giáo trình vật lý lượng tử

1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN VẬT LÝ A3: VẬT LÝ LƯNG TỬ 2 MOÂ HÌNH VAÄT LYÙ Hiệntượng vậtlý Áp dụng lý thuyếtcũ T hất b ại Tìm kiếmlýthuyếtmới T h à n h c ô n g Mở rộng lý thuyết Xây dựng công cụ mới để giảiquyếtvấn đề MỘT LÝ THUYẾT MỚI RA ĐỜI 3 VẬT LÝ LƯNG TỬ Vào cuối thế kỷ 19 nhiều sự kiện thực nghiệm đã khẳng đònh tính chất sóng của ánh sáng. Nhưng cũng chính trong thời gian đó đã xuất hiện những trường hợp mà người ta không thể giải thích được nếu chỉ dựa trên giả thuyết sóng. 1. Bức xạ của vật đen tuyệt đối 2. Hiệu ứng quang điện 4 VẬT LÝ LƯNG TỬ Max Planck: đã phải đề xuất ra một giả thuyết mới, mà sau này người ta coi nó là cơ sở của lý thuyết lượng tử. Giả thuyết này cho thấy ánh sáng ngoài tính chất sóng còn có một tính chất khác: tính chất hạt. 5 VẬT LÝ LƯNG TỬ Chương 1: Tính chất hạt của ánh sáng Chương 2: Lưỡng tính sóng hạt của vật chất Chương 3: Phương trình Schroedinger Chương 4: Nguyên tử 6 1.1. Bức xạ nhiệt của vật đen 1.2. Các đònh luật phát xạ của VĐTĐ 1.3. Thuyết lượng tử Planck và thuyết photon Einstein 1.4. Hiệu ứng quang điện 1.5. Hiệu ứng Compton Chương 1: Tính chất hạt của ánh sáng 7 1.1.1. Bức xạ 1.1.2. Bức xạ nhiệt 1.1.3. Phổ bức xạ nhiệt 1.1.4. Sự cân bằng nhiệt 1.1.5. Hệ số hấp thụ đơn sắc 1.1.6. Vật đen tuyệt đối 1.1. Bức xạ nhiệt của vật đen 8 1.1.1. Bức xạ Bức xạ là hiện tượng một vật thể nào đó do kích thích hoặc cưỡng bức phát ra các sóng điện từ. Quá trình phát và lan truyền sóng điện từ là quá trình lan truyền năng lượng. Các vật phát sóng điện từ phải chuyển đổi một năng lượng nào đó thành năng lượng sóng. 1.1. Bức xạ nhiệt của vật đen 9 1.1.1. Bức xạ Có nhiều cách làm cho vật thể phát sóng điện từ :  Tác dụng hoá học (phản ứng đốt cháy phốt pho sẽ phát sáng).  Tác dụng nhiệt ( dây tóc bóng neon cháy sáng).  Dùng năng lượng của dòng điện để phát sóng điện từ 1.1. Bức xạ nhiệt của vật đen 10 1.1.2. Bức xạ nhiệt Thực nghiệm cho thấy ở nhiệt độ thấp các vật cũng phát ra sóng điện từ. Nguyên nhân: là sự chuyển động nhiệt của các phân tử bên trong vật. Vậy hiệntượng vậtthể phát ra sóng điện từ do chuyển động nhiệt được gọi là hiện tượng bức xạ nhiệt. 1.1. Bức xạ nhiệt của vật đen [...]... năng lượng 26 1.3 Thuyết lượng tử Planck & Thuyết photon Einstein 1.3.1 Thuyết lượng tử năng lượng Planck 1.3.2 Công thức Planck 1.3.3 Thuyết photon của Einstein 1.3.4 Động lực học photon 27 1.3 Thuyết lượng tử Planck & Thuyết photon Einstein 1.3.1 Thuyết lượng tử năng lượng Planck Các nguyên tử, phân tử phát xạ hay hấp thụ năng lượng của bức xạ điện từ một cách gián đoạn, nghóa là phần năng lượng. .. 1.3 Thuyết lượng tử Planck & Thuyết photon Einstein 1.3.3 Thuyết photon của Einstein Thuyết lượng tử của Planck đã nêu lên quan điểm hiện đại về năng lượng, năng lượng bò lượng tử hóa Nhưng thuyết này chưa nêu lên được bản chất gián đoạn của bức xạ điện từ Năm 1905, Einstein dựa trên thuyết lượng tử năng lượng của Planck đã đưa ra thuyết lượng tử ánh sáng hay thuyết photon 31 1.3 Thuyết lượng tử Planck... đơn sắc và ký hiệu là a(λ) a(λ) phụ thuộc vào bước sóng λ đang xét, nhiệt độ của vật, vật liệu cấu tạo nên vật cũng như tính chất của bề mặt vật (trơn hay nhám) Các vật có màu đen hấp thụ và phát bức xạ mạnh hơn các vật màu trắng 14 1.1 Bức xạ nhiệt của vật đen 1.1.6 Vật đen tuyệt đối Vật đen tuyệt đối (VĐTĐ) là một vật lý tưởng, có khả năng hấp thụ mọi bức xạ điện từ chiếu vào nó, nghóa là nó có hệ... một vật ở một nhiệt T nhất đònh bằng vô cùng Điều này không đúng Vì vật lý cổ điển quan niệm vật chất hấp thụ hay phát xạ năng lượng bức xạ một cách liên tục Bế tắc này đã tồn tại trong một thời gian dài cuối thế kỷ 19 và được gọi là sự khủng hoảng ở vùng tử ngoại Để giải quyết những bế tắc trên, Planck đã phủ nhận quan điểm trên của vật lý cổ điển và đề ra một lý thuyết mới gọi là thuyết lượng tử năng... bức xạ điện từ một cách gián đoạn, nghóa là phần năng lượng phát xạ hay hấp thụ luôn là bội số nguyên của một lượng năng lượng nhỏ xác đònh gọi là lượng tử năng lượng Một lượng tử năng lượng: ε = hν = hc/λ h: hằng số Planck h = 6,626.10-34 J.s = 4,14.10-15 eV.s ν = c/λ 28 1.3 Thuyết lượng tử Planck & Thuyết photon Einstein 1.3.2 Công thức Planck E= hc ⎛ ⎜ E = ⎜ h cλ ⎜ e λkT − ⎝ ∑ En exp(− En / kT )... Thuyết lượng tử Planck & Thuyết photon Einstein 1.3.4 Động lực học photon Năng lượng của phôtôn: ε = hν ε hν h Khối lượng của photon: m = 2 = 2 = cλ c c Theo thuyết tương đối: m= m0 v2 1− 2 c v2 m0 = m 1 − 2 c Năng lượng toàn phần của một hạt có khối lượng nghỉ mo chuyển động với vận tốc v: moc2 E= v2 1− 2 33 c 1.3 Thuyết lượng tử Planck & Thuyết photon Einstein 1.3.4 Động lực học photon Động lượng. .. bức xạ nhiệt trong một đơn vò thời gian là bằng nhau Năng lượng do vật phát ra bằng năng lượng do nó thu vào, nên vật nào có khả năng hấp thụ càng mạnh thì khả năng phát ra bức xạ cũng mạnh 13 1.1 Bức xạ nhiệt của vật đen 1.1.5 Hệ số hấp thụ đơn sắc Hệ số hấp thụ: đó là tỉ số giữa phần năng lượng hấp thụ được trên tổng số năng lượng đến đập vào vật Nếu ta chỉ tính tỉ số này riêng cho một loại bức xạ... và không khí luôn luôn có sự trao đổi năng lượng Nước nóng hơn không khí, năng lượng do nó phát ra lớn hơn năng lượng nó thu vào, nước lạnh dần đi Trạng thái cân bằng nhiệt, là trạng thái đạt được khi nhiệt độ của nước cân bằng với nhiệt độ không khí 12 1.1 Bức xạ nhiệt của vật đen 1.1.4 Sự cân bằng nhiệt Trong trạng thái cân bằng nhiệt, lượng năng lượng mà vật hấp thụ và phát ra dưới dạng bức xạ nhiệt... nó có hệ số hấp thụ đơn sắc a(λ) = 1 đối với mọi bước sóng λ Khi ở cân bằng nhiệt, VĐTĐ là vật phát ra bức xạ mạnh nhất Phổ bức xạ nhiệt của VĐTĐ chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ mà không phụ thuộc vật liệu làm nên nó 15 1.1 Bức xạ nhiệt của vật đen 1.1.6 Vật đen tuyệt đối Xét mẫu vật đen có tính chất đặc trưng của vật đen tuyệt đối: Bình kín, rỗng có một lỗ trống nhỏ Phía trong thành bình có phủ lớp mồ hóng... tích nằm dưới đường cong RT(λ) Nếu vật có diện tích bề mặt là S, năng lượng do toàn bộ bề mặt vật phát ra trong một đơn vò thời gian sẽ là tích số S.I Đại lượng này có đơn vò là Watt và được gọi là công suất phát xạ của vật 20 1.2 Các đònh luật phát xạ của VĐTĐ 1.2.1 Năng suất bức xạ đơn sắc của VĐTĐ Mỗi nhiệt độ, có λmax, ở đó vật phát xạ mạnh nhất, nhiệt độ càng cao thì λmax càng dòch về phía sóng . ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN VẬT LÝ A3: VẬT LÝ LƯNG TỬ 2 MOÂ HÌNH VAÄT LYÙ Hiệntượng vậtlý Áp dụng lý thuyếtcũ T hất b ại Tìm kiếmlýthuyếtmới T h à n h c ô n g Mở rộng lý thuyết Xây dựng công cụ. sóng. 1. Bức xạ của vật đen tuyệt đối 2. Hiệu ứng quang điện 4 VẬT LÝ LƯNG TỬ Max Planck: đã phải đề xuất ra một giả thuyết mới, mà sau này người ta coi nó là cơ sở của lý thuyết lượng tử. Giả thuyết này. chất hạt. 5 VẬT LÝ LƯNG TỬ Chương 1: Tính chất hạt của ánh sáng Chương 2: Lưỡng tính sóng hạt của vật chất Chương 3: Phương trình Schroedinger Chương 4: Nguyên tử 6 1.1. Bức xạ nhiệt của vật đen 1.2.