Hiện tượng quang điện là một trong những khám phá quan trọng trong vật lý hiện đại. Chứng minh rằng ánh sáng có tính chất hạt mở đường cho thuyết lượng tử. Ba định luật quang điện cùng với định luật về giới hạn quang điện cung cấp bức tranh rõ nét về quá trình electron bị bật ra khỏi kim loại khi có ánh sáng chiếu tới.
Ba định luật quang điện
1. Cường độ dòng quang điện tỉ lệ với cường độ ánh sáng
Khi chiếu ánh sáng vào bề mặt kim loại ở tần số lớn hơn giới hạn, số electron bị bật ra trong một đơn vị thời gian tỉ lệ thuận với số photon tới bề mặt. Nếu tăng cường độ ánh sáng tăng số photon từ đó dòng điện được tạo ra từ các electron tăng theo đúng tỉ lệ. Tuy nhiên điều này chỉ đúng khi tần số ánh sáng vượt mức ngưỡng cần thiết để bật electron ra.
2. Năng lượng động học tối đa của electron độc lập với cường độ ánh sáng
Dù cường độ ánh sáng có lớn hơn nếu vẫn giữ nguyên tần số thì năng lượng cao nhất của electron bật ra không thay đổi. Là hệ quả của ánh sáng tương tác theo đơn vị photon. Mỗi photon mang một lượng năng lượng cố định dựa vào tần số chứ không liên quan đến cường độ. Nói cách khác tăng cường độ chỉ tạo ra nhiều electron hơn chứ không làm electron bật ra nhanh hơn.
3. Không có hiện tượng quang điện nếu tần số ánh sáng nhỏ hơn giới hạn
Cho dù tăng cường độ ánh sáng đến mức nào nhưng nếu tần số ánh sáng thấp hơn mức ngưỡng đặc trưng của kim loại, electron cũng không thể bật ra. Khẳng định rằng ánh sáng nhất định phải có đủ năng lượng photon để khắc phục năng lượng liên kết electron trong kim loại.
Ba định luật này đều dựa vào thực nghiệm quang điện cổ điển. Chúng đều được giải thích một cách thuyết phục khi lý luận dưới góc nhìn lượng tử, tức ánh sáng gồm các photon, mỗi photon có năng lượng tỉ lệ với tần số.
Định luật về giới hạn quang điện
Định luật này phát biểu mối liên quan giữa năng lượng photon và năng lượng cần thiết để electron thoát khỏi kim loại. Năng lượng photon bằng năng lượng tối thiểu để electron thoát ra khỏi kim loại (được gọi là động năng giới hạn) cộng thêm năng lượng dư vẫn mang theo dưới dạng động năng của electron.
Nếu công thức mô tả theo ngôn ngữ toán học thì năng lượng photon = năng lượng giới hạn + động năng tối đa electron. Từ đây ta có thể suy ra nếu photon không đủ năng lượng thì electron không thể bật ra.
Định luật này còn xác định tần số ngưỡng quang điện. Tần số đó là giá trị nhỏ nhất để photon có đủ năng lượng khắc phục năng lượng liên kết electron. Mỗi kim loại đều có tần số ngưỡng riêng. Nếu ánh sáng có tần số chạm tới giá trị này, electron bật ra với động năng bằng không.
Tần số ngưỡng liên hệ mật thiết với công thức dùng năng lượng công kích (work function). Công thức này là cơ sở để thí nghiệm xác định hằng số Planck. Khi vẽ đồ thị mối quan hệ giữa động năng electron và tần số ánh sáng, hệ số góc của đường thẳng chính là hằng số Planck chia cho điện tích electron.
Ý nghĩa của các định luật quang điện
Ba định luật quang điện và định luật giới hạn đã góp phần quan trọng vào sự ra đời của vật lý lượng tử vào đầu thế kỷ hai mươi. Chúng bật mí rằng ánh sáng không chỉ là sóng mà còn là hạt mang năng lượng rời rạc. Điều này trái ngược hoàn toàn với mô hình sóng cổ điển.
Ngoài ra các định luật giúp giải thích mối quan hệ sâu sắc giữa năng lượng, tần số, động năng electron. Hỗ trợ phát triển các thiết bị nhạy sáng như điốt quang, tế bào quang điện, cảm biến ánh sáng cùng các thiết bị điều khiển chuyên sâu.
Các định luật cũng thể hiện tính khác biệt của vật liệu. Một kim loại mau bật electron với ánh sáng bước sóng nhất định nhưng kim loại khác có thể cần bước sóng ngắn hơn hay cường độ mạnh hơn. Do đó định luật giúp xác định đặc tính quang điện của vật liệu qua tần số ngưỡng với công kích năng lượng.
Ba định luật quang điện cung cấp nền tảng hiểu với vận dụng hiện tượng electron bật ra từ kim loại khi có ánh sáng. Cường độ ánh sáng quyết định số electron bật ra, tần số ánh sáng quyết định động năng electron, chỉ khi vượt ngưỡng tần số thì hiện tượng mới xảy ra. Định luật giới hạn quang điện bổ sung công thức liên hệ giữa năng lượng photon, năng lượng liên kết electron, động năng của electron.
Hiểu rõ các định luật giúp xây dựng các thiết bị quang học hiện đại với nghiên cứu tính chất vật liệu thúc đẩy lý thuyết lượng tử. Là minh chứng điển hình cho cách kết hợp giữa thực nghiệm với lý thuyết để làm sáng tỏ bản chất tự nhiên ứng dụng vào công nghệ.