ĐẠI CƯƠNG về QUANG HỌC

TÍNH CHẤT HẠT  Thuyết lượng tử ánh sáng, Max Planck  Ánh sáng cấu ta ̣o bởi những hạt mang năng lượng không có tính chất liên tục mà bao gồm từng lượng riêng biệt nhỏ nhất gọ

ĐẠI CƯƠNG VỀ QUANG HỌC

 Quang Phổ nghiên cứu sâu bản chất lý học và tính chất ánh sáng dựa trên nhiều sự kiện thực nghiệm để rút ra những định luật quang học

 Dựa trên sự nghiên cứu tương tác của bức xạ ánh sáng trên chất khảo sát

 Ngày nay, PP phổ đã dần thay thế PP hóa học trong việc xác định cấu trúc hóa học cũng

như định tính, định lượng chất phân tích

2- Hiện tượng quay mặt phẳng phân cực



 Đo độ quay mặt phẳng phân cực (GT trang 28)

B TÍNH CHẤT CỦA CÁC TIỂU PHÂN

II- BẢN CHẤT CỦA ÁNH SÁNG

 Á́́́nh sáng nhìn thấy, tia IR, tia UV, tia rơnghen, sóng radio: gọi chung là những bức xạ điện từ khác nhau về độ dài só́ng (bước sóng)



 hie ̣n tượng nhie ̃u xạ (diffraction)  cấu trúc lập thể của chất

 giao thoa (interference)

B TÍNH CHẤT HẠT

 Thuyết lượng tử ánh sáng, Max Planck

 Ánh sáng cấu ta ̣o bởi những hạt mang năng lượng không có tính chất liên tục mà bao gồm từng lượng

riêng biệt nhỏ nhất gọi là lượng tử (photon, quang tư ̉ )

 Mỗi photon có năng lượng tỉ lệ với tần số của bức xạ:

+ : đo ̣ dài sóng

+ C: to ́c đo ̣ của ánh sáng = 3 x 1010 cm/sec

+ : ta ̀n so ́ ánh sáng (chu kỳ /sec)

+ h: ha ̀ng so ́ Planck = 6,62 x 10-27erg/sec = 6,63 x 10-34 J.s

 Bước sóng càng nhỏ thì năng lượng photon càng lớn

 Giải thích: hiện thương quang điện

C CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG

 Bức xạ đa sắc: Mỗi da ̣ng bức xa ̣ (IR, UV ) bao gồm những bức xạ có bước sóng khác nhau biến đổi trong mô ̣t vùng nào đó của phổ điê ̣n từ

 Bức xạ đơn sắc: Ở các vùng phổ khác nhau nhờ những dụng cụ thích hợp như lăng kính,

cách tử…từ những bức xạ đa sắc tách riêng được những bức xạ có cùng bước sóng, gồm chi ̉ mô ̣t loại photon có năng lượng như nhau

 nhà vật lý học người Đức nổi tiếng , được lãnh giải thưởng Nobel (1918)

 Những công trình chính của ông dành cho nhiệt động học và bức xạ nhiệt

 Khái niệm mở đầu về đặc tính lượng tử của bức xạ và sự hấp thu năng lượng đóng vai trò rất

quan trọng



b 1905, A Einstein

 Năng lượng điện từ (bức xạ) chỉ tồn tại dưới dạng các lượng tử (photon)

 Tia bức xạ là dòng các photon không chia cắt được

 Năng lượng của chúng xác định theo pt của Planck

 Giải thích rất chính xác về hiện tượng quang điện, qui luật tác dụng hóa học của ánh sáng

 Là nền tảng cho sự phát triển các khái niệm về cấu tạo nguyên tử, phân tử

 Sự phát ra các electron từ kim loại dưới tác dụng của ánh sáng chiếu vào



 Cường độ dòng quang điện tỉ lệ thuận với cường độ chiếu sáng

 Mỗi photon sẽ truyền năng lượng cho kim loại

 Động năng cực đại của mỗi electron phụ thuộc tần số ánh sáng chiếu vào

 Photon cho electron toàn bộ năng lượng của mình trong quá trình tương tác với kim loại

 Một phần dùng phá vỡ liên kết của e với nguyên tử kim loại

 Một phần truyền động năng cho electron

 Động năng cực đại của electron  E photon – E lk electron với n.tử KL

 Khi tăng số photon (tăng cường độ chiếu sáng)→ tăng dòng quang điện nhưng năng lượng của mỗi electron không tăng lên

 E photon < E min cần để bứt e → không xảy ra hiện tượng quang điện dù số photon bất kỳ đập

vào kim loại

 Thí dụ:

 Khi chiếu bằng ánh sáng đỏ hay vàng Na không thể hiện hiệu ứng quang điện

 Chỉ bắt đầu phóng electron ở bước sóng < 590nm

 Sự bứt electron ra khỏi Platin khi chiếu tia tử ngoại vào platin

III- CẤU TRÚC ĐIỆN TỬ CỦA MỘT NGUYÊN TỬ – BẢN CHẤT VẬT CHẤT

A LỊCH SỬ

 Trước cuối thế kỷ 19: nguyên tử là đơn vị nhỏ nhất của vật chất

 1897, J.J.Thomson:

 phát hiện ra sự tồn tại của electron qua thử nghiệm trên ống phóng tia âm cực

 hạt cơ bản có điện tích âm nhỏ nhất: 1,62x10-19C < MH 2000 lần (9,1.10-28g)

 Electron có thể thoát ra từ một nguyên tố bất kỳ: vật truyền điện trong kim loại, được phóng ra từ nhiều chất khi đun nóng, chiếu sáng…

 VD: Hút KK < 0,1mmHg ra khỏi ống thủy tinh và đặt lên các điện cực một điện thế lớn→

phóng các hạt electron từ cực âm (catod)

B MẪU NGUYÊN TƯ ̉ THEO RUTHERFORD

1- Mẫu nguyên tử theo Rutherford

 Nguyên tử có cấu ta ̣o theo mẫu hành tinh: ở giữa là nhân (điê ̣n tích dương, tập trung

phần lớn khối lượng nguyên tử) chung quanh la ̀ các electron (điê ̣n tích âm)

 Tổng điê ̣n tích dương (+) = tổng điê ̣n tích âm (–) của nguyên tử đó được thể hiện trên số

thứ tự của bảng phân loa ̣i tuần hoàn

 Sơ đồ mẫu nguyên tử

2- Ưu điểm và nhược điểm

 Không thể giải thích được sự tồn tại của nguyên tử bền vững

 Kết luận không đúng về đặc tính phổ vạch của nó

C MÔ HÌNH MẪU NGUYÊN TỬ THEO BORD

1- Mô hình mẫu nguyên tử theo Bord

 Năm 1913, Bord bổ sung thuyết Rutherford

 Hợp nhất mô hình hạt nhân nguyên tử với thuyết lượng tử ánh sáng

 Mỗi electron chỉ quay trên những quỹ đạo tròn xác định = quỹ đạo cân bằng động = quỹ đạo lượng tử = quỹ đạo dừng , phân bố trên những mức năng lượng khác nhau ký hiệu từ trong

ra ngoài là K, L, M, N, O, P, Q…

 Khi electron chuyển đô ̣ng trên một quỹ đạo lượng tử thì nguyên tử không thu và không phát năng lượng

 Khi hấp thụ ánh sáng, electron chuyển đô ̣ng trên mô ̣t quỹ đa ̣o có năng lượng E1 sang quy ̃

đa ̣o có năng lượng E2 sẽ phát ra 1 photon co ́ tần số  hay bươ ́ c sóng  theo hê ̣ thức: E =E2

-E2= h  = h.c/ 

 Màu của ánh sáng phát ra sẽ tuỳ thuộc  hay 



2- Ưu điểm và nhược điểm

a Ưu điểm

 Quỹ đạo dừng của electron

 Tiên đoán sự tồn tại và vị trí của dãy phổ hidro chưa biết cũng như tính toán chính xác vị trí của nó

 Sự chuyển động của e quanh hạt nhân theo mẫu hành tinh

 Không thể giải thích được sự tồn tại của nguyên tử bền vững

 Kết luận không đúng về đặc tính phổ vạch của nó

Mô hình của

Bohr

 Quỹ đạo dừng của electron

 Tiên đoán sự tồn tại và vị trí của dãy phổ hidro chưa biết cũng như tính toán chính xác vị trí của nó

 Không thể giải thích được sự chuyển từ quĩ đạo này sang quĩ đạo khác của electron thì vị trí của electron ở đâu?

 Áp dụng những định luật của cơ học và điện động lực học trong tính toán nhưng lại mâu thuẫn với các định đề mà ông đưa ra

D CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ THEO QUAN ĐIỂM HIỆN ĐẠI - CƠ HỌC LƯỢNG TỬ

 Tính chất nhị nguyên hạt sóng của photon cho tất cả các đối tượng của thế giới

vi mô mà trước hết là electron

2- Kết luận về thuyết cơ lượng tử hiện đại

 Electron chuyển động xung quanh hạt nhân:

 chỉ xác định được vùng không gian electron chuyển động gọi là đám mây e

 Vùng không gian bao quanh hạt nhân ở đó có sự hiện diện của electron nhiều nhất (≥ 95%) gọi là orbitan nguyên tử

 Mỗi orbitan chứa tối đa 2e

 Trạng thái của e trong nguyên tử được đặc trưng bởi bốn số lượng tử: n, l, m, ms

3- Cấu trúc nguyên tử theo quan niệm hiện đại – cơ học lượng tử

a Số lượng tử chính n

 Mỗi giá tri ̣ n xác đi ̣nh mô ̣t lớp điê ̣n tử và tất cả các điê ̣n tử có cùng n thì đều thuộc cùng

mô ̣t lớp điê ̣n tử

 là những lớp vỏ năng lượng mà các electron phân bố trên đó

 Electron muo ́n chuye ̉n từ lớp trong ra lớp ngoài thì ca ̀n E = E(n+1) – En

b Số lượng tử phụ l

 Giá trị từ 0 đến (n-1)

 Mỗi giá tri ̣ l xác đi ̣nh mô ̣t lớp điê ̣n tử phu ̣

 Điê ̣n tử cùng n và cùng l  cùng lớp điện tử phu.̣

 Kí hiê ̣u s, p, d, f

 Ý nghĩa:

 Quye ́t định hình dạng không gian của các orbital nguyên tử

 Đặc trưng cho các phân lớp e khác nhau

 Thí dụ:

 2s , lớp đie ̣n tử phụ s (l = 0) của lớp điện tử chính L (n = 2)

 4p, lớp đie ̣n tử phụ p (l = 1) của lớp điện tử chính N (n = 4)

n 1 2 3 4

l 0 1 2 3

orbital s p d f

c Số lượng tử từ m

 Có giá trị nguyên: từ -l, …0…, +l, m có (2l + 1) giá trị

 Mỗi giá tri ̣ m được ấn đi ̣nh bằng mô ̣t ô lượng tử biểu thị bằng một ô vuông



 Là hình chiếu của orbitan electron lên phương của từ trường điện từ của nguyên tử

 Nếu orbitan electron định hướng thẳng góc với trường điện từ thì hình chiếu của nó bằng không

 Ý nghĩa

 Đám mây trong không gian không thể định hướng tùy ý mà được xác định bởi số lượng tử từ

 Lớp đie ̣n tử phụ s: 1 ô vuông và p, d, f: dãy 3, 5, 7 ô vuông

 ms liên quan đến sự chuyển động riêng của electron, là momen động lượng của nó

 Không thể có 2e có cùng bốn số lượng tử, mỗi orbitan chỉ có thể chứa tối đa 2e có spin ngược chiều nhau

0 +1 1

+1/2 -1/2 2 +1/2 -1/2 2 +1/2 -1/2 2

0 +1 1

+1/2 -1/2 2 +1/2 -1/2 2 +1/2 -1/2 2

6

6

2 (3d) )

-2 2 -1 1 0

0 +1 1 +2 2

+1/2 -1/2 2 +1/2 -1/2 2 +1/2 -1/2 2 +1/2 -1/2 2 +1/2 -1/2 2

1 0

 Nguyên lí Pauli:

 Trong một nguyên tử không thể có

 2e có cùng 4 số lượng tử n, l, m, ms giống nhau

 mỗi orbital có thể chứa tối đa 2e có spin ngược chiều nhau

 Qui tắc Hund:

 Trong cùng một phân lớp các e phân bố trên các orbitan sao cho số e độc thân nhiều nhất ( tổng số spin là cực đại )

 Quy tắc Klechkowski: làm đầy mức năng lượng điện tử 

IV- TƯƠNG TÁC GIỮA BỨC XẠ VÀ VẬT CHẤT

A CÁC KIỂU TƯƠNG TÁC GIỮA BỨC XẠ VÀ VẬT CHẤT



 Mỗi mô ̣t tương tác có thể đă ̣c trưng cho mô ̣t tính chất nào đó của vật chất

 Khi ứng du ̣ng năng lượng bức xạ điện từ ở các tần số khác nhau có thể thu được các

thông tin khác nhau về̀ vâ ̣t chất

 Bước sóng của bức xạ điện từ thay đổi theo môi trường vật chất mà nó xuyên qua

 Quan tâm tới hấp thụ và phát xạ

 Ví dụ:

B TRẠNG THÁI CƠ BẢN VÀ KÍCH THÍCH CỦA ĐIỆN TỬ – SỰ CHUYỂN DỊCH NĂNG LƯỢNG

 Trạng thái cơ bản e không thu và phát năng lượng

 Khi hấp thu năng lượng bức xạ điện từ sẽ chuyển từ trạng thái cơ bản sang trạng thái kích thích (từ

orbital của nó sang orbital cao hơn)

 Điê ̣n tử (trạng thái kích thích) không bền

 Nếu hấp thu năng lươ ̣ng Bxđt lớn, e nhảy hơn mô ̣t mức năng lượng thì quá trình e trở về trạng thái cơ bản

sẽ phải trãi qua vài bước, từ mức năng lượng thấp gần nhất rồi xuống mức kế tiếp (10-9

C CHUYỂN ĐÔ ̣ NG CU ̉ A NGUYÊN TỬ

 Thông thường, nguyên tử ở da ̣ng cơ bản E0 nhưng khi ro ̣i ánh sáng (chiếu tia bức xạ) vào photon ánh

sáng sẽ chạm vào hạt cơ bản  truyền năng lươ ̣ng cho nó làm nó bi ̣ chuyển năng lượng sang tra ̣ng thái kích thích E1

 Năng lượng cơ bản E o: hạt sơ cấp tồn tại

 Năng lượng kích thích E 1 , E 2, … : xảy ra khi photon ánh sáng chạm vào hạt cơ bản

 E = E1 – Eo = h. = h / 



D CHUYỂN ĐÔ ̣ NG CU ̉ A PHÂN TỬ – SỰ HẤP THU BỨC XẠ CỦA PHÂN TỬ

1- Các dạng chuyển động

 Một phân tử thường có nhiều nguyên tử  bức xạ chiếu vào  phân tử có/không hấp thu

bức xạ

 Nếu có sẽ có một phần hay toàn bộ những chuyển động sau:

 Chuyển động tịnh tiến (transition)

 Chuyển động quay (rotation)

 Chuyển động dao động của các nguyên tử / phân tử (vibration)

 Chuyển động của các điện tử hóa trị quanh phân tử và các điện tử quanh hạt nhân

 Năng luơ ̣ng phân tử tổng cô ̣ng : E = Ee + Ev + Er + E t

 Trong đo ́ Et rất nho ̉ có thể bỏ qua được

 E1: năng lượng của trạng thái ban đầu.

 E2: năng lượng của trạng thái kích thích.

 Khi phân tử được kích thích thích hợp bằng năng lượng bức xạ có nghĩa là: E=E1

-E0=h  =h.𝐶

 Các dạng này đều được lượng tử hóa = biến thiên năng lượng

 Ee > biến thiên của Ev (10-100 lần) > Er (100-1000 lần)

 t0 bình thường: năng lượng tịnh tiến có thể bỏ qua

 Các mức năng lượng quay (J0, J1, J2, ) ở rất sít nhau

 Các mức năng lượng dao động ( 0, 1, 2, …) ở xa nhau hơn

 Trạng thái năng lượng electron ở xa nhau hơn nữa

 Mỗi trạng thái electron (cơ bản, kích thích) = một số trạng thái dao động khác nhau; năng lượng dao động lại = một số trạng thái quay khác nhau

 Những chuyển mức electron thường kèm theo sự biến thiên dao động + năng lượng quay

 Đối với phân tử nhiều nguyên tử  có chuyển mức năng lượng khác nhau, mỗi loại chuyển mức được biểu diễn bằng sơ đồ

 Theo quy tắc này, những phân tử đối xứng về mặt phân bố điê ̣n tích như H2, N2 không

có quang phổ quay và quang phổ dao động vì những nguyên tử này khi quay và dao đô ̣ng không hề làm xuất hiê ̣n mô ̣t sự bất đối xứng về điê ̣n

B GIẢI THÍCH SỰ HẤP THỤ NĂNG LƯỢNG BỨC XẠ ĐiỆN TỪ TRONG ĐL

LAMBERT-BEER THEO THUYẾT SÓNG VÀ HẠT

1- Theo thuyết sóng

 Cường độ bức xạ tỉ lệ với biên độ sóng

 Khi bức xạ truyền qua môi trường không trong suốt, nó bị hấp thu một phần  biên độ

 Cường độ của bức xạ được xác định bởi số hạt proton

 Chum tia bức xạ mạnh (dòng photon dày đặc) (Io) đi qua chất hấp thu tì một phần số hạt

photon bị giữ lại  mật độ dòng photon giảm  tia đi qua sẽ có cường độ nhỏ đi

 Các đại lượng đặc trưng cho cường độ hấp thu:

 % hấp thu A( absorbance ): A%=𝐼0 −𝐼

VI- MỘT SỐ LOẠI PHỔ

A ĐỊNH NGHĨA PHÔ ̉

 Là đường biểu diễn sự phụ thuộc cường độ hấp thụ vào bước sóng (tần số hoă ̣c số sóng)

của bức xạ bị hấp thụ

 Đường cong thu được gọi là đường cong hấp thụ hoă ̣c phổ hấp thụ

 Ví dụ: phổ hấp thụ hồng ngoa ̣i, phổ hấp thụ khả kiến tử ngoại

B PHÔ ̉ NGUYÊN TỬ







C PHÔ ̉ PHÂN TỬ

1- Phổ quay thuần túy

 Phân tử hấp thụ bức xạ có năng lượng thấp ở vùng vi sóng hoă ̣c IR xa chỉ đủ làm thay đổi trạng thái quay của phân tử

 Do vâ ̣y phổ quay thuần tuý gồm các vạch rất xít gần nhau và cách đều nhau, mỗi va ̣ch có tần số:

qy =Eqy

h



2- Phổ hồng ngoại – phổ IR- (= phổ dao động = phổ

dao động quay)

 Phân tư ̉ hấp thụ bức xạ ở vùng IR gần, trạng thái dao

đô ̣ng bi ̣ kích thích, những lượng tử năng lượng tương ứng sẽ có

tần số: 

dđ=E dđ

h

E dđ >> E qy  biến thiên năng lượng dao động có năng lượng dao động luôn luôn có năng lượng quay

 Thông thường không thu được phổ dao động thuần túy mà thu được phổ dao động - quay  gọi là phổ

dao động=phổ hồng ngoại (thường được ghi dưới dạng đường cong phụ thuộc % truyền qua vào số sóng (hoặc bước sóng) của bức xạ

 Do kết quả chồng chất những lượng tử quay lên những lượng tử dao đô ̣ng , ở phổ hồng ngoại không thu được các vạch mảnh mà thu được các đám vạch với tần số = (dđ + qy)

3- Ph ổ từ ngoại- khả kiến – phổ UV –Vis (phổ electron=phổ điện tử)

 Khi phân tử hấp thụ bức xạ có năng lượng lớn: bức xạ khả kiến hoă ̣c bức xạ tử ngoa ̣i thì năng lượng electron của chúng bi ̣ thay đổi

 Nếu chỉ có tra ̣ng thái electron thay đổi thì va ̣ch hấp thụ tương ứng sẽ có tần số:

sóng (hoặc số sóng) của bức xạ

 Để so sánh giửa các chất, các cấu tạo khác nhau, người ta thường biểu diễn bằng sự phụ

thuộc của hệ số hấp thu mol  vào bước sóng của bức xạ

 Do kết quả chồng chất, không thu được các vạch mảnh mà thu được các đám vạch với tần số  = el + dđ + qy

 Phổ electron thể hiê ̣n ở vùng tử ngoa ̣i – khả kiến nên cũng được go ̣i là phổ UV -Vis

