Đang tải... (xem toàn văn)
Bài giảng “Vật lý 2” được biên soạn theo đề cương môn học “Vật lý 2 dành cho sinh viên các hệ đào tạo đại học tại Trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh. Tài liệu cung cấp những kiến thức đại cương về Vật lý bao gồm các phần Điện học, Từ học và Quang học giúp người học hiểu được kiến thức cơ bản về vật lý phần điện, từ và quang học trước khi tiếp tục học các môn cơ sở ngành và chuyên ngành. Nội dung gồm 10 Chương như sau: Chương 1: Trường tĩnh điện Chương 2: Điện dung, tụ điện Chương 3: Dòng điện và điện trở Chương 4: Mạch điện một chiều Chương 5: Từ trường Chương 6: Hiện tượng cảm ứng điện từ Chương 7: Thuyết ĐiệnTừ ánh sáng Chương 8: Quang hình học Chương 9: Quang học sóng Chương 10: Quang lượng tử
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI TP HỊ CHÍ MINH ThS TRƯƠNG ĐỨC QUỲNH (Chủ biên) ThS TRAN QUOC VIET, ThS NGUYEN DANG KHOA BAI GIANG VAT LY DIEN - TU - QUANG (Lưu hành nội bộ) THÀNH PHĨ HỊ CHÍ MINH - NĂM 2023 ThS TRƯƠNG ĐỨC QUỲNH (Chủ biên) ThS TRAN QUOC VIET, ThS NGUYEN DANG KHOA BAI GIANG VAT LY ĐIỆN - TỪ - QUANG (Dành cho sinh viên hệ đào tạo đại học) THÀNH PHĨ HỊ CHÍ MINH - NĂM 2023 LỜI NÓI ĐẦU Bài giảng “Vật lý 2” biên soạn theo đề cương môn học “Vật lý 2” đành cho sinh viên hệ đào tạo đại học Trường Đại học Giao thơng vận tải Thành phó Hồ Chí Minh Tài liệu cung cấp kiến thức đại cương Vật lý bao gồm phần Điện học, Từ học Quang học giúp người học hiểu kiến thức vật lý phần điện, từ quang học trước tiếp tục học môn sở ngành chuyên ngành Nội dung gồm 10 Chương sau: Chương I: Trường tĩnh điện Chương 2: Điện dung, tụ điện Chương 3: Dòng điện điện trở Chương 4: Mạch điện chiều Chương 5: Từ trường Chương 6: Hiện tượng cảm ứng điện từ Chương 7: Thuyết Điện-Từ ánh sáng Chương 8: Quang hình học Chương 9: Quang học sóng Chương 10: Quang lượng tử Nội dung chương 1, 2, thạc sỹ Trương Đức Quỳnh biên soạn, chương 4, 5, thạc sỹ Nguyễn Đăng Khoa biên soạn chương 7, 8, 9,10 thạc sỹ Trần Quốc Việt biên soạn Mặc dù có nhiều cố gắng khó tránh khỏi sai sót Nhóm tác giả mong nhận góp ý bạn đọc dé hồn thiện lần tái sau Mọi ý kiến đóng góp xin gởi về: Bộ môn Vật ly — Khoa Co ban — Trường Đại học Giao thông vận tải tải Thành phố Hồ Chí Minh, Số 2, đường Võ Oanh, Phường 25, Quận Bình Thạnh, Thành phó Hồ Chí Minh Email: tdquynhht@gmail.com Tran cam on! Nhom tac gia MỤC LỤC CHƯƠNG I TRƯỜNG TĨNH ĐIỆN 1.1 Điện tích tương tác tĩnh điện 1.1.1 Điện tích bảo tồn điện tích 1.1.2 Định luật bảo tồn điện tíc! 1.2 Các phân bố điện tích 1.2.1 Các điện tích điểm 1.2.2 Các phân bố điện tích ụ 1.3 Định luật Coulomb tương tác tĩnh điện 1.4 Trường tĩnh điện 1.4.1 Điện trường 1.4.2 Vector cường 1.4.3 Điện trường điện tích điềm 1.4.4 Điện trường phân bố điện tích 1.5 Định lý Ostrogradsky — Gauss 1.5.1 Đường sức điện trường 1.5.2 Thông lượng điện trường 1.5.3 Định lý Ostrogradsky — Gauss 1.6 Điện - 1.6.1 Công lực điện trường 1.6.2 Thế 1.6.3 Điện th 1.7 Liên hệ vector cường độ Bài tập chương I ện trường điện th CHƯƠNG ĐIỆN DUNG - TỤ DIE 2.1 Điện dung vật dẫn cô lập 2.1.1 Vật dẫn cân điện 2.1.2 Điện dung vật dẫn lập 2.1.3 Ví dụ tính điện dung 2.2 Tụ điện 2.2.1 Định nghĩ: 2.2.2 Điện dung tụ điện 2.2.3 Ghép tụ điện 2.3 Năng lượng điện trường 2.3.1 Năng lượng tương tác hệ điện tích điêm 2.3.2 Năng lượng vật dẫn lập tích điện 2.3.3 Năng lượng tụ điện 2.3.4 Năng lượng điện trường CHƯƠNG DỊNG ĐIỆN VÀ ĐIỆN TRỞ 3.1 Dịng điện 3.1.1 Dịng điện 3.1.2 Mơ hình vi mơ dịng điệ 3.1.3 Bản chất dịng điện mơi trường, ¿-¿ + c+s+csccrecererrree 38 3.2 Điện trở 3.3 Sự dan di 3.4 Điện trở nhiệt độ 3.5 Vật liệu siêu dẫn 3.6 Năng lượng công suât Bài tập chương CHƯƠNG MẠCH ĐIỆN MOT CHIEU 4.1 Suất điện động 4.1.1 Nguồn điện 4.1.2 Suất điện động nguôn điện 4.1.3 Định luật Ohm mạch đơn vịng có nguồn 4.2 Mạch điện nối tiếp va song song 4.2.1 Điện trở ghép nồi tiếp 4.2.2 Điện trở ghép song song 4.3 Mạch phân nhánh - Định luật Kirchhofl 4.3.1 Cấu tạo mạch điện tổng quát 4.3.2 Dinh luat Kirchhoff 4.4 Cac dung cu 4.4.1 Ampe ké 4.4.2 Vơn kế 4.5 Ví dụ mẫu Bài tập chương CHƯƠNG TỪ TRƯỜNG 5.1 Tương tác từ 5.1.1 Từ trường phần tử đồng điện gây 5.1.2 Nguyên lý chồng chất từ trường 5.1.3 Từ trường gây đòng điện dây dẫn thăng 5.1.4 Từ trường gây dòng điện dây dẫn cung tròn 5.1.5 Từ trường điện tích điểm chuyên động 5.1.6 Tac dụng từ trường lên dòng điện 5.2 Định lý Ostrogradsky — Gauss 5.2.1 Từ thông 5.2.2 Định lý Ostrogradski — Gauss đôi với từ trường 5.3 Lưu số từ trường, định lý Ampère dịng điện tồn phần 5.3.1 Lưu số từ trường 5.3.2 Định lý Ampère dịng điện tồn pha 5.3.3 Áp dụng từ trường lịng cuộn dây hình xuyến Bài tập chương ve CHƯƠNG HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ, 6.1 Các định luật tượng cảm ứng điện từ 6.1.1 Thí nghiệm Faraday 6.1.2 Định luật Lenz 6.1.3 Nguyên tắc tạo dòng điện xoay chi 6.2 Hiện tượng tự cảm 6.2.1 Thí nghiệm tượng tự cảm 6.2.2 Suất điện động tự cảm 6.2.3 Dé tu cam a 6.2.4 Độ tự cảm ông dây điện thăng dài vô hạn 6.3 Hiện tượng hỗ cảm 6.3.1 Hiện tượng hỗ cảm 6.3.2 Suất điện động hỗ cảm độ h 6.4 Năng lượng từ trường 6.4.1 Thí nghiệm 6.4.2 Năng lượng từ trường ơng dây 6.4.3 Năng lượng từ trường Bài tập chương CHUONG THU DIE 7.1 Các giả thuyết chất ánh sáng 7.1.1 Bản chất ánh sáng 7.1.2 Mơ hình sóng ánh sáng 7.1.3 Thuyết điện từ Maxwell 7.2 Đo lường tốc độ ánh sáng 7.2.1 Phương pháp Roemer 7.2.2 Phương pháp Fizeau 7.3 Thang sóng điện từ 7.3.1 Sóng vơ tuyến 7.3.2 Vi sóng 7.3.3 Tia hồng ngoại 7.3.4 Ánh sáng khả kiến 7.3.5 Tia tử ngoại 7.3.6 Tia Röntgen (tia X) 7.3.7 Tia gamma 7.4 Cac dai luong trac quan; 7.4.1 Quang théng 7.4.2 Cường độ sáng 7.4.3 Độ chói 7.4.4 Độ rọi 7.4.6 Chỉ số hoàn màu 7.4.7 Hiệu suất phát quang Câu hỏi tập chương CHƯƠNG QUANG HÌNH HỌC §.1 Những định luật 8.1.1 Các khái nệm 8.1.2 Các định luậ §.2 Gương cầu Lưỡng chất cầu 8.2.1 Khai niém vat va anh 8.2.2 Gương cầu — Sự tạo ảnh phản xạ 8.2.3 Lưỡng chất cầu — Sự tạo ảnh khúc xạ 8.3 Thau kính Các dụng cụ quang hoc §.3.1 Thấu kính mỏng §.3.2 Mắt 8.3.3 Kính lúp 8.3.4 Kính hiển vi 8.3.5 Kính thiên văn Bài tập chương CHƯƠNG QUANG HOC SỐ 9.1 Quang học sóng 9.1.1 Ánh sáng sóng điện từ 9.1.2 Hàm sóng ánh sáng 9.1.3 Các đại lượng đặc trưng cho q trình truyền sóng 9.1.4 Quang lộ tia sáng phản xạ - Định luật Malus 9.1.5 Sự lan truyền sóng — hàm sóng 9.1.6 Cường độ sáng 9.1.7 Nguyên lý chồng ch 9.1.8 Nguyên lý Huyghen 9.2 Hiện tượng giao thoa ánh sáng 9.2.1 Hiện tượng giao thoa 9.2.2 Sóng kết hợp 115 117 119 119 121 123 123 124 128 131 131 131 131 131 131 132 132 132 132 133 133 133 9.2.3 Khảo sát tượng giao tho; 133 9.4.2 Nhiễu xạ qua khe hẹi 141 Bai tap chương 9.0 146 10.1 Bức xạ nhiệt 10.1.1 Bức xạ nhiệt 10.1.2 Các đại lượng đặc trưng 10.1.3 Các định luật xạ 10.2 Thuyết lượng tử ánh sáng 10.2.1 Nội dung thuyết phôtôn 149 149 149 150 152 152 153 153 153 154 157 160 9.3 Hiện tượng giao thoa gây mảng mỏng 9.3.1 Màng mỏng có độ dày khơng đổi Vân ghiéng 9.3.2 Màng mỏng có độ dày thay đổi, vân độ dày 9.4 Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng 9.4.1 Hiện tượng nhiễu xạ ánh sán CHUONG 10 QUANG HOC LUONG TU’ cho xạ nhiệ nhiệt cua Einstein Einstein 10.2.2 Động lực học phôtôn 10.3 Hiệu ứng Compton 10.3.1 Thí nghiệm Compton 10.3.2 Giải thích tượng (bằng thuyết lượng tử ánh sáng) Bài tập chương 10 TÀI LIỆU THAM KHẢO 134 134 136 141 141 149 PHẢN I ĐIỆN HỌC CHƯƠNG TRƯỜNG TĨNH ĐIỆN 1.1 Điện tích tương tác tĩnh điện 1.1.1 Điện tích bảo tồn điện tích Thực nghiệm cho thay rõ vài tính chất điện vật chất: © Một số vật liệu (thủy tỉnh, nhựa ) sau cọ xát với vật liệu khác chúng có khả hút chúng bị nhiễm điện e vật nhẹ, điêu cho thây Các điện tích loại điện tích khác loại hút Có loại điện tích tự nhiên gọi điện tích dương điện tích âm Điện tích có giá trị gián đoạn, có đơn vị Coulomb (C) hệ SI, luén số nguyên lần điện tích ngun tố (điện tích nhỏ khơng thể phân chia được: e = |e|= 1,6 x 10~12 C) Vật chất cấu tạo từ nguyên tử Nguyên tử cấu tạo từ hạt nhân bao gôm proton tích điện dương (proton có điện tích +e) cac neutron khơng tích điện; lớp vỏ electron tích điện âm (electron có điện tích - e) 1.1.2 Định luật bảo tồn điện tích Trong hệ lập, tơng đại số điện tích khơng thay đổi Nếu nguyên tử trung hoa bi mat di electron mang điện dương Nếu ngun tử trung hịa nhận thêm electron mang điện âm 1.2 Các phân bố điện tích 1.2.1 Các điện tích điểm Ta xem điện tích điểm hạt mang điện (hay vật mang điện) có kích thước khơng gan rat han ché, thi dy nhu proton hay electron chẳng hạn có kích thích vào cỡ 10° Các định luật điện — từ mô tả đầy đủ đặc tính điện tích điểm khoảng cách xét lớn nhiêu so với kích thước điện tích điểm 1.2.2 Các phân bố điện tích liên tục 1.2.2.1 Phân bố điện tích dài Khi vật mang điện có dạng đường cong có chiều dài 1, ta coi phân bơ điện tích theo chiêu dài dọc theo đường cong này, tương ứng với mật độ điện tích đơn vị chiêu dài Mật độ điện dài đo C/m (hé SI) Bài 9.9 Nêm không nghiêng œ = 10”*rad khí, chiết suất thủy tỉnh la ny =n, = 1, 5; ĐÓC Chiếu chùm sáng đơn sắc có bước sóng A = 0,56 um vng góc với thủy tinh dudi Coi van vị trí tiếp xúc vân số Xác định khoảng van i, vị trí vân tối số 5, vân sáng số 10? Bài 9.10 Hệ cho vân tròn Newton đặt khơng khí với chiết suất thấu kính thủy tỉnh n; = nz > 1; thấu kính có R = 10m Chiếu chùm sáng đơn sắc  = 0,53 ưn vng góc với thủy tỉnh Coi vân vị trí tiếp xúc vân số Xác định bán kính vân tối thứ 15 bề dày vân sáng thứ 20? Bai 9.11 Nêm với chiết suất thủy tỉnh xung quanh đổ đầy chất lỏng với chiết suất sắc có bước sóng A = 0,5 ưn vng góc với cách vân tối liên tiếp mm Coi vân định góc nghiêng ø bề đày vân sáng thứ 10? Bài 9.12 Hệ cho vân tròn Newton nị = nạ = 4/3; môi trường n = 1,5 Chiếu chùm sáng đơn thủy tinh Đo khoảng vị trí tiếp xúc vân số Xác với thấu kính có n, = 1,5; ban thuy tinh co Nz = 1,7; méi trường xung quanh đồ chất long vi chiét sudt n = 1,65; thấu kính có R = 12m Chiếu chùm sáng đơn sắc  = 0,45 ưn vng góc với thủy tỉnh Coi vân vị trí tiếp xúc vân số Xác định khoảng cách vân tối thứ vân tối thứ 15? Bài 9.13 Một thấu kính phẳng lồi đặt lên thủy tinh phẳng hạt bụi có độ dày m nằm kính thủy tính nên chúng khơng tiếp xúc Khi người ta đo đường kính vân tối thứ thứ 15 7mm 7mm bước sóng ánh sáng = 0,589um Hãy xác định bán kính R mặt cong thấu kính Coi vân vị trí tiếp xúc vân thứ Bài 14 Thiết bị dùng để quan sát vân tròn Newton chiếu ánh sáng đơn sắc có bước sóng 2.= 0,6 um Tìm độ dày lớp khơng khí thấu kính thủy tỉnh chỗ ta quan sát thấy vân tối thứ tư Nếu va 0,90m bây thủy Tìm thủy ta đồ đầy chất lỏng có chiết suất n vào khoảng thấu kính tỉnh đo độ dày lớp chất lỏng chỗ có vân tối thứ tư chiết suất n chất lỏng đó, biết n nhỏ chiết suất thấu kính tỉnh Coi vân vị trí tiếp xúc vân thứ Bài 9.15 Đặt mặt cầu thấu kính phẳng-lồi tiếp xúc với thủy tinh phẳng nằm ngang Bán kính cong mặt cầu thấu kính R = 1m, chiết suất thấu kính thủy tỉnh phẳng nị = 1,5 va nạ = 1,7 Trong khoảng không gian thấu kính thủy tỉnh, người ta đồ đầy chất lỏng có chiết suất nạ = 1,33 Chiếu chùm ánh sáng đơn sắc có bước sóng A = 0,48um vng góc với mặt phẳng, xác định bán kính vân tối bậc quan sat vân giao thoa gây ánh sáng phản xạ Coi vân vị trí tiếp xúc vân thứ Bài 9.16 Mặt cầu thấu kính phẳng lồi tiếp xúc với thủy tỉnh Không gian thấu kính thủy tính chứa đầy sulfua cacbon Chiết suất thấu kính, sulfua cacbon 1,5; 1,63 1,7 Bán kính cong mặt cầu thấu kính R = Im Xác định bán kính vân trịn Newton tối thứ 5, với ánh sáng phản xạ có bước sóng À = 0,5um Coi vân vị trí tiếp xúc vân thứ 147 Bài 9.17 Chiếu chùm sáng đơn sắc song song có bước sóng À= 0,75um thang góc với khe hẹp hình chữ nhật có bề rộng b = 5um Sát sau khe đặt thấu kính hội tụ có tiêu cu f= Im, man quan sat dat tring với mặt phẳng tiêu thấu kính a Xác định bề rộng vân cực đại b Xác định vị trí cực đại nhiễu xạ thứ tiêu điểm thâu kính sô cực tiêu nhiều xạ quan sát Nếu chùm sáng có bước sóng ^'` vị trí người ta quan sát thấy cực tiểu nhiễu xạ thir Tinh 2’ Bài 9.18 Chiếu chùm tia sáng đơn sắc song song có bước sóng À£0 Sm vng góc với khe hẹp hình chữ nhật có bề rộng b, sát sau khe đặt thấu kính hội tụ có tiêu cự f = 1,5m, quan sát đặt trùng với mặt phẳng tiêu thấu kính Khoảng cách từ cực đại đến cực tiểu nhiễu xạ thứ 1,2cm Tinh góc ứng với cực tiêu nhiễu xạ thứ bề rộng khe hẹp 148 CHƯƠNG 10 QUANG HỌC LƯỢNG TỬ 10.1 Bức xạ nhiệt 10.1.1 Bức xạ nhiệt Bằng cách kích thích từ trạng thái sang trạng thái thích trở trạng thái có mức Nếu lượng cung cấp dạng nhiệt phân tử, ngun tử làm cho chúng chuyền kích thích, chúng từ trạng thái kích lượng thấp phát xạ điện từ nhiệt xạ điện từ phát gọi xạ Nếu lượng xạ vật phát lượng nhận vào khoảng thời gian xạ nhiệt lúc gọi xạ nhiệt cân băng Khi vật trạng thái cân băng ứng với nhiệt độ xác đinh Các phần xét xạ nhiệt cân 10.1.2 Các đại lượng đặc trưng cho xạ nhiệt Xét vật xạ nhiệt cân nhiệt độ T dS: dién tich phat xa nằm bề mặt vật dt: thoi gian xạ qW(T): lượng phát xạ ứng với moi bude song dS phat thoi gian dt dW(A,T): lượng phát xa dS phat thời gian dt gồm bước song tir A dén A + di 10.1.2.1 Công suất xạ P Là lượng xạ phát vật đơn vị thời gian Đối với diện tich dS: dP = =O Với toàn diện tích S: AW pit (10.1) At Trong đó: AW: lượng xạ tồn phan điện tích S phát thời gian At 10.1.2.2 Năng suất phát xạ toàn phần R(T) Là lượng xạ gồm bước sóng theo phương phát đơn vị diện tích bê mặt vật đơn vị thời gian _dwŒ) _ dP RỮ) =“qsay = as (10.2) = dP = R(T)dS 149 Hay: p= I R(T)dS = (10.3) 10.1.2.3 Hệ số phát xạ don sac r(,T) Đại lượng đặc trưng cho khả phát xạ vật ứng bước sóng _dwQ@,T) OT) = Với: dW(T) = fr, dW(A,T) da Suyra: age (10.4) R(T) = fi r(aT)da 10.1.2.4 Hệ số hấp thụ đơn sac a(,T) Xét chùm xạ có bước sóng từ  —>  + đ chiếu tới diện tích dS có lượng đW'(A,T) Trong vật hâp thụ lượng đW"(A,7)thì hệ sơ hâp thụ diện tích dS đơi với bước sóng  định nghĩa: dW1*(A,T) A.T)=——— 11) = Wan (10.5) Nếu a =0: vật trắng tuyệt đối Néu a= 1: vat den tuyệt đối Vat den: vat có khả hấp thụ hồn tồn lượng xạ chiếu tới theo phương đôi với bước sóng 10.1.3 Các định luật xạ nhiệt 10.1.3.1 _ Định luật Kirchhoff Phát biểu định luật Kirchhoff: Tỷ số hệ số phát xạ đơn sắc hệ số hấp thụ đơn sắc vật nhiệt độ xác định hàm phụ thuộc vào bước sóng nhiệt độ vật mà khơng phụ thuộc vào chất vật r(a,T) _ aan) 14D Hàm ƒ(A, 7) gọi hàm phổ biến 10.6 mae) Đối với vật đen tuyệt đối: đua(Â,T) = ma(A,T) = ƒ(,T) Vậy ƒ(A,T) hệ số phát xạ đơn sắc vật đen tuyệt đối 150 (10.7) Ý nghĩa định luật Kirchhoff: Nếu xét vật thường vật đen nhiệt độ đơi với bước sóng  ta có: va(A,T)> (A,T) Hay với bước sóng, nhiệt độ vật đen có khả phát xạ mạnh Đối với vật bất kỳ: AT) a(A,T) =ƒ(,T)= sa(4,T)® = (,7) #0 ={ (A,T) = a(,T).r„a(A,T) a(A,T) #0 va(A,T) #0 Vay, vat có thé phát xạ bước song A theo mét phuong vật có khả hâp thụ bước sóng này, đơng thời vật đen tuyệt đơi nhiệt độ với phát xạ T=5500K uO) Cyne] 800 200 T=4000K 500 1000 A [nm] 1500 2000 Hình 10.1 Bức xạ nhiệt nhiệt độ khác theo bước sóng 10.1.3.2 Định luật Stephan — Boltzmann Phát biểu định luật Stephan — Boltzmann: Nang sudt phát xạ toàn phần vật đen tuyệt đồi tỷ lệ thuận với lũy thừa bậc bôn nhiệt độ tuyệt đơi vật Ryg(T) = oT* (10.8) Trong d6 o = 5,67.10-°W/(m?K*): hang s6 Stephan — Boltzmann 151 Nếu vật vật đen tuyệt đối thì: R(T) = aoT* (10.9) Với œ < hệ số hấp thụ vật 10.1.3.3 Định luật Wien Phát biểu định luật Wien: Đối với vật đen tuyệt đối, bước sóng Âmcủa chùm xạ đơn sắc mang nhiều lượng tỷ lệ nghịch với nhiệt độ tuyệt đơi vật in=? (10.10) T Trong đó: b =2,896.10* m.K: hang sé Wien Ví dụ 10.1: Một thỏi thép đúc có nhiệt độ 727°C Trong phút, em” bề mặt xạ lượng 3001 a Xác định hệ số hấp thụ thỏi thép đó, coi hệ số đổi với bước sóng b Tính bước sóng ứng với chùm xạ mang nhiều lượng vật đen tuyệt đôi phát nhiệt độ Bài giải: Ta có T = 7274273 = 1000K =103K Tinh a: Ta có: W=Pt=RTStoRT= = = In = 5.10*(W/m’) Ma: Rr “0 oT* sẽ.” 5,67.10-8.(103)% Tính Âm: Âm = Ủ T 2696/18 _ 2,896 106 = 2,896um 103 ’ ’ 10.2 Thuyết lượng tử ánh sáng Einstein Năm 1905, Einstein dựa thuyết lượng tử lượng Planck đưa thuyêt lượng tử ánh sáng (hay thuyết phôtôn) 10.2.1 Nội dung thuyết phôtôn Einstein Bức xạ điện từ gồm vô số hạt nhỏ gọi lượng tử ánh sáng hay phôtôn Với xạ điện từ đơn sắc định, phôtôn giống mang lượng xác định băng: 152 e=ng=% (10.11) Trong môi trường (và chân không) phôtôn truyền với van téc c= 3.108 m/s Khi vật phát xạ hay hấp thụ xạ điện từ có nghĩa vật phát xạ hay hâp thụ phôtôn Cường độ chùm xạ tỉ lệ với số phôtôn phát từ nguồn đơn vị thời gian „ Thuyết phôtôn Einstein giải thích tượng thể chât hạt ánh sáng tượng quang điện, hiệu ứng Compton 10.2.2 Động lực học phôtôn Năng lượng phôtôn ứng với xạ điện từ đơn sắc tần số f là: (10.12) c= hf Khối lượng phôtôn: £ h eee ms (10.13) ch Theo thuyết tương đối: m= mM đê pe G >mạ =m „2 c |1—=z Vận tốc phơtơn c, phơtơn có khối lượng nghỉ Động lượng phôtôn: p =mc= h a (10.14) Vậy động lượng phôtôn tỉ lệ thuận với tần số tỉ lệ nghịch với bước sóng xạ điện từ 10.3 Hiệu ứng Compton Hiệu ứng Compton hiệu ứng thể chất hạt xạ điện từ, đơng thời chứng minh tơn động lượng hạt phôtôn 10.3.1 Thi nghiém Compton Cho mét chim tia X bude séng A chiéu vao graphit hay paraphin Khi di qua cac chat tia X bj tan xa theo nhiều phương Trong phổ tán xạ, ngồi vạch có bước sóng băng bước sóng  chùm tia X chiếu tới cịn có vạch ứng với bước sóng Â' >4 Thực nghiệm chứng tỏ bước sóng 2` khơng phụ thuộc 153 cấu tạo chất tia X rọi đến mà phụ thuộc vào góc tán xạ Ø Độ tăng bước sóng 42 =  — xác định biêu thức: Ad = 2A, sin?(2) (10.15) Trong ¿ = 2.426.107? m số chung cho chất, gọi bước sóng Compton Theo lí thuyết sóng tia X truyền đến graphít làm cho mang điện (ở electron) dao động cưỡng với tần tia X, xạ tán xạ phương phải có tần số với Như lí thuyết sóng điện từ cổ điển khơng giải thích Compton hạt số xạ tới tượng 10.3.2 Giải thích tượng (bằng thuyết lượng tử ánh sáng) 10.3.2.1 Giải thích định tính Chúng ta coi chùm tia X chiếu tới Say chum cac photon, moi photon có lượng ak re he ye p SE giông băng e = — Xét va chạm photon tia X với electron liên kết yếu nguyên tử chat tan xa (electron coi tự do) Vì va chạm đàn hồi nên ta áp dụng hai định luật bảo toàn lượng bảo toàn động kin gitta “ photon tia X - e-" lượng cho hệ Khi va chạm photon truyền phần lượng cho electron nên lượng sau va chạm e'< £ Â'> ave Pe Hình 10.2 Hiện tượng tán xạ Compton  Electron nhận lượng chuyển thành động bắn theo phương Vì động electron nhận va chạm lớn rât nhiêu so với trước nên ta có thê coi vận tơc electron trước va chạm + Sau va cham, dé bao toàn động lượng, photon chuyển động theo hướng lệch khỏi phương truyền thẳng ban đầu gây nên tượng tán xa tia X hay hiệu ứng Compton B=p'tBe (10.16) 10.3.2.2 Giải thích định lượng Trước va chạm: e- đứng yên: Năng lượng: Phôtôn: Năng lượng:e =hƒ Sau va chạm: 154 mạc? Động lượng: Động lượng:p=7 Phôtôn tán xạ: e-: Năng lượng:e`=hf_ Động lượng: ø' = = Năng lượng: mc2 = (m, khối lượng nghỉ e- ) Theo dinh luật bảo toàn lượng động lượng: hf +moc? =hf'+mce? (1) ư=ÿ'+ (2) Gọi góc ÿ ÿ' Giải (1) (2) ta được: 2h Moc 2 AA=2'—Â=-—sin? (5) = 2A, sin?(5) (10.17) Trong A, = —— =2,426.10”1?m số chung cho chất, gọi moc ` bước sóng Compton Đại lượng 4 = Â'—  độ biến thiên bước sóng tán xạ, phụ thuộc vào góc tán xạ mà khơng phụ thuộc vào vật liệu làm bia Qua hiệu ứng Compton người ta chứng minh hạt phơtơn có động lượng p =h/^ Động lượng đặc trưng hạt Như tính chất hạt ánh sáng xác nhận thành công hiệu ứng Compton Ví dụ 10.2: trọn vẹn dựa vào thuyết phơtơn giải thích Photon tới có lượng 375 keV va chạm đàn hồi với electron đứng yên tán xạ theo góc Ø a Khi góc tán xạ Ø = 60°, xác định động động lượng electron sau tán xạ đại b Xác định góc tán xạ Ø đê động electron cực đại Tính giá trị cực c Biết vận tốc electron thu sau va chạm 0,6c (c vận tốc ánh sáng chân khơng) Hãy xác định góc tán xạ Ø Bài giải he a Theo thuyết photon thi: ¢ = he A= = Theo cơng thức Compton thì: Ah = AA = 2g sin? (5)2 => A/-2=A,(1 —cos 0) hc he >4/=—+—(1-cos8) £ £g 155 > he _ £.£o Ệ — A/ ca+e(1—cos8) Áp dụng định luật bảo tồn lượng: £e+£o= +, £,=e—+eo Ma Ty = & — &) ST, EE e = € —€/ = € -——* = —— = _ (**) #o+£(1~cosØ) + oy ron là: Theo dé = 60° => 1- cos0 = 0,5 Động elect 3750002 (/) 100536,193(eV) = 1,609.10" = 975 s77 Te = ——— 375000 + Áp dụng định luật bảo toàn lượng: = —2 B=p! +3 > @e)? =(B-p/) > pe = p3 +p/3— 2ppÍ cos Theo động lực học photon thi p = : = = ave +e/2—2eeÍcosØ =— |e?+e/2— 2ee! (1 Động lượng electron là: =p, =—VT,Œ, + 2s) 1,6.10712 = ~3105— /100536,193(100536,193 + 2.511875) = 1,793.10-22(kgm/s) b Tt biéu thite (**) ta thay Te max (1 - cos®) max Mà 0< Ø9