Bài giảng vật lý đại cương 2 chương 9 GV nguyễn như xuân

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SƢ BỘ MÔN VẬT LÝ NGUYỄN NHƢ XUÂN VẬT LÝ ĐẠI CƢƠNG Chƣơng 9: QUANG LƢỢNG TỬ I – Các khái niệm đại lƣợng xạ nhiệt II – Các định luật xạ nhiệt III – Thuyết lƣợng tử Planck IV – Thuyết photon Einstein V – Hiệu ứng Compton I – CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐẠI LƢỢNG CƠ BẢN – Bức xạ nhiệt:   Là xạ mà lƣợng cung cấp cho vật xạ nhiệt Đặc điểm:   Là dạng xạ phổ Nhiệt biến nhất, xảy nhiệt độ Là xạ cân BXN I – CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐẠI LƢỢNG CƠ BẢN – Năng suất phát xạ:  Năng suất phát xạ đơn sắc: r ,T  dWp (, T) dS.d r (,T): Năng suất phát xạ đơn sắc ( W/m2) dWP(,T): Năng thông xạ tần số  phát từ diện tích dS (năng lƣợng phát từ dS giây) • Năng suất phát xạ toàn phần:  R T   r(, T)d RT: suất phát xạ toàn phần (W/m2) I – CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐẠI LƢỢNG CƠ BẢN Ý nghĩa suất phát xạ:   Năng suất phát xạ đơn sắc: cho biết lƣợng đơn vị diện tích mặt ngòai vật phát đơn vị thời gian, nhiệt độ T, ứng với bƣớc sóng  Năng suất phát xạ toàn phần: cho biết lƣợng đơn vị diện tích mặt ngòai vật phát đơn vị thời gian, nhiệt độ T, ứng với bƣớc sóng csphatxa P R  dientich S I – CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐẠI LƢỢNG CƠ BẢN – Hệ số hấp thụ đơn sắc: dWt (, T) a(, T)  dW(, T) dS dW(,T): thông gởi tới diện tích dS dWt(,T): thông dS hấp thu a(,T): hệ số hấp thụ đơn sắc Thực tế: a(,T) < Vật đen tuyệt đối: a(,T) = II – CÁC ĐỊNH LUẬT VỀ BỨC XẠ NHIỆT – Định luật Kirchhoff: Tỉ số suất phát xạ đơn sắc hệ số hấp thu đơn sắc vật nhiệt độ định hàm phụ thuộc vào tần số xạ  nhiệt độ T mà không phụ thuộc vào chất vật  r(,T)  f (,T) a(,T) f(,T): hàm phổ biến Đối với vật đen tuyệt đối: f(,T) = r(,T) II – CÁC ĐỊNH LUẬT VỀ BỨC XẠ NHIỆT Khảo sát suất phát xạ đơn sắc vật đen tuyệt đối thực nghiệm:  Bố trí thí nghiệm: G f(,T) m1 m3 T3 > T2 > T1  II – CÁC ĐỊNH LUẬT VỀ BỨC XẠ NHIỆT   Kết - Nhận xét: Năng suất phát xạ đơn sắc vật đen tuyệt đối nhiệt độ khác khác tăng nhanh nhiệt độ tăng Năng suất phát xạ vật đen tuyệt đối phân bố không đồng theo bƣớc sóng f(,T) T3 > T2 > T1 m1 m3  Cực đại suất phát xạ đơn sắc vật đen tuyệt đối dịch chuyển miền tần số cao nhiệt độ tăng II – CÁC ĐỊNH LUẬT VỀ BỨC XẠ NHIỆT – Định luật Stefan – Boltzmann:  Năng suất phát x toàn phần vật đen tuyệt đối tỉ lệ với lũy thừa bậc nhiệt độ tuyệt đối vật R T  T với  = 5,67.10 – W/m2K4 gọi số Stefan - Boltzmann Mở rộng: Nếu vật đen tuyệt đối thì: RT = T4 II – CÁC ĐỊNH LUẬT VỀ BỨC XẠ NHIỆT – Định luật Wien  Bƣớc sóng m ứng với cực đại suất phát xạ đơn sắc vật đen tuyệt đối tỉ lệ nghịch với nhiệt độ tuyệt đối vật b m  T f(,T) T3 > T2 > T1 m1 m3  Với b = 2,9.10 – (mK), gọi số Wien II – CÁC ĐỊNH LUẬT VỀ BỨC XẠ NHIỆT – Công thức Rayleigh - Jeans 2 f (, T)  kT c Phù hợp với thực nghiệm vùng tần số thấp f(,T) Đường cong thực lý thuyết Rayleigh - Jeans Đường cong thực nghiệm  III – THUYẾT LƢỢNG TỬ CỦA PLANCK –Những sở thuyết lƣợng tử:     Kết khảo sát thực nghiệm xạ vật đen tuyệt đối có, rút đƣợc định luật, nhƣng chƣa có lời giải thích thỏa đáng Đặt vấn đề: Dạng hàm f(,T) nhƣ để phù hợp với thực nghiệm? Tại quan điểm Vật lý cổ điển tính liên tục hấp thu hay phát xạ sóng điện từ định luật phân bố lƣợng theo bậc tự lại mâu thuẫn với thực nghiệm? III – THUYẾT LƢỢNG TỬ CỦA PLANCK – Nội dung thuyết lƣợng tử: Các nguyên tử, phân tử phát xạ hay hấp thu lƣợng xạ điện từ cách gián đọan: phần NL phát xạ hay hấp thu bội số nguyên NL nhỏ xác định gọi lƣợng tử NL hay quantum NL  Đối với xạ điện từ đơn sắc, tần số , bƣớc sóng , lƣợng tử NL  tƣơng ứng bằng:  c   h  h  Trong đó: h = 6,625.10 – 34 (J.s), gọi số Planck c = 3.10 (m/s) vận tốc sóng điện từ chân không III – THUYẾT LƢỢNG TỬ CỦA PLANCK – Các hệ thuyết lƣợng tử: 2 h • Công thức Planck: f (,T)  h c • Giải thích ĐL Stefan – e kT  Boltzmann:  R T   f (, T)d  5, 67.108 T  T • Giải thích ĐL Wien: 3 2,898.10 b f '   m   T T  Công thức Rayleigh-Jeans: trường 2 hợp riêng công thức Planck miền f (, T)  kT c tần số thấp IV – THUYẾT PHOTON CỦA EINSTEIN –Những sở thuyết photon:    Kết khảo sát thực nghiệm tƣợng quang điện có, rút đƣợc định luật, nhƣng giải thích thuyết sóng Thuyết lƣợng tử Planck, nêu lên gián đoạn lƣợng, chƣa nêu đƣợc chất gián đoạn xạ điện từ Cần phải có lí thuyết hoàn hảo IV – THUYẾT PHOTON CỦA EINSTEIN – Nội dung thuyết photon:   Bức xạ điện từ gồm vô số hạt gọi lƣợng tử ánh sáng hay photon Với xạ điện từ đơn sắc định, photon giống mang lƣợng xác định: c   h  h     Trong môi trƣờng, photon truyền với vận tốc c = 3.108m/s Một vật phát xạ hay hấp thụ xạ điện từ, nghĩa phát xạ hay hấp thụ photon Cƣờng độ chùm xạ tỉ lệ với số photon phát từ nguồn đơn vị thời gian IV – THUYẾT PHOTON CỦA EINSTEIN   – Các hệ thuyết photon: Giải thích hoàn hảo định luật quang điện (tự đọc) Thiết lập đƣợc phƣơng trình động lực học photon: h h p   c   Giải thích đƣợc hiệu ứng Compton V.V… V – HIỆU ỨNG COMPTON – Sơ đồ thí nghiệm: Tia X – Kết quả: Ngoài vạch phổ có bƣớc sóng  tia X xuất vạch phổ có bƣớc sóng ’ >   D P Hiệu  = ’ -  phụ thuộc vào góc tán xạ  mà không phụ thuộc vào bƣớc sóng tia X hay chất tán xạ:    C (1  cos)  2 C sin  với C = 2,43.10 – 12 m bƣớc sóng Compton V – HIỆU ỨNG COMPTON – Giải thích:  p' Hiệu ứng Compton kết va chạm đàn hồi photon tia X với electron nguyên tử chất tán xạ  Áp dụng ĐLBTĐL BTNL:       p  mv h  m0c  h ' mc m0 c c Trong đó: m  ;   ; '   '  (v / c) p  p ' m v 2 h 2     '   sin ( / 2)  2 C sin ( / 2) m0 c ÔN TẬP + Phần lý thuyết: Định luật Kirrchoff suất xạ vật đen tuyệt đối Các nội dung thuyết lượng tử Planck Nội dung thuyết photon Anhxtanh Các định luật quang điện giải thích thuyết photon Tán xạ Compton: Công thức giải thích định tính + Các tập tối thiểu yêu cầu sinh viên ôn tập: 4.1 – 4.6, 4.8, 4.10, 4.11, 4.12, 4.13, 4.27, 4.31, 4.32, 4.33, 4.39, 4.41, 4.50, 4.51, 4.52, 4.53, 4.54 [...]... đó: m  ;   ; '  2  ' 1  (v / c) p  p ' m v và 2 2 h 2 2     '   2 sin ( / 2)  2 C sin ( / 2) m0 c ÔN TẬP + Phần lý thuyết: Định luật Kirrchoff về năng suất bức xạ vật đen tuyệt đối Các nội dung thuyết lượng tử Planck Nội dung thuyết photon Anhxtanh Các định luật quang điện và giải thích bằng thuyết photon Tán xạ Compton: Công thức và giải thích định tính + Các bài tập tối thiểu yêu...  Bƣớc sóng m ứng với cực đại của năng suất phát xạ đơn sắc của vật đen tuyệt đối tỉ lệ nghịch với nhiệt độ tuyệt đối của vật b m  T f(,T) T3 > T2 > T1 0 m1 m3  Với b = 2, 9. 10 – 3 (mK), gọi là hằng số Wien II – CÁC ĐỊNH LUẬT VỀ BỨC XẠ NHIỆT 4 – Công thức Rayleigh - Jeans 2  f (, T)  2 kT c Phù hợp với thực nghiệm ở vùng tần số rất thấp 2 f(,T) Đường cong thực lý thuyết Rayleigh - Jeans Đường... hiệu ứng Compton V.V… V – HIỆU ỨNG COMPTON 1 – Sơ đồ thí nghiệm: Tia X 2 – Kết quả: Ngoài vạch phổ có bƣớc sóng  của tia X còn xuất hiện vạch phổ có bƣớc sóng ’ >   D P Hiệu  = ’ -  chỉ phụ thuộc vào góc tán xạ  mà không phụ thuộc vào bƣớc sóng của tia X hay chất tán xạ:    C (1  cos)  2 C sin 2  với C = 2, 43.10 – 12 2 m là bƣớc sóng Compton V – HIỆU ỨNG COMPTON 3 – Giải thích:  p'...  c   h  h  Trong đó: h = 6, 625 .10 – 34 (J.s), gọi là hằng số Planck c = 3.10 8 (m/s) là vận tốc sóng điện từ trong chân không III – THUYẾT LƢỢNG TỬ CỦA PLANCK 3 – Các hệ quả của thuyết lƣợng tử: 2 2 h • Công thức Planck: f (,T)  2 h c • Giải thích ĐL Stefan – e kT  1 Boltzmann:  R T   f (, T)d  5, 67.108 T 4  T 4 0 • Giải thích ĐL Wien: 3 2, 898 .10 b f '  0  m   T T  Công... quang điện và giải thích bằng thuyết photon Tán xạ Compton: Công thức và giải thích định tính + Các bài tập tối thiểu yêu cầu sinh viên ôn tập: 4.1 – 4.6, 4.8, 4.10, 4.11, 4. 12, 4.13, 4 .27 , 4.31, 4. 32, 4.33, 4. 39, 4.41, 4.50, 4.51, 4. 52, 4.53, 4.54 ... về bức xạ của vật đen tuyệt đối đã có, đã rút ra đƣợc các định luật, nhƣng chƣa có lời giải thích thỏa đáng Đặt vấn đề: Dạng hàm f(,T) nhƣ thế nào để phù hợp với thực nghiệm? Tại sao quan điểm của Vật lý cổ điển về tính liên tục của sự hấp thu hay phát xạ sóng điện từ và định luật phân bố đều năng lƣợng theo các bậc tự do lại mâu thuẫn với thực nghiệm? III – THUYẾT LƢỢNG TỬ CỦA PLANCK 2 – Nội dung... ĐL Stefan – e kT  1 Boltzmann:  R T   f (, T)d  5, 67.108 T 4  T 4 0 • Giải thích ĐL Wien: 3 2, 898 .10 b f '  0  m   T T  Công thức Rayleigh-Jeans: là trường 2  2 hợp riêng của công thức Planck ở miền f (, T)  2 kT c tần số thấp IV – THUYẾT PHOTON CỦA EINSTEIN 1 –Những cơ sở của thuyết photon:    Kết quả khảo sát thực nghiệm về hiện tƣợng quang điện đã có, đã rút ra đƣợc các định... thuyết hoàn hảo hơn IV – THUYẾT PHOTON CỦA EINSTEIN 2 – Nội dung của thuyết photon:   Bức xạ điện từ gồm vô số các hạt gọi là lƣợng tử ánh sáng hay photon Với mỗi bức xạ điện từ đơn sắc nhất định, các photon đều giống nhau và mang một năng lƣợng xác định: c   h  h     Trong mọi môi trƣờng, các photon truyền đi với vận tốc c = 3.108m/s Một vật phát xạ hay hấp thụ bức xạ điện từ, nghĩa là phát ... ;   ; '   '  (v / c) p  p ' m v 2 h 2     '   sin ( / 2)  2 C sin ( / 2) m0 c ÔN TẬP + Phần lý thuyết: Định luật Kirrchoff suất xạ vật đen tuyệt đối Các nội dung thuyết lượng... Wien  Bƣớc sóng m ứng với cực đại suất phát xạ đơn sắc vật đen tuyệt đối tỉ lệ nghịch với nhiệt độ tuyệt đối vật b m  T f(,T) T3 > T2 > T1 m1 m3  Với b = 2, 9. 10 – (mK), gọi số Wien II –... tối thiểu yêu cầu sinh viên ôn tập: 4.1 – 4.6, 4.8, 4.10, 4.11, 4. 12, 4.13, 4 .27 , 4.31, 4. 32, 4.33, 4. 39, 4.41, 4.50, 4.51, 4. 52, 4.53, 4.54