lý thuyết quang học lượng tử

Nội dung lý thuyết chương quang học lượng tử bao gồm: 1.Bức xạ nhiệt 2.Thuyết lượng tử Plank 3.Thuyết photon của Einstein Các bạn cần nắm vững lý thuyết chương này cùng các định luật Kirchhoff,định luật StefanBoltzmann,Định luật Wien

VẬT LÝ LƯỢNG TỬ VÀ THUYẾT TƯƠNG ĐỐI 1 CHƯƠNG 23 QUANG HỌC LƯỢNG TỬ 1. Bức xạ nhiệt 2. Thuyết lượng tử Planck 3. Thuyết Photon của Einstein 2 1. Bức xạ nhiệt Khái niệm và các đặc trưng cơ bản  Bức xạ điện từ phát ra từ vật chất khi các phân tử, nguyên tử bị kích thích bằng năng lượng nhiệt, chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái cân bằng.  Tất cả các chất có T > T(0) K đều phát ra bức xạ nhiệt.  Xét một vật bức xạ nhiệt ở nhiệt độ T.  Trong khoảng thời gian dt, bức xạ điện từ phát ra có bước sóng trong khoảng (  ,  + d  ). dS  Năng lượng bức xạ phát ra từ phần tử diện tích dS trên bề mặt trong thời gian dt: dW p (  , T) = r(  , T).dS.d  (trong đó: r(  , T): Năng suất phát xạ đơn sắc) 3  Nếu a(T,  ) = 1: Vật đen tuyệt đối Vật đen tuyệt đối 1. Bức xạ nhiệt Khái niệm và các đặc trưng cơ bản  Năng suất phát xạ toàn phần (độ trưng):      0  dT,r)T(R  Nếu dS được cung cấp năng lượng dW(T,  ) trong khoảng thời gian dt  dS hấp thụ năng lượng dW 1 (T,  )  hệ số hấp thụ đơn sắc:        ,TdW ,TdW ),T(a 1   Mô hình Vật đen tuyệt đối: hộp kín cách nhiệt, bên trong được phủ lớp hấp thụ màu đen, có mở cửa nhỏ  bức xạ qua cửa vào bên trong bị phản xạ liên tiếp trên thành hộp  coi như bị hấp thụ hoàn toàn.  Thực tế không có Vật đen tuyệt đối chỉ có những vật có tính chất gắn với vật đen tuyệt đối  Luôn có a(T,  ) < 1: Vật xám 4 1. Bức xạ nhiệt Đinh luật Kirchhoff  Tỷ số giữa năng suất phát xạ đơn sắc và hệ số hấp thụ đơn sắc của cùng một vật ở nhiệt độ nhất định là một hàm chỉ phụ thuộc bước sóng bức xạ và nhiệt độ mà không phụ thuộc vào bản chất của vật đó. )T,(a )T,(r )T,(      Vật đen tuyệt đối: a(T,  ) = 1,  r(  , T) =  (  , T)  (  , T)  T 1 > T 2 > T 3 >T 4 > T 5 d  T =  (  , T).d               00 dλT,d TT Bức xạ nhiệt Tế bào QĐ Bộ KĐ điện Vôn kế  Mô hình thí nghiệm 5  Nội dung: 1. Bức xạ nhiệt Đinh luật Kirchhoff  Ý nghĩa VẬT ĐEN TUYỆT ĐỐI  Điều kiện cần và đủ để một vật bất kỳ phát ra được một bức xạ nào đó là nó phải hấp thụ được bức xạ ấy và vật đen tuyệt đối ở cùng nhiệt độ với nó cũng phải phát ra bức xạ được bức xạ ấy.  Do a(T,  ) < 1  r(  , T) = a(T,  ) .  (  , T) <  (  , T) VĐTĐ  Ở nhiệt độ thường  (  , T) = 0  vật không thể phát ra bức xạ thấy được.  Sự phát xạ của một vật bất kỳ (không phải vật đen tuyệt đối) ứng với một bước sóng xác định bao giờ cũng yếu hơn sự phát xạ của vật đen tuyệt đối ứng với cùng bước sóng đó và ở cùng nhiệt độ với nó. 6 1. Bức xạ nhiệt Đặc trưng phổ phát xạ của VĐTĐ  (  , T)   Đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của hệ số phát xạ đơn sắc  (  ,T) của VĐTĐ theo bước sóng  ở nhiệt độ xác định. .  Trị số năng suất phát xạ đơn sắc của VĐTĐ d  T =   ,T .d  được xác định bởi phần diện tích tương ứng phạm vi bước sóng    +d  của chùm bức xạ đơn sắc . d   Năng suất phát xạ toàn phần của VĐTĐ tương ứng tất cả các chùm bức xạ đơn sắc trong phổ phát xạ được xác định bởi: .         λ λ λ λ TT dλλ,Tεdεε 00 7 1. Bức xạ nhiệt Các định luật phát xạ của VĐTĐ Định luật Stefan - Boltzmann  Năng suất phát xạ toàn phần của vật đen tuyệt đối tỷ lệ thuận với lũy thừa bậc bốn của nhiệt độ tuyệt đối của vật đó.  T =  .T 4  Hằng số S-B: KmW h c kπ σ ./10.6703,5 15 2 24 32 45    Nội dung:  (  , T)  T 1 > T 2 > T 3 >T 4 > T 5  Đối với vật đen tuyệt đối bước sóng của chùm bức xạ đơn sắc mang nhiều năng lượng nhất tỷ lệ nghịch với nhiệt độ tuyệt đối của vật. T b    Hằng số Wien: b =2,8978.10 -3 m.K  Nội dung: Đinh luật Wien 8 1. Bức xạ nhiệt Các định luật phát xạ của VĐTĐ Công thức Rayleigh-Jeans  Hệ sô phát xạ đơn sắc đối với vật đen tuyệt đối:   kT c 2 kT c2 T, 2 2 4              λ λ λ λ T λ dλ πckTdλλ,Tεε 0 4 0 2   (  , T) Theo công thức Rayleigh-Jeans Theo thực nghiệm  Năng suất phát xạ toàn phần ở 1 T cố định có thể:  Hệ quả:  Mối quan hệ này chỉ phù hợp thực nghiệm tương ứng với bức xạ có bước sóng dài, và không phù hợp với bước sóng ngắn (vùng tử ngoại)  Vô lý do xuất phát từ vật lý cổ điển! 9 2. Thuyết lượng tử Planck  Các nguyên tử và phân tử của vật chất phát xạ và hấp thụ năng lượng một cách gián đoạn, nghĩa là, năng lượng do chúng phát xạ hay hấp thụ chỉ có thể bằng một số nguyên lần của một lượng nhỏ năng lượng xác định, gọi là lượng tử (quantum).   c hhν  (hằng số Planck: h =6,625.10 -34 J.s)  Nội dung:  Ý nghĩa:  Lấy đạo hàm (*)  có:  .T = b (định luật Wien) (Hằng số Boltzmann: k =1,38.10 -23 J/K)  Hệ số phát xạ đơn sắc của vật đen tuyệt đối:   1 2 2   kT h e h c 2 T,    (*)  Từ(*)   4 /kTh T Tdν e h c dT,        0 2 2 0 2 (định luật S-B)  Ở miền tần số nhỏ, h  << kT kT h e kT h    1   kT c 2 T, 2 2    (công thứ R-J) 10 [...]... năng lượng của photon (h)  khi NL > công thoát A của e-  e- sẽ dược giải phóng h 15 3 Thuyết photon Einstein Lượng tử ánh sáng  Giải thích về giới hạn quang điện:  Đ/K để hiệu ứng quang điện xảy ra: A   hν  A  ν   ν0 h c hc hay:   0   ν0 A NL để e- thoát ra ~ 2,0 eV  Giải thích về dòng quang điện bão hòa  Một photon tương ứng một năng lượng h;  Dòng quang điện hình thành từ số e- quang. .. Dòng bão hòa Thế dập tắt dòng quang điện UC 0 UAK(V) 13 2 Thuyết lượng tử Planck Định luật quang điện  Giới hạn dòng quang điện:  Đ/v mỗi kim loại xác định, hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi bước sóng của mỗi chùm ánh sáng rọi tới nó nhỏ hơn một giá trị xác định, gọi là giới hạn quang điện,  < 0  Hoặc: tần số của á/s chiếu tới > tần số xác định nào đó  tần số “ngưỡng quang điện” của kim loại ... của tia X với các etrong nguyên tử  Tia X có NL lớn, mà e- có kh/l rất nhỏ  động lượng của e-  vận tốc  p'  p   pe 18  p' 3 Thuyết photon Einstein Hiệu ứng Compton  Áp dụng cơ học tương đối tính   khối lượng của e- (khi đứng p yên - nghỉ) là m0e và khi CĐ là: m0 e me  v2 1 2 c  Động lượng và năng lượng của hệ “photon - electron”: Động lượng   pe Năng lượng Hạt Trước va chạm Photon ()... nguồn điện A Dòng bão hòa R   0 UAK(V) 12 2 Thuyết lượng tử Planck Hiệu ứng quang điện K  Có thể triệt tiêu dòng quang điện bằng cách tác dụng một hiệu điện thế ngược (VK > VA)  ngăn cản e- quang từ K  A  dòng quang điện = 0 tương ứng UAK = UC R  Hiệu điện thế cản UC có thể xác định khi công cản AC của điện trường bằng động năng cực đại của các e- quang, tức là: 1 2 AC  eU C  me vmax 2 1 2...2 Thuyết lượng tử Planck Hiệu ứng quang điện  Hiện tượng các electron (e-) bề mặt được giải phóng khỏi bề mặt bản kim loại khi chiếu á/s với bước sóng () thích hợp tới mặt bản kim loại  Thực nghiệm: tạo cấu trúc 2 bản cực, cathode (K) có kim loại phát ra e- quang nối với cực (-), và anode (A) nối với cực (+) nguồn điện  chiếu sáng  e- quang đi về A  tạo ra dòng điện I (dòng quang điện)... với cực (-), và anode (A) nối với cực (+) nguồn điện  chiếu sáng  e- quang đi về A  tạo ra dòng điện I (dòng quang điện)      K A   I 0,141 A 11 2 Thuyết lượng tử Planck Hiệu ứng quang điện  Tế bào quang điện (TBQĐ): Linh kiện điện tử có cấu tạo là một bóng thủy tinh hút chân không, bên trong có điện cực K là một tấm kim loại và A là sợi dây kim loại mảnh Bóng thủy tinh K A  Đặc trưng điện... ứng ở K  CĐ hết về A  có dòng bão hòa cho dù UAK vẫn tiếp tục tăng 16 3 Thuyết photon Einstein Lượng tử ánh sáng  Giải thích về động năng cực đại của e- quang  Hiệu ứng quang điện là hệ quả của sự va chạm giữa 2 hạt: photon của ánh sáng tới và e- trong cấu trúc kim loại  e- trong cấu trúc kim loại liên kết với hạt nhân nguyên tử bởi lực hut tĩnh điện Coulomb  NL tối thiểu cần để giải phóng e- khỏi... tượng quang điện dù cường độ sáng mạnh  Dòng bão hòa  Cường độ dòng bão hòa Ibh tăng tỷ lệ thuận với cường độ sáng chùm á/s tới I  Động năng cực đại  Động năng cực đại của các e- quang tỷ lệ với tần số () của chùm sáng rọi tới nó và không phụ thuộc vào cường độ sáng (I) của chùm sáng đó 14 3 Thuyết photon Einstein Lượng tử ánh sáng  Nội dung:  Ánh sáng gồm những hạt rất nhỏ gọi là photon (hay lượng. .. e- ngay trên bề mặt 1 2 có: h = Wđ + A hay: mvmax  h  A  Ph/trình quang điện Einstein 2 1 h A 2 Do: AC  eU C  me vmax  U C  ν  2 e e  h/ứ quang điện xác nhận á/s có t/c hạt (rời rạc) bên cạnh t/c sóng (liên tục) 17 3 Thuyết photon Einstein Hiệu ứng Compton  Thực nghiệm:  Chiếu một chùm tia X, bước sóng  vào nguyên tử graphit  Trong phổ tia X bị tán xạ, ngoài vạch có bước sóng  của tia... lượng tử ánh sáng), mang một năng lượng xác định, c   hν  h (hằng số Planck: h =6,625.10-34 J.s)  Albert Einstein  Trong chân không cũng như trong mọi môi (1879 – 1955) trường khác, photon chuyển động với cùng một Giải Nobel Vật lý 1921! vận tốc xác định, c = 3.108 m/s  Cường độ của chùm sáng tỷ lệ với số photon phát ra từ nguồn sáng trong một đơn vị thời gian  Giải thích về giới hạn quang điện: . xạ toàn phần của vật đen tuyệt đối tỷ lệ thuận với lũy thừa bậc bốn của nhiệt độ tuyệt đối của vật đó.  T =  .T 4  Hằng số S-B: KmW h c kπ σ ./10.6703,5 15 2 24 32 45    Nội dung:  (  ,. với cực (+) nguồn điện  chiếu sáng  e - quang đi về A  tạo ra dòng điện I (dòng quang điện). 11 2. Thuyết lượng tử Planck Hiệu ứng quang điện  Tế bào quang điện (TBQĐ): Linh kiện điện tử có. dòng quang điện bằng cách tác dụng một hiệu điện thế ngược (V K > V A )  ngăn cản e - quang từ K  A  dòng quang điện = 0 tương ứng U AK = U C .   R K A Dòng bão hòa Thế dập tắt dòng quang