Lý thuyết và bài tập về hiện tượng quang điện trong. Sự phát quang

LÝ THUYẾT VÀ BÀI TẬP VỀ HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN TRONG. SỰ PHÁT QUANG

I. HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIÊN TRONG

1. Hiệu ứng quang điện bên trong

a. Định nghĩa. Hiệu ứng quang điện bên trong là hiện tượng khi chất bán dẫn được chiếu bằng một chùm ánh sáng thích hợp thì các electron liên kết bị bứt ra khỏi liên kết giữa các nút mạng bán dẫn, trở thành các electron dẫn, tự do di chuyển trong khối bán dẫn đó (electron tự do). Ngoài ra, mỗi electron bị bứt ra lại “giải phóng” một “lỗ trống” mang điện dương. Các lỗ trống này cũng có thể chuyển động tự do từ nguyên tử này sang nguyên tử khác và cũng tham gia vào quá trình dẫn điện, làm chất bán dẫn bị chiếu sáng sẽ trở thành dẫn điện tốt.

b. So sánh hiện tượng quang điện bên trong và hiện tượng quang điện bên ngoài.

  Trong hiện tượng quang điện, khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào kim loại thì electron sẽ bị bật ra khỏi kim loại. Vì vậy, hiện tượng quang điện còn gọi là hiện tượng quang điện ngoài.

  Như vậy hiệu ứng quang điện bên trong và hiệu ứng quang điện bên ngoài giống nhau ở chỗ các phôtôn ánh sáng đều làm bứt các electron nhưng khác nhau ở chỗ: hiệu ứng quang điện ngoài bứt các electron ra ngoài khối chất (kim loại), còn hiệu ứng quang điện bên trong chỉ bứt electron ra khỏi liên kết để trở thành electron dẫn ngày trong khối chất đó.

  Ngoài ra, cả hai hiệu ứng còn giống nhau ở chỗ: ánh sáng kích thích phải có bước sóng thích hợp, nghĩa là đều có bước sóng giới hạn l₀ nhưng lại khác nhau là: năng lượng cần để bứt electron ra khỏi liên kết trong bán dẫn thường là khá nhỏ so với công thoát electron ra khỏi kim loại (công A), nên giới hạn quang điện l₀ của hiệu ứng quang điện bên trong có thể nằm trong vùng hồng ngoại.

2. Quang trở

a. Khái niệm quang trở

  - Hiện tượng khối bán dẫn trở nên dẫn điện tốt hơn (tức điện trở của khối bán dẫn giảm đi) khi bị chiếu sáng gọi hiện tượng quang dẫn. Nó được ứng dụng để tạo ra các điện trở thay đổi được trị số nhờ biến thiên cường độ chùm sáng chiếu vào gọi là các quang trở.

  - Cấu tạo quang trở đơn giản, chỉ gồm các lớp bán dẫn mỏng (1) (Cadimisunfua CdS chẳng hạn) phủ lên một lớp nhựa cách điện (2). Hai đầu lớp bán dẫn được gắn với hai điện cực (3) và (4) bằng kim loại để nối ra ngoài.

b. Hoạt động: Nối một nguồn khoảng vài vôn với quang trở thông qua một miliampe kế. Ta thấy, khi đặt quang trở trong tối mạch không có dòng điện. Khi chiếu quang trở bằng ánh sáng có bước sóng ngắn hơn giới hạn quang dẫn của quang điện thì trong mạch sẽ xuất hiện dòng điện. Điện trở của quang trở giảm đi rất mạnh khi bị chiếu sáng bởi ánh sáng nói trên.

  Quang trở được dùng thay thế cho tế bào quang điện trong các mạch điều khiển tự động.

c. Pin quang điện

a. Định nghĩa: Pin quang điện là một nguồn điện trong đó quang năng được biến đổi trực tiếp thành điện năng. Pin hoạt động dựa vào hiện tượng quang điện bên trong xảy ra trong một chất bán dẫn.

b. Cấu tạo: Xét một pin quang dẫn đơn giản: pin đồng oxit. Pin có một điện cực bằng đồng trên đó phủ một lớp đồng (I) oxit Cu₂O. Người ta phun một lớp kim loại rất mỏng lên trên mặt của lớp Cu₂O để làm điện cực thứ hai. Nó mỏng tới mức cho ánh sáng truyền qua được. Ở chỗ tiếp xúc giữa Cu₂O và Cu hình thành một lớp tác dụng đặc biệt: nó chỉ cho phép electron chạy qua nó theo chiều từ Cu₂O sang Cu.

c. Hoạt động: Khi chiếu ánh sáng có bước sóng thích hợp vào mặt lớp Cu₂O thì ánh sáng sẽ giải phóng các electron liên kết trong Cu₂O thành electron dẫn. Một phần các electron này khuếch tán sang cực Cu. Cực Cu thừa electron nên nhiễm điện âm, Cu₂O nhiễm điện dương. Giữa hai điện cực của pin hình thành một suất điện động. Nếu nối hai cực với nhau bằng một dây dẫn thông qua một điện kế, ta sẽ có với nhau bằng một dây dẫn thông qua một điện kế, ta sẽ thấy có dòng diện chạy trong mạch theo chiều từ Cu₂O sang Cu. Các pin mặt trời dùng trong các máy tính bỏ túi, trên các vệ tinh nhân tạo… đều dùng pin quang điện.

II. SỰ PHÁT QUANG

1. Quang phát quang là: Hiện tượng một số chất có khả năng hấp thụ ánh sáng có bước sóng này (λ_kt bước sóng kích thích) để rồi phát ra ánh sáng có bước sóng khác thuộc vùng khả kiến ( λ_phát bước sóng phát ra) được gọi là sự phát quang.

  VD: Chất bột bên trong đèn ống; lớp sơn ở cọc tiêu đèn đường; áo của công an hay công nhân vệ sinh đường sử dụng khi trời tối; dung dịch fluorexêin khi bị chiếu tia tử ngoại; công tắc điện, các vùng chứng thật trên tiền giấy….là hiện tượng quang phát quang.

2. Có một số chất khi hấp thụ năng lượng dưới một dạng nào đó và phát ra các bức xạ điện từ trong miền ánh sáng nhìn thấy. Các hiện tượng đó được gọi chung là sự phát quang.

  VD: Hóa phát quang (đom đóm, nấm sáng, san hô sáng...), điện phát quang (đèn LEP), Catot phát quang (màn hình máy tính, tivi...)

3. 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 chất.

  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.

4. Phân biệt sự huỳnh quang và lân quang:

  * giống nhau: Đều là sự phát quang.

  * khác nhau:

5. Giải thích đặc điểm của sự phát quang bằng thuyết lượng tự ánh sáng

  Khi phân tử fluôrexêin, hấp thụ một phôtôn tia tử ngoại có năng lượng hf thì nó chuyển sang trạng thái kích thích. Thời gian của trạng thái kích thích rất ngắn và trong thời gian này nó va chạm với các phân tử xung quanh, mất bớt năng lượng nhận được. Vì thế, khi trở về trạng thái ban đầu, nó bức xạ phôtôn có năng lượng hf_phát nhỏ hơn: 

h.f_{kích thích} > h.f_phát hay \(\frac{hc}{\lambda _{kt}}> \frac{hc}{\lambda _{phat}}\Rightarrow\)   λ_phát >λ_{kích thích}. 

Như vậy, phát quang là hiện tượng trong đó xảy ra sự hấp thụ ánh sáng, năng lượng photon bị hấp thụ là: 

∆ɛ =  \(\frac{hc}{\lambda _{kt}}-\frac{hc}{\lambda _{phat}}\) = hf_kt - hf_phát

Chú ý: Trong hiện tượng quang phát quang, ánh sáng phát quang có bước sóng lớn hơn bước sóng của ánh sáng kích thích (λ_phát > λ_{kích thích}) nên tia hồng ngoại không thể gây ra hiện tượng phát quang (tia hồng ngoại chỉ có thể kích thích chất phát quang phát ra những bức xạ ta không thể nhìn thấy nên không coi đó là hiện tượng phát quang).

6. Hiệu suất phát quang H: Hiệu suất phát quang được tính bằng tỉ lệ giữa công suất chùm sáng phát quang và công suất chùm sáng kích thích. 

Trong đó: N_{phát quang} và N_{kích thích} là số photon phát quang và số photon kích thích trong 1s.

Câu hỏi:

  - Thế nào là sự phát quang. Phân biệt huỳnh quang và lân quang. Giải thích các đặc điểm của sự phát quang bằng thuyết lượng tử ánh sáng.

  - Thế nào là hiện tượng quang hoá? Nêu một số phản ứng quang hoá đơn giản. Hiện tượng quang hoá có thể hiện tính chất hạt của ánh sáng không? Tại sao?

1. Sự phát quang

a. Thế nào là sự phát quang: Sự phát quang là hiện tượng phát ánh sáng lạnh của một số vật khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào.

Đặc điểm nổi bật của sự phát quang là bước sóng λ của ánh sáng phát quang dài hơn bước sóng l của ánh sáng kích thích.

Ví dụ: Khi chiếu sáng tia tử ngoại vào dung dịch fluôrexêin hoặc vào bột kẽm sunfua có pha đồng thì chúng đều phát ra ánh sáng màu lục.

b. Phân biệt huỳnh quang và lân quang

  - Huỳnh quang là hiện tượng mà ánh sáng phát quang tắt ngay khi ngừng ánh sáng kích thích. Nó thường xảy ra với chất lỏng và chất khí.

  - Lân quang là hiện tượng mà ánh sáng phát quang còn kéo dài từ vài giây, đến hàng giờ (tuỳ theo chất) sau khi tắt ánh sáng kích thích. Nó thường xảy ra với các vật rắn.

c. Giải thích đặc điểm của sự phát quang bằng thuyết lượng tự ánh sáng

  - Khi phân tử fluôrexêin, hấp thụ một phôtôn tia tử ngoại có năng lượng hf thì nó chuyển sang trạng thái kích thích. Thời gian của trạng thái kích thích rất ngắn và trong thời gian này nó va chạm với các phân tử xung quanh, mất bớt năng lượng nhận được. Vì thế, khi trở về trạng thái ban đầu, nó bức xạ phôtôn có năng lượng hf’ nhỏ hơn:

hf’ < hf hay h\(\frac{c}{\lambda '}\) < h \(\frac{c}{\lambda }\) =>  λ’ > λ

  Như vậy, phát quang là hiện tượng trong đó xảy ra sự hấp thụ.

2. Hiện tượng quang hoá

a. Thế nào là hiện tượng quang hoá

  Hiện tượng quang hoá là hiện tượng các phản ứng hoá học xảy ra dưới dạng tác dụng của ánh sáng. Năng lượng cần thiết để phản ứng xảy ra là năng lượng của phôtôn có tần số thích hợp.

b. Một số phản ứng quang hoá đơn giản

  Dưới tác dụng của ánh sáng có thể xảy ra:

      - Phản ứng phân tích: 2AgBr+hfà 2Ag +Br²

         Đây là cơ sở của kỹ thuật làm ảnh cổ điển.

      - Phản ứng tổng hợp: H₂ + Cl₂ +hf à 2HCl

      - Phản ứng trong quá trình quang hợp: 2CO₂ +hf à2CO+O2

c. Hiện tượng quang hoá thể hiện tính hạt nhân của ánh sáng

  Nếu ánh sáng biểu hiện tính sóng thì năng lượng có nhường cho phân tử phụ thuộc bêin độ sóng, tức cường độ chùm sáng, chứ không phụ thuộc bước sóng. Thực te, không phải nó đủ lớn mới khiến phản ứng quang hoá xảy ra. Vì vậy, hiện tượng quang hoá chính là một trường hợp, trong đó tính hạt của ánh sáng được thể hiện rõ.

III. BÀI TẬP

Câu 1: Một chất có khả năng phát ra bức xạ có bước sóng 0,5µm khi bị chiếu sáng bởi bức xạ 0,3µm. Hãy tính phần năng lượng photon mất đi trong quá trình trên.

  A. 2,65.10^-19J              B. 26,5.10^-19 J            C. 2,65.10^-18J                D. 265.10^-19 J

Câu 2: Một chất có khả năng phát ra bức xạ có bước sóng 0,5µm khi bị chiếu sáng bởi bức xạ 0,3µm. Biết rằng công suất của chùm sáng phát quang chỉ bằng 0,1 công suất của chùm sáng kích thích. Hãy tính tỷ lệ giữa số photon bật ra và số photon chiếu tới.

  A. 0,667                       B. 0,001667                C. 0,1667                        D. 6

Câu 3: Một chất có khả năng phát ra bức xạ có bước sóng 0,5µm khi bị chiếu sáng bởi bức xạ 0,3µm. Gọi P₀ là công suất chùm sáng kích thích và biết rằng cứ 600 photon chiếu tới sẽ có 1 photon bật ra. Công suất chùm sáng phát ra P theo P₀.

  A. 0,1 P₀                      B. 0,01P₀                    C. 0,001P₀                     D. 100P₀

Câu 4: Chiếu ánh sáng đơn sắc có bước sóng 0,30μm vào một chất thì thấy chất đó phát ra ánh sáng có bước sóng 0,50μm. Cho rằng công suất của chùm sáng phát quang chỉ bằng 1,5% công suất của chùm sáng kích thích. Hãy tính xem trung bình mỗi phôtôn ánh sáng phát quang ứng với bao nhiêu phôtôn ánh sáng kích thích.

  A. 60.                           B. 40.                          C. 120.                            D. 80.

Câu 5: Một chất có khả năng phát ra bức xạ có bước sóng 0,5µm khi bị chiếu sáng bởi bức xạ 0,3µm. Biết rằng công suất của chùm sáng phát quang chỉ bằng 0,01 công suất của chùm sáng kích thích và công suất chùm sáng kích thích là 1W. Hãy tính số photon mà chất đó phát ra trong 10s.

  A. 2,516.10¹⁷              B. 2,516.10¹⁵              C. 1,51.10¹⁹                   D. 1,546.10¹⁵.

Câu 6: Nguồn sáng X có công suất P₁ phát ra ánh sáng đơn sắc có bước sóng λ₁ = 400nm. Nguồn sáng Y có công suất P₂ phát ra ánh sáng đơn sắc có bước sóng λ₂ = 600nm. Trong cùng một khoảng thời gian, tỉ số giữa số phôtôn mà nguồn sáng X phát ra so với số phôtôn mà nguồn sáng Y phát ra là 5/4. Tỉ số P₁/P₂ bằng:

  A. 8/15                         B. 6/5                        C. 5/6                               D. 15/8

Câu 7: 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. 2/5                          B. 4/5                         C. 1/5                               D. 1/10

Câu 8: Chất lỏng fluorexein hấp thụ ánh sáng kích thích có bước sóng λ = 0,48μm và phát ra ánh sáng có bước sóng λ’ = 0,64μm. Biết hiệu suất của sự phát quang này là 50%, số phôtôn của ánh sánh kích thích chiếu đến trong 1s là 2011.10⁹ ( hạt ). Số phôtôn của chùm sáng phát quang phát ra trong 1s là:

  A. 2,4132.10¹²           B. 1,34.10¹²              C. 2,4108.10¹¹                  D. 1,356.10¹¹

Câu 9: Dung dịch Fluorêxêin hấp thụ ánh sáng có bước sóng 0,49µm và phát ra ánh sáng có bước sóng 0,52µm, 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 của sự phát quang của dung dịch Fluorêxêin là 75%. Số phần trăm của phôtôn bị hấp thụ đã dẫn đến sự phát quang của dung dịch là:

  A. 82,7%                     B. 79,6%                    C. 75,0%                         D. 66,8%

Câu 10: Sự phát sáng của nguồn nào dưới đây không là sự phát quang?

  A. Đèn ống                  B. Ánh trăng             C. Đèn LED                     D. Con đom đóm

Câu 11: Chọn câu đúng.

  A. Tia hồng ngoại chỉ có thể gây ra hiện tượng phát quang với một số chất khí.

  B. Bước sóng của ánh sáng lân quang nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng kính thích.

  C. Ánh sáng lân quang tắt ngay sau khi tắt nguồn sáng kích thích.

  D. Phát quang là hiện tượng trong đó xảy ra sự hấp thụ ánh sáng

Câu 12: Một chất phát quang có khả năng phát ra ánh sáng màu vàng lục khi được kích thích phát sáng. Hỏi khi chiếu vào chất đó ánh sáng đơn sắc nào dưới đây thì chất đó sẽ phát quang?

  A. Đỏ                          B. Lục                        C. Vàng                           D. Da cam

Câu 13: Ánh sáng phát quang của một chất có tần số 6.10¹⁴ Hz. Hỏi những bức xạ có tần số nào dưới đây có thể gây ra sự phát quang cho chất đó?

  A. 5.10¹⁴Hz                B. 7.10¹⁴Hz               C. 6.10¹⁴Hz                   D. 9.10¹³Hz