Giáo trình phân tích khả năng ứng dụng cấu tạo đường đi của vận tốc ánh sáng bằng bức xạ nhiệt p9 pps

Từ công thức I = Io e -t/(, suy ra: 1 log 2 o LogI I Nn τ =− Cho N thay đổi một loạt trị số và đo các cường độ I tương ứng. Vẽ đường biễu diễn của Log I theoĠ, ta được một đường thẳng. Biết được hệ số góc của đường này ta suy ra thời gian (. Với lân quang nghiệm này, người ta đã có thể đo được những thời gian ( khá ngắn (10- 4s). Các thí nghiệm sau này thực hiện bởi Wood có thể đo được những thời gian ( ngắn h ơn nhiều. Wood để chất phát quang trên một đĩa quay và tạo trên chất này ảnh điểm của nguồn sáng kích thích. Nếu sự phát quang xảy ra tức thời, khi quan sát đĩa quay ta chỉ thấy một điểm sáng. Nếu sự phát quang kéo dài, ta được một cung sáng. Dựa vào chiều dài của cung này, Wood xác định được thời gian. Thí dụ, trong một thí nghiệm với platino cyanua barium, Wood đo được Ġ. Những thời gian phát quang cực ngắn của các chất lỏng có th ể đo bằng phương pháp của Gaviola, các dụng cụ thiết bị như hình vẽ 5. Ánh sáng kích thích phát xạ từ nguồn S, đi qua tế bào Ker C chứa nitrobenzen đặt giữa hai nicol chéo góc N1 và N2, tới chất phát quang P. Ánh sáng từ P phát ra đi qua tế bào Ker C’(chứa nitrobenzen) đặt giữa nicol chéo góc N’1 và N’2 tới quan sát viên ở O. Các tế bào Ker C và C’ được đặt đồng bộ với một điện trường cao tần, giả sử có tần số N = 5.106 hertz. Như vậy đốivới chùm tia kích thích và chùm tia phát quang, các hệ thống (I) và (II) cho ánh sáng đi qua một cách đồng bộ với chu kỳ làĠ giây. Gọi ( = thời gian ánh sáng đi qua quãng đường CPC’ (( < T). Nếu sự phát quang xảy ra tức thời thì sẽ không có ánh sáng tới 0. Nếu hiện tượng phát quang kéo dài thì chính ánh sáng phát ra bởi p, sau khi p bị kích thích một thời gian t = T - (, sẽ tới c’ sau khi ánh sáng kích thích tới C một thời gian là T, do đó đi qua được hệ thống (II) và tới 0. Bằng cách giảm quãng đường CFC’, nghĩa là giả m (, ta làm tăng t. Khi không còn ánh sáng tới 0, ta có t = (. Với phương pháp này ta có thể đo được các thời gian ( khá nhỏ so với chu kỳ T. Khảo sát dung dịch fluoresein, Gaviola đo được thời gian phát quang trung bình vào khoảng từ 10-8 giây tới 10-9 giây. O (II) (I) C’ C S N 2 N 1 P N’ 2 N’ 1 H . 5 Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m ĐĐ8. HIN TNG PHT HUNH QUANG CHM V PHT LN QUANG. Trong phn trờn, ta ó xột mt loi phỏt quang trong ú ch cú s tham gia ca cỏc mc nng lng thng (mc cn bn v mc kớch thớch). Cỏc hin tng phỏt quang nh vy c gi l phỏt hunh quang n gin. Mt loi hin tng phỏt quang th hai trong ú cú s tham gia ca mc nng lng gii n (metastable), ú l trng hp phỏt hunh quang chm, hoc phỏt lõn quang. Mt ht khụng th trc ti p t mc nng lng c bn E nhy lờn mc nng lng gii n E m phi qua trung gian ca mt mc nng lng kớch thớch E* cao hn. T mc nng lng gii n, hai c ch sau õy cú th xy ra. - Hoc ht t ng ri tr v mc cn bn (hỡnh 6a). ú l mt loi hin tng phỏt hu nh quang, nhng cú thi gian phỏt quang kộo di hn (so vi phỏt hunh quang n gin). Vỡ vy c gi l phỏt hunh quang chm. Thi gian phỏt hunh quang trung bỡnh ng vi hin tng phỏt quang chm vo khong t 10-4 giõy ti 1 phỳt, trong khi thi gian ny ng vi hin tng phỏt hunh quang n gin trong khong t 10-10 giõy ti 10-4 giõy. - Hoc ht do tỏc ng bờn ngoi, nhy lờn mc kớch thớch E* cao hn, ri t ng ri tr v m c cn bn. ú l hin tng phỏt lõn quang (hỡnh 6b), trong hin tng ny, mc nng lng gii n c coi l hon ton bn nu khụng cú tỏc ng ca bờn ngoi. Ngoi ra, ta thy t mc cn bn lờn mc gii n, hay t mc gii n xung mc cn bn, u xy ra mt cỏch giỏn tip. Thi gian ht nm mc gii n cú th kộo di vụ hn Ta thy mc ny ging nh mt cỏi by nng lng. Nu ta h nhit xung thp lm gim tn s ng gia cỏc ht, thi gian phỏt lõn quang s tng lờn. i sng trung bỡnh ca ht mc gii n cú th kộo di vụ hn nu ta h nhit xung ti mt mc no ú. Ngi ta cũn phõn bit hai loi phỏt lõn quang Phỏt lõn quang Perrin, xy ra vi cht lng v cht khớ. Gia hai quỏ trỡnh hp th v phỏt x, cỏc phõn t tri qua mt trng thỏi trung gian v ch phỏt lõn quang khi nhn c mt s cung cp nng lng ca mụi trng. Phỏt lõn quang Becquerel - Lenard, xy ra vi cỏc cht rn kt tinh. Trong quỏ trỡnh phỏt lõn quang ny cú mt s ion húa ni. Mt in t b bt ra khi nguyờn t phỏt quang cú mt t do no ú. Khi in t ny tỏi hp vi nguyờn t thỡ s phỏt x lõn quang xy ra. H uyứnh quang chaọm E E E * (a) L aõn quang E E E * (b) H . 6 Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m §§9. CHẤT TĂNG HOẠT - TÂM ĐỘC. Khi khảo sát sự phát quang của một chất, người ta thấy rằng nếu trộn vào chất này một chất kim thích hợp thì sự phát quang mạnh hơn rất nhiều so với chất phát quang nguyên chất lúc đầu. Thí dụ : Trộn thật đều bột CdI2 và PbI2 trong aceton và để cho kết tinh. Ta được một phẩm vật có tính phát quang mạnh hơn nhiều so với CdI2 tính chất. Ta bảo chất CdI2 đã được tăng hoặt chất kim đưa vào (Pb) đượ c gọi là chất tăng hoạt. Chất ban đầu (CdI2) được gọi là chất căn bản. Một chất phát quang có chất tăng hoặt, thí dụ trường hợp CdI2 tăng hoạt bởi chì, được ký hiệu như sau : CdI 2 (Pb). Tương tự ta có thể tăng hoạt CdI2 bởi đồng hay Mn.Sulfur kẽm có thể tăng hoạt bởi Ag, Cu, Tỷ lệ của chất tăng hoạt trong chất căn bản có ảnh hưởng rõ rệt tới cường độ phát quang và ta có một tỷ lệ xác định để cường độ phát quang mạnh nhất. Sự hiện diện của chất tăng hoạt không những làm tăng cường độ phát quang mà còn có thể làm thay đổi phổ phát quang. Ngược lại với sự tăng hoặt, sự hiện diện của các chất như Fe, Co, Ni có thể làm mất tính phát quang của một chất. Các kim chất trên được gọi là các “tâm độc“. Thí nghiệm cho thấy rõ hiện tượng này nhưng người ta chưa thể giải thích được tại sao. §§10. SỰ NHẠY HÓA. Ta xét sự phát quang của phốt phát calci Ca3(PO4)2. Nếu chất tăng hoạt là Mangan và nếu kích thích bằng tia âm cực thì phát quang ánh sáng đỏ. Nhưng khi kích thích bằng tia tử ngoại 2500Ao thì lại không phát quang. Nếu tăng hoạt bằng Sêri (Ce) và kích thích bằng tia tử ngoại trên (2500Ao) thì thấy phát quang ánh sáng tử ngoại 3500Ao. Bây giờ tăng hoạt cả Ce và Mn và kích thích bằng ánh sáng 2500Ao thì ta thấy ánh sáng phát quang gồm cả vạch 3500Ao và vạch đó nói trên. Người ta giải thích như sau: Khi được kích thích bằng tia 2500Ao, Ce chuyển năng lượng kích thích cho chất t ăng hoạt Mn, như vậy, một cách gián tiếp, phốt phát calci với chất tăng hoạt là Mn đã bị kích thích bởi tia 2500Ao. Sự chuyển năng lượng giữa hai tâm sáng như trên (từ tâm sáng có chứa Ce sang tâm sáng có chứa Mn) được gọi là sự nhạy hóa. Ce đợc gọi là chất nhạy hóa. Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Chương XII LASER §§1. SỰ PHÁT MINH LASER. Việc phát minh ra tia Laser bắt nguồn từ các cố gắng của các nhà khoa học muốn tìm được cách sản xuất các luồng sóng vô tuyến có bước sóng thật ngắn. Trong kỹ thuật vô tuyến, người ta biết rằng : Muốn tạo được các luồng sóng vô tuyến có bước sóng càng ngắn thì phải có các máy phát sóng có kích thước càng nhỏ. Như vậy, các kỹ thuật gia trước một vấn đề nan giải là : Không thể chế tạo được các máy phát sóng có kích thước quá nhỏ. Để giải quyết khó khăn này, người ta đã nghỉ tới loại máy phát sóng vô cùng nhỏ có sẵn trong thiên nhiên : Đó là các nguyên tử, các phân tử vật chất. Thực vậy, chúng ta đã biết ánh sáng là loại sóng điện từ có độ dài sóng ngắn phát ra bởi các nguyên tử hay phân tử. Vậy sự bế tắc nói trên của ngành vô tuyến, trên nguyên tắc có thể được giải quyết. Tuy nhiên, một vấn đề rất khó đặt ra trước các nhà khoa học, kỹ thuậ t là: Làm thế nào bắt các máy phát sóng tí hon đó hoạt động theo ý muốn của con người. Vì chúng ta đã biết, sự phát sóng ánh sáng của các nguyên tử, phân tử xảy ra hoàn toàn ngẫu nhiên, tự phát, không điều khiển được. Các nguyên tử trong một nguồn sáng phát ra ánh sáng theo tất cả mọi phương với vô số bước sóng khác nhau. Các sóng được phát ra không có liên hệ gì với nhau về biên độ cũng như về pha. Một nguồn sáng như vậy không có lợi ích gì trong kỹ thuật vô tuyến. Quá trình giải quyết vấn đề này (điều khiển được các bức xạ phát ra bởi các nguyên tử, phân tử) đưa đến sự phát minh ra MASER (viết tắt của Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) và LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Hai nhà bác học Liên Xô Prôkhôrôp và Basôp và nhà bác học Mỹ Townes là những người đã đóng góp rất nhiều trong việc đưa đến các phát minh trên (lãnh chung giải Nobel về vật lý năm 1964). Máy Maser đầu tiên được thực hiện năm 1954 ở Mỹ và Liên Xô. Tháng 7/1960, máy Laser đầu tiên xuất hiện do công trình củ a Maimain. §§2. SỰ PHÁT XẠ KÍCH ĐỘNG. Ta đã biết rằng sự phát xạ bởi các hạt (nguyên tử, phân tử, ion) trong các nguồn sáng thông thường là các quá trình xảy ra một cách tự phát, hoàn toàn ngẫu nhiên. Khi nhận được một năng lượng thích hợp, hạt sẽ từ trạng thái bền nhảy lên trạng thái kích thích có mức năng lượng cao hơn. Sau một thời gian, hạt sẽ rơi trở về trạng thái bền và phóng thích năng lượng (đã hấp thụ) dưới dạng ánh sáng, ngh ĩa là phát ra photon. Năm 1917, khi nghiên cứu quá trình tương tác giữa ánh sáng và vật chất, Einstein cho rằng : Không những các hạt phát xạ một cách ngẫu nhiên như trên mà còn có thể phát xạ do tác động của bên ngoài. Khi ta chiếu vào hệ một bức xạ, thì các hạt đang ở mức năng lượng kích thích E2 sẽ rơi trở về căn bản E1 và phát ra bức xạ : Đó là hiện tượng bức xạ kích thích động (hay bức xạ ứng, bức xạ cưỡ ng bức). Đây là cơ sở hoạt động của máy Laser. Bây giờ ta xét trường hợp đơn giản : các hạt thay đổi giữa hai mức năng lượng E1 (căn bản) và E2 (kích thích). Khi ta kích thích bằng quang tử (photon) có năng lượng. Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m hν = E 2 – E 1 Thì các hạt từ mức E1 sẽ nhảy lên mức E2. Giả sử vào một thời điểm t, hệ khảo sát có n1 hạt ở mức căn bản E1 và n2 hạt ở mức kích thích E2. Số hạt từ mức E1 nhảy lên mức E2 trong thời gian từ thời điểm t tới thời điểm t’ = t + dt là : - dn 1 = Bn 1 ζ dt B : là một hệ số dương, được gọi là xác xuất hấp thụ. ( : là mật độ năng lượng kích thích. Số hạt ngẫu nhiên rơi trở về mức căn bản trong thời gian trên là: - dn 2 = A n 2 dt A : hệ số dương, được gọi là xác xuất phát xạ tự nhiên. Số hạt phát xạ do kích động trong cùng thời gian trên là: - dn * 2 = Bn 2 ζ dt B: xác xuất phát xạ kích động, giả thuyết bằng xác xuất hấp thụ. Khi hệ đạt tới sự cân bằng nhiệt động lực học, số hạt ở mức E2 không thay đổi, vậy số hạt đi lên mức E2 phải bằng số hạt rơi trở về mức căn bản. - dn 1 = - dn 2 – dn * 2 Hay Bn 1 ζ dt = A n 2 dt + Bn 2 ζ dt Suy ra Bn 1 ζ = (A + B ζ) n 2 Vậy ĉ Nghĩa là số hạt ở mức năng lượng kích thích E2 (cao hơn) bao giờ cũng ít hơn ở mức năng lượng căn bản E1 (thấp hơn). Tóm lại, khi ta chiếu vào hệ một chùm tia sáng kích thích có năng lượng photon là h( thì trong một thời gian dt sẽ làm cho một số hạt từ trạng thái cơ bản E1 nhảy lên trạng thái kích thích E2 (sự hấp thụ), trong thời gian đó, một số hạ t từ mức E2 tự phát rơi trở về E1, một số hạt khác bị đụng với photon kích thích cũng rơi trở về E1 (sự phát xạ ngẫu nhiên và phát xạ kích động). Nhưng luôn luôn n2 < n1. Do đó, các photon kích thích h( gặp các hạt ở mức E1 nhiều hơn gặp các hạt ở mức E2, nghĩa là hiện tượng hấp thụ mạnh hơn hiện tượng phát xạ ánh sáng. Vì vậy, ở điều kiện bình th ường, khi đi qua một môi trường vật chất bao giờ ánh sáng cũng bị yếu đi. Khi một photon h( gặp một hạt ở trạng thái kích thích và làm hạt này rơi trở về mức căn bản thì photon được hạt phóng thích cũng là h( (năng lượng do hạt hấp thụ khi đi từ E1 lên E2), photon mới sinh ra này hoàn toàn giống photon kích động (về hướng đi, bước sóng, sóng, pha, tính phân cực). Như vậy kết quả của sự kích động là từ một photon tới hạt, ta được hai photon phát xạ. H. 1 hv hv E 1 E 2 hv Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m . (II) cho ánh sáng đi qua một cách đồng bộ với chu kỳ làĠ giây. Gọi ( = thời gian ánh sáng đi qua quãng đường CPC’ (( < T). Nếu sự phát quang xảy ra tức thời thì sẽ không có ánh sáng tới. bằng Sêri (Ce) và kích thích bằng tia tử ngoại trên (2500Ao) thì thấy phát quang ánh sáng tử ngoại 3500Ao. Bây giờ tăng hoạt cả Ce và Mn và kích thích bằng ánh sáng 2500Ao thì ta thấy ánh sáng. thể phát xạ do tác động của bên ngoài. Khi ta chiếu vào hệ một bức xạ, thì các hạt đang ở mức năng lượng kích thích E2 sẽ rơi trở về căn bản E1 và phát ra bức xạ : Đó là hiện tượng bức xạ kích