CHƯƠNG 6: LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG BÀI 2: HIỆN TƯỢNG QUANG DIỆN TRONG VÀ ỨNG DỤNG CỦA HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN Mục tiêu Kiến thức + Nêu được khái niệm hiện tượng quang điện trong + Phân biệt
Trang 1CHƯƠNG 6: LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG BÀI 2: HIỆN TƯỢNG QUANG DIỆN TRONG VÀ ỨNG DỤNG CỦA HIỆN TƯỢNG QUANG
ĐIỆN Mục tiêu
Kiến thức
+ Nêu được khái niệm hiện tượng quang điện trong
+ Phân biệt hiện tượng quang điện trong với hiện tượng quang điện (ngoài)
+ Nắm được hiện tượng quang dẫn
+ Nắm được nguyên tắc hoạt động của quang điện trở, pin quang điện, và ứng dụng của chúng
Kĩ năng
+ Giải thích được các bài tập về giới hạn quan điện trong
+ Giải thích được các hiện tượng liên quan đến hiệu ứng quan điện trong
Trang 2I LÍ THUYẾT TRỌNG TÂM
1 Hiện tượng quang điện trong
Hiện tượng quang điện trong là hiện tượng ánh sáng
giải phóng các êlectron liên kết để cho chúng trở thành các
êlectron dẫn đồng thời tạo ra các lỗ trống cùng tham gia
vào quá trình dẫn điện
Chất quang dẫn:
- Chất quang dẫn là chất dẫn điện kém (điện trở rất lớn,
độ dẫn điện rất thấp) khi không bị chiếu sáng và dẫn điện
tốt (điện trở nhỏ, độ dẫn điện cao) khi được chiếu sáng
thích hợp
- Các chất quang dẫn điển hình là Gecmani (Ge), Silic
(Si), cadimi suníua (Cds),
- Các chất quang dẫn thường là chất bán dẫn
Điều kiện để xảy ra hiện tượng quang điện trong
Năng lượng phôtôn của ánh sáng kích thích phải lớn
hơn hoặc bằng năng lượng kích hoạt A (là năng lượng cần
thiết để giải phóng electrôn liên kết thành các electrôn dẫn)
A
hay 0
0
được gọi là “giới hạn quang dẫn” hay giới hạn
quang điện trong của chất bản dẫn Giới hạn quang dẫn của
đa số các chất bán dẫn đều ở trong miền hồng ngoại, do
đó, chỉ cần dùng ánh sáng nhìn thấy là đủ để xảy ra hiện
tượng quang dẫn
Đối với cùng một chất thì giới hạn quang dẫn luôn lớn
hơn giới hạn quang điện Nghĩa là hiện tượng quang dẫn
dễ xảy ra hơn quang điện
Mạch tích hợp sử dụng công nghệ bán dẫn
silic
Hoạt động của một quang điện trở
Ảnh thực tế một quang điện trở
2 Ứng dụng của hiện tượng quang điện trong
a Quang điện trở
Quang điện trở là một điện trở làm bằng chất quang dẫn Nó có cấu tạo gồm một sợi dây bằng chất quang dẫn gắn trên một đế cách điện
Điện trở của quang điện trở có thể thay đổi từ vài M khi không được chiếu sáng xuống đến vài chục
khi được chiếu ánh sáng thích hợp
b Pin quang điện
- Pin quang điện là một nguồn điện chạy bằng năng lượng ánh sáng Nó biến đổi trực tiếp quang năng
thành điện năng
Trang 3- Hiệu suất của pin quang điện chỉ vào khoảng trên dưới 10%
- Cấu tạo: dựa trên lớp tiếp xúc p-n của hai loại bán dẫn
- Suất điện động của pin quang điện nằm trong khoảng từ 0,5 V
đến 0,8 V
- Pin quang điện được ứng dụng trong các máy đo ánh sáng, vệ
tinh nhân tạo, máy tính bỏ túi, phát điện để sử dụng cho gia đình,
dùng nhiên liệu cho ô tô, tàu, v.v
- Pin quang điện là nguồn năng lượng sạch
SƠ ĐỒ HỆ THỐNG HÓA
Phương pháp giải
Chú ý ghi nhớ điều kiện xảy ra hiện tượng quang
điện trong: “Bước sóng ánh sáng kích thích nhỏ
hơn hoặc bằng giới hạn quang điện trong”
Và để ý công thức: 0 hc
A
Ví dụ: Công thoát êlectron trong chất bán dẫn
19
1, 792.10
A J, hằng số Plăng h6, 625.1034J , vận tốc ánh sáng trong chân không c3.108m s/ Giới hạn quang điện trong của chất bán dẫn đó là
Ứng dụng
Hiện tượng quang điện trong
Ánh sáng giải phóng các
êlectron liên kết để cho chúng
trở thành các êlectron dẫn
đồng thời tạo ra các lỗ trống
cùng tham gia vào quá trình
dẫn điện trong chất bán dẫn
gọi là hiệu ứng quang điện
trong
Điều kiện xảy ra
A
hay 0
Giới hạn quang dẫn của chất
bán dẫn hầu hết thuộc vùng
hồng ngoại
Chất quang dẫn là chất dẫn điện kém khi không bị chiếu sáng và dẫn điện tốt khi được chiếu sáng thích hợp
Quang điện trở
Điện trở của quang điện trở có thể thay đổi từ vài M khi không được chiếu sáng xuống đến vài chục khi được chiếu ánh sáng thích hợp
Pin quang ddienej
- Pin quang điện là một nguồn điện chạy bằng năng lượng ánh sáng Nó biến đổi trực tiếp
quang năng thành điện năng
II CÁC DẠNG BÀI TẬP
Dạng 1: Xác định giới hạn quang điện trong chất bán dẫn, xác định bước sóng xảy ra hiện tượng quang điện trong
Trang 4Bước 1: Xác định các đại lượng đã biết và chưa
biết Đổi các đơn vị về đơn vị cơ bản
Bước 2: Từ các đại lượng đã biết, sử dụng các
công thức để tính ra các đại lượng đề bài yêu cầu
A 0, 295 m B 1,10 m
C 1,50 m D 0, 250 m
Hướng dẫn giải
Giới hạn quang điện trong của chất bán dẫn trên:
34 8
6
6, 625.10 3.10
1,10.10 1,1
1, 792.10
hc
A
Chọn B
Ví dụ mẫu
Ví dụ 1: Công thoát êlectron khỏi chất bán dẫn Ge là 0,66 eV Biết hằng số Plăng là 6.625.10-34 Js, tốc độ ánh sáng trong chân không là 3.108m/s Giới hạn quang điện trong của chất bán dẫn này là
Hướng dẫn giải
Giới hạn quang điện của Ge là:
34 8
6 19
6, 625.10 3.10
1,88.10 1,88
0, 66.1, 6.10
hc
A
Chọn A
Ví dụ 2: Một chất bán dẫn có công thoát êlectron là A = 0,22 eV Lần lượt chiếu vào quả cầu làm bằng
kim loại này các bức xạ điện từ có bước sóng: 11,875 m; 20,1925 m; 30,1685m Bước sóng gây ra được hiện tượng quang điện trong đối với chất bán dẫn này là:
Hướng dẫn giải
Giới hạn quang điện trong chất bán dẫn: 0 19 5, 646
0, 22.1, 6.10
m A
Điều kiện để xảy ra quang điện trong: 0
Nhận thấy bước sóng của cả 3 bức xạ đều nhỏ hơn giới hạn quang điện trong 0
=> Cả bức xạ 1; 2; 3 gây ra được hiện tượng quang điện trong
Chọn B
Chú ý, đơn vị của công thoát đang là eV, đổi ra đơn vị cơ bản Jun
Ví dụ 3: Giới hạn quang điện của chất bán dẫn là 300 nm Công thoát êlectron của chất bán dẫn này là
Hướng dẫn giải
Công thoát êlectron của chất bán dẫn này là:
34 8
19 9
0
6, 625.10 3.10
300.10
hc
Chọn D
Xảy ra hiện tượng quang điện trong thì 0
Trang 5Dạng 2: Ứng dụng hiện tượng quang điện trong
Phương pháp giải
Nắm thật vững lý thuyết về quang điện trong,
quang dẫn, quang điện trở và các tính chất của
pin quang điện
Bước 1: Đánh giá và tìm đúng đối tượng câu hỏi
Bước 2: Vận dụng lý thuyết và trả lời câu hỏi
hoặc dùng phương án loại trừ
Ví dụ: Nguyên tắc hoạt động của quang điện trở
dựa vào
A hiện tượng tán sắc ánh sáng
B hiện tượng quang điện ngoài
C hiện tượng quang điện trong
D hiện tượng phát quang của chất rắn
Hướng dẫn giải
Nguyên tắc hoạt động của quang điện trở
Quang điện trở hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện trong
Chọn C
Bài tập tự luyện
Bài tập cơ bản
Câu 1: Phát biểu nào là sai?
A Điện trở của quang trở giảm mạnh khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào
B Nguyên tắc hoạt động của tất cả các tế bào quang điện đều dựa trên hiện tượng quang dẫn
C Trong pin quang điện, quang năng biến đổi trực tiếp thành điện năng
D Có một số tế bào quang điện hoạt động khi được kích thích bằng ánh sáng nhìn thấy
Câu 2: Dùng thuyết lượng tử ánh sáng không giải thích được
A hiện tượng quang - phát quang B hiện tượng giao thoa ánh sáng
C nguyên tắc hoạt động của pin quang điện D hiện tượng quang điện ngoài
Câu 3: Pin quang điện là nguồn điện, trong đó
A hóa năng được biến đổi trực tiếp thành điện năng
B quang năng được biến đổi trực tiếp thành điện năng
C cơ năng được biến đổi trực tiếp thành điện năng
D nhiệt năng được biến đổi trực tiếp thành điện năng
Câu 4: Khi nói về quang điện, phát biểu nào sau đây sai?
A Pin quang điện hoạt động dựa trên hiện tượng quang điện ngoài vì nó nhận năng lượng ánh sáng từ
bên ngoài
B Công thoát êlectron của kim loại thường lớn hơn năng lượng cần thiết để giải phóng êlectron liên
kết trong chất bán dẫn
C Điện trở của quang điện trở giảm khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào
D Chất quang dẫn là chất dẫn điện kém khi không bị chiếu sáng và trở thành chất dẫn điện tốt khi bị
chiếu ánh sáng thích hợp
Câu 5: Nguyên tắc hoạt động của pin quang điện dựa vào
A hiện tượng tán sắc ánh sáng B sự phát quang của các chất
Trang 6C hiện tượng quang điện trong D hiện tượng quang điện ngoài
Câu 6: Có thể giải thích tính quang dẫn của vật liệu bằng thuyết?
Câu 7: Để một chất bán dẫn trở nên dẫn điện tốt thì
A bức xạ điện từ chiếu vào chất bán dẫn phải có bước sóng lớn hơn một giá trị phụ thuộc vào bản chất
của chất bán dẫn
B bức xạ điện từ chiếu vào chất bán dẫn phải có tần số lớn hơn một giá trị f0 phụ thuộc vào bản chất của chất bán dẫn
C cường độ của chùm bức xạ điện từ chiếu vào chất bán dẫn phải lớn hơn một giá trị xác định nào đó
phụ thuộc vào bản chất của chất bán dẫn
D cường độ của chùm bức xạ điện từ chiếu vào chất bán dẫn phải nhỏ hơn một giá trị nào đó phụ
thuộc vào bản chất của chất bán dẫn
Câu 8: Phát biểu nào sau đây là đúng?
A Quang trở là một linh kiện bán dẫn hoạt động dựa trên hiện tượng quang điện ngoài
B Quang trở là một linh kiện bán dẫn hoạt động dựa trên hiện tượng quang điện trong
C Điện trở của quang trở tăng nhanh khi quang trở được chiếu sáng
D Điện trở của quang trở không đổi khi quang trở được chiếu sáng bằng ánh sáng có bước sóng ngắn Câu 9: Theo định nghĩa, hiện tượng quang điện trong là
A hiện tượng quang điện xảy ra bên trong một khối kim loại
B hiện tượng quang điện xảy ra bên trong một khối điện môi
C nguyên nhân sinh ra hiện tượng quang dẫn
D sự giải phóng các êlectron liên kết để chúng trở thành êlectron dẫn nhờ tác dụng của một bức xạ
điện từ
Câu 10: Hiện tượng quang dẫn là hiện tượng
A một chất cách điện trở thành dẫn điện khi được chiếu sáng
B giảm điện trở của kim loại khi được chiếu sáng
C giảm điện trở của một chất bán dẫn, khi được chiếu sáng
D truyền dẫn ánh sáng theo các sợi quang uốn cong một cách bất kỳ
Câu 11 Điều nào sau đây sai khi nói về quang trở?
A Bộ phận quan trọng nhất của quang điện trở là một lớp chất bán dẫn có gắn hai điện cực
B Quang điện trở thực chất là một điện trở mà giá trị của nó có thể thay đổi theo nhiệt độ
C Quang điện trở có thể dùng thay thế cho các tế bào quang điện
D Quang điện trở là một điện trở mà giá trị của nó không thay đổi theo nhiệt độ
Câu 12 Điện trở của một quang điện trở có đặc điểm nào dưới đây?
A Có giá trị rất lớn B Có giá trị rất nhỏ
C Có giá trị không đổi D Có giá trị thay đổi được
Câu 13 Pin quang điện là nguồn điện trong đó
A quang năng được trực tiếp biến đổi thành điện năng
Trang 7B năng lượng mặt trời được biến đổi trực tiếp thành điện năng
C một quang điện trở, khi được chiếu sáng, thì trở thành máy phát điện
D một tế bào quang điện được dùng làm máy phát điện
Câu 14 Pin quang điện hoạt động dựa vào những nguyên tắc nào?
A Sự tạo thành hiệu điện thế điện hóa ở hai điện cực
B Sự tạo thành hiệu điện thế giữa hai đầu nóng lạnh khác nhau của một dây kim loại
C Sự tạo thành hiệu điện thế tiếp xúc giữa hai kim loại
D Hiện tượng quang điện trong xảy ra bên cạnh một lớp p-n
Câu 15 Dụng cụ nào dưới đây hoạt động dựa vào hiện tượng quang điện trong?
A Pin quang điện B Đèn LED C Tế bào quang điện D Đèn ống
Câu 16 Khi hiện tượng quang dẫn xảy ra, trong chất bán dẫn có hạt tham gia vào quá trình dẫn điện là
A Êlectron và hạt nhân B Electron và các ion dương
C Electron và lỗ trống mang điện âm D Electron và lỗ trống mang điện dương
Câu 17 Giới hạn quang điện trong của chất bán dẫn là
A bước sóng nhỏ nhất của ánh sáng kích thích để hiện tượng quang điện trong có thể xảy ra
B bước sóng dài nhất của ánh sáng kích thích để hiện tượng quang điện trong có thể xảy ra
C cường độ cực đại của ánh sáng kích thích để hiện tượng quang điện trong có thể xảy ra
D cường độ cực tiểu của chùm ánh sáng kích thích để hiện tượng quang điện trong có thể xảy ra Câu 18 Công thức liên hệ giữa giới hạn quang điện trong, công thoát êlectron trong chất bán dẫn, hằng
số Plăng h và tốc độ ánh sáng trong chân không c là:
A 0 hc
A
hc
hA
c
Câu 19 Pin mặt trời không được ứng dụng trực tiếp trong
C phát điện để sử dụng cho gia đình D nấu chảy kim loại
Bài tập nâng cao
Câu 20 Một chất bán dẫn có công thoát electron là 0,4.10-19 J Chiếu lần lượt vào kim loại này các bức
xạ có bước sóng 11,8 m, 22,1 m, 35,32m và 40,35 m Những bức xạ có thể gây ra hiện tượng quang điện trong ở chất này có bước sóng là
A 1 và 2 B 3 và 4 C 2, 3 và 4 D 1, 2 và 4
Câu 21 Một chất bán dẫn có giới hạn quang dẫn là 5μm Biết hằng số Plăng là 6.625.10-34 Js, tốc độ ánh sáng trong chân không là 3.108m/s Tính năng lượng kích hoạt của chất đó
Câu 22 Chất bán dẫn CdS có bước sóng 0,72 μm Chiếu vào chất đó bức xạ có bước sóng nào dưới đây
sẽ không xảy ra quang điện trong?
Trang 8Câu 23 Trong hiện tượng quang dẫn, năng lượng cần thiết để giải phóng một êlectron liên kết thành
êlectron dẫn gọi là năng lượng kích hoạt Biết năng lượng kích hoạt của PbS là 0,3 eV, lấy h = 6,625.10
-34 J.s, c = 3.108 m/s, e = 1,6.10-19 C, giới hạn quang dẫn của PbS là:
ĐÁP ÁN
11-B 12-D 13-A 14-D 15-A 16-D 17-B 18-A 19-D 20-D
21-C 22-D 23-B