Thuyết phôtôn ánh sáng và một số ứng dụng

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO LỜI CẢM ƠN TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH Luận văn hoàn thành hướng dẫn khoa học TS Nguyễn Tiến Dũng, tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo, người đặt đề tài, dẫn dắt tận tình động viên tác giả suốt trình để hoàn thành luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy giáo, cô giáo, nhà khoa học bạn đồng nghiệp khoa Vật lý, khoa Sau đại học - Trường Đại Học Vinh đóng góp ý kiến khoa học bổHỮU ích cho nội dung luận văn, tạo điều kiện BÙI ĐẠI giúp đỡ tác giả thời gian học tập làm luận văn Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới bạn bè, người thân gia đình quan tâm, động viên, giúp đỡ tác giả trình nghiên cứu hoàn thành luận THUYẾT PHÔTÔN ÁNH SÁNG VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG văn Xin trân trọng cảm ơn! Chuyên ngành: QUANG HỌC Mã số: 60.44.01.09 Tác giả luận văn LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN TIẾN DŨNG Nghệ An, 2015 MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cảm ơn Mục lục MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nhiệm vụ cụ thể Phương pháp nghiên cứu NỘI DUNG CHƯƠNG I: CƠ SỞ THỰC NGHIỆM VÀ LÍ THUYẾT THUYẾT PHÔTÔN ÁNH SÁNG 1.1 Cơ sở thực nghiệm thuyết phôtôn ánh sáng 1.1.1 Sự xạ nhiệt 1.1.2 Định luật Kirchhoff 1.1.2.1 Độ trưng lượng Re suất phát xạ đơn sắc rλ vật 8 9 1.1.2.2 Năng suất hấp thụ đơn sắc 10 1.1.2.3 Định luật Kirchhoff 10 1.1.2.4 Các định luật xạ vật đen tuyệt đối 12 1.1.2.4.1 Định luật Stefan- Boltzman 12 1.1.2.4.2 Định luật Wien 13 1.1.2.4.3 Công thức Rayleigh – Jeans 14 1.1.3 Hiện tượng quang điện 1.1.3.1 Thí nghiệm 15 16 1.1.3.2 Các định luật quang điện 1.2 Cơ sở lý thuyết thuyết phôtôn ánh sáng 16 18 1.2.1 Giả thuyết Planck lượng tử lượng 18 1.2.2 Thuyết phôtôn Einstein 18 Kết luận cương 20 CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA THUYẾT PHÔTÔN ÁNH SÁNG 2.1 Giải thích định luật xạ vật đen tuyệt đối 21 21 2.1.1 Công thức Planck 21 2.1.2 Nghiệm lại định luật xạ vật đen tuyệt đối 21 2.2 Định luật phát quang 22 2.2.1 Sự phát quang 22 2.2.2 Định luật phát quang 22 2.2.2 Định luật Stốc – Lômmen 2.2.2 Giải thích định luật Stốc – Lômmen 2.3 Hiệu ứng Compton 2.3.1 Thí nghiệm 2.3.2 Lí thuyết hiệu ứng Compton 2.4 Áp suất ánh sáng 2.5 Làm lạnh nguyên tử 2.5.1 Khái niệm làm lạnh nguyên tử 2.5.2 Phương pháp làm lạnh nguyên tử 2.5.3 Bẫy quang từ 2.5.3.1 Hiện tượng trao lượng phôtôn cho nguyên tử 2.5.3.2 Làm lạnh Doppler khí nguyên tử 2.5.3.3 Lực tác động lên nguyên tử trường laser 2.5.3.4 Nguyên lý hoạt động “bẫy” quang từ 2.5.3.5 Giới hạn nhiệt độ làm lạnh Kết luận cương KẾT LUẬN CHUNG TÀI LIỆU THAM KHẢO 22 23 24 24 25 28 30 30 31 32 32 33 34 36 38 31 42 43 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Hiện tượng phản xạ, khúc xạ, phân cực, giao thoa, nhiễu xạ ánh sáng tượng chứng tỏ chất sóng ánh sáng Chúng ta giải thích tất tượng cách xem ánh sáng sóng điện từ tuân theo phương trình Maxwell Nhưng vào cuối kỉ 19, đầu kỉ 20 người ta phát tượng quang học tượng xạ nhiệt, hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton Những tượng giải thích thuyết sóng ánh sáng Để giải bế tắc trên, người ta phải dựa vào thuyết lượng tử Planck thuyết phôtôn Einstein, tức phải dựa vào chất hạt ánh sáng Khi ánh sáng xem hạt chuyển động vừa có lượng xung lượng Chúng ta nghiên cứu tượng xạ nhiệt, hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton, làm lạnh nguyên tử chùm laser dựa thuyết lượng tử Planck thuyết phôtôn ánh sáng Einstein Mục đích nghiên cứu đề tài nghiên cứu sở thực nghiệm sở lý thuyết thuyết phôtôn tìm hiểu số ứng dụng nên lựa chọn vấn đề “Thuyết phôtôn ánh sáng số ứng dụng” làm vấn đề nghiên cứu cho luận văn Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu luận văn là: Nghiên cứu sở thực nghiệm sở lý thuyết động lực học phôtôn khảo sát số ứng dụng Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng: + Các thí nghiệm dẫn đến đời thuyết phôtôn + Thuyết lượng tử Plank, thuyết phôtôn Einstein + Các định luật: Định luật Kirchhoff, định luật xạ vật đen tuyệt - đối, định luật quang điện Phạm vi: + Mô tả ánh sáng theo quan điểm lượng tử + Một số toán áp dụng thuyết phôtôn ánh sáng Nhiệm vụ cụ thể: - Trình bày có hệ thống thí nghiệm dẫn đến đời thuyết phôtôn - Trình bày thuyết lượng tử Plank, thuyết phôtôn Einstein - Nội dung thuyết phôtôn Einstein - Trình bày số ứng dụng thuyết phôtôn Einstein Phương pháp nghiên cứu: - Nghiên cứu tài liệu công bố tạp chí, giáo trình tập hợp, trình bày cách có hệ thống sở thực nghiệm lý thuyết - thuyết phôtôn Áp dụng vào số toán CHƯƠNG I CƠ SỞ THỰC NGHIỆM VÀ LÍ THUYẾT THUYẾT PHÔTÔN ÁNH SÁNG 1.1 Cơ sở thực nghiệm thuyết phôtôn ánh sáng 1.1.1 Sự xạ nhiệt a) Mọi vật có khả phát sóng điện từ (tia hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy được, tia tử ngoại) chịu số tác động vật lí hoá học (để kích thích nguyên tử, phân tử vật) Khi vật phát sóng điện từ, người ta nói vật xạ (hay phát xạ) Bức xạ dạng phát lượng nên xạ vật kèm theo tiêu hao lượng Muốn trì xạ, cần phải cung cấp cho vật phần lượng Có nhiều cách cung cấp lượng rọi sáng, đốt nóng, va chạm chùm electron v.v… Nếu lượng cung cấp cho xạ nhiệt xạ vật gọi xạ nhiệt Sự xạ nhiệt dạng xạ phổ biến nhất, trình vật xạ đơn nung nóng đến nhiệt độ cao Nó xảy nhiệt độ, trừ nhiệt độ không tuyệt đối, nhiệt độ không cao, vật phát xạ hồng ngoại chủ yếu b) Đặc điểm quan trọng xạ nhiệt, khác với xạ khác chỗ, xạ nhiệt xạ cân tức lượng mà vật xạ lượng mà xạ cung cấp cho vật Có thể dùng thí nghiệm sau để hiểu rõ khái niệm Hình 1.1 Mô vật đen tuyệt đối Giả sử vật xạ đặt bình kín, hút hết không khí, có thành cách nhiệt phản xạ lí tưởng (Hình 1.1) Bức xạ vật phát bị phản xạ thành bình lại đập vào vật bị hấp thụ phần hay hoàn toàn Do xảy trao đổi lượng cách liên tục vật xạ chứa bình Đến lúc đó, lượng cho vật phát dạng xạ lượng nhiệt mà vật thu vào trạng thái hệ gồm vật xạ cân Thí nghiệm chứng tỏ rằng, xạ trạng thái cân xạ nhiệt, dạng xạ khác không cân Sự xạ cân xác định nhiệt độ, không phụ thuộc vào hình dạng hay vật liệu vật phát xạ Nhiệt độ xạ cân điểm bình 1.1.2 Định luật Kiếc-sốp Trước hết, cần tìm hiểu khái niệm đại lượng đặc trưng cho trạng thái vật xạ.[2,3] 1.1.2.1 Độ trưng lượng Re suất phát xạ đơn sắc rλ vật Ta biết vật bị đốt nóng phát xạ điện từ có bước sóng khác nhau, từ xạ hồng ngoại đến xạ tử ngoại Năng lượng phát từ đơn vị diện tích mặt vật theo phương (góc khối 4) đơn vị thời gian, ứng với bước sóng gọi cường độ xạ toàn phần hay độ trưng lượng vật kí hiệu Re, hay R [2,3] Thí nghiệm chứng tỏ lượng xạ vật đốt nóng phát không phân bố theo bước sóng Lượng lượng đơn vị diện tích mặt vật phát đơn vị thời gian, nhiệt độ cho trước đơn vị khoảng bước sóng, gọi suất phát xạ đơn sắc kí hiệu rλ,T rλ ,T = đó, dR λ ,T dR λ ,T dλ (1.1) độ trưng lượng ứng với khoảng bước sóng từ λ đến λ + dλ Để nhấn mạnh phụ thuộc nhiệt độ đại lượng ta ghi thêm số T Như vậy, suất phát xạ đơn sắc rλ,T vật phụ thuộc vào nhiệt độ bước sóng Nó hàm phân bố lượng xạ theo bước sóng nhiệt độ Đơn vị đo rλ,T hệ SI J.m2/s hay W/m2 Độ trưng lượng liên hệ với suất phát xạ đơn sắc biểu thức sau: ∞ RT = ∫ dRλ ,T = ∫ rl,T d λ (1.2) 1.1.2.2 Năng suất hấp thụ đơn sắc Giả sử lượng xạ điện từ khoảng bước sóng dλ tới phần tử diện tích bề mặt vật dw λ bị hấp thụ phần dw’λ, phần lại bị phản xạ tán xạ, đại lượng đo tỉ số: aλ ,T dw ,λ = dw λ (1.3) gọi suất hấp thụ đơn sắc vật, aλ,T hàm số bước sóng nhiệt độ[2,3] Như vậy, theo (1.3) aλ,T lớn đơn vị Vậy suất hấp thụ vật bước sóng nhiệt độ cho trước là: ∞ aT = ∫ aλ ,T d λ (1.4) Nếu vật hấp thụ xạ có bước sóng tới nó, nhiệt độ aλ,T ≡ vật gọi vật đen tuyệt đối Bồ hóng, nhung đen, v.v…là vật gần giống vật đen tuyệt đối 1.1.2.3 Định luật Kirchhoff Giữa suất phát xạ suất hấp thụ có mối liên hệ định Ta khảo sát điều qua thí nghiệm sau [2,3] Giả sử bình kín giữ nhiệt độ không đổi, ta đặt ba vật A, B, C (hình vẽ 1.2) A B C Hình 1.2 Bình kín giữ nhiệt độ không đổi đặt ba vật A, B, C Bình hút hết không khí vật trao đổi lượng với với bình đường phát xạ hấp thụ sóng điện từ Thí nghiệm chứng tỏ rằng, sau thời gian hệ đạt đến trạng thái cân nhiệt: vật có nhiệt độ nhiệt độ bình Như rõ ràng vật hấp thụ mạnh xạ phát xạ mạnh xạ Kirchhoff xuất phát từ nguyên lí thứ hai nhiệt động lực học chứng minh định luật sau: Tỉ số suất phát xạ suất hấp thụ không phụ thuộc vào chất vật vật hàm số bước sóng nhiệt độ  rλ ,T   aλ ,T   rλ ,T = ÷ ÷  a  A  λ ,T   rλ ,T = ÷ ÷  a  B  λ ,T  = = f ( λ , T ) ÷ ÷ C (1.5) Bây ta giả sử vật vật đen tuyệt đối ký hiệu suất phát xạ rλ ,T = uλ ,T Đây gọi hàm phân bố mật độ lượng phổ phát xạ Năng suất hấp thụ vật đen tuyệt đối rλ ,T aλ ,T = aλ ,T = uλ ,T , ta có: = f ( λ,T ) (1.6) Theo (1.6) hàm f(λ,T) suất phát xạ đơn sắc vật đen tuyệt đối Tỉ số suất phát xạ đơn sắc suất hấp thụ vật suất phát xạ vật đen tuyệt đối bước sóng nhiệt độ Từ công thức (1.6) ta suy hệ sau :  rλ,T = aλ,T uλ,T , aλ,T < (đối với vật bất kỳ), nên rλ,T < uλ,T Do đó, xạ nhiệt vật miền quang phổ luôn bé xạ nhiệt vật đen tuyệt đối miền quang phổ nhiệt độ Thí dụ, có nhiều vật nhiệt độ, vật đen tuyệt đối vật phát xạ mạnh Vì vậy, nhiệt độ cao vật đen tuyệt đối vật phát sáng mạnh Thật vậy, quan sát miếng sứ trắng có vẽ hình than bạch kim 10 nung tới nhiệt độ chừng 1200 0C buồng tối, ta thấy hình (được coi vật đen tuyệt đối) phát sáng chói sứ tối đen  Muốn vật phát xạ (tức rλ,T ≠ 0), aλ,T uλ,T phải khác Nói cách khác, điều kiện cần đủ để vật phát xạ có bước sóng λ phải hấp thụ xạ đồng thời vật đen tuyệt đối nhiệt độ với phải phát xạ xạ Thí dụ nhiệt độ bình thường vật đen tuyệt đối không phát ánh sáng thấy (uλ,T = 0), vật bất kỳ, (chẳng hạn, thuỷ tinh màu) phát ánh sáng thấy (rλ,T = 0) nhiệt độ đó, hấp thụ ánh sáng thấy (aλ,T ≠ 0) Tuy nhiên, nhiệt độ cao vật đen tuyệt đối phát ánh sáng thấy (uλ,T ≠ 0) Chẳng hạn 5000C vật đen tuyệt đối bắt đầu phát ánh sáng đỏ, 10000C- ánh sáng vàng, 2000 0C- ánh sáng trắng Do đó, vật có suất hấp thụ lớn ánh sáng thấy phát ánh sáng thấy tương tự vật đen tuyệt đối nhiệt độ nói Nhưng vật có suất hấp thụ nhỏ (aλ,T ≈ 0) nhiệt độ phát sáng Chẳng hạn nhiệt độ cao miếng nhôm nhẵn bóng không phát sáng 1.1.2.4 Các định luật xạ vật đen tuyệt đối 1.1.2.4.1 Định luật Stefan- Boltzman Năm 1879, Josef Stefan phân tích kết thực nghiệm tìm liên hệ độ trưng lượng vật với nhiệt độ tuyệt đối [2,3] Tuy nhiên, phép đo xác sau chứng minh kết luận mà Stefan tìm không hoàn toàn Năm 1884, Boltzmann dùng phương pháp nhiệt động lực học chứng minh rằng: độ trưng lượng vật đen tuyệt đối tỷ lệ với lũy thừa bậc bốn nhiệt độ tuyệt đối ∞ ∞ 0 R(T) = ∫ u (λ , T ) dλ = ∫ f (λ , T ) dλ = σ T (1.7) 27 hν E = c c (2.13) Các công thức (2.12) (2.13) biểu diễn áp suất ánh sáng tương ứng p px = N mặt hấp thụ phản xạ hoàn toàn ánh sáng Trong trường hợp tổng quát, hệ số phản xạ mặt vật R, số N phôtôn tới 1s có (1-R)N phôtôn bị hấp thụ RN phôtôn phản xạ Chúng truyền cho đơn vị diện tích mặt vật xung lượng bằng: hν hν hν p = (1 − R ) N + RN =N (1 + R ) c c c (2.14) E p = (1 + R) c hay (2.15) Đối với vật hoàn toàn suốt, phôtôn không thay đổi xung lượng truyền qua vật, nên không gây áp suất lên mặt vật Kết trùng hợp với công thức Maxwell (2.10), phù hợp với thực nghiệm Điều xác nhận phôtôn có xung lượng thuyết lượng tử ánh sáng Việc phát áp suất ánh sáng thực nghiệm khẳng định ánh sáng lượng mà có xung lượng Đây chứng khẳng định tính vật chất ánh sáng: ánh sáng dạng vật chất Áp suất ánh sáng giải thích số tượng thiên văn đuôi chổi, khối lượng giới hạn thiên thể Đuôi chổi phía đối diện với Mặt Trời dài chổi gần Mặt Trời Ánh sáng laser có độ đơn sắc, độ kết hợp độ song song cao, hội tụ lại thành vệt sáng nhỏ chừng phần bước sóng, áp suất ánh sáng lớn Do đó, dùng áp suất ánh sáng laser để gia tốc cho nguyên tử phân tử riêng rẽ lên đến hàng triệu lần lớn gia tốc rơi tự do, v.v 2.5 Làm lạnh nguyên tử Làm lạnh nguyên tử hay làm đông hệ nguyên tử ứng dụng đại laser, laser có bước sóng thay đổi đóng vai trò quan trọng 2.5.1 Khái niệm làm lạnh nguyên tử Bất kỳ nguyên tử hay hệ nguyên tử luôn tồn trạng thái động, tức chúng có động Một môi trường khí lý tưởng gồm nguyên tử có nhiệt độ tỉ lệ với động trung bình nguyên tử khí, quan hệ qua định 28 nghĩa nhiệt độ [8,9,10] Ek = k.T (2.16) Khi nguyên tử nằm môi trường nhiệt độ cao động lớn tốc độ dao động cao Ngược lại, nằm môi trường nhiệt độ thấp động nhỏ tốc độ dao động nhỏ Điều hiểu muốn làm cho nhiệt độ nguyên tử hay hệ nguyên tử hạ thấp xuống ta làm cách làm giảm tốc độ dao động nhanh chóng gom chúng thành hệ đậm đặc Mục đích việc tạo hệ đậm đặc nguyên tử để quan sát cách tốt cấu trúc vật chất mức độ nguyên tử Từ tăng độ xác phép đo đại lượng vật lý tự nhiên Một phương pháp lành lanh hệ nguyên tử lành lạnh laser Đây thành tựu mang lại cho nhà vật lý Cohen - Tanoudji cửa Pháp, Steven Chu Phillip Mỹ nhận giải Nobel vật lý năm 1997 2.5.2 Phương pháp làm lạnh nguyên tử r Một nguyên tử có xung lượng p , giả sử ta có xung lượng khác theo chiều ngược lại tác động đó, tổng xung lượng sau va chạm là: r r r p T = p − p TT (2.17) r r Trong p T xung lượng nguyên tử sau va chạm, pTT xung tương r p tác ngược chiều Rõ ràng, T = nguyên tử đứng yên nhiệt độ thấp hay xung lượng tương tác gần với xung lượng nguyên tử nhiệt độ nguyên tử giảm Để làm lạnh nguyên tử, tức làm chậm vậc tốc chúng thể tích định với xung lượng tương tác lớn tương đương với xung lượng r nguyên tử Ta dùng chùm tia laser có n phôtôn xung lượng k chiếu vào nguyên r r r p = p − n.k T tử ngược chiều chuyển động Khi tổng xung lượng lượng nguyên tử chuyển từ mức cao đến mức thấp 29 Cơ chế làm lạnh nguyên tử nguyên tử hấp thụ phôtôn dẫn đến làm chậm vận tốc nguyên tử Như nguyên tử không hấp thụ phôtôn không tham gia vào trình làm lạnh nguyên tử Mỗi lần nguyên tử hấp thụ phôtôn lần vận tốc nguyên tử bị giảm giá trị Để vận tốc nguyên tử giảm từ vài trăm m/s xuống vài cm/s phải hấp thụ khôi lượng lớn phôtôn vào khoảng vài chục ngàn phôtôn Các nguyên tử hoạt tính sau hấp thụ phôtôn nhảy lên trạng thái kích thích tồn khoảng 5.10 -11s, sau phát xạ phôtôn cách tự phát để trở trạng thái sẵn sàng hấp thụ phôtôn Điều có nghĩa trình hấp thụ số lượng lớn phôtôn xảy thời gian vài phần trăm giây quãng đường vài cm Sau lần hấp thụ phôtôn vận tốc nguyên tử giảm dần hiệu ứng Doppler xảy ra, tức kết tần số cộng hưởng nguyên tử bị dịch chuyển giảm dần nguyên tử chuyển động chậm dần Do trình làm lạnh ta phải hiệu chỉnh bước sóng phát laser cho phù hợp vận tốc giảm nguyên tử Sau làm chậm nguyên tử trình giam “bẫy” chúng quan trọng 2.5.3 Bẫy quang từ Trong phần ta tìm hiểu trình vật lý bẫy quang từ, ứng dụng vào làm lạnh nguyên tử 2.5.3.1 Hiện tượng trao lượng phôtôn cho nguyên tử Một phôtôn bị hấp thụ lượng lượng dịch chuyển nguyên tử Theo định luật bảo toàn xung lượng r r p = n.k xung lượng phôtôn trao cho nguyên tử (hình 2.4) Phương hướng xung lượng trao cho nguyên tử trùng với phương hướng phôtôn bị hấp thụ [8,9,10] 30 Hình 2.4 Mô tả tác động áp lực ánh sáng lên nguyên tử (a): Trước tác động; (b): Sau tác động Sự thay đổi vận tốc nguyên tử sau hấp thụ phôtôn không lớn (∆v ≈ 1cm/s) so với vận tốc nguyên tử tự nhiệt độ phòng (vào khoảng vài m/s) Tuy nhiên sử dụng chùm tia laser chùm phôtôn có định hướng cao vạch phổ hẹp có 107 lần hấp thụ phôtôn giây Trong điều kiện nguyên tử chuyển động ngược chiều với chùm laser bị làm chậm lại, chí bị giữ nguyên giây lát Hiện tượng hấp thụ kéo dài theo tượng phát xạ tự nhiên thời gian sống đặc trưng mức kích thích tương ứng Mỗi phôtôn phát xạ tự nhiên đóng góp vào xung lượng nguyên tử Nhưng trình phát xạ đẳng hướng nên sau nhiều lần phát xạ tổng thay đổi xung lượng trung bình không Cơ chế thay đổi xung lượng nguyên tử trình bày hình 2.5 Hình 2.5 Xung lượng nguyên tử sau n lần hấp thụ phát xạ Khi nguyên tử chuyển động ngược chiều với chùm tia laser vận tốc giảm đi, ta nói xung lượng bị giảm Xung lượng nguyên tử 31 r r dp F= dt Giá trị lực tăng theo cường giảm có nghĩa bị tác động lực độ laser chiếu vào nguyên tử đạt giá trị cực đại mà bắt đầu xảy tượng phát xạ cưỡng Nếu xảy tượng phát xạ cưỡng phôtôn phát chiều với phôtôn chiếu tới, tổng thay đổi xung lượng phát xạ không không 2.5.3.2 Làm lạnh Doppler khí nguyên tử Để đơn giản làm lạnh mẫu nguyên tử chiều Chúng ta giới hạn chùm laser đơn sắc có tần số ωL tác động lên nguyên tử Nguyên tử r chuyển động theo phương vận tốc v Theo hiệu ứng Doppler tần số laser thay đổi Trong hệ tương đối nguyên tử, laser có tần số sau: rr ω = ωL − k.v r r k 2π k= r k λ ( 2.18) vectơ sóng phôtôn Nếu tần số laser chọn nhỏ tần số cộng hưởng tổng nguyên tử, tức rr k.v , tượng Doppler dẫn đến tần số laser nhỏ nhiều so với tần số cộng hưởng Hiện tượng làm cho trình hấp thụ giảm nhiều, kết lực tăng tốc nguyên tử giảm Khi chiếu vào nguyên tử hai chùm tia ngược chiều tần số chọn, nguyên tử có hai lực tác động, lực hãm lực tăng tốc nhỏ 32 nhiều Để mô tả xác cần ý tần số cộng hưởng ω0 nằm vạch mở rộng, độ rộng nhỏ độ mở rộng tự nhiên Như vậy, không quan tâm đến nguyên tử thoả mãn điều kiện rr ωL − k.v = ω0 (2.20) r mà toàn nguyên tử có vận tốc lân cận v 2.5.3.3 Lực tác động lên nguyên tử trường laser r Trong hệ tương đối so với nguyên tử, lực F tác động lên nguyên tử mô tả thông qua tốc độ tương tác nguyên tử phôtôn [8,9,10] r r F = hkΓsc Γsc = (2.21) γS / + S + [ 2(δ + ωD ) / γ ] (2.22) đó: γ nghịch đảo thời gian sống nguyên tử S = I/Is tham số bão hòa tỉ số tổng cường độ laser cường độ bão hòa δ = (ωL - ω0) độ hiệu chỉnh tần số laser so với tần số cộng hưởng ω0 urr ωD = − k.v độ lệch tần Doppler Khi ta xem xét trường hợp trên, tức nguyên tử chịu hai lực tác động hai chùm tia laser ngược Trong trường hợp gần cường độ yếu, tức bỏ qua trình đồng thời hai chùm tia (ví dụ hấp thụ nguyên tử chùm tia phát xạ tạo chùm tia thứ hai) FT = F+ + F- (2.23) r r hkγ F± = ± S  2(δ + [ ωD ] )  1+ S +   γ   (2.24) Chúng ta xem xét nguyên tử chuyển động tự do, tức thỏa mãn điều kiện 33 rr ωD = k.v [...]... thể tính toán áp suất ánh sáng theo thuyết lượng tử Theo quan điểm của thuyết lượng tử ánh sáng, thì áp suất ánh sáng lên bề mặt các vật có thể coi như kết quả của sự truyền xung lượng của các phôtôn cho các vật phản xạ hay hấp thụ ánh sáng Giả sử chùm ánh sáng đơn sắc có tần số ν rọi vuông góc vào một mặt phẳng và gọi lượng năng lượng của dòng ánh sáng chứa N phôtôn đập vuông góc vào diện tích 1cm2 trong... vậy, Thuyết photon ánh sáng còn được ứng dụng để tìm ra các hướng nghiên cứu mới có ý nghĩa quan trọng đối với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và công nghệ 19 CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA THUYẾT PHÔTÔN ÁNH SÁNG 2.1 Giải thích các định luật bức xạ của vật đen tuyệt đối 2.1.1 Công thức Planck Với giả thuyết lượng tử năng lượng của mình, Planck đã tìm ra được công thức biểu diễn hàm số uλ,T... c và trên mặt phản xạ lí tưởng, áp suất của chùm sáng chiếu vuông góc bằng: (2.12) 27 hν 2 E = c c (2.13) Các công thức (2.12) và (2.13) biểu diễn áp suất ánh sáng tương ứng trên p px = 2 N mặt hấp thụ và phản xạ hoàn toàn ánh sáng Trong trường hợp tổng quát, nếu hệ số phản xạ của mặt vật là R, thì trong số N phôtôn tới trong 1s sẽ có (1-R)N phôtôn bị hấp thụ và RN phôtôn phản xạ Chúng truyền cho một. .. phát hiện áp suất ánh sáng bằng thực nghiệm đã khẳng định ánh sáng không chỉ có năng lượng mà có cả xung lượng Đây là một bằng chứng khẳng định tính vật chất của ánh sáng: ánh sáng cũng là một dạng của vật chất Áp suất ánh sáng giải thích được một số hiện tượng thiên văn như đuôi sao chổi, khối lượng giới hạn của các thiên thể Đuôi sao chổi bao giờ cũng ở phía đối diện với Mặt Trời và càng dài khi sao... xuống còn vài cm/s thì nó phải hấp thụ một khôi lượng lớn phôtôn vào khoảng vài chục ngàn phôtôn Các nguyên tử hoạt tính sau khi hấp thụ phôtôn sẽ nhảy lên trạng thái kích thích và tồn tại ở đó khoảng 5.10 -11s, sau đó phát xạ phôtôn một cách tự phát để trở về trạng thái cơ bản và sẵn sàng hấp thụ phôtôn mới Điều này có nghĩa là quá trình hấp thụ một số lượng lớn phôtôn chỉ xảy ra trong thời gian vài phần... như bức xạ nhiệt, hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton là một sự bế tắc của vật lí học Do đó, việc tìm ra một lí thuyết mới về ánh sáng là rất cần thiết Từ các hiện tượng thực nghiệm, Planck đã tạo ra bước đột phá trong vật lí học khi đưa ra giả thuyết về lượng tử ánh sáng Trên cơ sở đó, Einstein đã hoàn thiện Thuyết photon ánh sáng, là lí thuyết mới cho phép giải thích thoả đáng và triệt để các hiện... trên thuyết lượng tử về năng lượng của Planck đã nêu lên thuyết lượng tử ánh sáng (phôtôn) với nội dung[1,4,5]: 17 a) Bức xạ điện từ cấu tạo bởi vô số các hạt gọi là lượng tử ánh sáng hay phôtôn b) Với mỗi bức xạ điện từ đơn sắc nhất định, các phôtôn đều giống nhau và mang một năng lượng xác định bằng: ε = hν = hc λ c) Trong mọi môi trường (kể cả chân không), các phôtôn chuyển động dọc theo tia sáng. .. động lượng của phôtôn tỷ lệ với tần số hoặc tỷ lệ nghịch với bước sóng của bức xạ điện từ tương ứng Dựa vào thuyết phôtôn của Einstein người ta đã giải thích được nhiều hiện tượng và hình thành các khái niệm quan trọng như: sự phát xạ của vật đen tuyệt đối, hiện tượng quang điện, định luật phát quang, hiệu ứng Compton, áp suất ánh sáng, quang lực 18 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 Việc Thuyết sóng ánh sáng đã không... 2.4 Áp suất ánh sáng 26 Xuất phát từ thuyết điện từ, Mawell đã tính áp suất p gây ra bởi sóng phẳng điện từ tác dụng lên vật[7]: E (1 + R) c (2.10) trong đó, E/c là mật độ khối của năng lượng ánh sáng, R là hệ số phản xạ của mặt p= được rọi sáng Rất nhiều nhà bác học đã cố công tìm cách phát hiện và đo áp suất ánh sáng, nhưng đều không đạt được kết quả Về sau mới biết là áp suất do ánh sáng Mặt Trời... Trời Ánh sáng laser có độ đơn sắc, độ kết hợp và độ song song rất cao, do đó có thể hội tụ nó lại thành một vệt sáng nhỏ chừng một phần bước sóng, tại đó áp suất ánh sáng sẽ rất lớn Do đó, có thể dùng áp suất của ánh sáng laser để gia tốc cho các nguyên tử và phân tử riêng rẽ lên đến hàng triệu lần lớn hơn gia tốc rơi tự do, v.v 2.5 Làm lạnh nguyên tử Làm lạnh nguyên tử hay làm đông hệ nguyên tử là ứng ... Planck thuyết phôtôn ánh sáng Einstein Mục đích nghiên cứu đề tài nghiên cứu sở thực nghiệm sở lý thuyết thuyết phôtôn tìm hiểu số ứng dụng nên lựa chọn vấn đề Thuyết phôtôn ánh sáng số ứng dụng ... lý thuyết thuyết phôtôn ánh sáng 16 18 1.2.1 Giả thuyết Planck lượng tử lượng 18 1.2.2 Thuyết phôtôn Einstein 18 Kết luận cương 20 CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA THUYẾT PHÔTÔN ÁNH SÁNG... thống sở thực nghiệm lý thuyết - thuyết phôtôn Áp dụng vào số toán 6 CHƯƠNG I CƠ SỞ THỰC NGHIỆM VÀ LÍ THUYẾT THUYẾT PHÔTÔN ÁNH SÁNG 1.1 Cơ sở thực nghiệm thuyết phôtôn ánh sáng 1.1.1 Sự xạ nhiệt