Quang học trong vật lý phần 10 docx

Năng lượng của photon kích thích trong phản ứng quang hóa phải lớn hơn một trị số w, đó là năng lượng cần thiết để phân tích hay tạo thành một phần tử trong phản ứng: hν ≥ w hay ⇒ λ ≤ hc

- Nếu bề mặt cĩ tính hấp thụ hồn tồn thì động lượng p được hồn tồn truyền cho một đơn vĩ diện tích S của bề mặt đĩ Aùp dụng định luật căn bản về động lượng và xét với một đơn vị diện tích trên bề mặt của vật được chiếu sáng, ta cĩ :

f là lực do chùm tia sáng tác dụng lên một đơn vị diện tích bề mặt của vật (P’ là sự biến thiên động lượng ứng với một đơn vị diện tích bề mặt của vật trong thời gian (t = 1s vậy

∆P’ = p = u = f

Ta thấy f chính là áp suất ánh sáng p, vậy (4.1)

- Nếu bề mặt phản xạ một phần với hệ số phản chiếu là ( thì trong nC photon tới diện tích đơn vị S cĩ nC (1 - ( ) photon bị hấp thụ và nC ( photon phản xạ trở lại

nC (1 - () photon bị S hấp thụ nên truyền cho diện tích đơn vị S một động lượng là (1 ) hv (1 )

số là 2hv/c động lượng được truyền cho diện tích đơn vị S Động lượng

do nc(, photon phản xạ truyền cho diện tích S là : 2hv nC 2 u

C × ζ = ζVậy áp suất ánh sáng là :

- Với bề mặt hấp thụ hồn tồn, ( = 0, ta tìm lại được cơng thức : P = u

Nhận xét cơng thức (4.2), ta thấy u là mật độ năng lượng của chùm tia tới, ( u là mật độ của chùm tia phản xạ Do đĩ ta cĩ thể viết cơng thức tổng quát cho 3 trường hợp trên dưới dạng :

P = Σ u ( u là tổng số mật độ năng lượng của các chùm tia tới và phản xạ ở phía trước bề mặt S

f t

t

P f

Bây giờ ta xét trường hợp chùm tia sáng tới bề mặt của vật dưới một góc i Để đơn giản,

ta vẫn chỉ xét diện tích đơn vị S Thiết diện thẳng của chùm tia là S cosi = cosi Số photon tới S trong một đơn vị thời gian là nc.cosi ứng với một động lượng có trị số là :

cos hv cos

P nc i u i

c

và có phương là phương truyền của tia sáng

Thành phần của P trên phương thẳng góc với S là :

105 N/m2)

§§5 TÁC DỤNG HÓA HỌC CỦA ÁNH SÁNG

Rất nhiều phản ứng hóa học chỉ xảy ra dưới tác dụng của ánh sáng như tác dụng trên phim ảnh, sự cấu tạo chất ozon từ oxi do tác dụng của ánh sáng tử ngoại, một số lớn phản ứng thế của các hidrocarbon với Clor, v.v Tác dụng của ánh sáng trong các phản ứng hóa học như vậy được gọi là tác dụng quang hóa

Vai trò của ánh sáng có thể chỉ là khơi mào, sau đó phản ứng hóa học tự nó tiếp diễn Cũng có nhiều phản ứng chỉ xảy ra trong thời gian được chiếu sáng, và phản ứng sẽ ngưng khi sự chiếu sáng chấm dứt

Một trong những phản ứng quang hóa đặc biệt quan trọng là phản ứng quang tổng hợp bởi cây xanh với carbon rút từ khí carbonic (CO2) trong không khí để tạo thành các hợp chất hữu cơ như glucoz, celuloz, tinh bột, v.v là những chất rất quan trọng trong đời sống thực vật và động vật Sự tổng hợp này phóng thích khí O2 theo phản ứng:

Năng lượng của photon kích thích trong phản ứng quang hóa phải lớn hơn một trị số w,

đó là năng lượng cần thiết để phân tích hay tạo thành một phần tử trong phản ứng:

hν ≥ w hay

⇒ λ ≤ hc

wNhư vậy ta thấy các ánh sáng có độ dài sáng ngắn (tia tử ngoại) đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong các phản ứng quang hóa

Có nhiều trường hợp năng lượng của photon không phải được hấp thụ một cách trực tiếp bởi các chất tham gia trong phản ứng, mà phải qua một chất trung gian, chất trung gian này được gọi là chất nhạy hóa

Thí dụ phản ứng tạo thành nước nặng (H2O2) bởi H2O và O2

2H2O + O2 → 2H2O2

Là phản ứng quang hóa do tác dụng của bức xạ 2536Ao của thủy ngân Nhưng hơi nước

và Oxizen đều không hấp thụ được bức xạ này, nên người ta phải trộn vào với hơi nước và Oxizen một ít hơi thủy ngân Hơi thủy ngân là chất trung gian, hấp thụ mạnh năng lượng của photon 2536 Ao và truyền năng lượng lại cho chất chính trong phản ứng Do quá trình trung gian này phản ứng trên xảy ra rất nhanh

w

hc ≥

λ

Tùy theo cách kích thích, người ta phân biệt nhiều hiện tượng phát quang Thí dụ :

ƒ Nhiệt phát quang sự phát sáng do bị đốt nóng

ƒ Điện phát quang, phát sáng do sự phóng điện trong khí kém, do tác dụng của hiệu điện thế

ƒ Cathod phát quang, kích thích bởi tia âm cực

ƒ Xạ phát quang: kích thích bởi tia X, tia (,

ƒ Hóa chất quang: do phản ứng hóa học

Trong chương này, ta chỉ giới hạn trong sự khảo sát hiện tượng quang - phát quang

§§2 PHÁT HUỲNH QUANG VÀ PHÁT LÂN QUANG

Trong hiện tượng quang phát quang, ta phân biệt hai trường hợp: phát huỳnh quang và phát lân quang

Trước kia, người ta phân biệt như sau: danh từ phát huỳnh quang dùng để chỉ các hiện tượng mà sự phát quang chỉ xảy ra trong thời gian kích thích Khi ngừng kích thích thì sự phát huỳnh quang cũng lập tức chấm dứt Trái lại, sự phát lân quang chỉ các hiện tượng phát quang mà thời gian phát quang còn kéo dài sau khi sự kích thích chấm dứt

Thí dụ : Sự phát quang của flluorescein là phát huỳnh quang, trong khi sự phát quang của Culfur kẽm là phát lân quang

Ngày nay, với kỹ thuật đo được các thời lượng rất nhỏ, người ta thấy rằng, thực ra hiện tượng phát huỳnh quang không phải chấm dứt ngay cùng với sự kích thích mà còn kéo dài một thời gian, dù là rất ngắn Ngược lại, người ta lại thấy nhiều hiện tượng phát lân quang

có thời gian kéo dài (sau khi ngừng kích thích) thực ngắn ngủi Như vậy ta không thể có một sự phân biệt rõ ràng hai hiện tượng nếu chỉ dựa vào thời gian phát quang kéo dài nói trên

Hiện nay người ta phân biệt được hai hiện tượng là nhờ tác dụng của nhiệt độ Với một chất phát huỳnh quang, thời gian phát quang không tùy thuộc nhiệt độ Trái lại, với một chất phát lân quang thời gian này bị chi phối rõ rệt bởi nhiệt độ : thời gian này giảm khá nhanh khi ta tăng nhiệt độ, và ngược lại nếu ta hạ nhiệt độ xuống thấp tới một độ nào đó thì có thể làm ngưng hoàn toàn sự phát lân quang Hàm lượng hấp thụ được trong thời gian kích thích được tích trữ lại trong môi trường trong một thời gian vô hạn định, và được phóng thích khi

ta tăng nhiệt độ của môi trường Như vậy, với hiện tượng phát lân quang, người ta có thể giữ lại ánh sáng trong một môi trường bắng cách “ướp lạnh“, nghĩa là người ta có thể “để

dành“ ánh sáng Qua sự khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đối với thời gian phát quang, ta thấy rằng phát huỳnh quang và phát lân quang là hai hiện tượng phân biệt, xảy ra với hai cơ chế khác nhau

§§3 ĐỊNH LUẬT STOKES

Trong hiện tượng quang phát quang, phổ phát quang mang tính đặc trưng của chất khảo sát Với các chất hơi phát quang, nói chung phổ gồm những dải có thể phân li thành các vạch, nhưng với chất lỏng hay chất rắn thì sự phân li này không thể thực hiện được Ngoài

ra, như ta đã đề cập trong phần định nghĩa, với một chất khảo sát nhất định, sự phát quang chỉ xảy ra khi ta kích thích bằng ánh sáng thích hợp, thí dụ: khảo sát hiện tượng phát quang của eosin, ta thấy phổ phát xạ như hình vẽ 1

Năng lượng mang bởi ánh sáng kích thích bị hấp thụ bởi chất khảo sát Phổ hấp thụ được biểu diễn bởi đường cong K Một phần của năng lượng hấp thụ này chuyển thành năng lượng phat

xạ Sự biến thiên của năng lượng phát xạ theo bước sóng được biểu diễn bởi đường cong P

Các thí nghiệm cho thấy, bước sóng ứng với cực đại của đường phát xạ bao giờ cũng lớn hơn bước sóng ứng với cực đại của đường hấp thụ Đó là định luật stokes Chính vì định luật này nên muốn gây ra sự phát quang ánh sáng thấy được, thường

ta phải dùng ánh sáng kích thích ở trong vùng tím hay tử ngoại

§§4 KHẢO SÁT LÝ THUYẾT HIỆN TƯỢNG PHÁT HUỲNH QUANG

Trong hiện tượng phát huỳnh quang, các hạt phát xạ (nguyên tử, phân tử, ion) được kích thích từ trạng thái căn bản (bền) lên trạng thái kích thích có mức năng lượng cao hơn, trạng thái này không bền, nên sau một thời gian các hạt tự động trở về trạng thái căn bản, trả lại năng lượng chúng đã hấp thụ (khi được kích thích) dưới dạng ánh sáng Hiện tượng này được gọi là sự phát xạ ngẫu sinh

Giả sử khi hấp thụ năng lượng hv = E3 - E1, hạt

từ trạng thái căn bản ứng với mức năng lượng E1 nhảy lên E3 Sau một thời gian t ở mức năng lượng E3 (t là đời sống của hạt ở trạng thái kích thích E3) , hạt tự động rơi xuống mức năng lượng E2 và phát ra photon có năng lượng hv’ = E3 - E2

Khi được chiếu bởi chùm tia sáng kích thích, không phải tất cả các hạt của chất phát quang chịu sự tác động của photon kích thích, mà chỉ có một phần, giả sử N hạt (N tỷ lệ với cường độ của ánh sáng kích thích) Để đơn giản, ta xét trường hợp sự trao đổi năng lượng xảy ra giữa hai mức năng lượng E (căn bản) và E* (kích thích) Vào một thời điểm bất kỳ trong thời gian phát quang,

N gồm n hạt ở trạng thái cơ bản và n* hạt ở trạng thái kích thích

N = n + n* Trong thời gian dt, số hạt đi từ trạng thái căn bản lên trạng thái kích thích (tỷ lệ với n và thời gian dt) là a.n.dt, số hạt từ trạng thái kích thích rơi trở về trạng thái căn bản (tỷ lệ với n* và dt) là b.n*.dt, trong đó a và b là các hằng số tỷ lệ, có trị số dương Như vậy trong thời gian dt, số hạt ở trạng thái kích thích biến thiên là:

dn* = an dt - bn* dt = [ aN - (a + b)n* ] dt

từ trạng thái căn bản nhảy lên trạng thái kích thích thì bằng số hạt từ trạng thái kích thích rơi trở về trạng thái căn bản tính trong cùng một thời gian: an = bn* Ta nói sự phát quang đạt tới chế độ ổn định

Cường độ ánh sáng phát quang I tỷ lệ với số hạt rơi trở về mức cơ bản trong một đơn vị thời gian Ta có thể viết

Mà ta biết N tỷ lệ với cường độ Io của ánh sáng kích thích, do đó I cũng tỷ lệ với Io Tuy nhiên N không thể lớn hơn tổng số hạt phát quang có trong chất khảo sát, do đó khi tăng Io, cường độ phát quang I không thể tăng mãi mà sẽ đạt tới chế độ bão hòa

Khi ta ngưng kích thích, sự phát xạ ngẫu sinh vẫn tiếp tục trong một thời gian Số hạt ở trạng thái kích thích giảm dần theo hệ thức

Hay

dn * bn *dt

dn b dtn

= −

= −Suy ra * * bt

t

n *

sau khi ngöng kích thích

H 3

- Đời sống trung bình ở trạng thái kích thích

Xét một thời điểm t (t = 0 lúc ngưng kích thích) Trong thời gian dt kế tiếp, số hạt từ trạng thái kích thích tự nhiên rơi trở về trạng thái căn bản là bn*dt Vì dt rất nhỏ nên ta có thể coi các hạt này đã ở trạng thái kích thích trong cùng một thời gian là t Vậy thời gian tổng cộng ứng với số hạt trên là bn*dt.t Thời gian t có thể lấy từ 0 tới (, do đó đời sống trung bình của hạt ở trạng thaí kích thích là :

§§5 HIỆU SUẤT PHÁT HUỲNH QUANG

Ta thấy các hạt phát quang có vai trò như các máy biến đổi ánh sáng : hấp thụ ánh sáng kích thích và biến đổi thành ánh sáng phát quang Thực ra, không phải tất cả các hạt đã bị kích thích, khi rơi trở về mức căn bản, đều phát huỳnh quang, mà một phần của các hạt này nhường năng lượng mà chúng đã hấp thụ cho các hạt xung quanh dưới dạng chuyển động

Do đó các hạt này khi trở về mức căn bản sẽ không phát xạ Như vậy, trong một đơn vị thời gian, số hạt rơi trở về mức căn bản không phải chỉ gồm bn* hạt phát huỳnh quang mà là bn* + cn* (cn* là số hạt rơi về mức căn bản trong một đơn vị thời gian mà không phát huỳnh quang, c là một hệ số dương)

Do đo,ù đời sống trung bình của hạt ở trạng thái kích thích không phải làĠ mà thực ra là :Ġ

Hiệu suất phát huỳnh quang được định nghĩa là :

Ta thấyĠ hằng số Vậy tỷ lệĠ đặc trưng cho hiện tượng phát huỳnh quang đơn giản

§§6 ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ

Hiệu suất phát quang trên có thể viết là :

Trong đó J là quang thông phát quang, A là quang thông hấp thụ hay

*.1

dt t e b

dt t n b n

bt o

τ

c b

b A

J

+

=

=ζ

Giả sử các hạt trở về trạng thái căn bản mà không phát quang là do sự đụng thì trong công thức trên, b là hằng số đối với nhiệt độ trong khi c thay đổi theo nhiệt độ

Nếu ta thừa nhận rằng, trong một khoảng nhiệt độ giới hạn nào đó quang thông hấp thụ

A độc lập với nhiệt độ và thừa nhận c= 0 ở nhiệt độ T = 0ok thì :

ĉ Với Jo là quang thông phát quang ở 0ok

hay A = Jo

Suy ra

Vậy Ġ là một hàm bậc nhất theo c khi nhiệt độ tăng thì c tăng, do đó cường độ phát quang giảm

§§7 ĐO THỜI GIAN PHÁT QUANG

Ta xét trường hợp quang phát quang đơn giản có cường độ phát quang giảm đi theo công thức :

I = Io e-t/τ

t = thời gian tính từ lúc ngưng kích thích

( = thời gian phát quang trung bình

Máy đầu tiên để đo thời gian là lân quang nghiệm Becquerel Máy gồm hai đĩa tròn A

và B, trên mỗi đĩa có đục các lỗ thủng cách đều nhau Các lỗ thủng trên hai đĩa không đối diện nhau mà xen kẽ Hai đĩa A và B gắn trên cùng một trục quay Chất phát quang để giữa hai đĩa và là lớp mỏng để ánh sáng truyền qua được Chất phát quang được chiếu sáng (kích thích) qua một lỗ của đĩa này, giả sử đĩa A, và được quan sát qua một lỗ của đĩa kia (đĩa B) Giả sử mỗi đĩa có n lỗ và quay với vận tốc N vòng/s Chất phát quang được kích thích khi một lỗ thủng của đĩa A quay đến trước nó và được quan sát khi một lỗ thủng của đĩa B quay đến trước đó Bề rộng của các lỗ thủng khá hẹp để sự kích thích và sự quan sát được coi như tức thời

Thời gian từ lúc kích thích tới lúc quan sát là :

1 2

t Nn

=

b

c j

Từ công thức I = Io e -t/(, suy ra:

1 log

Với lân quang nghiệm này, người ta đã có thể đo được những thời gian ( khá ngắn 4s)

(10-Các thí nghiệm sau này thực hiện bởi Wood có thể đo được những thời gian ( ngắn hơn 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 thể 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 giảm (, 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

§§8 HIỆN TƯỢNG PHÁT HUỲNH QUANG CHẬM VÀ PHÁT LÂN QUANG

Trong phần trên, ta đã xét một loại phát quang trong đĩ chỉ cĩ sự tham gia của các mức năng lượng thường (mức căn bản và mức kích thích) Các hiện tượng phát quang như vậy được gọi là phát huỳnh quang đơn giản Một loại hiện tượng phát quang thứ hai trong đĩ cĩ

sự tham gia của mức năng lượng giới ẩn (metastable), đĩ là trường hợp phát huỳnh quang chậm, hoặc phát lân quang

Một hạt khơng thể trực tiếp từ mức năng lượng cơ bản E nhảy lên mức năng lượng giới

ẩn E’ mà phải qua trung gian của một mức năng lượng kích thích E* cao hơn Từ mức năng lượng giới ẩn, hai cơ chế sau đây cĩ thể xảy ra

- Hoặc hạt tự động rơi trở về mức căn bản (hình 6a) Đĩ là một loại hiện tượng phát huỳnh quang, nhưng cĩ thời gian phát quang kéo dài hơn (so với phát huỳnh quang đơn giản) Vì vậy được gọi là phát huỳnh quang chậm Thời gian phát huỳnh quang trung bình ứng với hiện tượng phát quang chậm ở vào khoảng từ 10-4 giây tới 1 phút, trong khi thời gian này ứng với hiện tượng phát huỳnh quang đơn giản ở trong khoảng từ 10-10 giây tới 10-4 giây

- Hoặc hạt do tác động bên ngồi, nhảy lên mức kích thích E* cao hơn, rồi tự động rơi trở về mức căn bản Đĩ là hiện tượng phát lân quang (hình 6b), trong hiện tượng này, mức năng lượng giới ẩn được coi là hồn tồn bền nếu khơng cĩ tác động của bên ngồi Ngồi

ra, ta thấy từ mức căn bản lên mức giới ẩn, hay từ mức giới ẩn xuống mức căn bản, đều xảy

ra một cách gián tiếp Thời gian hạt nằm ở mức giới ẩn cĩ thể kéo dài vơ hạn Ta thấy mức này giống như một cái “bẫy” năng lượng

Nếu ta hạ nhiệt độ xuống thấp để làm giảm tần số đụng giữa các hạt, thời gian phát lân quang sẽ tăng lên Đời sống trung bình của hạt ở mức giới ẩn cĩ thể kéo dài vơ hạn nếu ta

hạ nhiệt độ xuống tới một mức nào đĩ

Người ta cịn phân biệt hai loại phát lân quang

ƒ Phát lân quang Perrin, xảy ra với chất lỏng và chất khí Giữa hai quá trình hấp thụ và phát xạ, các phân tử trải qua một trạng thái trung gian và chỉ phát lân quang khi nhận được một sự cung cấp năng lượng của mơi trường

ƒ Phát lân quang Becquerel - Lenard, xảy ra với các chất rắn kết tinh Trong quá trình phát lân quang này cĩ một sự “ion hĩa nội” Một điện tử bị bứt ra khỏi nguyên tử phát quang để cĩ một độ tự do nào đĩ Khi điện tử này tái hợp với nguyên tử thì sự phát xạ lân quang xảy ra

Huỳnh quang chậm