần năng lượng dư đó cũng không có đóng góp gì thêm Vậy tại sao chúng

ta không chọn các vật liệu có khe vùng hẹp để tận dụng nguồn phôtôn tần số thấp Vấn đề là khe vùng cũng xác định hiệu điện thế (hay điện trường) ở bề mặt tiếp xúc Khe vùng càng bé thì hiệu điện thế này càng bé Công suất của dòng điện bằng hiệu điện thế nhân với dòng Người ta đã tính toán được khe vùng tối ưu là vào khoảng 1.4eV, khi đó công suất dòng điện thu được tối đa

Một nguyên nhân nữa cũng cản trở việc

nâng cao hiệu suất của pin mặt trời, đó là cách

chúng ta bố trí các tiếp xúc kim loại để lấy

dòng điện Ở mặt dưới của tấm pin hiển nhiên

có thể cho tiếp xúc với một tấm kim loại nhưng

ở mặt trên nó cần trong suốt để ánh sáng có thể

đi qua Nếu chỉ bố trí các tiếp xúc ở mép tấm

pin thì các điện tử phải di chuyển quá xa trong

tinh thể Si mới vào được mạch điện (chú ý là

bán dẫn Si dẫn điện kém, tức điện trở của nó

lớn) Vì vậy, người ta thường dùng một lưới

kim loại phủ lên bề mặt của pin mặt trời Tuy nhiên, kích thước lưới không thể giảm vô hạn nên cũng phần nào làm giảm hiệu suất chuyển năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện

Pin quang điện được sử dụng để biến đổi năng lượng ánh sáng mặt trời thành điện năng (Solar cell) Nếu dùng pin quang điện bằng chất bán dẫn Silic, hiệu suất của nó có thể đạt đến 14-15% Có thể tính được trên diện tích 1m2 của pin quang điện được ánh sáng chiếu tới có thể nhận được một công suất điện là

100 W và như vậy với diện tích của một mái nhà trung bình ta có đủ điện năng

để thỏa mãn mọi tiện nghi cho một gia đình Tuy nhiên, về giá thành của các Pin quang điện hiện nay còn tương đối khá đắc so với các nguồn năng lượng khác

3.7 Lưỡng tính sóng - hạt của ánh sáng

Hình 11 Các bộ pin quang điện được gắn

trên mái nhà

Ánh sáng được thừa nhận là vừa có tính chất sóng, vừa có tính chất hạt, nghĩa là ánh sáng có lưỡng tính sóng – hạt Tính chất sóng được thể hiện rõ rệt trong các hiện tượng như giao thoa, nhiễu xạ, tán sắc,… còn tính chất hạt được thể hiện rõ trong các hiện tượng quang điện, Compton,… Ánh sáng chỉ thể hiện

rõ một trong hai tính chất trên trong mỗi hiện tượng quang học Khi tính chất hạt thể hiện rõ, thì tính chất sóng lại mờ nhạt và ngược lại

sau: Ở tâm nguyên tử có một hạt nhân mang điện dương, xung quanh hạt nhân có các êlectron mang điện âm chuyển động như các hành tinh xung quanh Mặt trời Nhưng mẫu này đã không giải thích được

tính bền vững của nguyên tử và sự xuất hiện quang phổ vạch của nguyên tử

Năm 1913, nhà vật lý người Đan Mạch vĩ đại Bo (Niels Bohr) đã đề xướng một mô hình của nguyên tử hiđrô Mô hình này không chỉ giải thích được sự tồn tại của các vạch quang phổ mà còn tiên đoán được bước sóng của chúng chính xác đến 0,02% mà không cần bất kì một tham số hiệu chỉnh nào Mặc dù lý thuyết Bo đã thành công đối với nguyên tử hiđrô nhưng nó lại tỏ ra kém tác dụng đối với các nguyên tử phức tạp hơn Giờ đây, lí thuyết Bo được xem như một bước đầu tiên đầy cảm hứng để đi tới một lý thuyết lượng tử hoàn chỉnh hơn sau này

Mẫu nguyên tử này giải thích sự tạo thành quang phổ vạch của nguyên

tố đơn giản nhất là hiđrô Trong mẫu này, Bo vẫn giữ mô hình hành tinh nguyên tử của Rơ-dơ-pho nhưng ông cho rằng hệ thống nguyên tử bị chi phối bởi những qui luật đặc biệt có tính lượng tử mà ông đề ra dưới dạng hai giả thuyết Người ta gọi chúng là hai tiên đề của Bo về cấu tạo nguyên tử

3.8.2 Các tiên đề của Bo

- Tiên đề về các trạng thái dừng

Nguyên tử chỉ tồn tại trong một số trạng

thái có năng lượng xác định, gọi là các trạng thái

16

BO (Niels Bohr, 1885-1962)

Hình 12 Mẫu nguyên tử hành

tinh cho nguyên tử hiđrô

dừng Khi ở trong các trạng thái dừng thì nguyên tử không bức xạ Trong các trạng thái dừng của nguyên tử, êlectron chỉ chuyển động quanh hạt nhân trên những quỹ đạo có bán kính hoàn toàn xác định gọi là các quỹ đạo dừng.

Ta hiểu năng lượng nguyên tử bao gồm động năng của êlectron và thế năng tương tác tĩnh điện giữa êlectron và hạt nhân

Bình thường, nguyên tử ở trong trạng thái dừng có năng lượng thấp nhất

và êlectron chuyển động trên quỹ đạo gần hạt nhân nhất Đó là trạng thái cơ bản Khi hấp thụ năng lượng thì nguyên tử chuyển lên các trạng thái dừng có năng lượng cao hơn và êlectron chuyển động trên những quỹ đạo xa hạt nhân hơn Đó là trạng thái kích thích

Các trạng thái kích thích có năng lượng càng cao thì bán kính quỹ đạo của êlectron càng lớn và càng kém bền vững Thời gian sống trung bình của nguyên tử trong các trạng thái kích thích rất ngắn (chỉ vào cỡ 10-8s) Sau đó nó chuyển dần về các trạng thái có năng lượng thấp hơn và cuối cùng về trạng thái

- Tiên đề về sự bức xạ và hấp thụ năng lượng của nguyên tử

Khi nguyên tử chuyển từ trạng thái dừng có năng lượng E m sang trạng thái dừng có năng lượng E n < E m thì nguyên tử phát ra một phôtôn có tần số f bằng công thức: E m - E n = hf mn (điều kiện tần số Bo)

(h là hằng số Plăng; n, m = 1, 2…)

Ngược lại, nếu nguyên tử đang ở trạng

thái dừng có năng lượng E n mà hấp thụ được

phôtôn có năng lượng hf đúng bằng E m – E n thì

nó chuyển sang trạng thái dừng có năng lượng

E m lớn hơn (hình 14).

Tiên đề này cho thấy: Nếu một chất hấp

thụ được ánh sáng có bước sóng nào thì nó cũng có thể phát ra ánh sáng có bước sóng ấy

Sự chuyển từ trạng thái dừng Em sang trạng thái dừng En ứng với sự nhảy của êlectron từ quỹ đạo dừng có bán kính rm sang quỹ đạo dừng có bán kính rn,

và ngược lại

Em

Khi nguyên tử ở trạng thái dừng có năng lượng lớn, bao giờ cũng có xu hướng chuyển sang trạng thái dừng có năng lượng nhỏ hơn Hình trên mô tả sự chuyển mức năng lượng khi hấp thụ và khi phát xạ phôtôn.

Các đường nằm ngang có ghi Em, En bên cạnh biểu diễn các trạng thái dừng có năng lượng Em, En Các đường này gọi là các mức năng lượng

Ví dụ: êlecctron đang ở quỹ đạo thứ nhất (như hình vẽ 15, 16) nhận

được năng lượng kích thích, các êlectron chuyển lên quỹ đạo có mức năng lượng cao hơn

Thời gian sống ở trạng thái kích thích rất ngắn, sau đó các êlectron chuyển xuống trạng thái có năng lượng thấp hơn và phát ra phôtôn

Điều đặc biệt là năng lượng của nguyên tử ở trạng thái dừng và bán kính của các quỹ đạo dừng không biến đổi liên tục mà bị gián đoạn Ta nói rằng chúng

1.8

me E

trong đó n là một số lượng tử Dấu âm trong biểu thức có nghĩa là các trạng

thái của nguyên tử hiđrô có năng lượng cho bởi phương trình trên là các trạng

thái liên kết Điều này có nghĩa là cần phải tốn một công bên ngoài để tách

nguyên tử ra

Trạng thái có mức năng lượng thấp nhất được gọi là trạng thái cơ bản,

tìm được bằng cách đặt n = 1 vào phương trình điều kiện tần số Bo; dễ dàng

chứng tỏ rằng E1= - 13,6 eV, có thể viết như sau: E 13,6eV2

n

= − (n = 1, 2, 3 ) Các quỹ đạo dừng của êlectron với n khác nhau được đặt tên như sau:

Bán kính rn r0 4r0 9r0 16r0 25r0 36r0

Thực ra, phải phối hợp hai tiên đề Bo với công thức về các số hạng quang

phổ của Rit-be mới tìm được cấu trúc gián đoạn của năng lượng nguyên tử

cũng như của bán kính quỹ đạo lượng tử Vì vậy, có nhiều tác giả coi như có ba

tiên đề của Bo, trong đó, tiên đề thứ ba là tiên đề về sự lượng tử hóa quỹ đạo

Mẫu nguyên tử Bo chỉ là một mẫu bán cổ điển Bởi vì nó chưa đi vào

những quy luật đặc thù của thế giới vi mô (các quy tắc lượng tử, quy tắc lựa

chọn, hệ thức bất định…) Nó cũng chưa đề cập đến những đặc điểm riêng của

thế giới vi mô (lưỡng tính sóng – hạt, các số lượng tử, spin…) Vì vậy, mẫu

nguyên tử Bo chỉ áp dụng tốt cho nguyên tử hiđrô và những ion tương tự hiđrô

Khi áp dụng mẫu này cho nguyên tử Heli thì đã có những sai lệch

3.9 Quang phổ vạch của nguyên tử hiđrô

Khi chụp quang phổ của khí hiđrô trong các đèn phóng điện, có thể xác

định được chính xác bước sóng và quy luật sắp xếp của các vạch trong quang

phổ đó

Có thể dùng mẫu nguyên tử Bo để

giải thích cấu trúc của quang phổ và tính

được bước sóng ứng với các vạch trong

- Các vạch quang phổ tạo thành các dãy khác nhau trong các vùng ánh sáng khác nhau.

Trong miền tử ngoại có một dãy, gọi là dãy Lai-man (Lyman) Dãy thứ hai, gọi là dãy Ban-me (Balmer) có vạch nằm trong miền tử ngoại và một số vạch nằm trong miền ánh sáng nhìn thấy: vạch đỏ Hα (λα = 0,6563μm), vạch lam Hβ (λβ = 0,4861μm), vạch chàm Hγ (λγ = 0,4340μm) và vạch tím Hδ (λδ = 0,4120μm)

Trong miền hồng ngoại có dãy gọi là dãy Pa-sen (Paschen)

Bình thường, các nguyên tử hiđrô ở trạng thái cơ bản Khi nhận được năng lượng kích thích, chúng chuyển lên các trạng thái kích thích khác nhau, tức là electron chuyển từ quỹ đạo dừng K (gần hạt nhân nhất) ra các quỹ đạo dừng ở phía ngoài Khi chuyển về trạng thái cơ bản, chúng sẽ phát ra các phôtôn có tần số được quy định bởi tiên đề về sự bức xạ và hấp thụ năng lượng của nguyên tử Vì vậy, quang phổ của nguyên tử hiđrô là quang phổ vạch

Mỗi phôtôn ứng với một sóng điện từ có tần số hay bước sóng xác định Mỗi sóng điện từ là một sóng ánh sáng đơn sắc Mỗi ánh sáng đơn sắc cho trên kính ảnh của máy quang phổ một vạch màu nhất định Đó là một vạch quang phổ Vì vậy, quang phổ của các nguyên tử phải là quang phổ vạch

Giải thích sự tạo thành các dãy quang phổ của hiđrô:

- Các vạch trong dãy Lai-man được tạo thành khi

êlectron trong các nguyên tử hiđrô chuyển từ các quỹ

đạo dừng bên ngoài về quỹ đạo K: L → K; M → K; N

→ K; O → K; P → K

20

BAN-ME (Johann Jakob Balmer,

Những kết quả thực nghiệm đo bước sóng các phổ đều cho thấy sự trùng

khớp với lí thuyết Bo

Hình 18