Lượng tử ánh sáng

GV: Trần Thiên Đức - http://ductt111.wordpress.com V2011 HƯỚNG DẪN GIẢI BÀI TẬP ĐỊNH HƯỚNG TUẦN - DẠNG 1: BÀI TOÁN PHÁT XẠ KIẾN THỨC CƠ BẢN: - Bức xạ: sóng điện từ vật phát - Nguyên nhân: tác dụng nhiệt, tác dụng hóa học, q trình biến đổi lượng mạch dao động điện từ - Bức xạ nhiệt: dạng xạ nguyên tử phân tử bị kích thích tác dụng nhiệt - Các q trình xạ:  Phát xạ:  lượng giảm nhiệt độ giảm  Hấp thụ xạ:  lượng tăng nhiệt độ tăng  TH đặc biệt: phần lượng vật bị phát xạ phần lượng vật nhận hấp thụ  nhiệt độ lượng vật không đổi  xạ nhiệt cân - Những đại lượng đặc trưng cho trình phát xạ cân bằng:  Năng suất phát xạ toàn phần vật nhiệt độ T: đại lượng trị số lượng lượng xạ toàn phần đơn vị diện tích vật phát đơn vị thời gian nhiệt độ T: (W/m2) Trong RT suất phát xạ toàn phần nhiệt độ T, lượng xạ toàn phần nhiệt độ T  Hệ số phát xạ đơn sắc vật nhiệt độ T: đại lượng đặc trưng cho mức độ mang lượng nhiều hay xạ đơn sắc  Mối quan hệ RT r,T: ∫ - Những đại lượng đặc trưng trình hấp thụ xạ GV: Trần Thiên Đức - http://ductt111.wordpress.com V2011  Hệ số hấp thụ toàn phần vật nhiệt độ T: đại lượng xác định tỷ số lương xạ bị hấp thụ lượng xạ gửi tới  Hệ số hấp thụ đơn sắc vật nhiệt độ T: đại lượng đặc trưng cho mức độ hấp thụ lượng xạ đơn sắc, xác định cơng thức: Trong lượng chùm xạ chiếu tới có bước sóng nằm khoảng từ  đến  + d, lượng chùm xạ bị hấp thụ có bước sóng nằm khoảng từ  đến  + d - Vật đen tuyệt đối (vật đen lý tưởng):  Định nghĩa: vật hấp thụ hoàn toàn lượng chùm xạ đơn sắc gửi tới  hệ số hấp thụ đơn sắc vật đen tuyệt đối khơng phụ thuộc vào bước sóng (cứ tưởng tượng đưa ăn hết hệ số  thực tế khơng có hấp thụ đâu phụ thuộc vào ăn )  vật đen tuyệt đối mà có vật đen gần tuyệt đối  Các cơng thức liên quan: o Định luật Stefan – Boltzmann: suất phát xạ toàn phần vật đen tuyệt đối tỷ lệ thuận với lũy thừa bậc nhiệt độ tuyệt đối vật đó: Trong  = 5,67.10-8 W/m2.K4 số Stefan – Boltzmann o Bước sóng max ứng với cực đại suất phát xạ đơn sắc vật đen tuyệt đối Trong b = 2,896.10-3 mK số Vin o Công thức Plank hệ số phát xạ đơn sắc vật đen tuyệt đối - Năng suất phát xạ tồn phần vật đen khơng tuyệt đối (có hệ số hấp thụ ): GV: Trần Thiên Đức - http://ductt111.wordpress.com Phổ phát xạ vật đen tuyệt đối BÀI TẬP VÍ DỤ V2011 Phổ phát xạ vật đen tuyệt đối nhiệt độ khác BÀI 4.2 Tìm nhiệt độ lò, lỗ nhỏ có kích thước (2x3) cm2, giây phát 8,28 calo Coi lò vật đen tuyệt đối Tóm tắt: S = (2x3)cm2 P = 8,28 calo =1 Xác định T * Nhận xét: Do coi lò vật đen tuyệt đối nên ta sử dụng cơng thức suất phát xạ tồn phần cho vật cho vật đen tuyệt đối Chú ý mối liên hệ suất phát xạ công suất phát xạ vật đen: Ngoài cần quy đổi đơn vị cal đơn vị J: 1cal = 4.187J = 4,187W - Ta có: √ BÀI 4.5 Tính lượng xạ ngày đêm từ ngơi nhà gạch trát vữa, có diện tích mặt tổng cộng 1000m2, biết nhiệt độ xạ 270C hệ số hấp thụ 0,8 Tóm tắt: S = 1000m2 T = 270C = 300K  = 0,8 GV: Trần Thiên Đức - http://ductt111.wordpress.com V2011 t = 24h Xác định Q * Nhận xét: Bài tốn liên quan đến suất phát xạ tồn phần vật đen không tuyệt đối Từ liệu đề bài, ta dễ dàng xác định suất xạ  xác định công suất xạ  xác định lượng xạ ngày đêm - Năng suất xạ tồn phần ngơi nhà: - Công suất xạ nhà: - Năng lượng xạ nhà ngày đêm: BÀI 4.12 Dây tóc vonfram bóng đèn điện có đường kính 0,3mm có độ dài 5cm Khi mắc đèn vào mạch điện 127V dịng điện chạy qua đèn 0,31A Tìm nhiệt độ đèn, giả sử trạng thái cân bằng, tất nhiệt đèn phát dạng xạ Tỉ số suất phát xạ toàn phần dây tóc vonfram vật đen tuyệt đối 0,31 Tóm tắt: d = 0,3mm L = 5cm U = 127V I = 0,31A Xác định T * Nhận xét: Đây toán kết hợp toán xạ toán điện chiều “Ở trạng thái cân bằng, tất nhiệt đèn phát dạng xạ”  công suất tỏa nhiệt bóng đèn cơng suất xạ bóng đèn  xác định P  xác định T - Từ điều kiện: - Năng suất xạ toàn phần bóng đèn điện là: (1) GV: Trần Thiên Đức - http://ductt111.wordpress.com - Ngồi ta có mối liên hệ V2011 P là: (2) - Từ (1) (2) ta có: √ √ BÀI 4.15 Tìm số Mặt Trời, nghĩa lượng quang mà phút Mặt Trời gửi đến diện tích 1m2 vng góc với tia nắng cách Mặt Trời khoảng khoảng cách từ Mặt Trời đến Trái Đất Biết nhiệt độ vỏ Mặt Trời 5800K Coi xạ Mặt Trời xạ vật đen tuyệt đối Bán kính Mặt Trời r = 6,95.108m, khoảng cách từ Mặt Trời đến Trái Đất R = 1,5.1011m Tóm tắt: T = 5800K r = 6,95.108m R = 1,5.1011m Xác định s * Nhận xét: Bài toán vật đen tuyệt đối Trong này, mặt trời coi vật đen tuyệt đối ta biết nhiệt độ vỏ mặt trời nên ta xác định suất phát xạ toàn phần  xác định cơng suất phát xạ tồn phần  xác định mật độ lượng nhận bề mặt trái đất (ở ta coi mặt trời nguồn điểm phát xạ tới bề mặt cầu bán kính khoảng cách từ mặt trời đến trái đất)  xác định số mặt trời - Năng suất phát xạ toàn phần mặt trời là: - Cơng suất phát xạ tồn phần mặt trời là: Trong S diện tích mặt trời  - Mật độ lượng nhận bề mặt trái đất là: GV: Trần Thiên Đức - http://ductt111.wordpress.com V2011 - Hằng số mặt trời là: BÀI 4.22 Nhiệt độ vật đen tuyệt đối tăng từ 1000K đến 3000K a Năng suất phát xạ tồn phần tăng lên lần b Bước sóng ứng với suất phát xạ cực đại thay đổi nào? Tóm tắt: T1 = 1000K T2 = 3000K Xác định: ; * Nhận xét: Bài toán đơn giản, ta cần xét công thức suất phát xạ, bước sóng cực đại cho vật đen hai trường hợp T1 T2  xác định tỷ số cần tìm - Năng suất phát xạ tồn phần hai trường hợp là: - Bước sóng ứng với suất phát xạ cực đại ứng với nhiệt độ 1000K: - Bước sóng ứng với suất phát xạ cực đại ứng với nhiệt độ 3000K:  Bước sóng giảm dần từ 2,896m đến 0,965m DẠNG 2: BÀI TOÁN HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN KIẾN THỨC CƠ BẢN - Năng lượng photon ứng với xạ điện từ đơn sắc tần số f: GV: Trần Thiên Đức - http://ductt111.wordpress.com V2011 - Khối lượng photon: - Động lượng photon: - Hiện tượng quang điện:  Giới hạn quang điện: A cơng thốt, h số Plank có giá trị 6.62.10-34Js  Phương trình Anhxtanh:  Hiệu điện hãm: BÀI 4.32 Khi chiếu chùm sáng vào kim loại có tượng quang điện xảy Nếu dùng hiệu điện hãm 3V quang electron bị bắn khỏi kim loại bị giữ lại không bay sang anot Biết tần số giới hạn đỏ kim loại f0 = 6.1014s-1 Hãy tính: a Cơng electron kim loại b Tần số chùm sáng tới Tóm tắt: Uh = 3V f0 = 6.1014s-1 Xác định A, f * Nhận xét: Đây toán tượng quang điện quen thuộc chương trình phổ thổng  sử dụng công thức liên quan tới tượng quang điện ta dễ dàng xác định đại lượng cần tìm - Cơng electrong kim loại là: - Tần số chùm sáng tới: GV: Trần Thiên Đức - http://ductt111.wordpress.com V2011 BÀI 4.37 Chùm photon xạ đơn sắc  = 0,232m đập thẳng vào mặt điện cực platin làm bắn theo phương pháp tuyến quang electron chuyển động với vận tốc cực đại, tính tổng động lượng truyền cho điện cực photon đập vào làm bắn electron Tóm tắt:  = 0,232m A = 4,09eV Xác định pKL * Nhận xét: Đây tốn bảo tồn động lượng, động lượng truyền cho điện cực động lượng photon chiếu tới trừ động lượng electron bật ⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗  mục tiêu toán xác định động lượng photon động lượng electron - Động lượng photon là: - Động lượng electron là: √ - Động lượng mà photon truyền cho điện cực là: √ ( √ ( ) ) BÀI 4.40 Tính bước sóng động lượng photon có lượng lượng nghỉ electron Tóm tắt: Xác định , p * Nhận xét: Bài toán liên quan đến lượng nghỉ electron: điều kiện đề ta dễ dàng xác định bước sóng  động lượng p Từ GV: Trần Thiên Đức - http://ductt111.wordpress.com V2011 - Từ điều kiện đề ta có: - Động lượng photon là: DẠNG 3: BÀI TOÁN COMPTON KIẾN THỨC CƠ BẢN - Hiệu ứng Compton: Thí nghiệm chiếu chùm tia X có bước sóng  vào bề mặt chất grafin, parafin phổ tán xạ tia X thu gồm vạch có bước sóng  vạch có bước sóng ’  ’ phụ thuộc vào góc tán xạ  mà khơng phụ thuộc vào chất chất chiếu tia X  kết tán xạ đàn hồi tia X lên electron khối chất  Vạch ứng với : tán xạ chùm tia X lên electron nằm sâu nguyên tử, liên kết mạnh với hạt nhân  Vạch ứng với ’: tán xạ chùm tia X lên electron liên kết yếu với nguyên tử.h (để dễ tưởng tưởng ta hình dung hai cầu: gắn cố định với sàn (liên kết mạnh), không gắn cố định với sàn (liên kết yếu)  cầu lao tới va cham vào hai cầu động cầu sau va chạm vào cầu gắn chặt sàn chắc lớn động cầu va chạm với cầu không gắn cố định với sàn  mà lượng thấp có nghĩa bước sóng dài  lý ’ >  - Công thức liên quan:  Bước sóng Compton:  Hiệu bước sóng tia tán xạ tia tới: GV: Trần Thiên Đức - http://ductt111.wordpress.com Hạt Photon  Electron Động lượng Trước va chạm Sau va chạm Năng lượng Trước va chạm hf V2011 Sau va chạm hf’ moec2 √ BÀI TẬP VÍ DỤ √ BÀI 4.51 Xác định bước sóng xạ Ronghen Biết tượng Compton cho xạ đó, động cực đại electron bắn 0,19MeV Tóm tắt: Xác định  * Nhận xét: Đối với toán Compton ta cần ý tới định luật bảo toàn lượng định luật bảo toàn động lượng Ngoài cần phải nắm lượng động lượng photon electron trước sau va chạm - Từ bảng + kết hợp với hai định luật bảo tồn ta có: - Động electron là: √ √ Mặt khác theo công thức tán xạ Compton: , thay vào ta có: Động cực đại  - Động bước sóng Compton biết nên ta dễ dàng xác định bước sóng  GV: Trần Thiên Đức - http://ductt111.wordpress.com V2011 BÀI 4.54 Trong tượng Compton, bước sóng chùm photon bay tới 0,03.10-10m Tính phần lượng truyền cho electron photon tán xạ góc 600, 900, 1800 Tóm tắt:  = 0,03.10-10m  = 600, 900, 1800 Xác định E * Nhận xét: Ở toán ta cần phải hiểu phần lượng truyền cho electron photon tán xạ Như ta biết photon chiếu tới mang lượng hf photon tán xạ mang lượng hf’  phần lượng truyền cho electron là: ( ) Thay ta xác định lượng truyền cho electron trường hợp:  E 600 120keV 900 186keV 1800 256keV BÀI 4.55 Tính động lượng electron có photon có bước sóng ban đầu 0,05.10-10m va chạm vào tán xạ theo góc 900 Tóm tắt:  = 0,05.10-10m  = 900 Xác định pe * Nhận xét: Đây tốn áp dụng định luật bảo tồn động lượng electron Chú ý động lượng ban đầu electron không ⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗ - Động lượng photon trước va chạm: - Động lượng photon sau va chạm: - Từ giản đồ vector ta có: GV: Trần Thiên Đức - http://ductt111.wordpress.com √ √ ( ) V2011 ... trừ động lượng electron bật ⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗  mục tiêu toán xác định động lượng photon động lượng electron - Động lượng photon là: - Động lượng electron là: √ - Động lượng mà... T: đại lượng xác định tỷ số lương xạ bị hấp thụ lượng xạ gửi tới  Hệ số hấp thụ đơn sắc vật nhiệt độ T: đại lượng đặc trưng cho mức độ hấp thụ lượng xạ đơn sắc, xác định công thức: Trong lượng. .. sóng động lượng photon có lượng lượng nghỉ electron Tóm tắt: Xác định , p * Nhận xét: Bài toán liên quan đến lượng nghỉ electron: điều kiện đề ta dễ dàng xác định bước sóng  động lượng p Từ