TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT Lí
NGUYEN THI HUE
NGHIEN CUU SU PHAT XA VA BAN CHAT ANH SANG
TOM TAT KHOA LUAN TOT NGHIEP DAI HOC
HA NOI, 2012
Trang 2LỜI CÁM ƠN
Để hoàn thành khúa luận này, tụi đó nhận được nhiều sự giỳp đỡ nhiệt
tỡnh của cỏc thầy cụ
Đầu tiờn tụi muốn gửi lời cảm ơn tới ThS Phan Thị Thanh Hng là người đó chỉ dẫn tận tỡnh, tạo điều kiện tố nhất giỳp đỡ tụi hoàn thành khúa luận này
Tụi cũng xin gửi lời cảm ơn tới cỏc thầy cụ trong khoa Vật lý Trường ĐHSP Hà Nội 2 những người đó giỳp đỡ đề tụi hoàn thành khúa luận này
Trong quỏ trỡnh hoàn thành khúa luận, tụi khụng trỏnh khỏi những thiếu sút, rất mong được sự gúp ý kiến của cỏc thầy cụ để khúa luận được đầy đủ hơn
Tụi xin chõn thành cảm ơn!
Hà Nội, thỏng 5 năm 2012 Sinh viờn
Trang 3LỜI CAM ĐOAN
Tụi xin cam đoan khúa luận được hoàn thành là kết quỏ nghiờn cứu của riờng tụi, kết quả nghiờn cứu khụng sao chộp, khụng trựng lặp với cỏc kết quả nghiờn cứu trước
Nờu sai tụi xin hoàn toàn chịu trỏch nhiệm!
Hà Nội, thỏng 5 năm 2012 Sinh viờn
Trang 4MỤC LỤC Trang
Trang phụ bỡa Lời cảm ơn
Lời cam đoan MO DAU
1 Lý do Chon G6 tai c ceeccccccscsecssessssesssseessseessessssecsssesssseessseessseesseessseeesseeees
2 Mục đớch nghiờn CỨU + + +EESEsEeESEeEekekekekrkrkrkrkrkrree 3 Đối tượng và phạm vi nghiờn cứu ccc+ccsc+c++
4 Nhiệm vụ nghiấn CỨU .- ú- + E1 v93 xe
5 Phương phỏp nghiấn CỨU .- s55 + +E+vEeeseeeereerse
6 Cấu trỳc khúa luận -+22+âvvvvvveeeeeerritrtrrttttiiirrrrrrie
NOI DUNG
Chương 1 Một số khỏi niệm cilia quang IY ooo ceececccecceecseecseesseeeseeeseeesees
1.1 Khỏi niệm về vận tốc ỏnh 1-4-3
Trang 51.6.2 Sự thăng giỏng của những chựm tia kết hợp - 16 1.6.3 Sự thăng giỏng trong trường giao thoa ô c<s+ 16 1.7 Sự nhiễu xạ Điều kiện để quan sỏt nhiễu xạ -.2 +¿ 17
1.7.1 Sự nhiễu Xạ - 22 SE SE+EEE SE EEEEEEEEEEEEEEEEErkrrr 17
1.7.2 Điều kiện để quan sỏt nhiễu xạ . 2- 2 ¿âxz+xeezrs 19 1.8 Kết luận chương è â<+â+Ê+EEEÊ+EEEeSEEEeSEEErEEkrrrrkrrrrkerrek 20 Chương 2 Bản chất ỏnh sỏng 2-2222 SE EEEEEEEEErrkrerkeee 21
2.1 Ban chat điện từ của ỏnh sỏng
Hỡnh ảnh cổ điển của sự phỏt xạ ¿-225cccceccckecrrkrrrrerrrex 21 2.2 Cỏc mức năng lượng giỏn đoạn của nguyờn tử . - ‹ 23 2.2.1 Thớ nghiệm Phrang và Hec ô+ + sxsxexrereeeree 23 2.2.2 Thớ nghiệm xỏc định mức năng lượng giỏn đoạn
l0 :8011/)0001 2222 25 2.3 Giản đồ cỏc mức năng lượng . ¿âsc + xxccxkcrrkerrkrrreerree 26 2.3.1 Thiết lập cụng thức năng lượng toàn phần của nguyờn tử 27 2.3.2 Nguyờn tắc xõy dựng giản đồ mức năng lượng của nguyờn tử 28 2.3.3 Tớnh năng lượng của nguyờn tử ở trạng thỏi bỡnh thường 30
2.4 Cỏc định đề Bo Cơ cấu lượng tử về sự phỏt xạ ỏnh sỏng 31
2.5 Kết luận chương 2 -2-â2Ê+2++e+EEECEEEECEEEEEEEEEEEEEEEEEErrrkkrrrrrree 33 Chương 3 Cỏc dạng khỏc nhau của bức xạ điện từ . - 34 3.1 Súng tần số thấp và súng vụ tuyến -¿ +-â+c+ccxccrxcrrs 34
Trang 63.1.2 Súng vụ tuyến :- +22 E22 E211 Eeerteee 34 3.2 Bức xạ hồng ngoại .-22- 22222 2E AE 711711171 EXE Extrktrkrrerrec 35 3.3 Bức xạ thấy đưỢC s-â+<+2x2ExE1E1E271E171E271E1TXE1TxeTktkerrkrrree 36
3.4 Bc cac on 37
3.5 Bức xạ của cỏc mỏy phỏt lượng tử quang học ‹-+ 38 3.6 Bức xạ Rơnghen - 6 1k1 SH HH HH nhi 39 3.6.1 Ống điện tử Rơnghen 2-22-2222 ESEEEeEEkrrkeerreee 39 3.6.2 Bấ{a(rễN 6 TT TH HH TH TT TH HT HH HH Hư 40 3.6.3 Sự phỏt sinh ra bức xạ Rơnghen sec 41
3.7 Buc Xa Gamma, ccccssccesscessccesccestcessecesecessecsseceseceseeceaeceseesseceseess 42
3.7.1 Sự bắn phỏ liti bằng proton -âsâcc+cxcvcrevrxeerreee 42 3.7.2 Su phan ró phúng xạ của hạt nhõn nguyờn tử - 43
3.7.3 Sự hóm cỏc electron được tăng tOC ceeccecceseesecssesecsecerseeeeeseeeveaee 43 3.7.4 Sự biến đổi cặp electron — pụzitron thành bức xạ 43
3.8 Kết luận chương 3 -2-âs++k+EEE9EEE121E221112112211211E1211 11 1xx 45
$0 0a 43+<đAggAB., H , 46
Trang 7MO DAU
1 Li do chon dộ tai
Quang lý là một trong những nội dung quan trọng trong vật lớ Nú chứa đựng mọi kiến thức về bản chất của ỏnh sỏng, tỏc dụng của ỏnh sỏng và ứng dụng của quang lý trong đời sống và trong kĩ thuật
Vật lý hiện đại trưởng thành lờn nhờ sự nghiờn cứu về cầu tạo của cỏc
nguyờn tử của cỏc chất và sự nghiờn cứu về ỏnh sỏng Ánh sỏng được tỡm hiểu
về mọi mặt như: sự giao thoa, sự truyền ỏnh sỏng, bản chất điện từ hay những
dạng khỏc nhau của bức xạ điện từ Sự phỏt xạ của ỏnh sỏng được ứng dụng rộng rói như: trong cỏc dụng cụ quang điện, sự thắp sỏng bằng huỳnh quang, ứng đụng của quang học trong kĩ thuật đo lường, Mặt khỏc, trờn thực tế ta cũn gặp rất nhiều ứng dụng khỏc về sự phỏt xạ nhờ ỏnh sỏng Vỡ vậy việc “nghiờn cứu về sự phỏt xạ và bản chất ỏnh sỏng” là van dộ cần thiết
Xuất phỏt từ quan điểm trờn và sự yờu thớch mụn quang học của bản
thõn, là những lớ do khiến tụi chọn đề tài nghiện cứu là: “Nghiờn cứu sự phỏt
xạ và bản chất ỏnh sỏng ” nhằm nõng cao sự hiểu biết của riờng tụi, đồng thời
cú thể làm tài liệu tham khảo cho cỏc bạn sinh viờn khỏc
2 Mục đớch nghiờn cứu
- _ Nghiờn cứu một số vấn đề thuộc quang lý 3 Đối tượng và phạm vi nghiờn cứu
- _ Đối tượng nghiờn cứu là ỏnh sỏng
- Phạm vi nghiờn cứu: sự phỏt xạ và bản chất của ỏnh sỏng
4 Nhiệm vụ nghiờn cứu
- _ Tỡm hiểu bản chat ỏnh sỏng
- _ Tỡm hiểu sự bức xạ điện từ
5 Phương phỏp nghiờn cứu
Trang 86 Cấu trỳc khúa luận
Khúa luận gồm cú ba chương: Chương 1 Một số khỏi niệm của quang lý
Chương 2 Bản chất ỏnh sỏng
Trang 9NỘI DUNG
CHUONG 1 MOT SO KHAI NIEM CUA QUANG LY 1.1 Khỏi niệm về vận tốc ỏnh sỏng
Vận tốc ỏnh sỏng là một trong những hằng số cơ bản trong vật lý Sự phỏt triển của hàng loạt lĩnh vực vật lý quan trọng cú liờn quan tới việc nghiờn
cứu đại lượng này Trước hết là quang học và điện động lực Vận tốc ỏnh sỏng
là một trong những khỏi niệm cơ bản trong thuyết của Maxwell về trường điện từ, trong thuyết lượng tử, thuyết tương đối Giỏ trị giới nội của vận tốc ỏnh sỏng xỏc định lý thuyết tỏc dụng gần, thuyết này cú ý nghĩa quan trọng đối với thế giới quan vật lớ học hiện đại
Vận tốc ỏnh sỏng cú liờn quan với nhiều hằng số cơ bản khỏc của vật
lý, và cú mặt trong cỏc định luật vật lý và cỏc hệ thức chủ yếu: chiết suất của
một chất được biểu diễn theo nú (n =S), năng lượng (e=h*), khối lượng y
hv
2 ) và xung lượng của photon (p=mc) Vận tốc ỏnh sỏng cú trong
(m=
cụng thức biểu diễn sự phụ thuộc của khối lượng một vật vào vận tốc chuyển
My
động của nú (m= 27 2 ), trong định luật liờn hệ tương hỗ giữa khối l-v'/c
lugng va nang luong (E=mc’), trong phuong trinh biộu diộn mdi liộn hộ
5 La 1
giữa cỏc hăng số điện và từ (Ê¿⁄ =~y) và cỏc hệ thức khỏc Vận tục ỏnh sỏng c
xỏc định hệ thức giữa cỏc đơn vị điện từ và đơn vị tĩnh điện của cỏc đại lượng
Trang 10bằng thực nghiệm được trỡnh bày trong một số sỏch và cú một ý nghĩa quan
trọng đối với việc học vật lớ
Vận tốc ỏnh sỏng cú thể đo được bằng phương phỏp trực tiếp và giỏn tiếp Cỏc thớ nghiệm Rome, Fidụ, Michelson là những phương phỏp trực tiếp; cỏc thớ nghiệm Bơrađơlờ, Cụnrausơ và Vờbe thuộc về phương phỏp đo giỏn tiếp Tất cả cỏc phương phỏp đo vận tốc ỏnh sỏng trực tiếp trờn mặt đất cũng như phương phỏp thiờn văn của Rome đều dựa vào sự ngắt quóng chựm tia sỏng Khi mở “cỏi chắn ỏnh sỏng” (tờn chung của dụng cụ cho ỏnh sỏng truyền qua một cỏch tuần hoàn) một chựm tỉa sỏng hẹp truyền qua từ nguồn đến gương và quay trở lại, cũn khi đúng “cỏi chắn ỏnh sỏng” chựm tia sỏng bị ngắt quóng Do đú cỏc phộp đo được tiến hành với cỏc súng cú bắt đầu và kết thỳc, nghĩa là với cỏc đoàn súng Như ta đó biết đồn súng cú thể xem như một tập hợp cỏc súng đơn sắc Trong miền tỏn sắc thường, một điểm bắt kỡ của nhúm cỏc súng đơn sắc (hay là xung lượng) dịch chuyờn chậm hơn điểm cua moi một súng đơn sắc trong nhúm này
ă —>v
Hỡnh 1.1: Để giải thớch khỏi niệm vận tốc súng
A và B là cỏc súng đơn sắc; C là nhúm súng
Trang 11Trờn hỡnh I biểu diễn hai súng đơn sắc (súng hinh sin) A và B cú tần số dao động khỏc nhau và súng tổng hợp C Nếu cỏc súng thành phần chuyờn động trong chõn khụng với vận tốc 0 nào đú, thỡ một điểm bất kỳ của súng tổng hợp (nhúm súng) chuyền động cựng với vận tốc đú Tuy nhiờn trong mụi trường tỏn sắc, cỏc súng đơn sắc truyền với vận tốc khỏc nhau D, Va D,, Vi vậy súng tụng hợp, chăng hạn điểm cú biờn độ cực đại dịch chuyền với vận
tốc khỏc vận tốc 0, và 0, VỊ trớ của biờn độ cực đại trong súng tong hợp luụn luụn dịch chuyển phụ thuộc vào vị trớ tương hỗ của cỏc súng đơn sắc Vận tốc truyền pha của cỏc súng đơn sắc được gọi là vận tốc pha; cũn vận tốc truyền
một điểm của nhúm cỏc súng đơn sắc, gần nhau về tần số gọi là vận tốc nhúm Năng lượng ỏnh sỏng truyền đi với vận tốc nhúm
Vận tốc pha và vận tốc nhúm trong chõn khụng là như nhau, cũn trong mụi trường tỏn sắc là khỏc nhau Trong miền tỏn sắc nào đú chiết suất cú thể bộ hơn đơn vị; nghĩa là n =" < 1 Điều đú cú nghĩa là vận tốc pha D >e Tuy nhiờn vận tốc nhúm — vận tốc truyền năng lượng ỏnh sỏng — trong trường họp này khụng lớn hơn vận tốc ỏnh sỏng trong chõn khụng
1.2 Sự giao thoa Nguyờn lý chồng chất
Sự giao thoa xảy ra khi hai hay một số súng kết hợp gặp nhau Hiện tượng giao thoa xảy ra đối với cỏc súng cú bản chất vật lý bất kỡ, tuõn theo điều kiện nhất định là cỏc súng phải kết hợp í nghĩa của hiện tượng giao thoa đối với vật lý cú thể được đỏnh giỏ theo hai quan điểm
Thứ nhất, sự truyền thăng, sự phản xạ và khỳc xạ ỏnh sỏng trong cỏc chất được mụ tả theo nguyờn lý Huyghen — Fresnel là sự giao thoa của súng thứ cấp Nghiờn cứu cỏc hiện tượng giao thoa cho ta phương phỏp đơn giản để tớnh toỏn sự truyền ỏnh sỏng
Trang 12Thứ hai, sự giao thoa là biểu hiện của nguyờn lý chồng chất Theo nguyờn lý này nếu một hệ phi tuyến (mụi trường) chịu hai (hay một số) tỏc dung, thỡ cỏc kết quả sẽ chồng chất lờn nhau (cỏc biờn độ - tổng hợp theo hỡnh học) Hệ (hay mụi trường) là tuyến tớnh nếu cỏc tớnh chất của nú khụng phụ
thuộc vào sự biến thiờn trạng thỏi của hệ
Nguyờn lý chồng chất đỳng đối với cỏc trường hợp được mụ tả bởi cỏc phương trỡnh tuyến tớnh, đặc biệt đối với trường điện từ là cỏc phương trỡnh Maxwell Thớ dụ, hai súng điện từ đi qua cựng một điểm của khụng gian và sau đú mỗi súng tiếp tục truyền đi như khụng cú súng kia Tại điểm gặp nhau cỏc cường độ điện trường —E, và E, của cả hai súng được tổng hợp vector với nhau Khi đú cỏc vector khụng tương tỏc với nhau, chăng hạn trong trường hợp khi E, =—E,, cỏc súng khụng triệt tiờu lẫn nhau, mặc dự tại điểm gặp nhau cỏc súng dao động làm tắt lẫn nhau Thật vậy, sau khi gặp cỏc súng điện từ truyền đi độc lập với nhau Nguyờn lý chồng chất cho phộp xem một dao động phức tạp như tống hợp cỏc dao động tử điều hũa, xem một xung phức tạp (chẳng hạn xung ỏnh sỏng) như tổng hợp vụ hạn cỏc súng đơn sắc Đối với cỏc hệ tuyến tớnh nguyờn lý này là nguyờn lý cơ bản và tổng quỏt trong vật lý
1.3 Tớnh đơn sắc
Nhờ cỏc mỏy quang phố (mỏy đơn sắc) cú thể tỏch một chựm tia hẹp của quang phố Khe càng hẹp và năng suất phõn giải của mỏy càng lớn thỡ phần tỏch ra của quang phổ càng hẹp, nhưng vỡ cỏc phương tiện đó biết khụng thể tạo nờn khe hẹp vụ hạn và khụng thể cú năng suất phõn giải của mỏy vụ hạn, cho nờn khụng thể tỏch được bức xạ đơn sắc Cỏc vạch quang phụ cũng chiếm một khoảng tần số tương đối rộng
Ta cú thể hiểu bức xạ đơn sắc là những dao động sin kộo dài vụ hạn
Những bức xạ của cỏc nguyờn tử và phõn tử lại xảy ra trong một khoảng thời
Trang 13gian giới nội Bức xạ như thế, ngay cả cú biờn độ và tần số khụng đổi nhưng bị giới hạn trong thời gian cũng sẽ khụng đơn sắc Như ta đó biết, cú thộ biểu diễn bức xạ này đưới dạng một tập hợp cỏc dao động sin (đơn sắc) kộo dài vụ
hạn với những tần số là bội số của một tần số nào đú
Nguyờn nhõn gõy ra sự khụng đơn sắc của bức xạ là do trong nguồn sỏng chứa một số rất lớn vật phỏt xạ và chỳng ở trong trạng thỏi chuyển động nhiệt Bức xạ tới đập vào lăng kớnh hay cỏch tử nhiễu xạ là do những nguyờn tử khỏc nhau của vật phỏt xạ Sự biến thiờn năng lượng của những nguyờn tử khỏc nhau trong một lần phỏt xạ cú thể là khụng giống nhau Vỡ vậy bức xạ toàn phần cú thành phần phức tạp Nhưng, nếu như ngay cỏ tần số bức xạ của cỏc nguyờn tử trong vật như nhau thỡ người quan sỏt vẫn thu được bức xạ cú tần số khỏc nhau
Đú là vỡ hiệu ứng Dople, do cú sự chuyờn động hỗn loạn của cỏc hạt
mà vận tốc của một số vật phỏt xạ này hướng về người quan sỏt, cũn của số
kia — theo chiều ngược lại Cuối cựng vận tốc chuyờn động nhiệt của cỏc hạt được phõn bố theo định luật Maxwell
1.4 Tớnh kết hợp
Ta hiểu cỏc nguồn sỏng kết hợp là những nguồn sỏng thực hiện những dao động cú tần số như nhau và cú hiệu số pha khụng đổi theo thời gian Hiệu số này cú thể cú những giỏ trị khỏc nhau nhưng khụng thay đổi theo thời gian Những dao động của một điểm trong mụi trường được đặc trưng bởi ba đại lượng: biờn độ, tần số và pha Trong định nghĩa về sự kết hợp chỉ cú hai đại lượng cuối cựng Độ rừ nột của hỡnh ảnh giao thoa phụ thuộc vào hiệu số biờn độ Hiệu số cỏc biờn độ phải sao cho theo cường độ dao động cú thể phõn biệt
được cỏc cực đại với cỏc cực tiểu Nếu khụng thỡ hỡnh ảnh giao thoa bị mờ
Trong những nguồn kết hợp khi cú tần số như nhau, hiệu số pha cú thể cú cỏc giỏ trị khụng chỉ từ 0 đến 2z mà cả đến 2nz, trong dộ n là số nguyờn Trường hợp sau này thực tế xảy ra khi nguồn dao động chuyển đi
Trang 14đoàn súng (nhúm súng) sau vài chu kỳ + kể từ khi nguồn thứ nhất bắt đầu dao động Nếu hai nguồn dao động chuyển đi cỏc đoàn súng cú tần số như nhau tiếp theo nhau thỡ để thu được trường hợp giao thoa cỏc nhúm súng từ cả hai nguồn phải chồng lờn nhau (hỡnh 1.2) và nhúm súng này tiếp theo nhúm súng kia sau những khoảng thời gian bằng nhau Chỉ trong những điều kiện này hỡnh ảnh giao thoa mới được bền vững
I 1
WW mn
WWW AWW
Hinh 1.2: Diộu kiộn dộ thu anh giao thoa
Cỏc pha ban đầu của mỗi đoàn súng I, I; cú thể khỏc nhau Nhưng khi kết hợp cỏc pha của cỏc đoàn súng tương ứng IIĂ, II; của “lượt” khỏc thay đổi một cỏch đồng bộ
Để thu được hỡnh ảnh giao thoa hiệu số pha tại mỗi điểm phải khụng biến đối theo thời gian, nhưng tại những điểm khỏc nhau độ dịch chuyển pha núi chung cú thể khụng như nhau Nú cú giỏ trị như nhau tại tất cả cỏc điểm cực đại hay cực tiểu súng của cựng một võn giao thoa Nếu như cỏc nguồn sỏng là khụng kết hợp thỡ tại một điểm cho trước mà súng đạt đến, hiệu số pha
sẽ bị thay đổi một cỏch nhanh chúng và mắt khụng thể theo dừi được sự đổi
chỗ của cỏc võn giao thoa, do đú chỳng ta chỉ nhận biết được cường độ trung bỡnh của cỏc dao động trong miền được quan sỏt
Cỏc nguyờn tử và phõn tử của cỏc chất là cỏc nguồn sỏng Trong cỏc vật phỏt sỏng, chẳng hạn dưới tỏc dụng của sự phúng điện trong cỏc khớ kộm hay do sự hấp thụ photon, cỏc nguyờn tử của vật chuyền từ trạng thỏi bỡnh thường
Trang 15lờn trạng thỏi kớch thớch Khi cỏc nguyờn tử chuyển ngược lại sẽ phỏt ra photon Tại một thời điểm bất kỳ một số nguyờn tử chuyển lờn trạng thỏi kớch thớch cũn số kia ở trạng thỏi bỡnh thường Quỏ trỡnh phỏt xạ của nguyờn tử kộo dài trong một khoảng thời gian ngắn do đú tạo thành đoàn súng cú độ dài nào đú Hóy xột thớ dụ sau đõy:
Giả sử một nguyờn tử phỏt ra ỏnh sỏng vàng với bước súng 4 = 600 œm
Tan sộ dao động sẽ được xỏc định như sau:
3
a 600.10°m
Ngoài ra nếu biết rằng sự phỏt xạ kộo đài z=10Šs, cú thộ xỏc định số súng trong đoàn súng:
n=Vr
n=5.10"s'.10%s =5.10°
Cú thể tớnh được dễ dàng cả độ dài của đoàn súng:
L=vA
L=5.10"s'.600.10°m=3m
Nếu những đoàn súng như thế tiếp đuụi nhau cỏi này sau cỏi kia, thi cỏc lần phỏt xạ của chỳng độc lập với nhau vỡ vậy cỏc pha ban đầu thay đổi một cỏch tựy ý, cú nghĩa là những súng này khụng kết hợp
Muốn tạo ra được hai súng kết hợp cú thể tỏch bức xạ từ cựng một nguyờn tử phỏt ra thành từ hai chựm bằng cỏch cho phản xạ hay khỳc xạ
Để tạo được hỡnh ảnh giao thoa hiệu quang trỡnh của hai súng phải khụng lớn hơn một giỏ trị nào đú Chang hạn nếu độ đài của đoàn súng ỏnh sỏng vàng L=3zn, thỡ cả hai đoàn súng (1; và II;) khụng thể giao thoa với
nhau được Vỡ vậy khi núi tới sự hỡnh thành cỏc cực đại và cực tiểu về cường
độ trong hỡnh ảnh giao thoa, một số điểm của khụng gian phải thỏa món hệ
thức:
Trang 16A
1,— =(n+1)> (1.1)
và những điểm khỏc phải thỏa món hệ thức A
x —a = 2n5 (1.2)
Trong đú: x,—x, là hiệu số quang trỡnh của hai súng và ứ là số nguyờn nhưng khụng thờ lay bat cứ giỏ trị nào
Hiệu quang trỡnh lớn nhất được xỏc định từ cỏc lý luận sau: Trong điều kiện về cực đại:
—x,=nÀ (1.3)
Đại lượng n4 khụng thể vượt quỏ chiều dài L Bởi vỡ,
n=VWF, (1.4)
trong đú 7 là thời gian kộo dài của sự phỏt xạ bởi nguyờn tử thỡ
2M Shave" = te, (1.5)
x,
Do đú, hiệu quang trỡnh lớn nhất cũn cú thể xảy ra giao thoa phụ thuộc vào thời gian kộo dài của sự phỏt xạ bởi nguyờn tử
Như vậy cỏc súng kết hợp là cỏc súng cú cựng tần số và cú hiệu số pha khụng
đổi theo thời gian
1.5 Bức xạ cảm ứng Mỏy phỏt lượng tử quang học
Cựng với việc chế tạo ra cỏc mỏy lượng tử quang học — cỏc lade, đó
xuất hiện những khả năng mới để thực hiện sự kết hợp và điều khiến nú Bức xạ cảm ứng (bức xạ cưỡng bức) là bức xạ của vật (của hệ lượng tử
gồm nguyờn tử và phõn tử) được tạo nờn do trường điện từ ngoài truyền qua nú Bức xạ cảm ứng của mỗi nguyờn tử (phõn tử) cú hàng loạt tớnh chất đặc biệt Tần số và pha của nú cũng giống như tần số và pha của trường điện từ
kớch thớch nguyờn tử (hỡnh 1.3) Vỡ vậy mọi vật phỏt xạ cơ bản phỏt ra bức xạ
Trang 17kết hợp Trong những nguồn sỏng khỏc, chẳng han, trong cỏc nguồn nhiệt, cỏc nguyờn tử và phõn tử phỏt ra bức xạ khụng kết hợp
z 2 hv => ly › ww |T? iv > => hv tị a b € Hỡnh 1.3: Sự hấp thụ và phỏt xạ ỏnh sỏng bởi nguyờn tử a) Hấp thụ; b) Phỏt xạ tự phỏt; c) Phỏt xạ cưỡng bức
Khi khụng cú trường điện từ ngoài, đại bộ phận nguyờn tử (hay phõn tử) của vật cú nội năng cực tiờu Điều đú cú nghĩa là chỳng ở mức năng lượng thấp nhất 1 (cơ bản) ( hỡnh 1.4)
2 —e-e—— 2- ee eee
1 a 1 a
a b
Hỡnh 1.4: Sự định xứ bỡnh thuong (a) va dao (b) cua cỏc nguyờn tử Mức năng lượng này của nguyờn tử bằng Eạ Khi chiếu sỏng vật (khi cú tỏc dụng của điện từ trường ngoài), khi cho dũng electron hay dũng cỏc hạt sinh ra do sự phõn ró của cỏc chất đồng vị tỏc dụng vào vật, cỏc nguyờn tử sẽ bị kớch thớch Phần lớn năng lượng bị hấp thụ được dựng để chuyển cỏc nguyờn tử lờn trạng thỏi kớch thớch nghĩa là lờn mức năng lượng 2 Năng lượng của chỳng ở trạng thỏi này bằng E; Cỏc nguyờn tử thường tự phỏt
Trang 18chuyờn ngược lại từ trạng thỏi kớch thớch về trạng thỏi cơ bản, bằng cỏch phỏt ra photon cú tần số:
ty (1.6)
Photon này mang đi năng lượng hấp thụ lỳc trước Tuy nhiờn cú những chất trong đú cỏc nguyờn tử bị giữ ở trạng thỏi kớch thớch Khi đú hệ bị kớch thớch ở trạng thỏi tương đối bền vững, trong một thời gian tương đối lõu Trạng thỏi như thế của hệ bị kớch thớch được gọi là trạng thỏi nửa bờn
Khi chiếu một chất bằng đũng ỏnh sỏng mạnh, cú thể đưa lờn trạng thỏi nửa bền một số nguyờn tử lớn hơn nhiều so với số nguyờn tử ở mức năng lượng cơ bản Trong trường hợp này mật độ định xứ cỏc nguyờn tử ở hai mức
năng lượng là đảo lại mật độ định xứ ở trạng thỏi bỡnh thường (hỡnh 1.4)
Trong trường hợp này người ta núi xảy ra sự định sứ đảo của cỏc nguyờn tử Lần đầu tiờn (vào năm 1939) nhà bỏc học Xụ Viết Fabrican đó nờu lờn rằng: cú khả năng tạo được một mụi trường trong đú tỉ số giữa số nguyờn tử ở trạng thỏi kớch thớch cao hơn với số nguyờn tử ở trạng thỏi kớch thớch thấp hơn, lớn hơn đơn vị
Người ta đó chế tạo được cỏc mỏy phỏt và mỏy khuếch đại lượng tử a ——đ&———— ý; wens, hv SSD hh^^^> WA^^^z #i———e—w—— —w—*—#—&_—&—
Hỡnh1.5: Nguyờn tắc khuếch đại ỏnh sỏng
Trờn hỡnh 1.5 diễn tả nguyờn tắc khuếch đại ỏnh sỏng Sự đinh xứ đảo của cỏc nguyờn tử trong lade ba mức được trỡnh bày trờn hỡnh 1.6 Khi chiếu
Trang 19sỏng một vật (chẳng hạn như rubin, hơi xờdi ) cỏc nguyờn tử chuyển từ trạng thỏi bỡnh thường I lờn trạng thỏi kớch thớch ứng với mức năng lượng 3 Sau đú một số nguyờn tử từ mức năng lượng 3 chuyờn về mức nửa bền 2 mà khụng phỏt xạ 3.8 â đô se ô —= sự chuyờn khụng phỏt xạ 2 Kớch thớch sự chuyờn cú phỏt xạ
Hỡnh 1.6: Sơ đụ cỏc mức năng lượng của laze ba mức
Khi chiếu ỏnh sỏng yếu vào một vật cú sự định xứ đảo của cỏc mức năng lượng (mụi trường “hoạt động”) thỡ cỏc nguyờn tử sẽ chuyển cưỡng bức từ mức năng lượng 2 về mức cơ bản 1 Khi đú mức 2 “bị trống chỗ” Cỏc nguyờn tử sẽ chuyển về cựng một mức — mức năng lượng thứ nhất (cơ bản) Như đó núi ở trờn những nguyờn tử (phõn tử) này phỏt ra bức xạ kết hợp Như vậy trong trường hợp này cỏc nguyờn tử (phõn tử) là những nguồn kết hợp và phỏt ra súng kết hợp
1.6 Cỏc loại giao thoa Thăng giỏng lượng tử
Hiện tượng giao thoa cú thể quan sỏt được ở những thớ nghiệm khỏc nhau: nhờ gương hay lưỡng lăng kớnh Fresnel cũng như nhờ cỏc bản thủy tinh mặt song song hay hỡnh nờm Trong trường hợp thứ nhất, cỏc tỉa truyền đến từ một trong những nguyờn tử (hay phõn tử) chăng hạn là kết hợp và vỡ vậy chỳng giao thoa với nhau khụng phụ thuộc vào bức xạ truyền đến từ cỏc nguyờn tử khỏc Đú là thuộc về mỗi một vật phỏt xạ cơ bản Tổng hợp lại
Trang 20chỳng cho ta một hỡnh ảnh giao thoa bền vững thấy được Trong trường hợp thứ hai xảy ra “sự phõn tớch” mỗi một chựm tia trong cỏc chựm tia sỏng thành hai chựm kết hợp, sau đú chỳng giao thoa với nhau
Loại giao thoa thứ nhất được gọi là giao thoa Fresnel, cũn loại giao thoa thứ hai là loại Newton Đối với loại giao thoa Fresnel cần phải dựng nguồn sỏng cú kớch thước bộ (chẳng hạn, một khe sỏng hẹp), cũn đối với giao thoa Newton — nguồn sỏng cú kớch thước lớn (chẳng hạn, một khe sỏng rộng) Trong trường hợp thứ nhất hỡnh ảnh giao thoa sẽ biến mắt khi nguồn sỏng cú kớch thước lớn (chăng hạn, ỏnh sỏng tỏn xạ của bầu trời), trong trường hợp
thứ hai hỡnh ảnh giao thoa cũng sẽ biến mắt khi bề dày của bản lớn Cỏch giải
thớch hiện tượng giao thoa loại Newton phức tap hon giao thoa Fresnel Nú đũi hỏi phải tớnh đến sự mắt nửa súng khi phản xạ, phải khảo sỏt về võn cựng độ nghiờng và cựng độ dày
Khi nghiờn cứu hiện tượng giao thoa ỏnh sỏng cần phải nghiờn cứu cả về thăng giỏng lượng tử
Với vật lớ tất cả cỏc đại lượng thống kờ là mật độ, ỏp suất, nhiệt độ,
cường độ dũng điện, mật độ bức xạ, v.v đều chịu sự sai lệch ngẫu nhiờn của
một đại lượng vật lớ khỏi giỏ trị trung bỡnh của nú (sự thăng giỏng)
Sự thăng giỏng của cỏc đại lượng thống kờ là hiện tượng chung Thăng giỏng lượng tử là một trong những trường hợp riờng của sự thăng giỏng
Ta đó biết ba thớ nghiệm của Vavilụp về thăng giỏng lượng tử Dưới đõy sẽ mụ tả những thớ nghiệm này
1.6.1 Quan sỏt bằng mắt những hiện tượng thăng giỏng
Từ nguồn sỏng I (hỡnh1.7) ỏnh sỏng được chiếu vào kớnh lọc sắc xanh
lỏ cõy 2 và ống chuẩn trực 3 (bộ phận quang học để tạo cỏc tia song song) đi vào mắt của người quan sỏt 4 Trước nguồn sỏng cú đặt một đĩa 5, trờn đú cú khoột một lỗ trũn và quay được nhờ động cơ điện 6 với tần số quay là 1 vg/s
Trang 21Lỗ trờn đĩa làm cho ỏnh sỏng từ nguồn đến người quan sỏt đi qua trong khoảng thời gian 0,1s và ỏnh sỏng đi qua trong khoảng 0,9s
3
Hỡnh 1.7: Sơ đồ thiết bị dộ do thang gidng luong tr
Ở bờn cạnh ta đặt một nguồn sỏng khỏc 7 được che bởi kớnh lọc sắc đỏ và mắt nhỡn trờn đú Trong suốt thời gian làm thớ nghiệm nhón cầu của mặt khụng được dịch chuyển Ánh sỏng màu xanh lỏ cõy đi qua lỗ của đĩa và rơi vào vựng biờn trờn vừng mụ của mắt
Khi quay đĩa 5, cứ mỗi một vũng của đĩa người quan sỏt thấy đều đặn ỏnh sỏng xanh lỏ cõy (đưới dạng những chớp sỏng của vết cú màu xanh lỏ cõy) Tuy nhiờn khi ỏnh sỏng từ nguồn 1 bị làm yếu đi đến ngưỡng nhỡn thấy nhờ một bộ phận đặc biệt, thỡ những chớp sỏng này khụng đều, nghĩa là ta nhận thấy những khoảng trống rừ rệt Từ đú ta suy ra rằng, khi cường độ ỏnh sỏng yếu (khi dũng ỏnh sỏng yếu) ta nhận thấy cú sự thăng giỏng lượng tử
Giả sử ngưỡng nhỡn thấy tương ứng với lượng photon là nụ Nếu thờm vào đú lượng photon đi qua lỗ trờn đĩa ứ, >n,, thỡ người quan sỏt nhỡn thấy chớp sỏng Khi n, =n, c6 nhitng sy hut xay ra Cuối cựng, khi n, <n, nghĩa là ỏnh sỏng càng bị làm yếu đi, thấp hơn ngưỡng nhỡn thấy, thỡ cỏc chớp sỏng xuõt hiện càng thưa dõn và cuụi cựng biờn mật
Trang 22Sự thăng giỏng mật độ photon trong chựm ỏnh sỏng luụn luụn xảy ra, nhưng do mắt ta chỉ phỏt hiện được nú khi dũng ỏnh sỏng cú cường độ yếu Như thế ỏnh sỏng cú cấu trỳc hạt vi mụ
1.6.2 Sự thăng giỏng của những chựm tia kết hợp
Trong thiết bị trờn giữa ống chuẩn trực 3 và đĩa quay 5 ta đặt một lưỡng lăng kinh Fresnel dộ tao ra chựm tia sỏng kết hợp Với mỗi vũng quay của đĩa người quan sỏt thấy đều đặn những chớp sỏng của hai vết màu xanh lỏ cõy Nhưng tại ngưỡng nhỡn thấy, hai vết sỏng màu xanh lỏ cõy này khụng phải bao giờ cũng xuất hiện đồng thời, cú những lần hụt đối với mỗi vết, mà hụt một cỏch lung tung
1.6.3 Sự thăng giỏng trong trường giao thoa
Trong thớ nghiệm đầu tiờn đó mụ tả ở trờn, nhưng được tiến hành với
hai khe Young, nhờ thấu kớnh hỡnh ảnh giao thoa được tạo thành trờn vừng mụ
của mắt người quan sỏt Giữa hai khe và thấu kớnh ta đặt một màn cú hai lỗ trũn sao cho những lỗ này rơi vào hai võn giao thoa kề nhau nằm ngang — một võn là võn sỏng, cũn võn kia là võn tối Như vậy người quan sỏt cú thể nhỡn thấy một võn sỏng và một võn tối khỏc Hỡnh ảnh này vẫn giữ khi cường độ ỏnh sỏng lớn Nếu nguồn sỏng được che một cỏch tuần hoàn bởi đĩa quay thỡ vết sỏng cũng xuất hiện một cỏch đều đặn và tuần hoàn, cũn vết tối bao giờ cũng là tối Nếu làm cho cường độ ỏnh sỏng yếu đi đến ngưỡng nhỡn thấy, thỡ vết tối vẫn là tối, cũn vết sỏng xuất hiện khụng đều đặn, khụng đỳng nhịp với sự ngắt quóng ỏnh sỏng
Điều đú cú thế giải thớch rằng ỏnh sỏng là một dũng photon (lượng tử ỏnh sỏng) mà số lượng tử photon trong một đơn vị thể tớch dần dần bị thay đổi Tại ngưỡng nhỡn thấy lượng photon n cú thể bộ hơn ngưỡng nạ Khi đú
Trang 23vết sỏng giao thoa sẽ khụng nhỡn thấy và đối với người quan sỏt nú hỡnh như là tối Khi n > n, lại nhỡn thấy vết sỏng
Như vậy hỡnh ảnh giao thoa được bảo toàn vỡ vết tối bao giờ cũng tối, và được giải thớch bằng tớnh chất súng của ỏnh sỏng: cũn sự khụng đều đặn của vết sỏng là do tớnh chất lượng tử của ỏnh sỏng và được giải thớch bằng sự thăng giỏng
Thớ nghiệm đầu tiờn trong ba thớ nghiệm đó núi trờn chứng minh sự tồn tại của cỏc thăng giỏng lượng tử và vẫn giữ nguyờn ý nghĩa về tớnh chất súng của ỏnh sỏng Thớ nghiệm thứ hai chứng tỏ rằng cú sự thăng giỏng lượng tử trong cỏc chựm tia kết hợp Thớ nghiệm thứ ba chứng tỏ lưỡng tớnh súng hạt của quỏ trỡnh
Sự tồn tại của cỏc thăng giỏng lượng tử xỏc nhận rằng mật độ của dũng photon thay đụi một cỏch ngẫu nhiờn, chịu sự thăng giỏng
1.7 Sự nhiễu xạ Điều kiện để quan sỏt nhiễu xạ 1.7.1 Sự nhiễu xạ
Hiện tượng nhiễu xạ núi lờn giới hạn ứng dụng định luật truyền thẳng
của ỏnh sỏng Nguyờn lý Huyghen mụ tả “sự vũng quanh” của ỏnh sỏng trong miền búng tối hỡnh học Tuy nhiờn dựa vào nguyờn lý này khụng thể xỏc định được giỏ trị biờn độ dao động theo những phương khỏc nhau (cú nghĩa là cả
năng lượng, vỡ năng lượng tỉ lệ với bỡnh phương biờn độ) Để xỏc định sự
phõn bồ năng lượng trong miền búng tối hỡnh học và trong những miền cú độ dọi đều theo cỏc định luật quang học, nguyờn lý Huyghen phải được bổ sung thờm những quan niệm của Fresnel về sự kết hợp và sự giao thoa của cỏc súng thứ cấp
Muốn xỏc định biờn độ và pha dao động tại một điểm nào đú, theo
nguyờn lý Fresnel cần phải xỏc định biờn độ và pha dao động của tất cả cỏc nguyờn tố trờn mặt súng đạt tới điểm này, và lấy tổng của chỳng (cỏc biờn độ được tổng hợp theo hỡnh học) Nhu vay nguyộn ly Huyghen — Fresnel cho
Trang 24phộp giải thớch sự phõn bố năng lượng trong hỡnh ảnh nhiễu xạ nhờ sự giao thoa
Người ta phõn biệt hai nhiễu xạ: nhiễu xạ Fresnel và nhiễu xạ Fraunhofer Trong nhiễu xạ Fresnel cỏc tia sỏng khụng song song Trong nhiễu xạ Fraunhofer ta quan sỏt được hiện tượng trong cỏc tia sỏng song song Trong hiện tượng này cỏc tia sỏng song song tới đập vào vật cản khụng trong suốt (hay lỗ) và sau cỏc vật cản này (hay sau lỗ) chỳng lại song song,
nghĩa là hỡnh ảnh nhiễu xạ được tạo nờn ở vụ cực
Muốn quan sỏt nú ở gần sau vật cản ta đặt một thấu kớnh Thấu kớnh sẽ
hội tụ tất cả những tia sỏng cú phương làm với phương của quang trục chớnh những gúc khỏc nhau, nờn màn quan sỏt đặt tại tiờu diện của thấu kớnh (hỡnh
1.8)
Hinh1.8: Nhiộu xa Fraunhofer
Trong cỏc mỏy cỏch tử nhiễu xạ cú dựng thấu kớnh (nhiễu xa Fraunhofer) Thấu kớnh được dựng để phõn loại cỏc chựm tỉa sỏng song song
Trang 25Nú dựng làm “mỏy tỏch” cỏc chựm tia song song Vỡ vậy khi nghiờn cứu cỏch tử nhiễu xạ cần chỉ rừ rằng thấu kớnh khụng làm tăng thờm một hiệu quang trỡnh nào giữa cỏc tia Khi quan sỏt bằng mắt thỡ hệ quang học của mắt đúng
vai trũ của thấu kớnh, cũn vừng mụ của mắt là màn quan sỏt, trờn đú hỡnh ảnh
nhiễu xạ được tạo nờn
1.7.2 Điều kiện để quan sỏt nhiễu xạ
Trong thực tế khi nghiờn cứu sự nhiễu xạ người ta cho rằng nếu bề rộng của khe hay của màn D cú thể so sỏnh được với bước súng, thỡ hiện tượng nhiễu xạ xuất hiện Nếu như é >>, thỡ khụng cú hiện tượng nhiễu xạ và khi đú cỏc định luật quang học được thực hiện
Nhưng sự nhiễu xạ luụn luụn xảy ra khi cú vật cản trờn đường truyền của ỏnh sỏng, khụng phụ thuộc vào kớch thước của vật cản Tuy nhiờn hiệu
ung nhiộu xa quan sỏt được lại phụ thuộc vào hệ thức của ba đại lượng : kớch
thước của vật cản D, khoảng cỏch của nú tới chỗ quan sỏt R và bước súng ỏnh
JRA
sỏng ; nghĩa là phụ thuộc vào hệ thức của ba đại lượng Dp” Ta hóy xột một số trường hợp sau:
Thứ nhất, tại bờ mộp của một khe cú bề rộng D bắt kỡ bao giờ cũng xảy
ra nhiễu xạ Với khe rộng, thỏa món hệ thức >> VRA , hinh anh nhiộu xa
chiếm một phần khe hẹp trờn màn đối diện với chỗ trống trong vật cản (khe) Hỡnh ảnh đú gồm những cực đại và cực tiểu nhiễu xạ Trong miền búng tối hỡnh học cường độ sỏng giảm đều
Khi giảm bề rộng của khe hỡnh anh nhiễu xạ trờn màn đối diện với khe
sẽ rộng ra Khi D =JRA hỡnh ảnh nhiễu xạ trờn màn chiếm toàn bộ miền đối diện với khe
Trang 26Cuối cựng, khi D <<⁄R^, miền được doi sỏng trờn màn rộng ra rất nhiều — bõy giờ ảnh nhiễu xạ chiếm khụng những cả mặt đối diện với khe, mà cũn đi sõu vào miền búng tối hỡnh học
Thứ hai, cú thế giữ cho bề rộng của khe khỏ lớn và khụng đổi, và dịch chuyờn màn ra xa khe, nghĩa là tăng khoảng cỏch R Khi khoảng cỏch R lớn đến mức nào đú, điều kiện lại được thực hiện Khi đú hỡnh ảnh nhiễu xạ bao chựm cả miền khụng gian trờn màn đối diện với khe và phần nào đi vào miền búng tối hỡnh học
Thứ ba, khi bề rộng D của khe và khoảng cỏch R từ khe tới màn khụng đổi, ta cú thể thay đổi được bước súng 4 Cựng với sự giảm 4 hiện tượng nhiễu xạ càng trở nờn mờ dần và cuối cựng khi 2 —> 0 ảnh nhiễu xạ biến mat
Lỳc đú cú thể dự đoỏn rằng định luật quang học được thực hiện chặt chẽ
Nhưng điều đú khụng xảy ra Khi giảm dần bước súng, miền được dọi sỏng đều đối diện với khe rộng ra và miền nhiễu xạ ở hai bờ mộp thu hẹp lại
1.8 Kết luận chương 1
Trong chương này ta đó nhắc lại một số khỏi niệm đơn giản mà ta đó làm quen như: vận tốc ỏnh sỏng, tớnh kết hợp, tớnh đơn sắc hay một số loại giao thoa
Trang 27CHƯƠNG 2 BẢN CHÁT ÁNH SÁNG
2.1 Bản chất điện từ của ỏnh sỏng Hỡnh ảnh cỗ điển của sự phỏt sỏng
Ta sẽ làm sỏng tỏ bản chất ỏnh sỏng là bản chất điện từ và tớnh chất của
ỏnh sỏng là tớnh chất súng và hạt
Một trong những bằng chứng cú giỏ trị về bản chất điện từ là sự trựng nhau về giỏ trị vận tốc súng điện từ và vận tốc súng ỏnh sỏng Như ta đó biết súng điện từ truyền trong chõn khụng với vận tốc 3.10” m/s Vỡ vậy cần phải chứng tỏ rằng ỏnh sỏng truyền trong chõn khụng cũng với vận tốc như thế
Maxwell viết : “nếu giả sử chứng ta tỡm thấy được rằng vận tốc truyền cỏc nhiễu loạn điện từ cũng bằng vận tốc truyền ỏnh sỏng khụng chỉ trong khụng khớ mà cả trong cỏc mụi trường trong suốt khỏc, thỡ chỳng ta sẽ cú cơ
sở đỳng đắn để xem ỏnh sỏng là một hiện tượng điện từ ”
Tiến hành tớnh toỏn vận tốc này trờn cơ sở của cụng thức biểu diễn mối liờn hệ giữa vận tốc ỏnh sỏng với hằng số điện mụi và độ từ thõm của mụi trường, trong đú ỏnh sỏng lan truyền
Theo lý thuyết của trường điện từ thỡ vận tốc truyền súng điện từ:
v=, (2.1)
Jeu
ở đõy : E=EL,, (2.2)
va M= Hạ (2.3)
Trang 28Trong đú z, và ứ„ là giỏ trị tương đối của hằng số điện mụi và độ từ thẩm của mụi trường, z,và /„ là cỏc hằng số điện và từ Do đú,
1
Vere Mo (2.4)
Dội voi chin khong Â,= 1 va y,= 1 Vỡ vậy võn tốc ỏnh sỏng trong
D=
chõn khụng
(2.5) Ta chi nờu mà khụng chứng minh cụng thức nay
Bõy giờ ta phải tớnh vận tốc ỏnh sỏng 1 Vận tốc ỏnh sỏng trong chõn khụng Trong hệ đơn vị quốc tộ (SD:
zạ= 8,859.10'? F/m và = 1,256.10° H/m Vỡ vậy: ———= =2,998.10Ÿm/ s 8,859.107'— F 1,256 10° m m
Cần phải chứng minh rằng đơn vị đo trong kết quả thu được bằng đơn
vị vận tục:
pm HỘ TEm ob [As vs SVS om Am vm Am
2 Vận tốc ỏnh sỏng trong dẫu hỏa
Đối với dầu hỏa độ từ thẩm tương đối ¿ +1, cũn hằng số điện mụi tương đối z, ~2.1
1 —
Vỡ vậy: o=-————=c
eee
Trang 29D=2,998.10Ÿm/s J ~ 210.000 km/s
v21
Cỏch tớnh toỏn này chỉ đỳng đối với trường hợp khi hằng số điện mụi của mụi trường khụng phụ thuộc vào tần số Trong trường hợp tần số cao cỏch tớnh này khụng dựng được cho hàng loạt cỏc chất
Thụng thường ta cho rằng cỏc bức xạ quang học là do cỏc vật phỏt xạ tự nhiờn phỏt ra (phõn tử hay nguyờn tử), cũn súng vụ tuyến là do cỏc thiết bị kỹ thuật vụ tuyến đặc biệt Tuy nhiờn cỏch chia như vậy chỉ cú tớnh chất quy ước
Chẳng hạn ta cú thể tạo được súng điện từ siờu cao tần với bước súng 1000;
bằng phương phỏp kỹ thuật vụ tuyến nhờ manhờtron Bước súng này ngắn hơn bước súng dài nhất của bức xạ hồng ngoại do vật phỏt xạ phõn tử phỏt ra
hai lần
2.2 Cỏc mức năng lượng giỏn đoạn của nguyờn tử
Khi trỡnh vấn đề về tớnh giỏn đoạn của sự biến thiờn năng lượng của nguyờn tử, ta khảo sỏt một số thớ nghiệm sau:
2.2.1 Thớ nghiệm Phrang và Hec
Thớ nghiệm này nhằm xỏc nhận một trong những sự kiện cơ bản là năng lượng của cỏc phõn tử và nguyờn tử cú thờ biến thiờn khụng liờn tục như đối với cỏc vật vĩ mụ, mà thành từng lượng giỏn đoạn xỏc định
2 tổ lụ He “ “tt ~—4 1 1 ee Lak ty |
Hỡnh 2.1: Sơ đồ thớ nghiệm Phrang và Hec
Trang 30Nội dung của thớ nghiệm như sau:
Trong bỡnh thủy tinh đó được tạo chõn khụng người ta cho vào chất khớ cần nghiờn cứu, chăng hạn hơi thủy ngõn Người ta hàn vào bỡnh catot K, anot A, và hai lưới CĂ và Cạ (hỡnh 2.1) Catốt được đốt núng bởi dũng điện từ bộ pin B, giữa catot K và lưới CĂ xuất hiện một hiệu điện thế U' do bộ pin Bị , cũn giữa anot A và lưới Ca là hiệu điện thế U” do bộ pin B; Chiều của vector cường độ điện trường giữa catot và CĂ ngược chiều với vector cường độ điện trường giữa anot và lưới C; Trong khụng gian giữa hai lưới khụng cú điện trường
Elecron được phỏt ra bay từ catot K, được gia tốc bởi điện trường trong khụng gian K —C; và cú động năng:
đun =eU ,
2 (2.6)
trong đú: m, e, v là khối lượng, điện tớch và vận tốc tương ứng của eletron
Giữa catot và lưới thứ nhất electron khụng bị va chạm với cỏc nguyờn tử trung hũa của khớ Cỏc electron được tăng tốc đi qua lưới CĂ, chuyển động trong khụng gian giữa cỏc lưới CĂ và C; với vận tốc khụng đổi Sau khi đi qua lưới C; electron rơi vào điện trường và chỳng bị điện trường hóm lại Tuy nhiờn nhờ động năng vốn cú từ trước đủ lớn đề thực hiện một cụng chống lại trường cản, cỏc electron đến được anot của ống và đi qua điện kế Cường độ dũng điện được tạo nờn bởi cỏc dũng electron đi qua điện kế phụ thuộc vào số electron n rơi vào anot của ống trong một giõy
Thớ nghiệm chứng tỏ rằng sự phụ thuộc của cường độ dũng điện vào điện thế của lưới CĂ (đối với catot K), hay là vào động năng của cỏc electron mà động năng này phụ thuộc vào điện thế tại lưới
Ta hóy khảo sỏt quỏ trỡnh xảy ra trong Ống:
Khi tăng điện thế Ư tại lưới CĂ, động năng của electron tăng và cả số
electron n rơi vào anot trong một giõy cũng tăng Khi đầu cường độ dũng
Trang 31điện trong mạch tăng lờn bởi cỏc electron khi gặp cỏc nguyờn tử hơi thủy ngõn sẽ va chạm đàn hồi, nghĩa là khụng truyền năng lượng của mỡnh cho nguyờn tử
Khi tăng điện thế tại lưới CĂ đến một giỏ trị mà động năng của electron bằng 4,5 eV thỡ sự va chạm của cỏc electron với nguyờn tử của hơi thủy ngõn trở nờn khụng đàn hồi Ở đõy, cường độ dũng điện qua điện kế giảm nhanh, cũn dũng điện trong mạch lưới tăng lờn Dũng điện đi qua điện kế là đo một phần nhỏ electron khụng chịu sự va chạm khụng đàn hồi sinh ra
Nếu tiếp tục tăng điện thế tại lưới động năng của cỏc electron tiếp tục tăng và sự va chạm của cỏc electron với cỏc nguyờn tử hơi thủy ngõn trở nờn đàn hồi Vỡ vậy cường độ dũng điện qua điện kế tăng lờn, nhưng chỉ tăng cho
đến khi điện kế tại lưới CĂ đạt đến một giỏ trị xỏc định khỏc với động năng
của electron
2.2.2 Thớ nghiệm xỏc định cỏc mức năng lượng giỏn đoạn của nguyờn tử
Dụng cụ gồm cú một ống phat electron I (hỡnh 2.2) trong do electron
Trang 32Hỡnh 2.2: Sơ đụ thớ nghiệm phỏt hiện sự biến thiờn giỏn đoạn mức năng lượng của cỏc electron khi va chạm khụng đàn hồi với cỏc nguyờn tử của hơi
thủy ngõn
Buụng II làm bằng chất dẫn điện và được giữ ở vựng một điện thế Vỡ vậy trong buồng II chuyển động của cỏc electron là chuyờn động khụng cú gia tốc Cỏc electron chịu sự va chạm với cỏc nguyờn tử của chất khớ nghiờn cứu bay qua một lỗ hẹp B trong buồng II Lỗ này đặt lệch với lỗ A, vỡ vậy chỉ cú những electron nào va chạm với nguyờn tử mới đi qua B Người ta đo năng lượng của cỏc electron trong buồng III
Phộp đo chứng tỏ rằng:
-_ Khi va chạm đàn hồi trong buồng II động năng của cỏc electron trong buồng III cũng bằng động năng của electron trong ống phỏt electron -_ Khi va chạm khụng đàn hồi với cỏc nguyờn tử hơi thủy ngõn thỡ năng
lượng của cỏc electron bị giảm đột ngột một lượng 4,.9eV và những
lượng năng lượng giỏn đoạn khỏc
Những sự va chạm của electron với nguyờn tử khụng xảy ra trong ống phỏt electron và trong buồng đo năng lượng electron, vỡ cỏc buồng này được giữ ở độ chõn khụng cần thiết
2.3 Giản đồ cỏc mức năng lượng của nguyờn tử
Nội năng của nguyờn tử và những biến thiờn giỏn đoạn của nú cú thể được biểu diễn trờn giản đồ Nội năng của nguyờn tử là tổng cộng của động năng của electron quay quanh hạt nhõn:
+ 2
E,= 5 (2.7)
trong đú m, v là khối lượng và vận tốc của electron Va thộ nang
Z 2
E,=-—, r (2.8)
Trang 33trong đú: Z, e, rlà nguyờn tử số của nguyờn tố, điện tớch của electron và
khoảng cỏch từ electron đến hạt nhõn
Năng lượng toàn phần được xỏc định như sau:
2
E=E,+E=-L2,
2 (2.9)
Đối với nguyờn tử hiđrụ Z =I Vỡ vậy,
pole 2m (2.10) 2.3.1 Thiết lập cụng thức năng lượng toàn phần của nguyờn tử
Theo tĩnh điện học thỡ thế năng tại một điện tớch điểm dương tại một
điểm nào đú của điện trường trong chõn khụng, cỏch điện tớch này một khoảng r bằng ơ Nếu tại điểm này của trường cú một electron mà điện tớch
r
là -e, thi thộ nang cua electron tai diộm này là:
E=-#
r (2.11)
Trong sự quay cua electron theo quỹ đạo trũn xung quanh hạt nhõn của nguyờn tử cú điện tớch là q = Ze, lực hỳt culụng của electron đối với hạt nhõn là:
_ge_ Le
F.=.;= ror 2° (2.12)
Theo định luật II Newtơn, lực tỏc dung lờn electron quay xung quanh hạt nhõn nguyờn tử được xỏc định bởi cụng thức:
po
r (2.13)
` ke ` SA ,Ấ 2 ` ve so Gk trong đú: ?m, vy là khụi lượng và vận toc cua electron, cũn — là gia tục
r
hướng tõm
Trang 34Do đú : =—- r r (2.14) Từ đú: E, ad yt =1, 2 2 r (2.15)
Nghĩa là động năng của electron là một đại lượng dương Giỏ trị của động năng bằng nửa giỏ trị tuyệt đối của thế năng của nú:
1
E„=~|E,
2 (2.16)
Năng lượng toàn phần của nguyờn tử cú giỏ trị :
2 2 2
E=E+E,=-2 414% 1/
r2 r 2 r (2.17)
Như vậy năng lượng toàn phần của nguyờn tử là một đại lượng õm và được gọi là mức năng lượng
2.3.2 Nguyờn tắc xõy dựng giản đồ mức năng lượng của nguyờn tử
Trục năng lượng của nguyờn tử được biểu diễn bởi nửa đường thăng đứng hướng xuống dưới (hỡnh 2.3) Điểm 0 ở phớa trờn biểu diễn độ lớn của năng lượng toàn phần của nguyờn tử bị ion húa, cũn cỏc điểm khỏc sắp xếp phớa dưới biểu diễn năng lượng toàn phần của nguyờn tử ở cỏc trạng thỏi kớch
thớch khỏc nhau
Trang 357
Hỡnh 2.3: Giản đỗ cỏc mức năng lượng của nguyờn tử Hiđrụ (mũi tờn chỉ sự chuyển electron)
Từ cỏc điểm này ta sẽ vẽ cỏc đường thắng nằm ngang biếu diễn cỏc mức năng lượng của nguyờn tử Phớa bờn phải của hỡnh ghi cỏc giỏ trị khỏc
nhau của lượng tử số bắt đầu từ thứ nhất (n=1), tương ứng với cực tiểu của
năng lượng toàn phần của nguyờn tử (ở trạng thỏi bỡnh thường) Giản đồ như vậy được gọi là giỏn đồ mức năng lượng của nguyờn tử
Trang 36Nguyờn tử của mỗi chất cú một tập hợp cỏc mức năng lượng giỏn đoạn và năng lượng ion húa xỏc định của mỡnh Hiệu số năng lượng giữa hai mức kể nhau của cựng một nguyờn tử khụng phải là như nhau
Trong một số hỡnh khỏc ta cú thể gặp thang năng lượng cú chiều ngược lại với hỡnh 2.3 Mũi tờn hướng lờn trờn chỉ chiều tăng năng lượng khi dịch chuyền nguyờn tử lờn mức năng lượng cao hơn
2.3.3 Tớnh năng lượng của nguyờn tử ở trạng thỏi dừng
Năng lượng của nguyờn tử ở cỏc trạng thỏi đừng khỏc nhau cú thờ được tớnh theo cụng thức
E
E,=E,-— (2.18)
n
Trong đú E,là năng lượng ion húa của nguyờn tử, con n 1a số lượng tử đặc trưng cho “số thứ tự ” của trạng thỏi kớch thớch của nguyờn tử Cú thể tớnh cỏc mức năng lượng của nguyờn tử hiđrụ nếu biết năng lượng ion húa của nguyờn tử hiđrụ gần bằng 13,6eV
Đối với trạng thỏi bỡnh thường của nguyờn tử, nghĩa là ứ =I,
h, =13,6— 13,6 =0 Đối với cỏc trạng thỏi kớch thớch:
Trang 37E, =13,6_lŠ6
œ
n=0 =13,6 (eV)
Nếu lấy năng lượng ion húa của nguyờn tử hiđrụ bằng khụng (# =œ) thỡ mức năng lượng của nguyờn tử này sẽ nằm dưới dạng ion húa một lượng được xỏc định bởi cụng thức:
(2.19)
2.4 Cỏc định đề Bo - Cơ cấu lượng tử về sự phỏt xạ ỏnh sỏng Cỏc định đề lượng tử của Bo được trỡnh bày như sau:
a) Electron chỉ cú thể quay xung quanh hạt nhõn của nguyờn tử theo những quỹ đạo đừng nào đú (cho phộp), khi đú nguyờn tử khụng phỏt xạ (điều kiện cỏc quỹ đạo dừng)
b) Cỏc quỹ đạo dừng cú bỏn kớnh mà mụmen động lượng của electron
, cv Tà ĐÀ: CÁ ot h 13
mvr (mụmen xung lượng) lõy cỏc giỏ trị là bội sụ của lượng on’ nghĩa là: 1
mv r =n—.,
"" 2z (2.20)
ở đõy: m,y,, z„ là khối lượng, vận tốc và bỏn kớnh quỹ đạo của electron, 7 là số nguyờn và được gọi là lượng tử số, cũn là hằng số Planck
(lượng tử tỏc dụng) Quỹ đạo nằm gần hạt nhõn nhất ung voi lượng tử ủ =l,
cũn cỏc quỹ đạo xa hạt nhõn hơn - ứng với cỏc lượng tử số ứ = 2,3,4 e) Mỗi quỹ đạo của electron tương ứng với một năng lượng xỏc định của nguyờn tử Đối với mỗi nguyờn tử cho trước nếu electron chuyờn động theo quỹ đạo cú bỏn kớnh bộ nhất thỡ nguyờn tử cú năng lượng thấp nhất trong tất cả cỏc mức năng lượng cú thể cú đối với nguyờn tử Trạng thỏi như thế của nguyờn tử được gọi là trạng thỏi bỡnh thường (hay trạng thỏi cơ bản) Nếu electron quay theo những quỹ đạo cho phộp khỏc thỡ nguyờn tử ở những trạng thỏi kớch thớch
Trang 38Nếu tăng bỏn kớnh quỹ đạo của electron thỡ năng lượng toàn phần của nguyờn tử cũng tăng lờn Nếu ban đầu electron chuyờn động theo quỹ đạo với lượng tử số ứ=2, ứng với năng lượng E¿, và sau đú electron bắt đầu chuyển động với lượng tử số ứ = l và nguyờn tử ở trong trạng thỏi năng lượng EĂ< E¿ Trong sự chuyền mức năng lượng electron nguyờn tử sẽ phỏt năng lượng:
E=E,-E, =hw (2.21)
Từ đú cú thể xỏc định tần số bức xạ:
E,—E, iE
h h (2.22)
Vỡ vậy, khi electron chuyờn từ một quỹ đạo nào đú đến một quỹ đạo khỏc gần hạt nhõn hơn, nguyờn tử sẽ phỏt ra lượng tử năng lượng cú tần số tương ứng
E=-E,-E, (2.23)
Điều kiện để kớch thớch nguyờn tử là nguyờn tử phải hấp thụ một lượng
năng lượng
Trong đú E; là năng lượng ở trạng thỏi kớch thớch nào đú, cũn Eo là năng lượng của nguyờn tử ở trựng thỏi bỡnh thường
Điều kiện để nguyờn tử trở về trạng thỏi bỡnh thường là nguyờn tử phải phỏt ra một lượng năng lượng:
E=E-—E,=lw, (2.24)
Trong trường hợp tổng quỏt, độ lớn của lượng tử năng lượng được xỏc định bằng cụng thức:
c=lw, (2.25)
trong đú: Ê là độ lớn của lượng tử năng lượng, cũn =6,6.10”7.slà
hằng số Planck Ở đõy lượng tử năng lượng được phỏt ra dưới dạng bức xạ Như vậy việc nghiờn cứu thớ nghiệm của Phrang và Hec và cỏc định đề
của Bo dẫn đến quan niệm về cơ chế lượng tử của sự hấp thụ và phỏt xạ năng
Trang 39lượng bởi nguyờn tử, về năng lượng trong thế giới vi mụ là một đại lượng lượng tử húa
2.5 Kết luận chương 2
 Ban chat của ỏnh sỏng — tớnh chất súng hạt của ỏnh sỏng e_ Cỏch xỏc định mức năng lượng giỏn đoạn của nguyờn tử
e Cơcấu lượng tử về sự phỏt xạ ỏnh sỏng
Trang 40CHƯƠNG 3 CÁC DẠNG KHÁC NHAU CỦA BỨC XẠ ĐIỆN TỪ
3.1 Súng tần số thấp và súng vụ tuyến 3.1.1 Dao động điện tần số thấp
Những dao động điện chậm được tạo nờn trong những mạch dao động điện cú điện dung và độ cảm ứng lớn
Những dao động điện tần số thấp được tạo nờn bởi cỏc mỏy phỏt trong
mạch điện thành phố (50 hz), boi cac may phat điện tần số cao (mỏy cụng nghiệp) (đến 200 hz), cũng như trong cỏc mạch điện thoại (5000 hz) Những
bước súng điện từ tương ứng được phỏt ra bởi cỏc dụng cụ này là 6000 km, 1500 km và 60 km những súng điện từ dài hơn 10km được gọi là súng điện từ tần số thấp (súng thấp tần) Súng tần số thấp được phỏt ra bởi cỏc mỏy điện
và cỏc mạch dao động
3.1.2 Súng vụ tuyến
Cỏc dao động điện tần số vụ tuyến được kớch thớch trong cỏc mạch dao động chủ yếu nhờ cỏc đốn điện tử chõn khụng và cỏc dụng cụ bỏn dẫn Toàn
bộ dải tần số vụ tuyến của bức xạ điện từ được chia ra thành súng dài, súng trung, súng ngắn, súng một, súng đờcimột, súng centimet, súng milimet, và
cuối cựng là súng micrụmet (đến 0,1 mm) của tần số siờu cao
Khi nghiờn cứu giải súng điện từ này, ta nờu lờn một bản tống kết cú tớnh lịch sử cỏc phương phỏp kớch thớch và thu cỏc súng điện từ do Hec, Lebedev, Gơlagụlờva — Ackađiờva và Lờvitska xõy dựng; ta sẽ nờu ra một số những phương phỏp hiện đại về phỏt và thu cỏc súng điện từ của dải tần số vụ tuyến
Hec là người đầu tiờn thu được súng điện từ cú bước súng Ä4=60cm mà Maxwell đó tiờn đoỏn Hec đó dựng mỏy rung (Vibratơ) hở và cỏi cộng hưởng đưới dạng lưỡng cực, cỏc dạng dao động được phỏt hiện bằng tia lửa điện bộ giữa khoảng hở của vibratơ thu Tiếp theo đú, sự kớch thớch của