Bài giảng Quang học lượng tử được biên soạn nhằm giúp các em học sinh nắm được giao thoa, nhiễu xạ là hiện tượng chứng tỏ ánh sáng có bản chất sóng của bức xạ. Hiện tượng phát xạ nhiệt, hiệu ứng quang điện thể hiện bản chất hạt của bức xạ. Cùng tham khảo chi tiết tài liệu để nắm được nội dung nhé các bạn.
QUANG HỌC LƯỢNG TỬ Giao thoa, nhiễu xạ tượng chứng tỏ ánh sáng có chất sóng xạ Hiện tượng phát xạ nhiệt, hiệu ứng quang điện thể chất hạt xạ Bức xạ nhiệt Bằng cách kích thích phân tử, nguyên tử làm chúng chuyển từ trạng thái sang kích thích Khi chúng chuyển từ trạng thái kích thích bản, lượng trả dạng xạ điện từ Nếu lượng cung cấp để kích thích phân tử, nguyên tử dạng nhiệt gọi xạ nhiệt Năng suất phát xạ toàn phần R T = r ν,T dν Năng suất phát xạ đơn sắc Hệ số hấp thụ đơn sắc dWt T,ν a T,ν = dW T,ν a T,ν =1 a T, ν Vật đen tuyệt đối VẬT ĐEN TUYỆT ĐỐI Hấp thụ tất xạ điện từ Một bình kín rỗng cách nhiệt có khoét lỗ nhỏ, mặt phủ lớp xốp đen (xem vật đen tuyệt đối) Một tia xạ lọt qua lỗ vào bình, bị phản xạ liên tiếp thành hấp thụ hịan tồn A Định luật Kirchhoff r1 T,ν r2 T,ν = = f T,ν Hàm phổ biến a1 T,ν a T,ν Tỉ số suất phát xạ đơn sắc hệ số hấp thụ đơn sắc vật nhiệt độ định hàm phụ thuộc vào tần số xạ nhiệt độ T mà không phụ thuộc vào chất vật r T,ν = f T,ν a T,ν a T,ν r T,ν = f T,ν Năng suất xạ đơn sắc vật đen tuyệt đối ứng với xạ tần số nhiệt độ T Thuyết Jean - Rayleigh 2πν f ν,T = k BT c 0 c = 3x108m/s kB = 1.38x10-23J/K R T r T, ν dν f T, ν dν Bế tắc quan niệm vật lý cổ điển phát xạ hấp thụ lượng điện từ Thuyết lượng tử Plank Các nguyên tử, phân tử phát xạ, hấp thụ lượng xạ điện từ cách gián đoạn Năng lượng phát xạ hay hấp thụ = bội số nguyên hc hf Ei E f λ lượng lượng nhỏ xác định h 6.625x10 34 Js gọi lượng tử lượng Đối với xạ điện từ đơn sắc tần số , bước sóng hc , lượng tử lượng E E=hν= λ Công thức Plank 2πν f ν,T = c Khi T lớn hν e hν k BT -1 hν 1 k BT e hν k BT hν -1 k BT 2πν f ν,T = k BT c Công thức Jean - Rayleigh x x ex x x 2! 3! Định luật xạ vật đen tuyệt đối Định luật Stefan Boltzman: Năng suất phát xạ toàn phần vật đen tuyệt đối tỉ lệ với lũy thừa bốn nhiệt độ tuyệt đối vật R T =σT σ=5.67x10 W/m K -8 P S RT Sσ T4 S: diện tích bề mặt phát xạ Định luật Wien: Đối với vật đen tuyệt đối, bước sóng m chùm xạ đơn sắc mang nhiều lượng nhất, tỉ lệ nghịch với nhiệt độ tuyệt đối vật λ mT b 3 b 2.898x10 mK peak vs Temperature T 3100K (body temp) 58000K (Sun’s surface) peak = 2.9 x 10-3 m T(Kelvin) 2.9 x 10-3 m =9x10-6m 3100 infrared light 10-3 2.9 x 58000 visible light m =0.5x10-6m Thuyết photon Einstein Bức xạ điện từ cấu tạo vô số hạt lượng tử ánh sáng (photon) Với xạ điện từ đơn sắc định, photon giống nhau, có lượng E hc E=hν= λ Trong môi trường (kể chân không) photon truyền với vận tốc c = 3x108m/s Khi vật xạ hay hấp thụ xạ điện từ xạ hay hấp thụ photon Cường độ chùm xạ tỉ lệ với số photon phát từ nguồn đơn vị thời gian Hiện tượng quang điện Là tượng bắn quang electron từ kim loại xạ điện từ thích hợp chiếu vào Đường đặc trưng IV tế bào quang điện I Ban đầu cường độ dòng Bảo hòa quang điện tăng theo hiệu điện U Khi tăng đến giá trị cường độ dịng quang điện đạt đến giá trị bảo hòa Khi U = 0, cường độ dòng quang điện I ≠ Các quang electron bắn khỏi Katot có sẵn động ban đầu Wo Wo mv omax U Có thể triệt tiêu dịng I quang điện cách tác dụng lên hai cực tế bào quang điện hiệu điện cản UC có giá trị cho U công cản điện trường động ban đầu cực đại quang electron eUC mv omax Giải thích tượng quang điện Các electron kim loại muốn thoát khỏi bề mặt phải có lượng cơng A electron kim loại Bình thường động chuyển động nhiệt electron nhỏ cơng A Khi xạ điện từ thích hợp lượng E = h chiếu vào, electron tự kim loại hấp thụ photon hν A mv omax Phương trình Einstein Electron sát mặt kim loại hν A mv omax hc λ A λ λo >0 hc A λ λo Giới hạn quang điện Điều kiện cần để xảy tượng quang điện Định luật giới hạn quang điện: kim loại xác định dùng làm Katot, tượng quang điện xảy bước sóng xạ tới nhỏ giá trị xác định o Định luật dòng quang điện bảo hòa: cường độ dòng quang điện bảo hòa tỉ lệ với cường độ chùm xạ chiếu tới Dòng quang điện bảo hòa số quang electron khỏi Katot Anot khơng đổi đơn vị thời gian Định luật động ban đầu cực đại: động ban đầu cực đại quang electron không phụ thuộc vào cường độ chùm xạ chiếu tới mà phụ thuộc vào tần số chùm xạ hc hc mv omax λ λo h o eU c Động lực học photon Photon ứng xạ điện từ đơn sắc tần số có lượng hc E hν λ E mc h m cλ m v mo m c Động lượng photon v 1 c Khối lượng nghỉ mo mo v=c mo = h p mv mc λ Hiệu ứng Compton Cho chùm tia X bước sóng chiếu vào chất paraphin, graphit, … Khi qua chất chùm tia X bị tán xạ Phổ tán xạ tia X cho thấy có vạch: Vạch có bước sóng bước sóng chùm tia X tới Vạch có bước sóng > không phụ thuộc cấu tạo chất chiếu tia X mà phụ thuộc góc tán xạ Hiệu ứng Compton kết trình tán xạ đàn hồi chùm tia X lên electron chất Nếu tia X sâu vào nguyên tử gặp electron sâu bên nguyên tử, liên kết mạnh với hạt nhân Chùm tia X bị tán xạ đàn hồi lượng tia X không thay đổi () Nếu tia X vào nguyên tử gặp electron lớp liên kết yếu với hạt nhân, tia X va chạm với electron, chuyển hóa phần lượng cho electron sau tán xạ lượng chùm photon tia X nhỏ so với lượng ban đầu E < E > Độ tăng bước sóng h θ 1 cosθ λ csin Δλ λ λ o m ec c = 2.426 x 10-12m: bước sóng Compton Năng lượng Hạt Trước va chạm electron Sau va chạm Trước va chạm Sau va chạm h h p λ h p λ h photon moe me c2 Động lượng me m oe v 1 c c2 me c E pe = pe c E pe me c 2 4 Bảo toàn lượng c c 2 h moec h mec λ λ Động electron c c K e mec moec h h λ λ Bảo toàn động lượng p p pe ... thụ lượng điện từ Thuyết lượng tử Plank Các nguyên tử, phân tử phát xạ, hấp thụ lượng xạ điện từ cách gián đoạn Năng lượng phát xạ hay hấp thụ = bội số nguyên hc hf Ei E f λ lượng lượng... E f λ lượng lượng nhỏ xác định h 6.625x10 34 Js gọi lượng tử lượng Đối với xạ điện từ đơn sắc tần số , bước sóng hc , lượng tử lượng E E=hν= λ Công thức Plank 2πν f ν,T = c Khi T lớn... hiệu ứng quang điện thể chất hạt xạ Bức xạ nhiệt Bằng cách kích thích phân tử, ngun tử làm chúng chuyển từ trạng thái sang kích thích Khi chúng chuyển từ trạng thái kích thích bản, lượng trả