Vật phát xạ ra mọi bức xạ điện từ có tần số từ bé đến lớn: Năng thông bức xạ: năng lượng bức xạ phát ra từ dS trong một đơn vị thời gian, các bức xạ điện từ có tần số trong khoảng :
Trang 1TS Ngô Văn Thanh,
Viện Vật lý.
Chuyên ngành : Điện tử - Viễn thông , Công nghệ thông tin,
Điện - Điện tử
Trang 2Chương 7: Quang học lượng tử.
7.1 Bức xạ nhiệt và thuyết lượng tử Planck
7.2 Hiệu ứng quang điện và thuyết photon Einstein 7.3 Hiệu ứng Compton
Trang 37.1 Bức xạ nhiệt và thuyết lượng tử Planck.
Sự ra đời của Cơ học lượng tử - Cơ học sóng.
Cuối thế kỷ 19, đầu thế kỷ 20: Lý thuyết tương đối đã giải thích được nhiều hiện tượng vật lý của các hệ có vận tốc chuyển động lớn
Hạn chế: nhiều hiện tượng vẫn chưa giải thích được bằng cơ học cổ điển và quang học sóng:
Hiện tượng bức xạ điện từ phát ra từ các vật thể bị đốt nóng (bức xạ của các vật đen)
Hiện tượng quang điện: bức xạ điện tử khi chiếu ánh sáng trên bề mặt kim loại
Tia bức xạ của khí nguyên tử trong ống phóng điện
1900-1930: Cơ học lượng tử hay cơ học sóng ra đời
Giải thích được các hiện tượng vật lý trong thế giới vi mô: Nguyên tử, phân
tử, hạt nhân
Lý thuyết lượng tử: Thế giới vật chất mang lưỡng tính sóng-hạt
Các nhà vật lý nổi tiếng: Einstein, Heisenberg, Bohr, Schrödinger, Planck…
Trang 4 Vật đen:
Là một hệ lý tưởng mà nó hấp thụ tất cả các bức xạ chiếu vào nó
Vật đen có thể được tạo ra bởi một lỗ nhỏ
của một khối vật rỗng
Sự bức xạ trong vật đen qua một lỗ nhỏ
chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của vỏ vật đen,
không phụ thuộc vào thành phần cấu tạo
nên vật đen và hình dạng của vật đen
Trang 5Hiện tượng bức xạ nhiệt.
Trạng thái cơ bản: là trạng thái có năng lượng thấp nhất
Trạng thái kích thích là trạng thái không bền
Bức xạ: Khi hệ chuyển từ trạng thái kích thích có năng lượng cao về trạng thái
có năng lượng thấp hơn thì nó sẽ giải phóng năng lượng dưới dạng sóng điện
từ, gọi là bức xạ điện từ
Bức xạ nhiệt: Quá trình phát ra bức xạ điện từ do kích thích nhiệt
Trạng thái cân bằng động: Tại một nhiệt độ xác định, năng lượng nhiệt mà hệ hấp thụ đúng bằng năng lượng bức xạ
Phổ bức xạ nhiệt là phổ liên tục có bước sóng từ vùng hồng ngoại, qua vùng khả kiến cho đến vùng tử ngoại
Phổ bức xạ nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ và cấu tạo của vật
Trang 6 Các đại lượng đặc trưng.
Xét phần diện tích dS ở mặt ngoài của vật.
Vật phát xạ ở trạng thái cân bằng tại nhiệt độ T Vật phát xạ ra mọi bức xạ
điện từ có tần số từ bé đến lớn:
Năng thông bức xạ: năng lượng bức xạ phát ra từ dS trong một đơn vị thời
gian, các bức xạ điện từ có tần số trong khoảng
: năng suất phát xạ đơn sắc ứng với tần số tại nhiệt độ T.
Năng suất phát xạ toàn phần hay độ đặc trưng của vật phát xạ:
Hệ số hấp thụ đơn sắc:
: năng thông bị hấp thụ bởi phần dS.
: vật đen tuyệt đối
Trang 7 Xét trường hợp vật đen tuyệt đối:
Hàm phổ biến chính là năng suất phát xạ của vật đen tuyệt đối ứng với tần
số và nhiệt độ T.
A1
A3
A2
Trang 8Thuyết lượng tử Planck.
Sự thất bại của thuyết sóng ánh sáng trong việc giải thích hiện tượng
bức xạ nhiệt.
Lý thuyết bức xạ điện từ cổ điển cho hàm phổ biến (Rayleigh và Jeans):
k B = 1,38.10-23J/K là hằng số Boltzmann
Năng suất phát xạ toàn phần của vật đen tuyệt đối:
Khi tần số bức xạ càng lớn thì năng suất phát xạ toàn phần càng lớn và tiến tới vô cùng
Bế tắc này còn được gọi là khủng hoảng vùng tử ngoại
Trang 9 Thuyết lượng tử Planck (1900): thuyết lượng tử năng lượng.
Các nguyên tử, phân tử phát xạ hay hấp thụ năng lượng của một bức xạ điện từ một cách gián đoạn Phần năng lượng phát xạ hay hấp thụ bằng bội
số nguyên của một lượng năng lượng vô cùng bé mà nó được gọi là “lượng
tử năng lượng” (quantum energy)
Lượng tử năng lượng ứng với một bức xạ điện từ có tần số (bước sóng ):
Công thức Planck:
Giới hạn cổ điển: Khi nhiệt độ lớn
: chính là biểu thức của Rayleigh và Jeans
Trang 10Các định luật bức xạ của vật đen tuyệt đối.
Năng suất phát xạ toàn phần của vật đen tuyệt đối:
Trang 117.2 Hiệu ứng quang điện và thuyết photon Einstein.
Hiệu ứng quang điện:
E và C là hai tấm kim loại
Các hạt điện tử bắn ra từ tấm kim loại E được gọi là hạt quang electron
Cường độ sáng thấpCường độ sáng cao
V
Trang 12 Cường độ dòng quang điện tăng theo hiệu điện thế V Nó chỉ tăng đến một
giá trị ngưỡng và được gọi là cường độ dòng điện bão hòa
Khi V = 0, vẫn có cường độ dòng điện chạy qua mạch, chứng tỏ các quang
electron khi bắn ra khỏi bản cực đã có sẵn động năng:
Nếu đảo chiều nguồn điện, hiệu điện
thế giữa hai bản cực để triệt tiêu
dòng quang điện bằng động năng
cực đại ban đầu của quang electron
Cường độ dòng quang điện tỷ lệ
thuận với cường độ sáng của
ánh sáng chiếu vào hai bản cực
I
Cường độ sáng thấpCường độ sáng cao
V
Trang 13Thuyết photon của Einstein:
Lượng tử hóa: Năng lượng điện từ phát xạ hay hấp thụ là một hàm gián đoạn theo tần số và là bội số nguyên của lượng tử năng lượng Người ta gọi năng lượng đó bị “lượng tử hóa”
1905: dựa trên thuyết lượng tử về năng lượng của Planck, Einstein đã đưa ra thuyết lượng tử ánh sáng
Bức xạ điện từ cấu tạo bởi vô số các hạt gọi là photon (lượng tử ánh sáng)
Với mỗi bức xạ điện từ đơn sắc, các photon mang cùng một năng lượng:
Trong mọi môi trường (kể cả trong chân không), photon truyền đi với vận tốc không đổi, chính là vận tốc của ánh sáng c = 3.108 m/s
Khi nói đến phát xạ hay hấp thụ bức xạ điện từ thì có nghĩa là phát ra
photon hay hấp thụ photon
Cường độ của chùm bức xạ tỷ lệ với số photon phát ra từ nguồn trong một đơn vị thời gian
Trang 14Giải thích hiện tượng quang điện:
Phương trình Einstein
Giả thiết : công để điện tử thoát ra khỏi hạt nhân: Ath
Ở điều kiện thường, động năng chuyển động nhiệt của
các electron bé hơn công thoát Ath
Dưới tác dụng của bức xạ điện từ thích hợp, các electron sẽ hấp thụ photon với năng lượng là
Năng lượng hấp thụ photon chia thành hai phần
Một phần chuyển thành công thoát
Một phần chuyển thành động năng ban đầu của electron Phần động
năng ban đầu của các electron càng lớn khi electron càng nằm xa hạt
nhân
Theo định luật bảo toàn năng lượng:
Phương trình này được gọi là phương trình Einstein
+
e
Trang 15- Định luật về giới hạn quang điện.
Đối với mỗi kim loại xác định, hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi bướcsóng của chùm tia bức xạ điện từ chiếu tới bé hơn một giá trị tới hạn của bước sóng 0 Bước sóng 0 gọi là giới hạn quang điện của kim loại đó
Dòng quang điện bão hòa khi số quang electron thoát khỏi cathode đếnanode trong một đơn vị thời gian là không đổi Cường độ quang điện bão hòa tỷ lệ với cường độ của chùm bức xạ dọi tới
Động năng ban đầu cực đại của quang electron không phụ thuộc vào
cường độ của chùm bức xạ dọi tới, mà chỉ phụ thuộc vào tần số của chùm bức xạ đó
Suy ra:
Trang 16 Động lực học photon.
Năng lượng của photon:
Theo lý thuyết Einstein:
Suy ra:
Mặt khác:
Đối với photon
Khối lượng nghỉ của photon bằng 0
Động lượng của photon:
Động lượng của photon tỷ lệ thuận với tần số hoặc tỷ lệ nghịch với bướcsóng của bức xạ điện từ tương ứng
Trang 17Thanh kim loại bằng đồng(Cu)
Chân khôngNguồn cao áp
Nguồn đốtnóng dây tóc bóng đèn
Trang 18Electron tới
Bức xạ photonHạt nhân nguyên tử
Electron bị lêch hướng
Trang 19Hiệu ứng Compton:
Chiếu chùm tia X có bước sóng 0 vào một khối chất graphite, chùm tia X bị
tán xạ
Bước sóng của chùm tia tán xạ có bước sóng lớn hơn: ’ > 0 Vì vậy mà
năng lượng của chùm tia X tán xạ cũng bé hơn so với chủm tia X tới
Sự thay đổi bước sóng của chùm tia X được gọi là “dịch chuyển compton”
Để giải thích hiệu ứng compton:
Người ta đưa ra giả thiết rằng photon có tính chất hạt
Khi photon va chạm với các hạt khác thì nó tuân theo quy luật va chạm đàn
hồi giống như hai viên bi va chạm với nhau
Photon có tính chất hạt cho nên nó mang
theo năng lượng và xung lượng
Độ dịch chuyển bước sóng:
trong đó: me là khối lượng của electron, là góc tán xạ tia X
Trang 20suy ra:
Bước sóng compton:
Độ dịch chuyển bước sóng rất bé và nó phụ thuộc vào góc tán xạ
Hiệu ứng compton là kết quả của quá trình tán xạ đàn hồi của chùm tia X lên
các electron trong các chất Phổ các vạch tán xạ phụ thuộc vào vị trí các
electron trên các lớp trong nguyên tử
Vạch phổ tán xạ có bước sóng 0 bằng bước sóng của tia X tới tương ứng
với tán xạ của chùm tia X với các điện tử nằm ở các lớp sâu trong cùng của nguyên tử (liên kết mạnh với hạt nhân)
Vạch có bước sóng > 0 tương ứng với sự tán xạ của chùm tia X với các
điện tử nằm ở lớp ngoài, liên kết yếu với hạt nhân
Trang 21Năng lượng và động lượng:
Giả thiết rằng trước khi va chạm với chùm photon X, các electron là đứng yên
Trước va chạm, động lượng của hạt photon là p
Sau khi va chạm động lượng của hạt photon và động lượng của electron lần
lượt là p’ và pe
Hạt
Trước va chạm Sau va chạm Trước va chạm Sau va chạmPhoton
Electron
Trang 22 Áp dụng định luật bảo toàn năng lượng và động lượng:
Từ các phương trình trên ta thu được:
Tán xạ của photon lên các electron là tán xạ đàn hồi vì động năng của hệ
photon-electron bảo toàn
Trang 237.1 Bức xạ nhiệt và thuyết lượng tử Planck.
Lý thuyết lượng tử: Thế giới vật chất mang lưỡng tính sóng-hạt
Vật đen – Vật đen tuyệt đối
Thuyết lượng tử Planck
Các định luật bức xạ của vật đen tuyệt đối
Năng suất phát xạ toàn phần
Bước sóng ứng với giá trị cực đại của năng suất bức xạ đơn sắc của vật đen tuyệt đối
Trang 247.2 Hiệu ứng quang điện và thuyết photon Einstein.
Hiệu ứng quang điện:
Động năng ban đầu :
Thuyết photon của Einstein:
Năng lượng của photon
Công thức Einstein
Giới hạn quang điện
Động năng ban đầu cực đại của quang electron:
Động lượng của photon:
I
Cường độ sáng thấpCường độ sáng cao
V
Trang 257.3 Hiệu ứng Compton.
Giả thiết rằng photon có tính chất hạt
Độ dịch chuyển bước sóng:
Bước sóng compton:
Tán xạ của photon lên các electron là tán xạ đàn hồi vì động năng của hệ
photon-electron bảo toàn