Hiện tượng quang điện trong, sự phát quang

HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN TRONG, SỰ PHÁT QUANG

I. HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN TRONG

1) Chất quang dẫn

Là chất bán dẫn có tính chất cách điện khi không bị chiếu sáng và trở thành dẫn điện khi bị chiếu sáng.

2. Hiện tượng quang điện trong

a) Khái niệm

Hiện tượng ánh sáng giải phóng các êlectron liên kết để chúng trở thành các êlectron dẫn đồng thời giải phóng các lỗ trống tự do gọi là hiện tượng quang điện trong.

b) Đặc điểm

▪ Để gây được hiện tượng quang điện trong thì ánh sáng kích thích phải có bước sóng nhỏ hơn hoặc bằng một giá trị λ₀ gọi là giới hạn quang điện trong.

▪ Năng lượng cần thiết để giải phóng electron khỏi liên kết trong chất bán dẫn thường nhỏ hơn công thoát A của electron từ mặt kim loại nên giới hạn quang điện của các chất bán dẫn nằm trong vùng ánh sáng hồng ngoại

c) Ứng dụng

Ứng dụng trong quang điện trở và pin quang điện.

3) Hiện tượng quang dẫn

a) Khái niệm

Hiện tượng quang dẫn là hiện tượng giảm mạnh điện trở suất của chất bán dẫn, tức làm tăng độ dẫn điện khi chiếu ánh sáng thích hợp vào chất bán dẫn.

b) Giải thích hiện tượng:

▪ Mỗi electron liên kết khi hấp thụ một phôtôn sẽ trở thành một e dẫn và để lại một lỗ trống mang điện dương.

▪ Các electron và những lỗ trống này có thể di chuyển tự do từ nguyên tử này sang nguyên tử khác tham gia vào quá trình dẫn điện.

4) Quang điện trở

a) Khái niệm

Quang điện trở là một điện trở làm bằng chất quang dẫn và có giá trị điện trở giảm mạnh khi chiếu sáng.

b) Cấu tạo

Quang điện trở gồm một lớp bán dẫn mỏng được phủ lên một tấm nhựa cách điện có hai điện cực :

1 – Lớp bán dẫn

2 – Đế cách điện

3 – Các điện cực

4 – Dây dẫn

5 – Điện kế

6 – Nguồn điện

c) Hoạt động

▪ Nối một nguồn điện khoảng vài vôn vào quang trở

▪ Khi chưa chiếu sáng không có dòng điện trong mạch.

▪ Khi chiếu ánh sáng thích hợp, trong mạch có dòng điện.

d) Ứng dụng

Thay thế cho các tế bào quang điện trong các thiết bị điều khiển từ xa.

5) Pin quang điện

a) Khái niệm

Là một loại nguồn điện trong đó quang năng biến đổi trực tiếp thành điện năng.

b) Cấu tạo

▪ Gồm một điện cực bằng đồng bên trên phủ lớp Cu₂O.

▪ Trên lớp Cu₂O ta phun một lớp vàng mỏng làm điện cực thứ hai.

▪ Chổ tiếp xúc giữa Cu₂O và Cu hình thành một lớp đặc biệt chỉ cho các e di chuyển từ sang Cu.

c) Hoạt động

▪ Khi pin quang điện được chiếu bằng ánh sáng thích hợp, ở lớp Cu₂O các e liên kết được giải phóng khuếch tán sang Cu.

▪ Kết quả lớp Cu₂O thiếu e tích điện dương, lớp Cu thừa e tích điện âm. Giữa chúng hình thành một suất điện động.

▪ Nếu nối vào mạch ngoài thông qua một điện kế ta thấy có dòng điện chạy từ Cu₂O sang Cud

d) Ứng dụng

▪ Dùng làm nguồn điện trong máy tính, vệ tinh nhân tạo..

▪ Là một loại nguồn điện sạch.

II. SỰ PHÁT QUANG

1) Sự phát quang

▪ Có một số chất khi hấp thụ năng lượng dưới một dạng nào đó, thì chúng có khả năng phát ra các bức xạ điện từ

trong miền ánh sáng nhìn thấy. Các hiện tượng đó được gọi là sự phát quang.

▪ Sự phát quang có khác biệt với các hiện tượng phát ánh sáng khác, hai đặc điểm quan trọng :

– Một là, mỗi chất phát quang có một quang phổ đặc trưng cho nó.

– Hai là, sau khi ngừng kích thích, sự phát quang của một số chất còn tiếp tục kéo dài thêm một khoảng thời gian nào đó, rồi mới ngừng hẳn.

2) Các dạng quang phát quang

Sự phát quang của một số chất khi có ánh sáng thích hợp (ánh sáng kích thích) chiếu vào nó, gọi là hiện tượng quang phát quang. Người ta thấy có hai loại quang phát quang:

▪ Sự huỳnh quang: là sự phát quang có thời gian phát quang ngắn (dưới 10^–8 (s)). Nó thường xảy ra với chất lỏng và chất khí.

▪ Sự lân quang: là sự phát quang có thời gian phát quang dài (10^–6 (s) trở lên), nó thường xảy ra với chất rắn.

▪ Đặc điểm nổi bật của các sự qunag phát quang là bước sóng λ’ của ánh sáng phát quang bao giờ cũng lớn hơn bước sóng λ của ánh sáng mà chất phát quang hấp thụ : λ' > λ, (Định luật Stocke)

3) Ứng dụng

Các hiện tượng phát quang có nhiều ứng dụng trong khoa học, kỹ thuật và đời sống như sử dụng trong các đèn ống thắp sáng, trong các màn hình chiếu sáng...

Ví dụ 1: (Trích đề thi ĐH 2011)

Một chất phát quang được kích thích bằng ánh sáng có bước sóng 0,26 μm thì phát ra ánh sáng có bước sóng 0,52 μm. Giả sử công suất của chùm sáng phát quang bằng 20% công suất của chùm sáng kích thích. Tỉ số giữa số phôtôn ánh sáng phát quang và số phôtôn ánh sáng kích thích trong cùng một khoảng thời gian là

  A.\(\frac{4}{5}\)                             B. \(\frac{1}{10}\)                          C.  \(\frac{1}{5}\)                         D. \(\frac{2}{5}\)

Ví dụ 2: (Trích đề thi ĐH 2010)

Một chất có khả năng phát ra ánh sáng phát quang với tần số f = 6.10¹⁴ Hz. Khi dùng ánh sáng có bước sóng nào dưới đây để kích thích thì chất này không thể phát quang?

  A. 0,55 μm.                 B. 0,45 μm.               C. 0,38 μm.               D. 0,40 μm.

Ví dụ 3: Dung dịch Fluorexein hấp thụ ánh sáng có bước sóng 0,45 μm và phát ra ánh sáng có bước sóng 0,55 μm. Người ta gọi hiệu suất của sự phát quang là tỉ số giữa năng lượng ánh sáng phát quang và năng lượng ánh sáng hấp thụ. Biết hiệu suất cuả sự phát quang của dung dịch này là 80%. Tính tỉ số (tính ra phần trăm) của phôtôn phát quang và số phôtôn chiếu đến dung dịch?

Ví dụ 4: Chiếu bức xạ có bước sóng 0,5 μm và một chất phát quang thì nó phát ra ánh sáng có bước sóng 0,6 μm. Biết công suất của chùm sáng phát quang bằng 0,06 công suất của chùm sáng kích thích. Nếu có 2012 phôtôn kích thích chiếu vào chất đó thì số phôtôn phát quang được tạo ra là bao nhiêu? 

Ví dụ 5: Chất lỏng fluorexein hấp thụ ánh sáng kích thích có bước sóng λ = 0,54 μm và phát ra ánh có bước sóng λ’ = 0,6 μm. Biết hiệu suất của sự phát quang này là 90% (hiệu suất của sự phát quang là tỉ số giữa năng lượng của ánh sáng phát quang và năng lượng của ánh sáng kích thích trong một đơn vị thời gian), số phôtôn của ánh sáng kích thích chiếu đến trong 1 s là 5.10¹² hạt. Số phôtôn của chùm sáng phát quang phát ra trong 1 s là bao nhiêu? 

III. SỰ HẤP THỤ VÀ LỌC LỰA ÁNH SÁNG (Đọc thêm)

1) Hiện tượng hấp thụ ánh sáng

Khi một chùm ánh sáng đi qua một môi trường vật chất bất kì, thì cường độ sáng bị giảm. Một phần năng lượng của chùm sáng đã bị tiêu hao và biến thành năng lượng khác. Đó là hiện tượng hấp thụ ánh sáng.

Cường độ I của chùm sáng đơn sắc truyền qua môi trường hấp thụ giảm theo độ dài d của đường đi theo định luật hàm số mũ  \(I=I_{0}e^{-ad}\)

Với I₀ là cường độ của chùm sáng tới môi trường, α được gọi là hệ số hấp thụ của môi trường. Biểu thức trên là nội dung của định luật về sự hấp thụ ánh sáng.

2) Sự hấp thụ lọc lựa. Kính màu

a) Sự hấp thụ ánh sáng lọc lựa, (có chọn lọc)

▪ Khi ánh sáng trắng đi qua những chất khác nhau, quang phổ của nó mất đi những bước sóng khác nhau. Điều đó chứng tỏ, ánh sáng có bước sóng khác nhau bị môi trường hấp thụ nhiều ít khác nhau. Người ta gọi hiện tượng này là sự hấp thụ lọc lựa. Hệ số hấp thụ α của môi trường phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng.

▪ Những chất hầu như không hấp thụ ánh sáng trong miền nào của quang phổ thì được gọi là gần trong suốt trong miền đó.

▪ Những vật không hấp thụ ánh sáng trong miền nhìn thấy của quang phổ được gọi là vật trong suốt không màu.

Những vật hấp thụ hoàn toàn mọ i ánh sáng nhìn thấy thì sẽ có màu đen.

▪ Những vật hấp thụ lọc lựa ánh sáng trong miền nhìn thấy thì được gọi là vật trong suốt có màu.

b) Kính màu

Kính lọc sắc đỏ ít hấp thụ ánh sáng màu đỏ, nhưng hấp thụ rất mạnh ánh sáng màu xanh, màu tím và hầu hết các bức xạ còn lại của ánh sáng trắng. Nếu chiếu ánh sáng trắng vào kính lọc sắc “đỏ”, thì nó chỉ cho các tia đỏ truyền qua, các bức xạ còn lại bị nó hấp thụ gần như hoàn toàn (Hình 1). Kết quả là ta nhìn thấy kính lọc sắc có màu đỏ. Nếu chiếu vào tấm kính đỏ ánh sáng màu tím chẳng hạn, ánh sáng này sẽ bị tấm kính đỏ hấp thụ gần như hoàn toàn, và lúc này ta nhìn thấy tấm kính có màu “đen”.

3) Sự phản xạ lọc lựa

Hình 1. Chùm ánh sáng trắng đi qua tấm kính đỏ.

▪ Khi chiếu một chùm ánh sáng trắng vào một vật nào đó. Chùm sáng phản xạ từ vật bị khuyết một số phôtôn có năng lượng xác định. Điều đó chứng tỏ ánh sáng có bước sóng khác nhau được phản xạ nhiều ít khác nhau từ vật. Đó là phản xạ lọc lựa. Phổ của ánh sáng phản xạ phụ thuộc phổ của ánh sáng tới và tính chất quang học của bề mặt phản xạ.

▪ Phổ của ánh sáng tán xạ phụ thuộc phổ của ánh sáng tới và tính chất quang học của bề mặt tán xạ.

4) Màu sắc các vật

▪ Khi vật phản xạ tất cả ánh sáng có bước sóng khác nhau chiếu vào nó, thì theo hướng phản xạ ta sẽ nhìn thấy vật có màu trắng, vật hấp thụ tất cả các ánh sáng có bước sóng khác nhau chiếu tới, thì theo hướng phản xạ ta nhìn thấy nó có màu đen, vật hấp thụ đa số bức xạ chính trong quang phổ của ánh sáng trắng, nó sẽ có màu xám.

▪ Các vật thể có màu sắc là do vật được cấu tạo từ những vật liệu xác định và vật hấp thụ một số bước sóng ánh sáng và phản xạ, tán xạ những bước sóng khác.

HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN TRONG, SỰ PHÁT QUANG

(BÀI TẬP TỰ LUYỆN)

Câu 1. Theo định nghĩa, hiện tượng quang điện trong là

  A. hiện tượng quang điện xảy ra bên trong một chất bán dẫn.       

  B. hiện tượng quang điện xảy ra bên ngoai một chất bán dẫn.       

  C. nguyên nhân sinh ra hiện tượng quang dẫn.

  D. sự giải phóng các êléctron liên kết để chúng trở thành êlectron dẫn nhờ tác dụng của một bức xạ điện từ.

Câu 2. Phát biểu nào sau đây là đúng ?

  A. Hiện tượng quang điện trong là hiện tượng bứt electron ra khỏi bề mặt kim loại khi chiếu vào kim loại ánh sáng có bước sóng thích hợp.

  B. Hiện tượng quang điện trong là hiện tượng electron bị bắn ra khỏi kim loại khi kim loại bị đốt nóng

  C. Hiện tượng quang điện trong là hiện tượng electron liên kết được giải phóng thành electron dẫn khi chất bán dẫn được chiếu bằng bức xạ thích hợp.

  D. Hiện tượng quang điện trong là hiện tượng điện trở của vật dẫn kim loại tăng lên khi chiếu ánh sáng vào kim loại.

Câu 3. 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 4. Phát biểu nào sau đây là đúng khi nói về hiện tượng quang dẫn?

  A. Hiện tượng quang dẫn là hiện tượng giảm mạnh điện trở của chất bán dẫn khi bị chiếu sáng.

  B. Trong hiện tượng quang dẫn, êlectron được giải phóng ra khỏi khối chất bán dẫn.

  C. Một trong những ứng dụng quan trọng của hiện tượng quang dẫn là việc chế tạo đèn ống (đèn nêôn).

  D. Trong hiện tượng quang dẫn, năng lượng cần thiết để giải phóng êlectron liên kết thành êlectron là rất lớn.

Câu 5. Phát biểu nào sau đây là đúng?

  A. Để một chất bán dẫn trở thành vật dẫn thì bức xạ điện từ chiếu vào chất bán dẫn phải có bước sóng lớn hơn một giá trị λ₀ phụ thuộc vào bản chất của chất bán dẫn.

  B. Để một chất bán dẫn trở thành vật dẫn thì 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. Để một chất bán dẫn trở thành vật dẫn thì cường độ của chùm bức xạ điện từ chiếu vào chất bán dẫn phải lớn hơn một giá trị nào đó phụ thuộc vào bản chất của chất bán dẫn.

  D. Để một chất bán dẫn trở thành vật dẫn thì 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 6. 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 2 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 7. 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.