Xây dựng thí nghiệm xác định hằng số planck và phương pháp tiến hành giảng dạy ở trường học

MỞ ĐẦU Thuyết lượng tử ánh sáng là một chủ đề hiện đại và thú vị của vật lý học, lý thuyết này góp phần lý giải nhiều hiện tượng vật lý mà cơ học cổ điển trước đo không giải thích được.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC

PHẠM THU HUYỀN

XÂY DỰNG THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH HẰNG SỐ PLANCK

VÀ PHƯƠNG PHÁP TIẾN HÀNH GIẢNG DẠY Ở TRƯỜNG HỌC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÝ

Hà Nội – 2020

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC

XÂY DỰNG THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH HẰNG SỐ PLANCK

VÀ PHƯƠNG PHÁP TIẾN HÀNH GIẢNG DẠY Ở TRƯỜNG HỌC

Người hướng dẫn khoa học: Th.S Trần Vĩnh Thắng Sinh viên thực hiện khóa luận: Phạm Thu Huyền

Hà Nội – 2020

LỜI CẢM ƠN

Khóa luận này được thực hiện tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc Gia Hà Nội, dưới sự hướng dẫn khoa học trực tiếp của ThS Trần Vĩnh Thắng

Trước hết tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới ThS Trần Vĩnh Thắng, người thầy

đã trực tiếp hướng dẫn tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành khóa luận này

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô Khoa Vật lý – trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc Gia Hà Nội, đặc biệt là các thầy cô trong bộ môn Vật lý

Vô tuyến và Điện tử đã dạy dỗ, hướng dẫn tận tình trong quá trình học tại trường và

thực hiện khóa luận

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô Khoa Sư phạm – Trường Đại học Giáo dục – Đại học Quốc Gia Hà Nội đã cung cấp cho tôi kiến thức, kỹ năng chuyên

ngành, dìu dắt tôi suốt những năm tháng Đại học để tôi có một nền tảng vững chắc khi bước ra trường

Nhân dịp này tôi cũng xin gửi lời chân thành tới gia đình và bạn bè đã giúp đỡ tôi trong thời gian học tập cũng như trong thời gian làm khóa luận

Tuy nhiên vì kiến thức chuyên môn còn hạn chế và bản thân còn thiếu nhiều kinh nghiệm thực tiễn nên trong nội dung không thể tránh khỏi những thiếu xót, tôi rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo thêm của quý thầy cô cùng bạn bè

Hà Nội, ngày 16 tháng 6 năm 2020

Sinh viên thực hiện

Phạm Thu Huyền

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Bước sóng ánh sáng của các đèn Led…… ……… ….10

Bảng 2.2 Dụng cụ thí nghiệm……….……… 23

Bảng 2.3 Giá trị bước sóng ánh sáng của các đèn Led.………… ………… 25

Bảng 2.4 Đặc trưng V-A của Led đỏ……… ……… …….27

Bảng 2.5 Đặc trưng V-A của Led vàng……….………… … 28

Bảng 2.6 Đặc trưng V-A của Led xanh lá……….……….……….…29

Bảng 2.7 Đặc trưng V-A của Led xanh blue……… …….………….… 30

Bảng 2.8 Đặc trưng V-A của Led tím……….31

Bảng 2.9 Bảng kết quả và thế ngưỡng của Led……… 32

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1 Sóng điện từ lan truyền trong không gian……… …… 9

Hình 2.2 Màu sắc và bước sóng của ánh sáng……… … ……… 10

Hình 2.3 Tinh thể chất bán dẫn ở nhiệt độ thấp (T = 0°K ) – bán dẫn thuần.…14 Hình 2.4 Tinh thể chất bán dẫn ở nhiệt độ cao (T = 300°K)……… … ….15

Hình 2.5 Sự dẫn điện của tinh thễ chất bán dẫn……… 16

Hình 2.6 Tinh thể chất bán dẫn pha tạp loại n………16

Hình 2.7 Tinh thể chất bán dẫn pha tạp loại p……… ……… 17

Hình 2.8 Cấu tạo của đèn Led……….………19

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG I LỊCH SỬ VẬT LÝ VÀ SỰ RA ĐỜI CỦA THUYẾT LƯỢNG TỬ 8

I Sơ lược về lịch sử vật lý 8

1 Vật lý học cổ điển 9

2 Vật lý học hiện đại 9

II Sự ra đời của thuyết lượng tử 10

1 Nhà vật lý học Max Karl Ernst Ludwig Planck 10

2 Sự ra đời của thuyết lượng tử 11

3 Sự ra đời hằng số Planck 12

4 Một số phương pháp thí nghiệm xác định hằng số Planck 13

CHƯƠNG II: XÂY DỰNG THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH HẰNG SỐ PLANCK 14

I Cơ sở lý thuyết 14

1 Hiệu ứng quang điện 14

2 Chất bán dẫn 19

II Thí nghiệm xác định hằng số Planck dựa trên đi-ốt phát quang (Led) 24

1 Cơ sở lý thuyết 24

2 Thực hành 28

3 Xử lý số liệu 30

CHƯƠNG III PHƯƠNG PHÁP TIẾN HÀNH GIẢNG DẠY Ở TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG 39

1 Phương pháp áp dụng giảng dạy 39

1.1 Về nội dung lý thuyết bài luận 39

1.2 Về phương pháp thực hành thí nghiệm 39

2 Một số phương pháp áp dụng trong dạy học 40

3 Một số lưu ý khi tiến hành giảng dạy 41

KẾT LUẬN 42

Tài liệu tham khảo 43

MỞ ĐẦU

Thuyết lượng tử ánh sáng là một chủ đề hiện đại và thú vị của vật lý học, lý

thuyết này góp phần lý giải nhiều hiện tượng vật lý mà cơ học cổ điển trước đo không giải thích được Một trong số những hằng số quan trọng của thuyết lượng

tử là hằng số Planck và đây cũng là một hằng số cơ bản của vật lý mà các nhà vật

lý thường đề cập đến

Đối với học sinh trung học phổ thông cũng như đại học, khi học về lý thuyết lượng tử học sinh thường khó hình dung về các hiện tượng liên quan như hiện tượng quang điện trong và quang điện ngoài, cùng với việc áp dụng thuyết lượng tử ánh sáng vào làm bài tập

Là một sinh viên Sư phạm em thấy tầm quan trọng của vấn đề nêu trên, vì

vậy em đã tiến hành thực hiện khóa luận với đề tài “Xây dựng thí nghiệm xác

định hằng số Planck và phương pháp tiến hành giảng dạy ở trường học”

nhằm góp phần giúp người dạy và người học có thể sử dụng những dụng cụ, linh kiện dễ kiếm trong phòng thí nghiệm để xây dựng nên những thí nghiệm trực quan trong việc thu nhận kiến thức vật lý ở cấp độ phổ thông

Phương pháp nghiên cứu là phương pháp thực nghiệm bao gồm xây dựng thí nghiệm, đo đạc và xử lý số liệu thống kê

Cấu trúc khóa luận bao gồm 3 chương:

• Chương I: Tìm hiểu về lịch sử Vật lý và sự ra đời của thuyết lượng tử

• Chương II: Xây dựng thí nghiệm xác định hằng số Planck Trình bày

các cơ sở lý thuyết; phương pháp, quy trình tiến hành thí nghiệm; xử lý số liệu thu được từ thực nghiệm

• Chương III: Phương pháp tiến hành giảng dạy trong trường học Từ thí

nghiệm trên chúng ta sẽ áp dụng kiến thức cũng như thực nghiệm như thế nào vào trong giảng dạy dưới phổ thông

CHƯƠNG I LỊCH SỬ VẬT LÝ VÀ SỰ RA ĐỜI CỦA

THUYẾT LƯỢNG TỬ

I Sơ lược về lịch sử vật lý

Vật lý có tên tiếng Anh là Physics [5], tiếng Hy Lạp cổ đại φύσις có nghĩa

là "tự nhiên" là một nhánh cơ bản của khoa học, phát triển từ những nghiên cứu

về tự nhiên và triết học nổi tiếng và cho đến cuối thế kỷ thứ 19 Vật lý vẫn được coi là "triết học tự nhiên" (natural philosophy) Ngày nay, vật lý là một môn khoa học tự nhiên tập trung vào nghiên cứu vật chất và chuyển động của nó trong không gian và thời gian, cùng với những khái niệm liên quan như năng lượng và lực Vật lý học là một trong những bộ môn khoa học lâu đời nhất, với mục đích tìm hiểu sự vận động của vũ trụ, tự nhiên

Vật lý là một trong những ngành khoa học hàn lâm sớm nhất, và có lẽ là sớm nhất khi tính chung với thiên văn học Trong hai thiên niên kỷ vừa qua, vật

lý là một phần của triết học tự nhiên cùng với hóa học, vài nhánh cụ thể của toán học và sinh học Tuy nhiên trong cuộc cách mạng khoa học từ đầu thế kỉ XVII, các môn khoa học tự nhiên nổi lên như các ngành nghiên cứu riêng độc lập với nhau Bộ môn Vật lý học là sự liên quan của nhiều lĩnh vực khác nhau như vật lý sinh học, hóa học lượng tử và giới hạn của vật lý cũng không rõ ràng Các phát hiện mới trong vật lý thường giải thích những cơ chế cơ bản của các môn khoa học khác đồng thời mở ra những hướng nghiên cứu mới trong các lĩnh vực như toán học hoặc triết học

Vật lý cũng có những đóng góp quan trọng qua sự tiến bộ công nghệ mới đạt được do những phát kiến lý thuyết trong vật lý Ví dụ, sự tiến bộ trong hiểu biết về điện từ học hoặc vật lý hạt nhân đã trực tiếp dẫn đến sự phát minh và phát triển những sản phẩm mới, thay đổi đáng kể bộ mặt xã hội ngày nay như ti

vi, máy vi tính, laser, internet, các thiết bị gia dụng, hay là vũ khí hạt nhân,…;

những tiến bộ trong nhiệt động lực học dẫn tới sự phát triển cách mạng công nghiệp; và sự phát triển của ngành cơ học thúc đẩy sự phát triển phép tính vi tích phân [5]

1 Vật lý học cổ điển

Vật lý cổ điển đề cập đến các lý thuyết của vật lý hiện đại có trước, hoàn thiện hơn các lý thuyết được áp dụng rộng rãi hơn trước đó Nếu có một lý thuyết chấp nhận hiện nay được coi là “hiện đại”, và việc giới thiệu của nó đại diện cho một sựu thay đổi lớn mô hình, thì các lý thuyết trước đó, hoăc lý thuyết mới dựa trên các mô hình cũ, sẽ thường được gọi là thuộc lĩnh vực vật lý học “cổ điển” Khái niệm vật lý cổ điển được sử dụng khi lý thuyết hiện đại là không cần thiết phức tạp cho một tình huống cụ thể

Các nhánh của lý thuyết vật lý cổ điển là [5]:

- Cơ học cổ điển

- Các định luật về chuyển động của Newton

- Các hình thức cơ học Lagrange cổ điển và cơ học Hamilton

- Điện động lực học cổ điển (phương trình Maxwell)

- Nhiệt động lực học cổ điển

- Thuyết tương đối hẹp và thuyết tương đối tổng quát

- Lý thuyết hỗn loạn cổ điển và động lực học phi tuyến

2 Vật lý học hiện đại

Thuật ngữ vật lý hiện đại ám chỉ những khái niệm vật lý hậu Newton [5] Vật lý Newton không giải thích được rất nhiều hiện tượng trong tự nhiên từ cấp

độ vi mô đến vĩ mô, và do vậy sự ra đời của vật lý hiện đại nhằm giải thích một

số hiện tượng mà vật lý cổ điển chưa làm được đồng thời vật lý hiện đại đã mang lại một cái nhìn sâu sắc của con người về tự nhiên, đồng thời thúc đẩy sự tiến bộ của loài người

Vật lý hiện đại bao gồm thuyết lượng tử do Max Planck khai sinh và Albert Einstein với thuyết tương đối, và những người tiên phong trong cơ học lượng tử như Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Paul Dirac và rất nhiều các nhà khoa học lớn khác

II Sự ra đời của thuyết lượng tử

1 Nhà vật lý học Max Karl Ernst Ludwig Planck [5]

Max Karl Ernst Ludwig Planck (23/4/1858 –

4/10/1947) là nhà vật lý học người Đức, được xem là cha đẻ của cơ học lượng tử và do đó là một trong những nhà vật lý quan trọng nhất của thế kỷ 20 Ông đạt giải Nobel vật lý năm 1918

Planck đến Berlin học một năm (1877-1878) Tháng 10 năm 1878, ông kết thúc chương trình cao học (Lehramtsexamen), và trình luận án tiến sĩ tháng 3 năm 1879 mang tên "Luận về nguyên tắc thứ hai của nhiệt động lực học" (Uber den zweiten Hauptsatz der mechanischen Wärmetheorie) Tháng 6 năm 1880, ông trình luận án hậu tiến sĩ (Habilitationsschrift) với tựa đề "Trạng thái quân bình của các vật đẳng hướng ở các nhiệt độ khác nhau" (Gleichgewichtszustände isotroper Körper in verschiedenen Temperaturen)

Cách diễn giảng cơ học lượng tử theo trường phái Kopnenhagen của Bohr, Heisenberg và Pauli trong những năm cuối thập niên 1920 không được Planck tán thành Planck quan niệm thuyết cơ học ma trận của Heisenberg là một học thuyết kinh dị và đón chào phương trình Schrödinger như một sự giải thoát Ông cho rằng, cơ học sóng sẽ thế chỗ cơ học lượng tử, đứa con của ông Tuy nhiên, khoa học đã vượt qua những nghi vấn của Planck Và định luật Planck vốn là

phát kiến trong thời nghiên cứu trẻ tuổi của Planck giờ đây có giá trị cho chính ông khi nhìn nhận các phát kiến khác của giới trẻ

2 Sự ra đời của thuyết lượng tử

❖ Thuyết lượng tử năng lượng

Sự xuất hiện của vật lý lượng tử và thuyết tương đối là một cuộc cách mạng của vật lý học vào cuối thế kỷ XIX đầu thế kỷ XX và là cơ sở khoa học của nhiều lĩnh vực công nghệ cao như công nghệ điện tử và vi điện tử, công nghệ viễn thông, công nghệ quang tử, công nghệ tự động hóa, công nghệ thông tin,… Vật lý lượng tử ra đời vào năm 1900 khi Max Planck đề xuất giả thuyết về tính giai đoạn của bức xạ điện từ phát ra từ các vật thuyết lượng tử năng lượng để giải thích những kết quả thực nghiệm về bức xạ nhiệt của các vật đen

Năm 1905 để giải thích hiện tượng quang điện, nhà bác học Anh-xtanh đã

phát triển giả thuyết của Planck lên một bước và đề xuẩt thuyết lượng tử ánh sáng (thuyết photon) có nội dung cơ bản sau [5]:

1 Chùm ánh sáng là một chùm các photon (các lượng tử ánh sáng) Mỗi photon có năng lượng xác định ε(v, n) = nℎv Cường độ của một chùm sáng tỉ lệ với photon phát ra trong một giây

2 Phân tử, nguyên tử, phát xạ hay hấp thụ ánh sáng, cũng có nghĩa là chúng hấp thụ hay phát xạ photon

3 Các photon bay dọc theo tia sáng với tốc độ c = 3.108m/s trong chân không

3 Sự ra đời hằng số Planck

một hằng số cơ bản của vật lý xuất hiện trong các bài toán của vật lý lượng tử:

ℎ = 6,626069057(29) 10−34 (𝐽 𝑠) trong đó: J: Joule; s: giây

Một hằng số liên quan thường gặp trong lý thuyết lượng tử là hằng số Planck đơn giản hay hằng số Planck rút gọn, còn gọi là hằng số Planck - Dirac,

ký hiệu là ħ (đọc là "hát ngang"), được định nghĩa là:

ħ = ℎ

2𝜋 ( 𝑣ớ𝑖 𝜋 𝑙à 𝑠ố 𝑝𝑖) (1.1) Hằng số Planck được dùng trong các miêu tả về các hạt cơ bản như electron hay photon với tính chất vật lý có các giá trị gián đoạn chứ không liên tục

Ví dụ: năng lượng của một hạt photon có tần số v là: E = ℎv do vậy năng lượng của chùm ánh sáng (chùm hạt photon) có tần số ν chỉ có thể có giá trị bằng

số nguyên lần một năng lượng nhỏ nhất (số nguyên này chính là số hạt photon trong chùm, và năng lượng nhỏ nhất là năng lượng của 1 hạt photon):

𝐸 = 𝑛ℎ𝑣 (1.2)

❖ Định luật Planck miêu tả bức xạ điện từ phát ra từ vật đen trong

trạng thái cân bằng nhiệt ở một nhiệt độ xác định Định luật đặt tên theo Max Planck, nhà vật lý đã nêu ra nó vào năm 1900 Định luật này là bước đi tiên phong đầu tiên của vật lý hiện đại và cơ học lượng tử

Đối với tần số ν, hoặc bước sóng λ, định luật Planck viết dưới dạng:

𝐵𝑣(𝑇) = 2ℎ𝑣3

𝑐 2

1 𝑒

ℎ𝑣 𝑘𝐵𝑇−1

(1.3)

trong đó: B ký hiệu của cường độ bức xạ

T: là nhiệt độ tuyệt đối

kB :là hằng số boltzmann

h: là hằng số planck

c: là tốc độ ánh sáng trong môi trường hoặc trong chân không Max Planck đưa ra định luật vào năm 1900, với mục đích ban đầu để đo các hằng số bằng thực nghiệm, và sau đó ông chứng minh rằng, như định luật biểu diễn sự phân bố năng lượng, nó miêu tả duy nhất sự phân bố ổn định của bức xạ trong trạng thái cân bằng nhiệt

4 Một số phương pháp thí nghiệm xác định hằng số Planck

Hằng số Planck (h) có tầm quan trọng cơ bản trong cơ học lượng tử Như ta thấy hầu như mọi phương trình trong cơ học lượng tử đều liên quan đến hằng số Planck Do đó, giá trị của hằng số Planck trong đơn vị SI có tầm quan trọng cơ bản đối với cơ học lượng tử Để có thể kiểm chứng hằng số Planck chúng ta có

thể đề cập đến hai phương pháp đó là đo dựa trên hiện tượng quang điện hoặc dựa vào sự phát photon của đèn LED Hai phương pháp này là khác nhau nhưng

cùng một mục đích là để kiểm tra hằng số planck Mỗi phương pháp sẽ có những

ưu điểm và hạn chế

Tuy nhiên trong bài khóa luận này tôi sẽ đi xây dựng thí nghiệm xác định hằng số Planck bằng đèn Led

CHƯƠNG II: XÂY DỰNG THỰC NGHIỆM

Hình 2.1 Sóng điện từ lan truyền trong không gian Nếu xét theo một phương truyền Ox, sóng điện từ là sóng ngang có thành phần điện dao động theo phương thẳng đứng và thành phần từ dao động theo phương nằm ngang

Tần số sóng điện từ bằng tần số điện tích dao động và vận tốc lan truyền của nó trong chân không bằng vận tốc của ánh sáng trong chân không

Năng lượng sóng điện từ tỉ lệ với lũy thừa bậc bốn của tần số

Sóng điện từ có đầy đủ tính chất như sóng cơ học, nhưng sóng cơ học truyền đi trong những môi trường đàn hồi, còn sóng điện từ thì nó tự truyền đi không cần đến sự biến dạng của một môi trường đàn hồi nào cả, vì vậy nó truyền được cả trong chân không

Đo bước sóng của những ánh sáng đơn sắc khác nhau bằng phương pháp

giao thoa, người ta thấy mỗi ánh sáng đơn sắc có một bước sóng hoàn toàn xác

định

Ánh sáng đơn sắc là ánh sáng có bước sóng xác định Màu ứng với ánh

sáng đó gọi là màu đơn sắc hay màu quang phổ

1.2 Hiện tượng quang điện

Thuyết sóng ánh sáng giải thích được hiện tượng liên quan với sự truyền

sóng như giao thoa và nhiễu xạ nhưng không giải thích được những dữ kiện thực

nghiệm về sự hấp thụ và sự phát ra ánh sáng khi đi qua môi trường vật chất

Năm 1900, M Planck đưa ra giả thuyết “năng lượng của ánh sáng không có

tính chất liên tục mà bao gồm từng lượng riêng biệt nhỏ nhất gọi là lượng tử” Một lượng tử của ánh sáng (photon) có năng lượng là: E = ℎ𝑣 (2.1)

(trong đó E: là năng lượng của photon; 𝑣: tần số bức xạ; h = 6,626.10−34J s) Năm 1905, Einstein đã dựa vào thuyết lượng tử giải thích thỏa đáng hiện tượng quang điện Bản chất của hiện tượng quang điện là các kim loại kiềm khi

bị chiếu sáng sẽ phát ra các electron, năng lượng của các electron đó không phụ thuộc vào cường độ của ánh sáng chiều vào mà phụ thuộc vào tần số ánh sáng Einstein cho rằng khi được chiếu tới bề mặt kim loại, mỗi photon với năng lượng sẽ truyền năng lượng cho kim loại Mỗi phần năng lượng 𝐸0 được dùng để làm bật electron ra khỏi nguyên tử kim loại, phần còn lại sẽ trở thành động năng của electron: ℎ𝑣 = 𝐸0+1

2𝑚v2 (2.2)

trong đó: 𝑣0 = 𝐸0

ℎ: tần số giới hạn Những bức xạ có tần số bé hơn tần số giới hạn sẽ không gây ra hiện tượng quang điện

1.2.1 Tế bào quang điện

Tế bào quang điện là dụng cụ chính dùng để khảo sát hiện tượng quang điện Đó là một bóng trong suốt không cản tia tử ngoại, bên trong hầu như là chân không và gồm có:

• Một cathode K (bản cực âm) là một lớp kim loại tinh chất mà ta muốn khảo sát

• Một anode A (bản cực dương) là một thanh kim loại (có thể là một vòng kim loại)

1.2.2 Hiện tượng quang điện

Hiện tượng quang điện là hiện tượng bật ra các electron từ một tấm kim

loại khi chiếu vào tấm kim loại đó một chùm sáng có bước sóng thích hợp Các electron bắn ra được gọi là các quang electron

Hiện tượng quang điện gồm hai loại chính:

• Hiện tượng quang điện ngoài: dưới tác dụng của ánh sáng có bước

sóng thích hợp, khi chiếu vào kim loại, làm bật các electron ra khỏi bề mặt kim loại

• Hiện tượng quang điện trong: khi được chiếu sáng với tần số vượt trên

tần số ngưỡng, các điện tử không bật ra khỏi bề mặt, mà thoát ra khỏi liên kết với nguyên tử, trở thành điện tử tự do chuyển động trong lòng của khối vật dẫn gọi là hiện tượng quang điện trong

• Ngoài ra còn có hiện tượng quang điện của lớp chặn: thể hiện ở sự

xuất hiện hiệu điện thế trên các vật bán dẫn đặt tiếp xúc nhau được chiếu sáng Hiệu ứng này được giải thích bởi cơ chế dẫn điện trong các vật bán dẫn

1.2.3 Các định luật quang điện

Từ các kết quả thí nghiệm về hiện tương quang điện, người ta rút ra được

ba định luật quang điện như sau:

xác định hay 𝜆0 đặc trưng cho kim loại đó Miền tương quan điện chỉ xảy ra khi ánh sáng chiếu vào kim loại phải có tần số 𝑓 lớn hơn tần số

𝑓0 (hay bước sóng λ lớn hơn bước sóng 𝜆0)”

𝑓 > 𝑓0 ℎ𝑎𝑦 𝜆 < 𝜆0 (2.3)

𝑓0ℎ𝑎𝑦 𝜆0 được gọi là giới hạn của hiệu ứng quang điện

• Định luật về cường độ dòng điện bão hòa: “Khi xảy ra hiện tượng

quang điện, cường độ dòng quang điện bão hòa tỉ lệ thuận với cường

độ chùm sáng kích thích (𝐼0~𝐼𝑎𝑠)"

• Định luật về động năng ban đầu cực đại: “Khi xảy ra hiện tượng

quang điện, động năng ban đầu cực đại của các quang electron không phụ thuộc vào cường độ của ánh sáng kích thích mà chỉ phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng kích thích và bản chất của kim loại dùng làm catod”

1.2.4 Giải thích hiện tượng quang điện

❖ Lý thuyết lượng tử năng lượng của Planck

Năm 1900, Planck đưa ra giả thuyết: Lượng năng lượng mà mỗi lần một nguyên tử hay phân tử hấp thụ hay phát xạ có giá trị hoàn toàn xác định và bằng

hv; trong đó v là tần số của ánh sáng bị hấp thụ hay được phát ra; còn h là hằng

số

❖ Lý thuyết lượng tử năng lượng của Einstein

Năm 1905, để giải thích các kết quả thử nghiệm về hiện tượng quang điện, Einstien đã đẩy mạnh ý tưởng lượng tử hóa năng lượng Ông đã hình dung một chùm sáng như một chùm các hạt nhỏ li ti Năng lượng của mỗi hạt tỉ lệ với tần

số của ánh sáng, E = hv Khi đó, năng lượng của chùm ánh sáng gửi qua một đơn

vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền trong một giây (cường độ ánh

sáng) sẽ bằng số hạt đi qua diện tích tỏng một giây (N) nhân với năng lượng của mỗi hạt (hv) Nghĩa là:

Cường độ sáng = N hv (2.4) Khi nhận photon có năng lượng là hv, một electron bị bứt khỏi bề mặt kim

loại, đồng năng của nó là: 𝐾0 = ℎ𝑣 − 𝑊 (2.5)

trong đó, W là công cần thiết để bứt một electron khỏi nguyên tử bề mặt kim

loại Các electron trong nguyên tử ở các mức khác nhau thì có công bứt electron

W khác nhau

Vì vậy, tinh thể Ge và Si ở nhiệt độ thấp là các chất cách điện

Cũng giống như chất điện môi, miền được phép cao nhất do các electron hóa trị chiếm giữ gọi là “miền hóa trị” Miền được phép cao hơn bị bỏ trống hoàn toàn được goi là “miền dẫn”, bề rộng của “miền cấm”, giữa miền hóa trị và miền cấm là khá nhỏ chỉ từ 0,7 eV – 1,1 eV

Ở điều kiện bình thường và không được chiếu sáng thì các electron miền hóa trị không thể nào nhận đủ năng lượng để vượt qua miền cấm lên miền dẫn Các electron hóa trị của ngyên tử nào thì ở nguyên tại nguyên tử đó

Hình 2.4 Tinh thể chất bán dẫn ở nhiệt độ cao (T = 300°K) Nếu cung cấp cho electron hóa trị thêm một năng lượng bằng cách: chiếu sáng hoặc nung ở nhiệt độ lớn hơn 80℃ Khi đó electron nhận đủ năng lượng, dễ dàng vượt qua miền cấm lên miền dẫn trở thành các electron dẫn [8] Trên miền dẫn còn rất nhiều vị trí bị bỏ trống, nên ở nhiệt độ phòng bình thường, các electron trong miền dẫn dễ dàng di chuyển từ mức năng lượng này sang vị trí của các mức năng lượng bị bỏ trống, có nghĩa là chúng có thể di chuyển từ nguyên tử này sang nguyên tử khác

• Khi chưa có điện trường ngoài, các ekectron dẫn chuyển động nhiệt hỗn loạn theo các phương khác nhau, không tạo thành dòng điện

• Khi có điện trường ngoài tác dụng lên electron dẫn nên ngoài chuyển động nhiệt chúng còn tham gia các chuyển động có hướng, ngược chiều điện trường ngoài tạo thành dòng điện

Ở miền hóa trị, tại các vị trí mà các electron chuyển lên vùng dẫn để lại các

lỗ trống mang điện dương, gọi tắt là lỗ trống Ở điều kiện thường, các electron khác trong miền hóa trị dễ dàng nhận đủ năng lượng chuyển đến chiếm lỗ trống Tại vị trí nó vừa rời khỏi sẽ để lại một lỗ trống mới Như vậy, ta thấy các lỗ

trống dễ dàng di chuyển từ nguyên tử này sang nguyên tử khác trong mạng tinh thể của bán dẫn

• Khi chưa có điện trường, các lỗ trống chuyển động nhiệt hỗn loạn theo các phương khác nhau nên không tạo thành dòng điện

• Khi có điện trường, ngoài chuyển động nhiệt thì lỗ trống còn tham gia chuyển động có hướng, cùng chiều điện trường ngoài tạo thành dòng điện

Hình 2.5 Sự dẫn điện của tinh thể chất bán dẫn

2.2 Chất bán dẫn pha tạp

2.2.1 Bán dẫn loại n

Hình 2.6 Tinh thể bán dẫn pha tạp loại n