HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN TRONG

BÀI 31. HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN TRONG

I. LÍ THUYẾT TRỌNG TÂM

1. Chất quang dẫn

• 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.
• Một số chất quang dẫn ví dụ như: Ge, Si, PbS, PbSe, PbTe, CdS, CdSe, CdTe, ….

2. Hiện tượng quang điện trong

• 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.
• 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 dẫn.
• Ứng dụng: trong quang điện trở và pin quang điện.

3. Quang điện trở

• Khái niệm: Quang điện trở là một điện trở làm bằng chất quang dẫn và điện trở giảm mạnh khi được chiếu sáng. Có cấu tạo gồm một sợi dây bằng chất quang dẫn gắn trên một đế cách điện.
• Hoạt động: Nối một nguồn điện khoảng vài vôn vào quang trở. Khi chưa chiếu sáng không có dòng điện trong mạch (do điện trở quang quang điện trở lớn). Khi chiếu ánh sáng thích hợp, trong mạch có dòng điện (do điện trở quang điện trở giảm).

4. Pin quang điện

• Pin quang điện (còn gọi là pin Mặt Trời) là một loại nguồn điện trong đó quang năng biến đổi trực tiếp thành điện năng.

• Hoạt động: dựa vào hiện tượng quang điện trong xảy ra bên cạnh một lớp chặn (lớp chuyển tiếp)
• Cấu tạo: Tấm bán dẫn n, bên trên có phủ một lớp mỏng bán dẫn loại p. Mặt trên cùng là lớp kim loại mỏng trong suốt với ánh sáng và dưới cùng là một đế kim loại.
• Hiệu suất của các pin quang điện chỉ vào khoảng trên dưới 10%.
• Suất điện động của pin quang điện nằm trong khoảng 0,5 V – 0,8 V.
• Pin quang điện được ứng dụng trong các máy đo ánh sáng, vệ tinh nhân tạo, máy tính bỏ túi … Ngày nay, người ta đã chế tạo thử thành công ô tô và cả máy bay chạy bằng pin quang điện.

II. PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP

Bài tập về hiện tượng quang điện trong

Để xảy ra hiện tượng quang trong, ánh sáng đơn sắc có bước sóng λ chiếu tới phải thoả mãn:

\(\varepsilon =\frac{hc}{\lambda }\ge A\) hay \(\lambda \le \frac{hc}{A}={{\lambda }_{0}}\); λ0 gọi là giới hạn quang dẫn.

III. GIẢI BÀI TẬP SÁCH GIÁO KHOA

Câu C1 (trang 159 SGK Vật lí 12):

So sánh độ lớn của giới hạn quang dẫn với độ lớn của giới hạn quang điện và đưa ra nhận xét.

Trả lời:

• Độ lớn của giới hạn quang dẫn lớn hơn độ lớn của giới hạn quang điện.
• Nhận xét: Để thực hiện quang dẫn xảy ra, không đòi hỏi phôtôn phải có năng lượng lớn, rất nhiều chất quang dẫn hoạt động được với ánh sáng hồng ngoại. Còn hiện tượng quang điện xảy ra với ánh sáng có bước sóng ngắn, đây là một lợi thế của hiện tượng quang dẫn so với hiện tượng quang điện. Năng lượng kích hoạt các êlectron liên kết để chúng trở thành các êlectron dẫn nhỏ hơn công thoát để bứt các êlectron ra khỏi kim loại.

Câu C2 (trang 161 SGK Vật lí 12):

So sánh độ lớn suất điện động của pin quang điện với suất điện động của pin hóa học.

Trả lời:

Độ lớn suất điện động của pin quang điện nhỏ hơn suất điện động của pin hóa học.

Bài 1 (trang 162 SGK Vật Lí 12):

Chất quang dẫn là gì?

Lời giải:

Chất quang dẫn: là chất dẫn điện kém khi không được chiếu sáng và trở thành dẫn điện tốt khi được chiếu ánh sáng thích hợp.

Bài 2 (trang 162 SGK Vật Lí 12):

Hiện tượng quang điện trong là gì ? Giải thích tính quang dẫn của một chất.

Lời giải:

Hiện tượng quang điện trong: là hiện tượng ánh sáng làm bứt các êlectron liên kết thành các êlectron dẫn.

Giải thích tính quang dẫn của một chất :

• Khi không bị chiếu sáng, các êlectron trong chất quang dẫn đều ở trạng thái liên kết với ion ở nút mạng tinh thể. Không có êlectron tự do nên chất quang dẫn cách điện.
• Khi chiếu sáng chất quang dẫn, mỗi phôtôn của ánh sáng kích thích sẽ truyền toàn bộ năng lượng của nó cho một êlectron liên kết. Nếu năng lượng mà êlectron nhận được đủ lớn thì êlectron đó được giải phóng khỏi liên kết trở thành êlectron dẫn. Mặt khác, mỗi êlectron liên kết được giải phóng để lại một lỗ trống. Lỗ trống này cũng tham gia vào quá trình dẫn điện. Kết quả là chất nói trên dẫn điện.

Bài 3 (trang 162 SGK Vật Lí 12):

Trình bày cấu tạo và hoạt động của một pin quang điện.

Lời giải:

Hoạt động:

• Dựa vào hiện tượng quang điện trong xảy ra bên cạnh một lớp chặn.
• Ánh sáng có bước sóng thích hợp rọi vào điện cực dương (trong suốt) vào lớp bán dẫn loại p sẽ gây ra hiện tượng quang điện trong và giải phóng ra các cặp êlectron và lỗ trống. Êlectron dễ dàng đi qua lớp chặn xuống bán dẫn loại n. Còn lỗ trống thì bị giữ lại trong lớp p.
• Điện trường lớp tiếp xúc p – n đẩy lỗ trống về lớp p và đẩy e về lớp n.

→ Lớp kim loại mỏng nhiễm điện dương. Phần đế tiếp xúc với lớp n nhiễm điện âm trở thành cực âm. Nếu nối hai điện cực bằng một dây dẫn thông qua một ampe kế thì sẽ thấy có dòng quang điện chạy từ cực dương sang cực âm. Suất điện động của pin quang điện nàm trong khoảng 0,5 V đến 0,8 V.

Bài 4 (trang 162 SGK Vật Lí 12):

Hãy ghép nửa câu ở phần trên với nửa câu tương ứng ở phần dưới để thành một câu có nội dung đúng.

A. Pin hóa học …

B. Pin nhiệt điện …

C. Pin quang điện …

a) … hoạt động dựa vào hiện tượng quang điện trong xảy ra bên cạch một lớp chặn.

b) … hoạt động dựa vào sự hình thành các hiệu điện thế hóa ở hai điện cực

c) …. Hoạt động dựa vào sự hình thành hiệu điện thế khi các êlectron tự do khuếch tán từ đầu nóng sang đầu lạnh của một dây kim loại.

Lời giải:

A-b) Pin hóa học hoạt động dựa vào sự hình thành các hiệu điện thế hóa ở hai điện cực

B-c) Pin nhiệt điện hoạt động dựa vào sự hình thành hiệu điện thế khi các êlectron tự do khuếch tán từ đầu nóng sang đầu lạnh của một dây kim loại.

C-a) Pin quang điện hoạt động dựa vào hiện tượng quang điện trong xảy ra bên cạch một lớp chặn.

Bài 5 (trang 162 SGK Vật Lí 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.

Lời giải: Chọn D.

Điện trở của một quang điện trở có giá trị giảm mạnh khi được chiếu sáng.

Bài 6 (trang 162 SGK Vật Lí 12):

Suất điện động của một pin quang điện có đặc điểm nào dưới đây.

A. có giá trị rất lớn.

B. có giá trị rất nhỏ.

C. có giá trị không đổi, không phụ thuộc điều kiện bên ngoài.

D. chỉ xuất hiện khi pin được chiếu sáng.

Lời giải: Chọn D.

Suất điện động của một pin quang điện chỉ xuất hiện khi pin được chiếu sáng.

Hy vọng bài "Hiện tượng quang điện trong" này đã mang đến cho các em những kiến thức bổ ích và cần thiết trong quá trình học Vật lí lớp 12.