BÀI GIẢNG VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG CHƯƠNG 8: QUANG HỌC LƯỢNG TỬ

Khoa Học Tự Nhiên - Công Nghệ Thông Tin, it, phầm mềm, website, web, mobile app, trí tuệ nhân tạo, blockchain, AI, machine learning - Khoa học tự nhiên BÀI GIẢNG VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG Chương 8: QUANG HỌC LƯỢNG TỬ NỘI DUNG Chương 8. QUANG HỌC LƯỢNG TỬ 8.1. BỨC XẠ NHIỆT 8.2. THUYẾT LƯỢNG TỬ CỦA PLANCK 8.3. HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN 8.4. HIỆU ỨNG COMPTON 8.1. Bức xạ nhiệt  Quan sát vật bằng ánh sáng phản chiếu từ vật, màu sắc của vật phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng phản chiếu.  Các mặt có màu tối hấp thụ ánh sáng mạnh hơn các mặt có màu sáng hơn.  Tất cả các vật đều phát ra bức xạ điện từ với cường độ phụ thuộc vào nhiệt độ bề mặt  Bức xạ nhiệt 8.1.1. Tương tác của ánh sáng với vật chất: 8.1. Bức xạ nhiệt  Trạng thái bức xạ (thành phần phổ và cường độ bức xạ) phụ thuộc vào nhiệt độ của vật. Ở nhiệt độ thấp vật chỉ bức xạ hồng ngoại, nhiệt độ càng cao thành phần phổ bức xạ càng lấn về phía bước sóng ngắn.  Bức xạ nhiệt cân bằng: Phần năng lượng phát ra đúng bằng năng lượng vật thu vào bằng hấp thụ bức xạ. Khi đó vật ở trạng thái cân bằng (động) ứng với một nhiệt độ xác định.  Nếu hai vật hấp thụ năng lượng khác nhau thì bức xạ cũng khác nhau (nguyên lý Privot) 8.1.2. Đặc điểm của bức xạ nhiệt: 8.1. Bức xạ nhiệt  Năng suất phát xạ toàn phần:  Ta xét một vật đốt nóng được giữ ở nhiệt độ không đổi T. Giả sử phần diện tích dS của vật đó phát ra trong một đơn vị thời gian một năng lượng bức xạ toàn phần là dT.  Định nghĩa:  RT (Wm2) là năng lượng bức xạ do một đơn vị diện tích của vật phát ra trong một đơn vị thời gian ở nhiệt độ T. 8.1.3. Các đại lượng đặc trưng của bức xạ nhiệt: T T d R dS   8.1. Bức xạ nhiệt  Năng suất phát xạ đơn sắc: Bức xạ toàn phần do vật phát ra gồm nhiều tần số (bước sóng) khác nhau với cường độ khác nhau. Giả sử phần năng lượng của bức xạ phát ra từ tần số ν đến (ν + dν) do một đơn vị diện tích, phát ra trong một đơn vị thời gian dRT. Định nghĩa: 8.1.3. Các đại lượng đặc trưng của bức xạ nhiệt: T ,T dR r d   T ,T 0 R r .d     8.1. Bức xạ nhiệt  Hệ số hấp thụ:  Giả sử một diện tích nào đấy của vật nhận được công suất bức xạ dW(ν,T) có tần số từ ν đến (ν+ dν), vật hấp thụ một phần năng lượng dWt(ν,T)  Định nghĩa hệ số hấp thụ đơn sắc:  Vật có hệ số hấp thụ a = 1 gọi là vật đen tuyệt đối. 8.1.3. Các đại lượng đặc trưng của bức xạ nhiệt: t ,T dW ( ,T) a dW( ,T)     8.1. Bức xạ nhiệt  Tỉ 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 tần số ν và nhiệt độ T mà không phụ thuộc bản chất của vật đó.  Hàm phổ biến:  Hàm phổ biến chính là năng suất phát xạ đơn sắc của vật đen tuyệt đối. 8.1.4. Định luật Kirchhoff: r( ,T) f ( ,T) a( ,T)     8.1. Bức xạ nhiệt  Năng suất bức xạ đơn sắc có đỉnh cực đại.  Năng suất bức xạ tăng theo nhiệt độ.  Tần số đỉnh cực đại tăng khi nhiệt độ tăng (đỉnh dịch về bước sóng ngắn khi nhiệt độ tăng) 8.1.4. Định luật Kirchhoff: 8.2. Thuyết lượng tử của Planck  Trên cơ sở các quan điểm cổ điển về hấp thụ, bức xạ điện từ, Rayleigh – Jeans tìm được hàm phổ biến:  kB = 1,38.10-23 (JK) là hằng số Boltzman.  Sự k...

Chương 8: QUANG HỌC LƯỢNG TỬ

NỘI DUNG

Chương 8 QUANG HỌC LƯỢNG TỬ

8.1 BỨC XẠ NHIỆT

8.2 THUYẾT LƯỢNG TỬ CỦA PLANCK

8.3 HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN

8.4 HIỆU ỨNG COMPTON

 Quan sát vật bằng ánh sáng phản chiếu từ vật, màu sắc của vật phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng phản chiếu

 Các mặt có màu tối hấp thụ ánh sáng mạnh hơn các mặt có màu sáng hơn

 Tất cả các vật đều phát ra bức xạ điện từ với cường độ phụ

thuộc vào nhiệt độ bề mặt  Bức xạ nhiệt

8.1 Bức xạ nhiệt

 Trạng thái bức xạ (thành phần phổ và cường độ bức xạ) phụ thuộc vào nhiệt độ của vật Ở nhiệt độ thấp vật chỉ bức

xạ hồng ngoại, nhiệt độ càng cao thành phần phổ bức xạ càng lấn về phía bước sóng ngắn

 Bức xạ nhiệt cân bằng: Phần năng lượng phát ra đúng bằng năng lượng vật thu vào bằng hấp thụ bức xạ Khi đó vật ở trạng thái cân bằng (động) ứng với một nhiệt độ xác định

 Nếu hai vật hấp thụ năng lượng khác nhau thì bức xạ cũng

khác nhau (nguyên lý Privot)

8.1.2 Đặc điểm của bức xạ nhiệt:

 Năng suất phát xạ toàn phần:

 Ta xét một vật đốt nóng được giữ ở nhiệt độ không đổi T Giả sử phần diện tích dS của vật đó phát ra trong một đơn

vị thời gian một năng lượng bức xạ toàn phần là dT

 Định nghĩa:

 R T (W/m 2 ) là năng lượng bức xạ do một đơn vị diện tích của vật phát ra trong một đơn vị thời gian ở nhiệt độ T

T T

d R

dS





8.1 Bức xạ nhiệt

 Năng suất phát xạ đơn sắc:

Bức xạ toàn phần do vật phát ra gồm nhiều tần số (bước sóng) khác nhau với cường độ khác nhau

Giả sử phần năng lượng của bức xạ phát ra từ tần số ν đến (ν + dν) do một đơn vị diện tích, phát ra trong một đơn vị thời gian dRT

Định nghĩa:

8.1.3 Các đại lượng đặc trưng của bức xạ nhiệt:

T ,T

dR r

 Hệ số hấp thụ:

 Giả sử một diện tích nào đấy của vật nhận được công suất bức xạ dW(ν,T) có tần số từ ν đến (ν+ dν), vật hấp thụ một phần năng lượng dWt(ν,T)

 Định nghĩa hệ số hấp thụ đơn sắc:

 Vật có hệ số hấp thụ a = 1 gọi là vật đen tuyệt đối

t ,T

dW ( ,T) a

8.1 Bức xạ nhiệt

 Tỉ 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 tần số ν và nhiệt độ T mà không phụ thuộc bản chất của vật đó

 Năng suất bức xạ đơn sắc

có đỉnh cực đại

 Năng suất bức xạ tăng theo nhiệt độ

 Tần số đỉnh cực đại tăng

khi nhiệt độ tăng (đỉnh dịch

về bước sóng ngắn khi nhiệt

độ tăng)

8.2 Thuyết lượng tử của Planck

 Trên cơ sở các quan điểm cổ điển về hấp thụ, bức xạ điện

từ, Rayleigh – Jeans tìm được hàm phổ biến:

 Các nguyên tử, phân tử phát xạ hay hấp thụ năng lượng của bức xạ điện từ một cách gián đoạn

 Phần năng lượng phát xạ hay hấp thụ luôn là bội số nguyên của một năng lượng nhỏ xác định gọi là lượng tử năng lượng hay quantum năng lượng

 Đối với bức xạ điện từ tần số ν (bước sóng λ), lượng tử năng lượng bằng:

 Hằng số Planck h = 6,625.10-34 (J.s)

hc h.

   



8.2 Thuyết lượng tử của Planck

 Xuất phát từ quan điểm lượng tử năng lượng, Planck tìm được biểu thức của hàm phổ biến:

8.2.3 Công thức Planck về hàm phổ biến:

 Định luật Stephan – Boltzman

Năng suất phát xạ toàn phần của vật đen tuyệt đối:

8.3 Hiệu ứng quang điện

8.3.1 Thuyết photon của Einstein:

 Bức xạ điện từ được cấu tạo bởi vô số hạt gọi là lượng tử ánh sáng hay photon

 Với mỗi bức xạ điện từ đơn sắc nhất định, các photon đều giống nhau và mang năng lượng: ε = hν

 Các photon truyền đi với tốc độ c = 3.108 (m/s)

 Khi vật phát xạ hay hấp thụ bức xạ điện từ nghĩa là phát xạ hoặc hấp thụ photon

 Cường độ của chùm bức xạ tỉ lệ với số photon

 Khối lượng của photon:

 Khối lượng nghỉ của photon:

8.3 Hiệu ứng quang điện

8.3.2 Giải thích hiệu ứng quang điện:

Tự đọc tài liệu

 Quan điểm sóng cổ điển: Sóng phẳng đơn sắc tác động làm hạt tích điện dao động và sau đó hạt tích điện phát ra sóng điện từ có cùng tần số

 Quan điểm của thuyết hạt (hiệu ứng Compton):

m c

v 1 c

1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 11, 12, 13, 27,

31, 32, 33, 39, 41, 50, 51, 52, 53, 54

Một số bài tập ví dụ

Ví dụ 1 Một lò luyện kim, có cửa sổ quan sát kích thước

8x12cm, phát xạ với công suất 9798W

a) Tìm nhiệt độ của lò, cho biết hệ số hấp thụ của lò là 0,9 b) Xác định bước sóng ứng với năng suất phát xạ cực đại của

lò Bước sóng đó thuộc vùng quang phổ nào?

λ Xác định động năng của electron bắn ra đối với chùm tia tán

xạ theo góc θ Tìm động lượng electron đó