(TIỂU LUẬN) đề tài số 5 TÍNH CHẤT hạt của ÁNH SÁNG và ỨNG DỤNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG * - Đề tài số 5: TÍNH CHẤT HẠT CỦA ÁNH SÁNG VÀ ỨNG DỤNG GVHD: Trần Văn Lượng Khoa: Việt Pháp Lớp : P_01 Nhóm sinh viên thực hiện: STT Họ tên Phạm Quang Anh Chu Đình Sơn Trần Võ Thanh Phụng Vũ Quý Hòa Lê Quỳnh Anh MSSV 1910025 1910498 1910461 1913479 1912574 Chấm điểm thuyết trình tập lớn Vật lí 2: Điểm thuyết trình Điểm trình bày Điểm nộp gửi trả lời câu hỏi hạn nội dung đề tài trước lớp (tối đa điểm) (tối đa điểm) (tối đa điểm) Tp HCM, tháng 12 năm 2020 Tổng điểm MỤC LỤC Đề mục Trang MỤC LỤC i Danh sách bảng biểu iii Danh sách hình ảnh iv CHƯƠNG Lý thuyết tổng quan tính chất hạt ánh sáng 1.1 Định nghĩa số tính chất 1.2 Photon 1.2.1 Định nghĩa 1.2.2 Tính chất 1.3 Thuyết lượng tử ánh sáng CHƯƠNG Các hiệu ứng đặc trưng cho tính chất hạt ánh sáng 2.1 Hiệu ứng quang điện (Photoelectric effect) 2.1.1 Định nghĩa 2.1.2 Công thức Einstein 2.1.3 Các định luật quang điện 2.2 Tán xạ Comptom (Compton scattering) 2.2.1 Định nghĩa 2.2.2 Tán xạ Comptom 2.2.3 Tán xạ Compton ngược 2.3 Hiệu ứng phát quang 2.3.1 Mơ hình ngun tử Bohr 2.3.2 Mơ hình ngun tử đại theo học lượng tử .6 2.3.3 Hiệu ứng phát quang CHƯƠNG Một số ứng dụng tượng thực tế 3.1 Pin quang điện 3.1.1 Định nghĩa: 3.1.2 Cấu tạo: 3.1.3 Nguyên lý hoạt động i 3.1.4 Một số ứng dụng pin quang điện 3.2 Hiện tượng quang - phát quang 3.2.1 Ứng dụng 3.3 Tán xạ Compton 10 3.3.1 Trong nghiên cứu: Tạo nguồn tia X 10 3.3.2 Xác định độ dày vật liệu 11 3.3.3 Trong vật lí thiên văn: Quan sát phát lỗ đen 12 TÀI LIỆU THAM KHẢO 13 ii Danh sách bảng biểu Đề mục Trang Bảng 2.1 Hiệu ứng lân quang huỳnh quang Bảng 3.1 Bảng lượng chùm tia X tương ứng với lượng chùm electron 10 iii Danh sách hình ảnh Đề mục Trang Hình 2.1 Mơ hiệu ứng quang điện Hình 2.3 Điều kiện xảy hiệu ứng quang điện Hình 2.2 Dịng quang điện bão hòa cường độ sáng Hình 2.4 Tán xạ Comtomp Hình 2.5 Kết thí nghiệm Comtomp Hình 2.6 Quang phổ vạch nguyên tử Hidro Hình 2.7 Giản đồ Jablonski .7 Hình 2.8 Phát quang nhờ phản ứng hóa học Hình 3.1 Sơ đồ cấu tạo pin quang điện Hình 3.2 Ứng dụng hiệu ứng phát quang chiếu sáng lối Hình 3.3 Sơ đồ cấu tạo bóng đèn huỳnh quang Hình 3.4 Máy tạo nguồn X-ray tập đoạn Lyncean Technology 10 Hình 3.5 Bộ phận máy 10 Hình 3.6 Các phận thiết bị đo 11 Hình 3.7 Nguồn phóng xạ Cs137 11 Hình 3.8 Nguồn phóng xạ Co60 12 Hình 3.9 Đầu dị chùm tán xạ 12 iv CHƯƠNG LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ TÍNH CHẤT HẠT ÁNH SÁNG 1.1 Định nghĩa số tính chất Trong thực tế, ánh sáng hay ánh sáng khả kiến xạ điện từ nhìn thấy mắt thường người Ánh sáng khả kiến nằm khoảng bước sóng từ 400 – 700 nanometers Trong vật lý, ánh sáng sóng điện từ bước sóng nào, có nhìn thấy hay khơng Các tia gamma, X-rays, sóng hồng ngoại, tia cực tím ánh sáng Vận tốc ánh sáng môi trường chân khơng tính tốn khoảng: c = 299792458 m/s vận tốc lớn đạt tự nhiên theo tiên đề Einstein 1.2 Photon 1.2.1 Định nghĩa Photon hạt bản, đồng thời hạt lượng tử trường điện từ, dạng xạ điện từ khác Photon hạt loại ánh sáng Photon chuyển động, chân không, vận tốc photon quan sát: c = 299792458 m/s 1.2.2 Tính chất - Photon khơng có khối lượng lượng nghỉ Chúng xuất dạng hạt - chuyển động.Photon coi hạt khơng có khối lượng Photon khơng mang điện - Photon có tính ổn định khơng thể tự phân rã Photon có spin ± 1, hạt boson - Năng lượng, động lượng, moment động lượng của photon phụ thuộc vào tần số Các hạt photon tương tác với với hạt khác Photon bị phá hủy tạo tượng tự nhiên Trong chân không, vận tốc photon vận tốc ánh sáng 1.3 Thuyết lượng tử ánh sáng Theo lý thuyết lượng tử ánh sáng Einstein, lượng photon tích tần số nhân với số Planck Ánh sáng dòng dịch chuyển photon, cường độ ánh sáng phụ thuộc vào số lượng hạt photon � � = ℎ� = ℎ � Trong đó: số Planck vận tốc ánh sáng chân không f: tần số ánh sáng : bước sóng ánh sáng CHƯƠNG CÁC HIỆU ỨNG ĐẶC TRƯNG CHO TÍNH CHẤT HẠT CỦA ÁNH SÁNG 2.1 Hiệu ứng quang điện (Photoelectric effect) 2.1.1 Định nghĩa Hiệu ứng quang điện tượng điện – lượng tử, electron thoát khỏi nguyên tử hay vật chất sau hấp thụ photon mang lượng đủ lớn Hiệu ứng quang điện gọi hiệu ứng Hertz, nhà khoa học Heinrich Hertz tìm Hình 2.1 Mơ hiệu ứng quang điện 2.1.2 Công thức Einstein Electron hấp thụ lượng photon, lượng dùng để: - Cung cấp công thoát �� để electron thắng lực liên kết Cung cấp động ban đầu cho electron ���� � = �� + ���� ℎ� ℎ� = + �� �0 � 2.1.3 Các định luật quang điện - Dòng quang điện bão hòa tỉ lệ với cường độ chùm sáng chiếu đến Giải thích: I cường độ chùm sáng N0 số photon chiếu đến bề mặt kim loại đơn vị thời gian Gọi N số photon hấp thụ đơn vị thời gian => N số hạt electron bứt khỏi Cathode đơn vị thời gian Ibh cường độ dịng bão hịa Ta có: � ~ �0 ~ � ��  ��ℎ = ~� � Hình 2.3 Dịng quang điện bão hịa cường độ sáng a Mỗi kim loại tồn tần số cực tiểu ���� , chùm sáng có tần sổ � < ���� hiệu ứng quang điện không xảy Hình 2.2 Điều kiện xảy hiệu ứng quang điện Giải thích: � = �� + ���� Khi �≤ �� , ���� = => Vận tốc thoát electron không => Không xảy hiệu ứng quang điện b Động cực đại ���� electron bứt khởi Cathode phụ thuộc tuyến tính vào tần số � chùm sáng không phụ thuộc vào cường độ chùm sáng chiếu tới Giải thích: � = �� + ���� Vậy: ���� ~ � ~ � 2.2 Tán xạ Comptom (Compton scattering) 2.2.1 Định nghĩa Tán xạ Comptom, tìm Arthur Holly Compton, va chạm photon hạt mang điện, thường electron Nếu kết suy giảm lượng (tăng bước sóng) photon, hiệu ứng Compton, phần lượng photon truyền cho hạt tích điện Sự thay đổi bước sóng va chạm gọi dịch chuyển Compton Hiệu ứng Compton minh chứng rõ cho tính chất hạt ánh sáng 2.2.2 Tán xạ Comptom Hình 2.4 Tán xạ Comtomp  - Giải thích theo va chạm Động lượng photon: �= - ℎ� ℎ = � � Liên hệ động lượng – lượng: �2 = �02 �2 + �2 �4 - Bảo toàn động lượng: 󰇍󰇍�� = � 󰇍󰇍󰇍� + � 󰇍󰇍󰇍� - Bảo toàn lượng: ℎ� ℎ� + �0 �2 = + �� �� �0 �2 1− �2 �2 - Kết hợp định luật bảo toàn lượng định luật bảo toàn động lượng, thu hệ thức Comptom: ℎ (1 − cos � ) ∆� = ��  Kết thí nghiệm Compton Hình 2.5 Kết thí nghiệm Comtomp 2.2.3 Tán xạ Compton ngược Tán xạ Comptom ngược va chạm photon lượng thấp electron mang lượng cao Kết va chạm photon nhận thêm lượng electron lượng Hệ thức Comtomp ngược: �� (1 + �� ) �� = �� �� + �� ���� + �� (1 − ����) Trong đó: �� lượng đầu chùm photon trước va chạm �� lượng chùm photon sau va chạm 2.3 Hiệu ứng phát quang 2.3.1 Mô hình nguyên tử Bohr a Tiên đề Bohr Electron quay xung quanh hạt nhân quỹ đạo mà quỹ đạo trịn, đồng tâm có bán kính định gọi quỹ đạo bền (hay quỹ đạo cho phép) Khi quay quỹ đạo bền này, electron không phát lượng điện từ Năng lượng (E) phát hay hấp thụ electron chuyển từ quỹ đạo bền sáng quỹ đạo bền khác hiệu số lượng trạng thái đầu trạng thái sau b Lượng tử hóa moment động lượng ℎ � = ��� = � 2� Trong đó: � � khối lượng tốc độ electron ℎ số Planck � = 1, 2, 3, … số lượng tử c Bước sóng vạch quang phổ Bằng việc kết hợp định luật động lực học cổ điển, bảo toàn lượng, lượng tử hóa moment động lượng, bước sóng vạch quang phổ xác định biểu thức: 1 ��4 − �= �2 8�0 �ℎ3 �02 Trong đó: � – Bước sóng xạ điện từ phát �− khối lượng electron � - điện tích electron �0 – số điện môi chân không ℎ - số Planck � – tốc độ ánh sáng chân không d Vạch quang phổ nguyên tử Hidro Hình 2.6 Quang phổ vạch ngun tử Hidro 2.3.2 Mơ hình ngun tử đại theo học lượng tử Do mâu thuẫn nội tại, khơng thể giải thích thỏa đáng hàng loạt vấn đề, không cho kết phù hợp áp dụng cho mơ hình ngun tử có nhiều electron, lý thuyết Bohr đạt nhiều thành tựu đáng kể chưa thỏa mãn giới khoa học Bằng việc giả thiết vật có lưỡng tính sóng hạt tn theo hệ thức � = ℎ � De Broglie đặt móng cho học lượng tử Cơ học lượng tử thành lý thuyết hồn chỉnh giải thích cấu tạo ngun tử xuất phương trình Schrưdinger 2.3.3 Hiệu ứng phát quang Hiệu ứng phát quang thuật ngữ chung dùng để mơ tả q trình vật liệu hấp thụ lượng từ nguồn bên sau phát xạ lại nguồn lượng xa điện từ Nguồn lượng đến từ phản ứng hóa học, tác động vật lý… Hiệu ứng phát quang chia thành loại a Hiện tượng quang hóa – Photoluminescence Bảng 2.1 Hiệu ứng lân quang huỳnh quang Hiện tượng huỳnh quang - Fluorescence Hiện tượng lân quang - Phosphorescence Sự phát quang vật chất hấp thụ ánh sáng hay xạ điện từ Với vật liệu huỳnh quang, sóng điện từ Với vật liệu lân quang, nguồn lượng hấp thụ phát xạ lại sau hấp xạ hấp thụ từ xạ điện từ bực xạ điện từ biến giữ lại phát xạ khoảng thời gian xạ điện từ biến ( từ 10-10 đến 10-7 dài ( từ 10-5 đến 103 giây) giây) Hình 2.7 Giản đồ Jablonski Sn trạng thái kích thích điện tử đơn thứ n phân tử (Spin phân thử 0) Tn trạng thái kích thích điện tử bội ba thứ n phân tử (Phân tử có Spin -1, 0, 1) Energy levels: Các mức lượng Các vạch đậm thể lượng thấp trạng thái electron, vạch nhạt thể mức lượng cao Absorption: Sự hấp thụ Internal Conversion: Sự chuyển dịch nội – Electron chuyển từ trạng thái sang trạng thái khác không phát xạ điện từ Vibrational relaxation: Sự chuyển từ đổi từ trạng thái lượng cao xuống trạng thái lượng thấp trạng thái electron Intersystem crossing: Sự chuyển dịch không tạo xạ điện từ trạng thái electron số Spin b Phát quang nhờ hóa chất – Chemiluminescence Phát quang nhờ hóa chất tượng mà ánh sáng phát nhờ vào nguồn lượng sinh phản ứng hóa học Hình 2.8 Phát quang nhờ phản ứng hóa học CHƯƠNG MỘT SỐ ỨNG DỤNG VÀ HIỆN TƯỢNG TRONG THỰC TẾ 3.1 Pin quang điện 3.1.1 Định nghĩa: Pin quang điện nguồn điện quang chuyển hóa thành điện Pin quang điện gồm hai lớp bán dẫn tiếp xúc nhau: bán dẫn loại p (gồm đa số lỗ trống mang điện tích dương) lớp bán dẫn n (gồm đa số electrơn dẫn mang điện tích âm) Giữa lớp p lớp n hình thành lớp đặc biệt gọi lớp chặn, có tác dụng ngăn không cho electrôn di chuyển từ lớp bán dẫn n sang lớp bán dẫn p Pin quang điện hoạt động dựa tượng quang điện chất bán dẫn: german, silic, selen 3.1.2 Cấu tạo: Hình 3.1 Sơ đồ cấu tạo pin quang điện 3.1.3 Nguyên lý hoạt động - Ánh sáng có bước sóng thích hợp rọi vào điện cực dương + (trong suốt) vào lớp bán dẫn loai p Tại lớp p, xảy tượng quang điện tạo thành lỗ trống electron quang điện Điện trường lớp tiếp xúc p - n đẩy lỗ trống lớp p đẩy electron dẫn lớp n, khiến lớp bán dẫn p trở nên nhiễm điện dương cịn lớp n thừa electrơn trở nên nhiễm điện âm Lớp kim loại mỏng phía lớp p (vừa cho phép ánh sáng qua, vừa có tác dụng dẫn điện) nối với điện cực Điện cực điện cực dương Ở phía lớp n đế kim loại đóng vai trị điện cực âm Nối hai điện cực pin quang điện với mạch ngồi mạch ngồi có dịng điện chiều chạy từ cực dương sang cực âm 3.1.4 Một số ứng dụng pin quang điện - - Chế tạo pin lượng mặt trời, máy nước nóng lượng mặt trời, phương tiện sử dụng pin lượng mặt trời đường bộ, đường sắt, đường thủy đường hàng không, quần áo lượng mặt trời, … Máy đo ánh sáng/màu sắc lux kế, cảm biến bật/tắt đèn đường Chế tạo pin dùng tàu vũ trụ 3.2 Hiện tượng quang - phát quang 3.2.1 Ứng dụng Một số loại sơn xanh, đỏ, vàng lục quyét biển báo giao thông đầu cọc giới đường chất lân quang có thời gian kéo dài khoảng vài phần mười giây Ngoài cịn có nhiều đồ trang trí nội thất sử dụng chất lân quang Hỗn hợp xi-măng trộn chất lân quang hấp thụ ánh sáng mặt trời ban ngày chiếu sáng vào ban đêm ngày thời tiết u ám phát sáng liên tục 12 đồng hồ, giúp tiết kiệm điện Hình 3.2 Ứng dụng hiệu ứng phát quang chiếu sáng lối Bóng đèn huỳnh quang: ngun lí làm việc: Khi đóng điện, tượng phóng điện hai điện cực làm phát tia tử ngoại (tia cực tím) Tia tử ngoại tác dụng vào lớp bột huỳnh quang làm đèn phát sáng Hình 3.3 Sơ đồ cấu tạo bóng đèn huỳnh quang 3.3 Tán xạ Compton 3.3.1 Trong nghiên cứu: Tạo nguồn tia X Bằng việc thực hiệu ứng tán xạ Compton ngược, người ta tạo nguồn chiếu tia X Chùm tia X tạo có lượng từ 10 KeV tới vài trăm KeV Hình 3.4 Máy tạo nguồn X-ray tập đoạn Lyncean Technology a Nguyên lí hoạt động - sở lí thuyết Các electron gia tốc buồng gia tốc hạt để đại mức lượng cực lớn, electron sau gia tốc bắn vào chùm photon lượng thấp (thường từ tia Laser), hiệu ứng tán xạ Compton ngược xảy ra, photon tán xạ ngược mang lượng cao, tạo chùm tia X b Cấu tạo, phận Hình 3.5 Bộ phận máy - Buồng electron: nơi trữ dòng electron Buồng gia tốc hạt: dòng electron lấy vận chuyển đến buồng gia tốc hạt Tại đây, electron gia tốc để đạt tới lượng cần thiết Có thể điều chỉnh mức lượng cần đạt tới electron Bảng 3.1 Bảng lượng chùm tia X tương ứng với lượng chùm electron 10 c Ứng dụng tia X Việc tạo nguồn tia X ứng dụng nhiều như: - Kiểm tra an ninh cửa khẩu, sân bay: kiểm tra hành lí, đồ dùng người - Ứng dụng chẩn đốn hình ảnh Y tế: chụp X - quang, … - Các thí nghiệm liên quan đến tia X Phịng thí nghiệm 3.3.2 Xác định độ dày vật liệu a Cơ sơ lí thuyết - Nguyên lí hoạt động Bằng việc sử dụng tán xạ Compton, chùm tia gamma chiếu tới vật liệu bị tán xạ, lệch góc θ so với phương ban đầu Đo cường độ chùm tán xạ cho ta biết độ dày vật liệu Hình 3.6 Các phận thiết bị đo b Cấu tạo, phận - Nguồn phóng xạ thường đồng vị phóng xạ Co60 Cs137 - Nguồn phóng xạ dạng trụ có đường kính 4-5mm, bọc thép bên ngồi - Đầu dị: Một mơ hình đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) xây dựng dựa mẫu đầu dị Hình 3.7 Nguồn phóng xạ Cs137 11 76 R76 NaI(Tl) hãng Amptek, Inc gồm có thành phần sau: + Một tinh thể NaI(Tl) kích thước 7,6 cm x 7,6 cm, Hình 3.8 Nguồn phóng xạ Co60 + Mặt phía trước tinh thể từ ngồi vào gồm lớp nhôm dày 0,15 cm lớp silicon dày 0,2 cm, + Mặt bên cạnh tinh thể từ ngồi vào gồm lớp nhơm 0,15 cm lớp phản xạ nhôm oxit 0,2 cm, + Mặt phía sau tinh thể cửa sổ kính dẫn sáng 0,6 cm ơng nhân quang điện nhơm Hình 3.9 Đầu dị chùm tán xạ 3.3.3 Trong vật lí thiên văn: Quan sát phát lỗ đen Để quan sát phát lỗ đen, nhà thiên văn sử dụng nhiều hiệu ứng khác có hiệu ứng Compton – hay xác hiệu ứng Compton ngược Đối với lỗ đen hình thành từ hệ đôi, trở thành lỗ đen hút vật chất ngơi đồng hành với Trong q trình này, vật chất – có electron – gia tốc đến vận tốc lớn Các electron lúc gia tốc đến ngưỡng tương đối tính Lúc này, cần xạ điện từ lượng thấp tương tác với electron phát xạ điện từ tán xạ có lượng cao – cỡ tia X Dựa vào việc quan sát xạ tia X mà nhà thiên văn xác định đâu có khả có lỗ đen 12 TÀI LIỆU THAM KHẢO Halliday, David, Robert Resnick, and Jearl Walke, Fundamentals of physics, New York: Wiley, 1997 Vũ Quang, Quang học 2, Nhà xuất Giáo dục Việt Nam, Nguyễn Đình Soa, Hóa đại cương, Nhà xuất Đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2017 Penelope Allisy and Robert Jerry Williams, Farr's physics for medical imaging, Edinburgh : Saunders Elsevier, 2008 Phạm Thị Vi, Khảo sát tán xạ ngược chùm tia gamma lên vật liệu thép ct3 thép c45, Đại học Khoa Học Tự Nhiên - Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh, 2013 Bùi Phương Nam, Tính tốn tiết diện Compton nhơm, sắt,đồng, thép C45 thép CT3 vùng lượng 250 keV–2600 keV, Đại học Khoa Học Tự Nhiên - Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh, 2015 Tibi Puiu, June 23, 2017, What exactly is a photon? Definition, properties, facts, https://www.zmescience.com/science/what-is-photon-definition-04322/ Daniel Merthe, Ph.D Physics, University of Southern California (2017), Why is the spin of phonon while the spin of photon is 1? https://www.quora.com/Why-is-the-spin-of-phonon-0-while-thespin-of-photon-is-1 Edinburgh Instrument, What is a Jablonski Diagram (Perrin-Jablonski Diagram)? https://www.edinst.com/blog/jablonski-diagram/ FV.Hartemann, F.Albert, S.G.Anderson, A.J.Bayramian, T.S.Chu, R.R.Cross, C.A.Ebbers, D.J.Gibson, T.L.Houck, A.S Ladran, R.A.Marsh, M.J.Messerly, V.A.Semenov, M.Y.Shverdin, S.S.Wu, R.D.Scarpetti, Jr.C.W.Siders, D.P.McNabb, R.E.Bonanno, and C.P.J.Barty, 2010, Overview of Compton Scattering Light Sources & Applications https://portal.slac.stanford.edu/sites/ad_public/events/fls2010/documents/icfa_ls_slac_(03-022010).pdf ; Jom Luiten, Xavier Stragier, Koen Janssens , Joris Dik; Inverse Compton Scattering X-Ray Source, Canada, 2008 13 ... thuộc vào số lượng hạt photon � � = ℎ� = ℎ � Trong đó: số Planck vận tốc ánh sáng chân không f: tần số ánh sáng : bước sóng ánh sáng CHƯƠNG CÁC HIỆU ỨNG ĐẶC TRƯNG CHO TÍNH CHẤT HẠT CỦA ÁNH SÁNG 2.1... CHƯƠNG LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ TÍNH CHẤT HẠT ÁNH SÁNG 1.1 Định nghĩa số tính chất Trong thực tế, ánh sáng hay ánh sáng khả kiến xạ điện từ nhìn thấy mắt thường người Ánh sáng khả kiến nằm khoảng bước... tốc ánh sáng 1.3 Thuyết lượng tử ánh sáng Theo lý thuyết lượng tử ánh sáng Einstein, lượng photon tích tần số nhân với số Planck Ánh sáng dòng dịch chuyển photon, cường độ ánh sáng phụ thuộc vào