Bài giảng Vật lý A3 - chương 3 Quang học lượng tử

Định nghĩa: Bức xạ nhiệt là bức xạ điện từ phát ra từ các vật do tác dụng nhiệt.Sóng điện từ do các vật nguyên tử hay phân tử của vật đó phát ra gọi chung là bức xạ điện từ Tất cả các vậ

Mặt trời

CHƯƠNG 3: QUANG HỌC LƯỢNG TỬ

§1- Bức xạ nhiệt và định luật Kirchhoff

I Bức xạ nhiệt

bức xạ nhiệt lượng dưới dạng sóng điện từ

Thanh gỗ Bóng đèn dây tóc

Các vật nóng

1 Định nghĩa: Bức xạ nhiệt là bức xạ điện từ phát ra từ các vật do tác dụng nhiệt.

Sóng điện từ do các vật (nguyên tử hay phân tử của vật đó) phát ra gọi chung là bức xạ (điện từ)

Tất cả các vật có nhiệt độ cao hơn không độ tuyệt đối (0K) đều phát ra bức xạ nhiệt

Tất cả các vật đều hấp th các bức xạ từ các vật khác ụ các bức xạ từ các vật khác truyền tới nó

2 Bức xạ nhiệt cân bằng:

Ở mọi vật luôn luôn tồn tại đồng thời hai quá trình hấp

th và bức xạ (phát xạ) sóng điện từ.ụ các bức xạ từ các vật khác

NL bức-xạ > NL hấp-thu NL bức-xạ < NL hấp-thuNăng lượng, nhiệt độ vật giảmNăng lượng, nhiệt độ vật tăng

Khi năng lượng do vật bức xạ bằng năng lượng do vật hấp th (trên cùng S, trong cùng t) thì nhiệt độ vật ụ các bức xạ từ các vật khác không đổi, lúc đó vật ở trạng thái bức xạ nhiệt cân bằng

Trái đất 300K

Bức xạ nhiệt từ trái đất

Bức xạ nhiệt từ mặt trời

Nhiệt độ trung bình của trái đất là 300K

Ở 300K, trái đất bức xạ năng lượng với cùng tốc độ như năng lượng bức xạ mà nó nhận từ mặt trời

Ở 300K bức xạ nhiệt của trái đất là bức xạ nhiệt cân bằng

* Năng suất bức xạ toàn phần: là năng lượng bức xạ, bao gồm mọi bức xạ, phát ra từ một đơn vị diện tích của vật trong một đơn vị thời gian.

) m /

W

( dt dS

II Các đại lượng đặc trưng

1 Năng suất bức xạ:

) /

( W m3d

2 Hệ số hấp thụ

* Hệ số hấp thụ toàn phần:

dWT = năng lượng bức xạ toàn phần gởi đến một diện tích

dS của vật trong một khoảng thời gian dt

với:

* Hệ số hấp thụ đơn sắc: dS

dW

dE a





1 a

0  T 

với:

dET = phần năng lượng ứng với các bức xạ có bước sóng trong khoảng từ  đến  + d gởi tới diện tích dS trong thời gian dt

dET = phần năng lượng ứng với các bức xạ có bước sóng trong khoảng từ  đến  + d do diện tích dS hấp thụ trong thời gian dt

phụ thuộc bước sóng của bức xạ và nhiệt độ tuyệt đối của vậtT

a

III Định luật Kirchhoff

Bình cách nhiệt chân khôngở T = const

a- Phát biểu: Tỷ số giữa năng suất phát xạ đơn sắc và hệ số hấp thụ đơn sắc của cùng một vật ở một nhiệt độ nhất định chỉ phụ thuộc bước sóng và nhiệt độ mà không phụ thuộc vào bản chất của vật

b- Biểu thức:

n vật 2

vật vật

T T

T

a

r

a

r a

r

1

Hàm phổ biến

: ) T , (

f 

) T , (

f a

rT





§2 Các định luật bức xạ của VĐTĐ

I Vật đen tuyệt đối

1 Định nghĩa: Đó là những vật hấp thụ hoàn

toàn năng lượng bức xạ chiếu tới ứng với mọi bước sóng và nhiệt độ.

aT = 1

2 Cách tạo ra vật đen tuyệt đối

Có thể tạo ra vật đen tuyệt đối bằng cách:

* dùng một bình kín rỗng, có một lỗ hổng nhỏ

* thành bình có phủ một lớp mồ hóng đen để tăng khả năng hấp thụ của thành bình

Mọi bức xạ qua lỗ hổng vào bình đều bị giữ lại trong bìnhLỗ hổng trên thành bình được coi như vật đen tuyệt đối

3 Năng suất bức xạ của vật đen tuyệt đối

Trong quang phổ bậc 1:

Dụng cụ đo năng lượng bức xạ

Vật đen

tuyệt đối

T

RT: là diện tích giới hạn bởi đường cong và trục hoành

a- Đường cong phổ bức xạ của vật đen tuyệt đối

 ở nhiệt độ T

b- Nhận xét về đường cong phổ bức xạ của vật đen:

+ NSBXTP RT của vật đen tăng rất nhanh theo nhiệt độ

+ Cực đại của năng suất bức xạ dịch chuyển về phía

2 ĐL chuyển dời Wien (1893)

* Phát biểu: Đối với VĐTĐ, bước sóng của chùm bức xạ đơn sắc mang nhiều năng lượng nhất tỷ lệ nghịch với nhiệt độ tuyệt đối T của vật

10

898 ,

2



với:

2

2 )

,

+ Quan niệm của VL cổ điển: nguyên tử hay phân tử phát xạ hay hấp thu năng lượng một cách liên tục, Rayleigh và Jeans đã thiết lập được,

+ Lý thuyết bức xạ điện từ cổ điển

Năng suất bức xạ đơn sắc của vật đen tuyệt đối (hàm

phổ biến):

k = 1,38x10-23 J/K là hằng số Boltzmann

Công thức R-J chỉ phù hợp với đường cong phổ bức xạ của VĐTĐ khi và sai lệch khi  max   max

§3 Thuyết lượng tử năng lượng của Planck (1900)

* Các nguyên tử hay phân tử phát xạ hay hấp thụ năng

lượng 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 nhỏ xác định gọi là lượng tử năng lượng

* Đối với bức xạ điện từ đơn sắc có bước sóng , hay tần số , lượng tử năng lượng tương ứng bằng:

625 ,

6



h là hằng số Planck,

c là vận tốc ánh sáng trong chân không

s / m 10

3

c  8

Công thức Planck (12-1900)

2 )

hc T

h c

* Mô tả đúng đường cong thực nghiệm phổ bức xạ của VĐTĐ

Đặc điểm của CT Planck:

* Từ CT Planck, có thể suy ra các ĐL Boltzmann và ĐL chuyển dời của Wien

T ,

.





*Từ CT Planck, có thể suy ra CT Rayleigh-Jeans

kT c

r

kT

h e

kT h

T

kT h