* Ứng dụng của sự tán sắc ánh sáng Hiện tượng tán sắc ánh sáng được dùng trong máy quang phổ để phân tích một chùm sáng đa sắc, do các vật sáng phát ra, thành các thành phần đơn sắc.. S
Trang 1V TÍNH CHẤT SÓNG CỦA ÁNH SÁNG.
A LÝ THUYẾT
17 TÁN SẮC ÁNH SÁNG
* Sự tán sắc ánh sáng
Tán sắc ánh sáng là sự phân tách một chùm sáng phức tạp thành các chùm sáng đơn sắc
* Ánh sáng đơn sắc, ánh sáng trắng
Ánh sáng đơn sắc là ánh sáng không bị tán sắc khi đi qua lăng kính Mỗi ánh sáng đơn sắc có một màu gọi là màu đơn sắc
Mỗi màu đơn sắc có một bước sóng xác định
Khi truyền qua các môi trường trong suốt khác nhau vận tốc của ánh sáng thay đổi, bước sóng của ánh sáng thay đổi còn tần số của ánh sáng thì không thay đổi
Ánh sáng trắng là tập hợp của vô số ánh sáng đơn sắc khác nhau có màu biến thiên liên tục từ đỏ đến tím Dải có màu như cầu vồng (có có vô số màu nhưng được chia thành 7 màu chính là đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím) gọi là quang phổ của ánh sáng trắng
Chiết suất của các chất lỏng trong suốt biến thiên theo màu sắc của ánh sáng và tăng dần từ màu đỏ đến màu tím
* Ứng dụng của sự tán sắc ánh sáng
Hiện tượng tán sắc ánh sáng được dùng trong máy quang phổ để phân tích một chùm sáng đa sắc, do các vật sáng phát ra, thành các thành phần đơn sắc
Nhiều hiện tượng quang học trong khí quyển, như cầu vồng chẳng hạn xảy ra do sự tán sắc ánh sáng Đó là vì trước khi tới mắt ta, các tia sáng Mặt Trời đã bị khúc xạ và phản xạ trong các giọt nước
18 NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG GIAO THOA ÁNH SÁNG
* Nhiểu xạ ánh sáng
Nhiễu xạ ánh sáng là hiện tượng truyền sai lệch với sự truyền thẳng khi ánh sáng gặp vật cản Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng chứng tỏ ánh sáng có tính chất sóng
* Hiện tượng giao thoa ánh sáng
Hai chùm sáng kết hợp là hai chùm phát ra ánh sáng có cùng tần số và cùng pha hoặc có độ lệch pha không đổi theo thời gian
Khi hai chùm sáng kết hợp gặp nhau chúng sẽ giao thoa với nhau: Những chổ hai sóng gặp nhau mà cùng pha với nhau, chúng tăng cường lẫn nhau tạo thành các vân sáng Những chổ hai sóng gặp nhau mà ngược pha với nhau, chúng triệt tiêu nhau tạo thành các vân tối
Nếu dùng ánh sáng trắng thì hệ thống vân giao thoa của các ánh sáng đơn sắc khác nhau sẽ không trùng khít với nhau: ở chính giữa, vân sáng của các ánh sáng đơn sắc khác nhau nằm trùng với nhau cho một vân sáng trắng gọi là vân trắng chính giữa Ở hai bên vân trắng chính giữa, các vân sáng khác của các sóng ánh sáng đơn sắc khác nhau không trùng với nhau nữa, chúng nằm kề sát bên nhau và cho những quang phổ có màu như ở cầu vồng
Hiện tượng giao thoa ánh sáng là bằng chứng thực nghiệm quan trọng khẵng định ánh sáng có tính chất sóng
* Vị trí vân, khoảng vân
+ Vị trí vân sáng: xs = k
a
D
.
; với k Z
+ Vị trí vân tối: xt = (2k + 1) 2.a D
+ Khoảng vân là khoảng cách giữa 2 vân sáng (hoặc 2 vân tối) liên tiếp: i = a.D Giữa n vân sáng liên tiếp có (n – 1) khoảng vân
* Bước sóng và màu sắc ánh sáng
Trang 2+ Ánh sáng đơn sắc là ánh sáng có một bước sóng xác định Màu ứng với mỗi bước sóng của ánh sáng gọi là màu đơn sắc
+ Mọi ánh sáng đơn sắc mà ta nhìn thấy đều có bước sóng trong chân không (hoặc không khí) trong khoảng từ 0,38m (ánh sáng tím) đến 0,76m (ánh sáng đỏ)
+ Những màu chính trong quang phổ của ánh sáng trắng (đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím) ứng với từng vùng có bước sóng lân cận nhau
+ Ngoài các màu đơn sắc còn có các màu không đơn sắc là hỗn hợp của nhiều màu đơn sắc với những tỉ lệ khác nhau
19 QUANG PHỔ
* Máy quang phổ lăng kính
+ Máy quang phổ là dụng cụ phân tích chùm sáng có nhiều thành phần thành những thành phần đơn sắc khác nhau
+ Máy dùng để nhận biết các thành phần cấu tạo của một chùm sáng phức tạp do một nguồn phát ra
+ Máy quang phổ có ba bộ phận chính:
- Ống chuẫn trực là bộ phận tạo ra chùm sáng song song
- Hệ tán sắc có tác dụng phân tích chùm tia song song thành nhiều chùm tia đơn sắc song song
- Buồng tối hay buồng ảnh dùng để quan sát hay chụp ảnh quang phổ
+ Nguyên tắc hoạt động của máy quang phổ lăng kính dựa trên hiện tượng tán sắc ánh sáng
* Quang phổ liên tục
+ Quang phổ liên tục là một dải có màu từ đỏ đến tím nối liền nhau một cách liên tục
+ Quang phổ liên tục do các chất rắn, chất lỏng hoặc chất khi có áp suất lớn phát ra khi bị nung nóng
+ Quang phổ liên tục của các chất khác nhau ở cùng một nhiệt độ thì hoàn toàn giống nhau và phụ thuộc vào nhiệt độ của chúng
* Quang phổ vạch phát xạ
+ Quang phổ vạch phát xạ là một hệ thống những vạch sáng riêng lẻ, ngăn cách nhau bởi những khoảng tối + Quang phổ vạch phát xạ do các chất khí hay hơi ở áp suất thấp phát ra khi bị kích thích bằng điện hay bằng nhiệt
+ Quang phổ vạch của các nguyên tố khác nhau thì rất khác nhau về số lượng các vạch, về vị trí và độ sáng tỉ đối giữa các vạch Mỗi nguyên tố hóa học có một quang phổ vạch đặc trưng của nguyên tố đó
* Quang phổ hấp thụ
+ Quang phổ hấp thụ là các vạch hay đám vạch tối trên nền của một quang phổ liên tục
+ Quang phổ hấp thụ của chất lỏng và chất rắn chứa các đám vạch, mỗi đám gồm nhiều vạch hấp thụ nối tiếp nhau một cách liên tục
+ Quang phổ hấp thụ của chất khí chỉ chứa các vạch hấp thụ và là đặc trưng cho chất khí đó
20 TIA HỒNG NGOẠI TIA TỬ NGOẠI
* Phát hiện tia hồng ngoại và tử ngoại
Ở ngoài quang phổ ánh sáng nhìn thấy được, ở cả hai đầu đỏ và tím, còn có những bức xạ mà mắt không nhìn thấy, nhưng nhờ mối hàn của cặp nhiệt điện và bột huỳnh quang mà ta phát hiện được Các bức xạ đó gọi là tia hồng ngoại và tia tử ngoại
Tia hồng ngoại và tia tử ngoại có cùng bản chất với ánh sáng
Tia hồng ngoại và tia tử ngoại cũng tuân theo các định luật: truyền thẳng, phản xạ, khúc xạ, và cũng gây được hiện tượng nhiễu xạ, giao thoa như ánh sáng thông thường
* Tia hồng ngoại
+ Các bức xạ không nhìn thấy có bước sóng dài hơn 0,76m đến khoảng vài mm được gọi là tia hồng ngoại + Mọi vật có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ môi trường đều phát ra tia hồng ngoại Nguồn phát tia hồng ngoại thông dụng là lò than, lò điện, đèn điện dây tóc
Trang 3+ Tính chất:
- Tính chất nổi bật nhất của tia hồng ngoại là tác dụng nhiệt: vật hấp thụ tia hồng ngoại sẽ nóng lên
- Tia hồng ngoại có khả năng gây ra một số phản ứng hóa học, có thể tác dụng lên một số loại phim ảnh, như loại phim để chụp ảnh ban đêm
- Tia hồng ngoại có thể điều biến được như sóng điện từ cao tần
- Tia hồng ngoại có thể gây ra hiệu ứng quang điện trong ở một số chất bán dẫn
+ Ứng dụng:
- Tia hồng ngoại dùng để sấy khô, sưởi ấm
- Sử dụng tia hồng ngoại để chụp ảnh bề mặt Trái Đất từ vệ tinh
- Tia hồng ngoại được dùng trong các bộ điều khiển từ xa để điều khiển hoạt động của tivi, thiết bị nghe, nhìn, …
- Tia hồng ngoại có nhiều ứng dụng đa dạng trong lĩnh vực quân sự: Tên lửa tự động tìm mục tiêu dựa vào tia hồng ngoại do mục tiêu phát ra; camera hồng ngoại dùng để chụp ảnh, quay phim ban đêm; ống nhòm hồng ngoại để quan sát ban đêm
* Tia tử ngoại
+ Các bức xạ không nhìn thấy có bước sóng ngắn hơn 0,38m đến cở 10-9m được gọi là tia tử ngoại
+ Nguồn phát: Những vật được nung nóng đến nhiệt độ cao (trên 2000oC) đều phát tia tử ngoại Nguồn phát tia tử ngoại phổ biến hơn cả là đèn hơi thủy ngân
+ Tính chất:
- Tác dụng mạnh lên phim ảnh, làm ion hóa không khí và nhiều chất khí khác
- Kích thích sự phát quang của nhiều chất, có thể gây một số phản ứng quang hóa và phản ứng hóa học
- Có một số tác dụng sinh lí: hủy diệt tế bào da, làm da rám nắng, làm hại mắt, diệt khuẩn, diệt nấm mốc, …
- Có thể gây ra hiện tượng quang điện
- Bị nước, thủy tinh… hấp thụ rất mạnh nhưng lại có thể truyền qua được thạch anh
+ Sự hấp thụ tia tử ngoại:
Thủy tinh hấp thụ mạnh các tia tử ngoại Thạch anh, nước và không khí đều trong suốt với các tia có bước sóng trên 200nm, và hấp thụ mạnh các tia có bước sóng ngắn hơn
Tầng ôzôn hấp thụ hầu hết các tia có bước sóng dưới 300nm và là “tấm áo giáp” bảo vệ cho người và sinh vật trên mặt đất khỏi tác dụng hủy diệt của các tia tử ngoại của Mặt Trời
+ Ứng dụng: Thường dùng để khử trùng nước, thực phẩm và dụng cụ y tế, dùng chữa bệnh (như bệnh còi xương), để tìm vết nứt trên bề mặt kim loại, …
21 TIA X THUYẾT ĐIỆN TỪ ÁNH SÁNG THANG SÓNG ĐIỆN TỪ
* Tia X
Bức xạ có bước sóng từ 10-8m đến 10-11m gọi là tia X (hay tia Rơn-ghen) Người ta cũng thường phân biệt tia X cứng (có bước sóng rất ngắn) và tia X mềm (có bước sóng dài hơn)
* Cách tạo ra tia X
Cho một chùm tia catôt – tức là một chùm electron có năng lượng lớn – đập vào một vật rắn thì vật đó phát ra tia X
Có thể dùng ống Rơn-ghen hoặc ống Cu-lít-dơ để tạo ra tia X
* Tính chất
+ Tính chất đáng chú ý của tia X là khả năng đâm xuyên Tia X xuyên qua được giấy, vải, gổ, thậm chí cả kim loại nữa Tia X dễ dàng đi xuyên qua tấm nhôm dày vài cm, nhưng lại bị lớp chì vài mm chặn lại Do đó người ta thường dùng chì để làm các màn chắn tia X Tia X có bước sóng càng ngắn thì càng xuyên sâu
+ Tia X có tác dụng mạnh lên phim ảnh, làm ion hóa không khí
+ Tia X có tác dụng làm phát quang nhiều chất
+ Tia X có thể gây ra hiện tượng quang điện ở hầu hết kim loại
+ Tia X có tác dụng sinh lí mạnh: hủy diệt tế bào, diệt vi khuẩn, …
* Công dụng
Trang 4Tia X được sử dụng nhiều nhất để chiếu điện, chụp điện, để chẩn đoán hoặc tìm chổ xương gãy, mảnh kim loại trong người…, để chữa bệnh (chữa ung thư) Nó còn được dùng trong công nghiệp để kiểm tra chất lượng các vật đúc, tìm các vết nứt, các bọt khí bên trong các vật bằng kim loại; để kiểm tra hành lí của hành khách đi máy bay, nghiên cứu cấu trúc vật rắn
* Thang sóng điện từ
+ Sóng vô tuyến, tia hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy, tia tử ngoại, tia Rơnghen, tia gamma là sóng điện từ Các loại sóng điện từ đó được tạo ra bởi những cách rất khác nhau, nhưng về bản chất thì thì chúng cũng chỉ là một và giữa chúng không có một ranh giới nào rỏ rệt
Tuy vậy, vì có tần số và bước sóng khác nhau, nên các sóng điện từ có những tính chất rất khác nhau (có thể nhìn thấy hoặc không nhìn thấy, có khả năng đâm xuyên khác nhau, cách phát khác nhau) Các tia có bước sóng càng ngắn (tia X, tia gamma) có tính chất đâm xuyên càng mạnh, dễ tác dụng lên kính ảnh, dễ làm phát quang các chất và dễ ion hóa không khí Trong khi đó, với các tia có bước sóng dài ta dễ quan sát hiện tượng giao thoa + Người ta sắp xếp và phân loại sóng điện từ theo thứ tự bước sóng giảm dần, hay theo thứ tự tần số tăng dần, gọi là thang sóng điện từ
B CÁC CÔNG THỨC
Vị trí vân sáng, vân tối, khoảng vân:
xs = k
a
D
.
; xt = (2k + 1)
a
D
2
.
; i =
a
D
.
; với k Z
Thí nghiệm giao thoa thực hiện trong không khí đo được khoảng vân là i thì khi đưa vào trong môi trường trong suốt có chiết suất n sẽ đo được khoảng vân là i’ =
n
i
Giữa n vân sáng (hoặc vân tối) liên tiếp là (n – 1) khoảng vân
Tại M có vân sáng khi:
i
OM i
x M
= k, đó là vân sáng bậc k
Tại M có vân tối khi:
i
x M
= (2k + 1) 21 Giao thoa với ánh sáng trắng (0,0,38m 0,76m)
Ánh sáng đơn sắc cho vân sáng tại vị trí đang xét nếu:
x = ka.D ; kmin =
d
D
ax
; kmax =
t
D
ax
; = Dk ax ; với k Z
Ánh sáng đơn sắc cho vân tối tại vị trí đang xét nếu:
x = (2k + 1)2.a D ; kmin = 21
d
D
ax
; kmax = 21
t
D
ax
; = D(22k ax1) Bước sóng ánh sáng trong chân không: = c f
Bước sóng ánh sáng trong môi trường: ’ = v f nf c n
Độâng năng cực đại của electron khi tới anôt trong ống Culitgiơ:
2
1
mv2
max = eU0
VI LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG
A LÝ THUYẾT
22 HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN THUYẾT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG
* Hiện tượng quang điện
Hiện tượng ánh sáng làm bật các electron ra khỏi mặt kim loại gọi là hiện tượng quang điện ngoài (gọi tắt là hiện tượng quang điện)
* Định luật về giới hạn quang điện
Trang 5Đối với mỗi kim loại ánh sáng kích thích phải có bước sóng ngắn hơn hay bằng giới hạn quang điệno của kim loại đó, mới gây ra được hiện tượng quang điện: o
* Thuyết lượng tử ánh sáng
+ Chùm ánh sáng là một chùm các phôtôn (các lượng tử ánh sáng) Mỗi phôtôn có năng lượng xác định = hf (f là tần số của sóng ánh sáng đơn sắc tương ứng) Cường độ của chùm sáng tỉ lệ với số phôtôn phát ra trong 1 giây + Phân tử, nguyên tử, electron… phát xạ hay hấp thụ ánh sáng, cũng có nghĩa là chúng phát xạ hay hấp thụ phôtôn
+ Các phôtôn bay dọc theo tia sáng với tốc độ c = 3.108m/s trong chân không
Năng lượng của mỗi phôtôn rất nhỏ Một chùm sáng dù yếu cũng chứa rất nhiều phôtôn do rất nhiều nguyên tử, phân tử phát ra Vì vậy ta nhìn thấy chùm sáng liên tục
Phôtôn chỉ tồn tại trong trạng thái chuyển động Không có phôtôn đứng yên
* Giải thích định luật về giới hạn quang điện bằng thuyết lượng tử
Công thức Anhxtanh về hiện tượng quang điện:
hf =
hc
= A + 21 mv2
max
Để có hiện tượng quang điện thì năng lượng của phôtôn phải lớn hơn công thoát : hf =
hc
A =
o
hc
=>
o ; với o = hc A là giới hạn quang điện của kim loại
* Lưỡng tính sóng - hạt của ánh sáng
Ánh sáng vừa có tính chất sóng, vừa có tính chất hạt Ta nói ánh sáng có lưỡng tính sóng - hạt
Trong mỗi hiện tượng quang học, ánh sáng thường thể hiện rỏ một trong hai tính chất trên Khi tính chất sóng thể hiện rỏ thì tính chất hạt lại mờ nhạt, và ngược lại
Sóng điện từ có bước sóng càng ngắn, phôtôn ứng với nó có năng lượng càng lớn thì tính chất hạt thể hiện càng rỏ, như ở hiện tượng quang điện, ở khả năng đâm xuyên, ở khả năng phát quang…, còn tính chất sóng càng mờ nhạt Trái lại sóng điện từ có bước sóng càng dài, phôtôn ứng với nó có năng lượng càng nhỏ, thì tính chất sóng lại thể hiện rỏ hơn (ở hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ, tán sắc, …), còn tính chất hạt thì mờ nhạt
23 HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN BÊN TRONG
* Chất quang dẫn
Chất quang dẫn là những chất bán dẫn, dẫn điện kém khi không bị chiếu sáng và dẫn điện tốt khi bị chiếu ánh sáng thích hợp
* Hiện tượngquang điện trong
Hiện tượng ánh sáng giải phóng các electron liên kết để cho chúng trở thành các electron dẫn đồng thời tạo ra các lỗ trống cùng tham gia vào quá trình dẫn điện, gọi là hiện tượng quang điện trong
* Quang điện trở
Quang điện trở được chế tạo dựa trên hiệu ứng quang điện trong Đó là một tấm bán dẫn có giá trị điện trở thay đổi khi cường độ chùm ánh sáng chiếu vào nó thay đổi
* Pin quang điện
Pin quang điện là nguồn điện trong đó quang năng được biến đổi trực tiếp thành điện năng Hoạt động của pin dựa trên hiện tượng quang điện bên trong của một số chất bán dẫn như đồng ôxit, sêlen, silic, … Suất điện động của pin thường có giá trị từ 0,5V đến 0,8V
Pin quang điện (pin mặt trời) đã trở thành nguồn cung cấp điện cho các vùng sâu vùng xa, trên các vệ tinh nhân tạo, con tàu vũ trụ, trong các máy đo ánh sáng, máy tính bỏ túi …
24 HIỆN TƯỢNG QUANG – PHÁT QUANG
* Sự phát quang
+ Có một số chất khi hấp thụ năng lượng dưới một dạng nào đó, thì có khả năng phát ra các bức xạ điện từ trong miền ánh sáng nhìn thấy Các hiện tượng đó gọi là sự phát quang
Trang 6+ Mỗi chất phát quang có một quang phổ đặc trưng cho nó.
+ Sau khi ngừng kích thích, sự phát quang của một số chất còn tiếp tục kéo dài thêm một thời gian nào đó, rồi mới ngừng hẵn Khoảng thời gian từ lúc ngừng kích thích cho đến lúc ngừng phát quang gọi là thời gian phát quang
* Huỳnh quang và lân quang
+ Sự huỳnh quang là sự phát quang có thời gian phát quang ngắn (dưới 10-8s), nghĩa là ánh sáng phát quang hầu như tắt ngay sau khi tắt ánh sáng kích thích Nó thường xảy ra với chất lỏng và chất khí
+ Sự lân quang là sự phát quang có thời gian phát quang dài (từ 10-8s trở lên); nó thường xảy ra với chất rắn Các chất rắn phát quang loại này gọi là chất lân quang
* Đặc điểm của ánh sáng huỳnh quang
Ánh sáng phát quang có bước sóng ’ dài hơn bước sóng của ánh sáng kích thích : ’ >
* Ứng dụng của hiện tượng phát quang
Sử dụng trong các đèn ống để thắp sáng, trong các màn hình của dao động kí điện tử, tivi, máy tính, sử dụng sơn phát quang quét trên các biển báo giao thông
25 MẪU NGUYÊN TỬ BO
* Mẫu nguyên tử của Bo
Tiên đề về trạng thái dừng
Nguyên tử chỉ tồn tại trong một số trạng thái có năng lượng xác định En, gọi là các trạng thái dừng Khi ở trạng thái dừng, nguyên tử không bức xạ
Trong các trạng thái dừng của nguyên tử, electron chuyển động quanh hạt nhân trên những quỹ đạo có bán kính hoàn toàn xác định gọi là quỹ đạo dừng
Bo đã tìm được công thức tính quỹ đạo dừng của electron trong nguyên tử hydro: rn = n2r0, với n là số nguyên và r0 = 5,3.10-11m, gọi là bán kính Bo Đó chính là bán kính quỹ đạo dừng của electron, ứng với trạng thái cơ bản Bình thường, nguyên tử ở trạng thái dừng có năng lượng thấp nhất gọi là trạng thái cơ bản Khi hấp thụ năng lượng thì nguyên tử chuyển lên trạng thái dừng có năng lượng cao hơn, gọi là trạng thái kích thích Thời gian nguyên tử ở trạng thái kích thích rất ngắn (cỡ 10-8s) Sau đó nguyên tử chuyển về trạng thái dừng có năng lượng thấp hơn và cuối cùng về trạng thái cơ bản
Tiên đề về sự bức xạ và hấp thụ năng lượng của nguyên tử
Khi nguyên tử chuyển từ trạng thái dừng có năng lượng En sang trạng thái dừng có năng lượng Em nhỏ hơn thì nguyên tử phát ra một phôtôn có năng lượng: = hfnm = En – Em
Ngược lại, nếu nguyên tử đang ở trạng thái dừng có năng lượng Em mà hấp thụ được một phôtôn có năng lượng
hf đúng bằng hiệu En – Em thì nó chuyển sang trạng thái dừng có năng lượng En lớn hơn
Sự chuyển từ trạng thái dừng Em sang trạng thái dừng En ứng với sự nhảy của electron từ quỹ đạo dừng có bán kính rm sang quỹ đạo dừng có bán kính rn và ngược lại
* Quang phổ phát xạ và hấp thụ của nguyên tử hidrô
+ Nguyên tử hiđrô có các trạng thái dừng khác nhau EK, EL, EM, Khi đó electron chuyển động trên các quỹ đạo dừng K, L, M,
+ Khi electron chuyển từ mức năng lượng cao (Ecao) xuống mức năng lượng thấp hơn (Ethấp) thì nó phát ra một phôtôn có năng lượng hoàn toàn xác định: hf = Ecao – Ethấp
Mỗi phôtôn có tần số f ứng với một sóng ánh sáng đơn sắc có bước sóng = c f , tức là một vạch quang phổ có một màu (hay một vị trí) nhất định Điều đó lí giải tại sao quang phổ phát xạ của nguyên tử hiđrô là quang phổ vạch
Ngược lại nếu một nguyên tử hiđrô đang ở một mức năng lượng Ethấp nào đó mà nằm trong một chùm ánh sáng trắng, trong đó có tất cả các phôtôn có năng lượng từ lớn đến nhỏ khác nhau, thì lập tức nguyên tử hấp thụ ngay một phôtôn có năng lượng phù hợp = Ecao – Ethấp để chuyển lên mức năng lượng Ecao Như vậy, một sóng ánh
Trang 7sáng đơn sắc đã bị hấp thụ, làm cho trên quang phổ liên tục xuất hiện một vạch tối Do đó quang phổ hấp thụ của nguyên tử hiđrô cũng là quang phổ vạch
26 SƠ LƯỢC VỀ LAZE
Laze là một nguồn sáng phát ra một chùm sáng cường độ lớn dựa trên việc ứng dụng hiện tượng phát xạ cảm ứng
* Sự phát xạ cảm ứng
Nếu một nguyên tử đang ở trong trạng thái kích thích, sẵn sàng phát ra một phôtôn có năng lượng = hf, bắt gặp một phôtôn có năng lượng ’ đúng bằng hf bay lướt qua nó, thì lập tức nguyên tử này cũng phát ra phôtôn Phôtôn có cùng năng lượng và bay cùng phương với phôtôn ’ Ngoài ra sóng điện từ ứng với phôtôn hoàn toàn cùng pha và dao động trong một mặt phẵng song song với mặt phẵng dao động của sóng điện từ ứng với phôtôn ’
Như vậy, nếu có một phôtôn ban đầu bay qua một loạt các nguyên tử đang ở trong trạng thái kích thích thì số phôtôn sẽ tăng lên theo cấp số nhân
Tùy theo vật liệu phát xạ, người ta đã tạo ra laze rắn, laze khí và laze bán dẫn Laze rubi (hồng ngọc) biến đổi quang năng thành quang năng
* Cấu tạo của laze rubi
Rubi (hồng ngọc) là Al2O3 có pha Cr2O3
Laze rubi gồm một thanh rubi hình trụ Hai mặt được mài nhẵn vuông góc với trục của thanh Mặt (1) được mạ bạc trở thành gương phẵng (G1) có mặt phản xạ quay vào phía trong Mặt (2) là mặt bán mạ, tức là mạ một lớp mỏng để cho khoảng 50% cường độ chùm sáng chiếu tới bị phản xạ, còn khoảng 50% truyền qua Mặt này trở thành gương phẳng (G2) có mặt phản xạ quay về phia G1 Hai gương G1 và G2 song song với nhau
Dùng đèn phóng điện xenon để chiếu sáng rất mạnh thanh rubi và đưa một số lớn ion crôm lên trạng thái kích thích Nếu có một ion crôm bức xạ theo phương vuông góc với hai gương thì ánh sáng sẽ phản xạ đi phản xạ lại nhiều lần giữa hai gương và sẽ làm cho một loạt ion crôm phát xạ cảm ứng Aùnh sáng sẽ được khuếch đại lên nhiều lần Chùm tia laze được lấy ra từ gương bán mạ G2
* Đặc điểm của laze
+ Laze có tính đơn sắc rất cao Độ sai lệch tương đối f f của tần số ánh sáng do laze phát ra có thể chỉ bằng 10
-15
+ Tia laze là chùm sáng kết hợp (các phôtôn trong chùm có cùng tần số và cùng pha)
+ Tia laze là chùm sáng song song (có tính định hướng cao)
+ Tia laze có cường độ lớn Chẵng hạn laze rubi (hồng ngọc) có cường độ tới 106W/cm2
* Một số ứng dụng của laze
+ Tia laze có ưu thế đặc biệt trong thông tin liên lạc vô tuyến (như truyền thông thông tin bằng cáp quang, vô tuyến định vị, điều khiển con tàu vũ trụ, )
+ Tia laze được dùng như dao mổ trong phẩu thuật mắt, để chữa một số bệnh ngoài da (nhờ tác dụng nhiệt), + Tia laze được dùng trong các đầu đọc đĩa CD, bút chỉ bảng, chỉ bản đồ, dùng trong các thí nghiệm quang học ở trường phổ thông,
+ Ngoài ra tia laze còn được dùng để khoan, cắt, tôi, chính xác các vật liệu trong công nghiệp
VI LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG
A LÝ THUYẾT
22 HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN THUYẾT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG
* Hiện tượng quang điện
Hiện tượng ánh sáng làm bật các electron ra khỏi mặt kim loại gọi là hiện tượng quang điện ngoài (gọi tắt là hiện tượng quang điện)
* Định luật về giới hạn quang điện
Trang 8Đối với mỗi kim loại ánh sáng kích thích phải có bước sóng ngắn hơn hay bằng giới hạn quang điệno của kim loại đó, mới gây ra được hiện tượng quang điện: o
* Thuyết lượng tử ánh sáng
+ Chùm ánh sáng là một chùm các phôtôn (các lượng tử ánh sáng) Mỗi phôtôn có năng lượng xác định = hf (f là tần số của sóng ánh sáng đơn sắc tương ứng) Cường độ của chùm sáng tỉ lệ với số phôtôn phát ra trong 1 giây + Phân tử, nguyên tử, electron… phát xạ hay hấp thụ ánh sáng, cũng có nghĩa là chúng phát xạ hay hấp thụ phôtôn
+ Các phôtôn bay dọc theo tia sáng với tốc độ c = 3.108m/s trong chân không
Năng lượng của mỗi phôtôn rất nhỏ Một chùm sáng dù yếu cũng chứa rất nhiều phôtôn do rất nhiều nguyên tử, phân tử phát ra Vì vậy ta nhìn thấy chùm sáng liên tục
Phôtôn chỉ tồn tại trong trạng thái chuyển động Không có phôtôn đứng yên
* Giải thích định luật về giới hạn quang điện bằng thuyết lượng tử
Công thức Anhxtanh về hiện tượng quang điện:
hf =
hc
= A + 21 mv2
max
Để có hiện tượng quang điện thì năng lượng của phôtôn phải lớn hơn công thoát : hf =
hc
A =
o
hc
=>
o ; với o = hc A là giới hạn quang điện của kim loại
* Lưỡng tính sóng - hạt của ánh sáng
Ánh sáng vừa có tính chất sóng, vừa có tính chất hạt Ta nói ánh sáng có lưỡng tính sóng - hạt
Trong mỗi hiện tượng quang học, ánh sáng thường thể hiện rỏ một trong hai tính chất trên Khi tính chất sóng thể hiện rỏ thì tính chất hạt lại mờ nhạt, và ngược lại
Sóng điện từ có bước sóng càng ngắn, phôtôn ứng với nó có năng lượng càng lớn thì tính chất hạt thể hiện càng rỏ, như ở hiện tượng quang điện, ở khả năng đâm xuyên, ở khả năng phát quang…, còn tính chất sóng càng mờ nhạt Trái lại sóng điện từ có bước sóng càng dài, phôtôn ứng với nó có năng lượng càng nhỏ, thì tính chất sóng lại thể hiện rỏ hơn (ở hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ, tán sắc, …), còn tính chất hạt thì mờ nhạt
23 HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN BÊN TRONG
* Chất quang dẫn
Chất quang dẫn là những chất bán dẫn, dẫn điện kém khi không bị chiếu sáng và dẫn điện tốt khi bị chiếu ánh sáng thích hợp
* Hiện tượngquang điện trong
Hiện tượng ánh sáng giải phóng các electron liên kết để cho chúng trở thành các electron dẫn đồng thời tạo ra các lỗ trống cùng tham gia vào quá trình dẫn điện, gọi là hiện tượng quang điện trong
* Quang điện trở
Quang điện trở được chế tạo dựa trên hiệu ứng quang điện trong Đó là một tấm bán dẫn có giá trị điện trở thay đổi khi cường độ chùm ánh sáng chiếu vào nó thay đổi
* Pin quang điện
Pin quang điện là nguồn điện trong đó quang năng được biến đổi trực tiếp thành điện năng Hoạt động của pin dựa trên hiện tượng quang điện bên trong của một số chất bán dẫn như đồng ôxit, sêlen, silic, … Suất điện động của pin thường có giá trị từ 0,5V đến 0,8V
Pin quang điện (pin mặt trời) đã trở thành nguồn cung cấp điện cho các vùng sâu vùng xa, trên các vệ tinh nhân tạo, con tàu vũ trụ, trong các máy đo ánh sáng, máy tính bỏ túi …
24 HIỆN TƯỢNG QUANG – PHÁT QUANG
* Sự phát quang
+ Có một số chất khi hấp thụ năng lượng dưới một dạng nào đó, thì có khả năng phát ra các bức xạ điện từ trong miền ánh sáng nhìn thấy Các hiện tượng đó gọi là sự phát quang
Trang 9+ Mỗi chất phát quang có một quang phổ đặc trưng cho nó.
+ Sau khi ngừng kích thích, sự phát quang của một số chất còn tiếp tục kéo dài thêm một thời gian nào đó, rồi mới ngừng hẵn Khoảng thời gian từ lúc ngừng kích thích cho đến lúc ngừng phát quang gọi là thời gian phát quang
* Huỳnh quang và lân quang
+ Sự huỳnh quang là sự phát quang có thời gian phát quang ngắn (dưới 10-8s), nghĩa là ánh sáng phát quang hầu như tắt ngay sau khi tắt ánh sáng kích thích Nó thường xảy ra với chất lỏng và chất khí
+ Sự lân quang là sự phát quang có thời gian phát quang dài (từ 10-8s trở lên); nó thường xảy ra với chất rắn Các chất rắn phát quang loại này gọi là chất lân quang
* Đặc điểm của ánh sáng huỳnh quang
Ánh sáng phát quang có bước sóng ’ dài hơn bước sóng của ánh sáng kích thích : ’ >
* Ứng dụng của hiện tượng phát quang
Sử dụng trong các đèn ống để thắp sáng, trong các màn hình của dao động kí điện tử, tivi, máy tính, sử dụng sơn phát quang quét trên các biển báo giao thông
25 MẪU NGUYÊN TỬ BO
* Mẫu nguyên tử của Bo
Tiên đề về trạng thái dừng
Nguyên tử chỉ tồn tại trong một số trạng thái có năng lượng xác định En, gọi là các trạng thái dừng Khi ở trạng thái dừng, nguyên tử không bức xạ
Trong các trạng thái dừng của nguyên tử, electron chuyển động quanh hạt nhân trên những quỹ đạo có bán kính hoàn toàn xác định gọi là quỹ đạo dừng
Bo đã tìm được công thức tính quỹ đạo dừng của electron trong nguyên tử hydro: rn = n2r0, với n là số nguyên và r0 = 5,3.10-11m, gọi là bán kính Bo Đó chính là bán kính quỹ đạo dừng của electron, ứng với trạng thái cơ bản Bình thường, nguyên tử ở trạng thái dừng có năng lượng thấp nhất gọi là trạng thái cơ bản Khi hấp thụ năng lượng thì nguyên tử chuyển lên trạng thái dừng có năng lượng cao hơn, gọi là trạng thái kích thích Thời gian nguyên tử ở trạng thái kích thích rất ngắn (cỡ 10-8s) Sau đó nguyên tử chuyển về trạng thái dừng có năng lượng thấp hơn và cuối cùng về trạng thái cơ bản
Tiên đề về sự bức xạ và hấp thụ năng lượng của nguyên tử
Khi nguyên tử chuyển từ trạng thái dừng có năng lượng En sang trạng thái dừng có năng lượng Em nhỏ hơn thì nguyên tử phát ra một phôtôn có năng lượng: = hfnm = En – Em
Ngược lại, nếu nguyên tử đang ở trạng thái dừng có năng lượng Em mà hấp thụ được một phôtôn có năng lượng
hf đúng bằng hiệu En – Em thì nó chuyển sang trạng thái dừng có năng lượng En lớn hơn
Sự chuyển từ trạng thái dừng Em sang trạng thái dừng En ứng với sự nhảy của electron từ quỹ đạo dừng có bán kính rm sang quỹ đạo dừng có bán kính rn và ngược lại
* Quang phổ phát xạ và hấp thụ của nguyên tử hidrô
+ Nguyên tử hiđrô có các trạng thái dừng khác nhau EK, EL, EM, Khi đó electron chuyển động trên các quỹ đạo dừng K, L, M,
+ Khi electron chuyển từ mức năng lượng cao (Ecao) xuống mức năng lượng thấp hơn (Ethấp) thì nó phát ra một phôtôn có năng lượng hoàn toàn xác định: hf = Ecao – Ethấp
Mỗi phôtôn có tần số f ứng với một sóng ánh sáng đơn sắc có bước sóng = c f , tức là một vạch quang phổ có một màu (hay một vị trí) nhất định Điều đó lí giải tại sao quang phổ phát xạ của nguyên tử hiđrô là quang phổ vạch
Ngược lại nếu một nguyên tử hiđrô đang ở một mức năng lượng Ethấp nào đó mà nằm trong một chùm ánh sáng trắng, trong đó có tất cả các phôtôn có năng lượng từ lớn đến nhỏ khác nhau, thì lập tức nguyên tử hấp thụ ngay một phôtôn có năng lượng phù hợp = Ecao – Ethấp để chuyển lên mức năng lượng Ecao Như vậy, một sóng ánh
Trang 10sáng đơn sắc đã bị hấp thụ, làm cho trên quang phổ liên tục xuất hiện một vạch tối Do đó quang phổ hấp thụ của nguyên tử hiđrô cũng là quang phổ vạch
26 SƠ LƯỢC VỀ LAZE
Laze là một nguồn sáng phát ra một chùm sáng cường độ lớn dựa trên việc ứng dụng hiện tượng phát xạ cảm ứng
* Sự phát xạ cảm ứng
Nếu một nguyên tử đang ở trong trạng thái kích thích, sẵn sàng phát ra một phôtôn có năng lượng = hf, bắt gặp một phôtôn có năng lượng ’ đúng bằng hf bay lướt qua nó, thì lập tức nguyên tử này cũng phát ra phôtôn Phôtôn có cùng năng lượng và bay cùng phương với phôtôn ’ Ngoài ra sóng điện từ ứng với phôtôn hoàn toàn cùng pha và dao động trong một mặt phẵng song song với mặt phẵng dao động của sóng điện từ ứng với phôtôn ’
Như vậy, nếu có một phôtôn ban đầu bay qua một loạt các nguyên tử đang ở trong trạng thái kích thích thì số phôtôn sẽ tăng lên theo cấp số nhân
Tùy theo vật liệu phát xạ, người ta đã tạo ra laze rắn, laze khí và laze bán dẫn Laze rubi (hồng ngọc) biến đổi quang năng thành quang năng
* Cấu tạo của laze rubi
Rubi (hồng ngọc) là Al2O3 có pha Cr2O3
Laze rubi gồm một thanh rubi hình trụ Hai mặt được mài nhẵn vuông góc với trục của thanh Mặt (1) được mạ bạc trở thành gương phẵng (G1) có mặt phản xạ quay vào phía trong Mặt (2) là mặt bán mạ, tức là mạ một lớp mỏng để cho khoảng 50% cường độ chùm sáng chiếu tới bị phản xạ, còn khoảng 50% truyền qua Mặt này trở thành gương phẳng (G2) có mặt phản xạ quay về phia G1 Hai gương G1 và G2 song song với nhau
Dùng đèn phóng điện xenon để chiếu sáng rất mạnh thanh rubi và đưa một số lớn ion crôm lên trạng thái kích thích Nếu có một ion crôm bức xạ theo phương vuông góc với hai gương thì ánh sáng sẽ phản xạ đi phản xạ lại nhiều lần giữa hai gương và sẽ làm cho một loạt ion crôm phát xạ cảm ứng Aùnh sáng sẽ được khuếch đại lên nhiều lần Chùm tia laze được lấy ra từ gương bán mạ G2
* Đặc điểm của laze
+ Laze có tính đơn sắc rất cao Độ sai lệch tương đối f f của tần số ánh sáng do laze phát ra có thể chỉ bằng 10
-15
+ Tia laze là chùm sáng kết hợp (các phôtôn trong chùm có cùng tần số và cùng pha)
+ Tia laze là chùm sáng song song (có tính định hướng cao)
+ Tia laze có cường độ lớn Chẵng hạn laze rubi (hồng ngọc) có cường độ tới 106W/cm2
* Một số ứng dụng của laze
+ Tia laze có ưu thế đặc biệt trong thông tin liên lạc vô tuyến (như truyền thông thông tin bằng cáp quang, vô tuyến định vị, điều khiển con tàu vũ trụ, )
+ Tia laze được dùng như dao mổ trong phẩu thuật mắt, để chữa một số bệnh ngoài da (nhờ tác dụng nhiệt), + Tia laze được dùng trong các đầu đọc đĩa CD, bút chỉ bảng, chỉ bản đồ, dùng trong các thí nghiệm quang học ở trường phổ thông,
+ Ngoài ra tia laze còn được dùng để khoan, cắt, tôi, chính xác các vật liệu trong công nghiệp
VII VẬT LÝ HẠT NHÂN
A LÝ THUYẾT
27 TÍNH CHẤT VÀ CẤU TẠO HẠT NHÂN
* Cấu tạo hạt nhân
+ Hạt nhân được cấu tạo từ những hạt nhỏ hơn gọi là các nuclôn Có hai loại nuclôn: prôton, kí hiệu p, khối lượng mp = 1,67262.10-27kg, mang một điện tích nguyên tố dương +e, và nơtron kí hiệu n, khối lượng mn = 1,67493.10-27kg, không mang điện Prôtôn chính là hạt nhân nguyên tử hiđrô