Vat ly luong tu (chuong 3)

V T LÝ HI N Ch I ng III Nguyên t CH NG III NGUYÊN T III.1 Nguyên t tính ch t c a nguyên t Cho đ n ngày hôm đ u bi t r ng th gi i xung quanh đ c c u t o b i nguyên t Nh nh ng kính hi n vi n t có đ phân gi i cao có th th y đ c s hi n di n hi n nhiên c a nguyên t Trên hình 3.1 th y đ c hình nh c a m t m u tinh th r t m ng ch a nguyên t đ ng, clo nit Hình 3.1 nh m t m u tinh th m ng ch a nguyên t đ ng, clo nit đ c ch p b ng kính hi n vi n t phân gi i cao Các nguyên t đ ng n m gi a 16 nguyên t clo, nguyên t nit n m v trí trung gian M t s tính ch t c a nguyên t : a *Các nguyên t đ c s p x p theo m t s đ h th ng Nh h c v b ng tu n hồn ngun t hố h c c a Mendeleev v i dãy tính ch t v t lý hoá h c l p l i m t rõ r t m t b ng ch ng đ y đ đ nói r ng n t nguyên t c a nguyên t đ c s p x p theo s đ h th ng Hình 3.2 cho m t ví d đ n gi n v m t tính ch t đ c l p l i nh v y ó đ th bi u di n n ng l ng ion hoá c a nguyên t nh m t hàm c a c a v trí nguyên t B ng tu n hoàn *B ng tu n hoàn ch a chu k đ y đ x p theo ph ng n m ngang, m i chu k b t đ u t m t kim lo i ki m th (liti, natri, kali…) k t thúc b ng m t khí tr (neon, argon, krypton…) S l ng nguyên t chu k t ng ng là: 2, 8, 8, 18, 18 32 Nh s th y, v t lý l ng t tiên đoán đ c s d n d t hi u đ c nh ng nét chung c a b ng tu n hoàn nh v y có ngh a hi u bi t đ c nhi u u v v t lý h u nh tồn b hố h c Vì trình s ng hành tinh q trình sinh hố, nên bi t đ c v t lý l ng t nh h ng đ n đ i s ng c a m c r t sâu 35 V T LÝ HI N Ch I ng III Nguyên t b *Các nguyên t phát x h p th ánh sáng Nh bi t t ch ng I theo lý thuy t c a Bohr: nguyên t ch t n t i m t s tr ng thái l ng t gián đo n, m i tr ng thái có m t n ng l ng đ c tr ng c a Khi chuy n d ch t tr ng thái sang tr ng thái khác nguyên t s phát x ho c h p th *T n s v c a ánh sáng đ c phát x (h p th ) đáp ng u ki n t n s c a Bohr: hv = Ej – Ek (3.1) Ej Ek n ng l ng tr ng thái đ u tr ng thái cu i c a d ch chuy n, h h ng s Planck Nh v y đ tìm t n s c a ánh sáng phát x ho c h p th ta ch c n tìm giá tr m c n ng l ng, mà gi a chúng x y d ch chuy n V t lý l ng t cho phép tính đ c m c n ng l ng Hình 3.2 th bi u di n n ng l ng ion hoá nh m t hàm c a nguyên t s cho th y rõ đ l p l i qua t ng chu k tính ch t qua chu k đ y đ x p hàng ngang c a b ng tu n hồn c *Các ngun t có moment xung l ng t tính Các n t nguyên t , n u xét quan m c n, chuy n đ ng gi ng nh m t dịng n nh khép kín, có c moment xung l ng qu đ o (th ng g i t t moment qu đ o) moment t qu đ o g n li n v i chuy n đ ng Ngồi n t cịn có moment xung l ng n i t i đ c g i moment spin, đ ng th i có moment t spin Do n t có n tích âm nên moment t qu đ o moment t spin có d u ng c v i moment xung l ng t ng ng, t c h ng theo chi u ng c *Moment qu đ o moment spin c a n t riêng l nguyên t t h p v i đ t o thành moment xung l ng tồn ph n (cịn g i moment tồn ph n) c a nguyên t nói chung M t s lo i ngun t có moment xung l ng tồn ph n b ng không moment xung l ng c a n t tri t tiêu l n Nh ng v n t n t i nh ng 36 V T LÝ HI N Ch I ng III Nguyên t nguyên t , mà s tri t tiêu khơng hồn tồn, nên có moment toàn ph n moment t toàn ph n khác khơng *T tính c a ngun t - tr ng h p đ c bi t tính s t t - m t tính ch t quen thu c v i s d ng nam châm v nh c u Tuy nhiên moment xung l ng c a nguyên t l i ch a đ c bi t đ n nhi u Einstein n y m t ý t ng đ c đáo, n u nh nam châm nguyên t đ c x p th ng hàng v i nhau, moment xung l ng g n li n v i c ng s đ c x p th ng hàng (nh ng theo chi u ng c l i Trên hình 3.3, m t s t bình th ng nam châm nguyên t đ c x p m t cách ng u nhiên, tính ch t t c a chúng b tri t tiêu Nh ng n u b t dòng n ng dây, t o m t t tr ng d c theo tr c d c c a s t, nam châm nguyên t s đ c đ nh h ng th ng hàng Nh v y moment xung l ng c a nguyên t riêng bi t liên k t ch t ch v i moment t c a chúng c ng s c n đ c x p th ng hàng Vì moment xung l ng c n đ c b o toàn, nên c s t c n ph i quay theo h ng ng c l i B ng thí nghi m này, Einstein ch ng minh đ c m t cách đ nh l ng m i liên h m t thi t gi a moment xung l ng c a nguyên t t tính c a nguyên t III.2 Ph Hình 3.3 Thí nghi m Einstein-de Haas (đ c lý t ng hố) (a) Khi ch a có dịng n, moment xung l ng toàn ph n c a nguyên t s p x p m t cách ng u nhiên, cịn moment t tồn ph n có d u ng c l i (b) Khi có dịng n, phát sinh m t t tr ng d c theo tr c làm cho moment t s p hàng d c làm cho moment xung l ng toàn ph n c ng x p l i th ng hàng nh hình v Vì kh i tr b cô l p kh i moment l c bên ngoài, nên moment xung l ng đ c b o toàn c kh i tr s ph i quay theo h ng ng c l i nh cho hình v ng trình Schrodinger ngun t hiđrơ Làm th tính đ c n ng l ng, moment xung l ng moment t ng v i tr ng thái l ng t c a nguyên t ? Ta b t đ u v i nguyên t hiđrô, b i s đ n gi n c a nguyên t ph n sau, s đ c bi t r ng đ mô t đ y đ tr ng thái l ng t c a nguyên t hiđrô ta c n bi t b n s l ng t Chính t p h p b n s l ng t c ng dùng đ xác đ nh tr ng thái l ng t c a n t riêng bi t nguyên t có nhi u n t Vì v y 37 V T LÝ HI N Ch I ng III Nguyên t s mang nhi u u mà bi t v nguyên t hiđrô sang cho nguyên t có nhi u n t h n i v i m t toán c h c sóng*** dùng đ nh lu t c a Newton i v i toán n t , dùng ph ng trình c a Maxwell i v i *bài tốn c h c sóng, dùng ph ng trình Schrodinger Ph ng trình nhà bác h c ng i Áo Ervin Schrodinger đ a đ u tiên n m 1926 u vào Hàm th n ng Ph ng trình sóng Schrodinger r r ∂ ψ (r , t ) ⎡ ∇ r ⎤ r = ⎢− h + U (r )⎥ψ (r , t ) ih ∂t m ⎣ ⎦ u -Hàm sóng -N ng l ng -Moment xung l ng - Moment t Hình 3.4 Máy tính đ c l p ch ng trình đ gi i ph ng trình Schrodinger u vào ta cho hàm th n ng, đ u ta nh n đ c: hàm sóng, n ng l ng, moment xung l ng moment t c a tr ng thái l ng t hố Thay vi t chi ti t phân tích ph ng trình Schrodinger - ph ng trình c b n c a C h c l ng t T t c nh ng h qu c a V t lý suy t ph ng trình đ u phù h p r t t t v i th c nghi m (Ta có th tham kh o chi ti t v ph ng trình vi phân sách c a Th y Hi u - Giáo trình lý thuy t l ng t - ph n Nh ng tiên đ c a c h c l ng t - trang 26) ch đ n gi n miêu t xem dùng nh th Ta t ng t ng, nh hình 3.4, ph ng trình Schrodinger đ c ch ng trình hố đ a vào máy tính, ta đ a vào l i vào INPUT hàm th n ng xác đ nh toán xét Khi ta n phím RUN máy tính s ti n hành gi i ph ng trình đ a k t qu hàm sóng xác đ nh tr ng thái l ng t hố c a ngun t hiđrơ Cùng v i hàm sóng cịn có c n ng l ng, moment xung l ng moment t t ng ng cu nguyên t n m tr ng thái i v i tốn c a nguyên t hiđrô, hàm th n ng Coulomb quen thu c là: U =− D 4πε e2 r i s xem xét chi ti t h n đ i l III.3 N ng l (3.2) ng v a đ c nêu ng tr ng thái c a nguyên t hiđrô Ph ng trình Schrodinger có m t vơ s h n nghi m, nh ng ph n l n đ u khơng có ý ngh a v t lý Trong gi i toán này, c n ph i c ý l p ch ng trình cho máy tính lo i b nh ng t t c nghi m *tr nghi m có hàm sóng ti n t i zerơ r→∞ ph ng trình 3.2 i u t ng đ ng v i s th a nh n r ng m t kho ng cách đó, xa prơtơn, có c may tìm th y n t *S t n t i tr ng thái l ng t hoá v i n ng l ng hoàn toàn xác đ nh h qu tr c ti p c a c a vi c đ yêu c u nói Nh h c ph n trên, bi t r ng sóng có t n s b t k có th lan truy n theo s i dây c ng có chi u dài vơ h n, nh ng v i s i dây có chi u dài h u h n ch có t p h p gián đo n t n s c a sóng đ ng m i có th đ c xác l p ó ngun lý: đ nh x hố → l ng t hố i u có ngh a đ nh x hố sóng s làm l ng t hoá t n s 38 V T LÝ HI N Ch I ng III Nguyên t Chúng ta c ng bi t rõ vi c ng d ng nguyên lý v i nguyên t hiđrơ hàm sóng d n đ n l ng t hoá n ng l ng *N ng l ng c a tr ng thái c a nguyên t hiđrô đ c cho b i: ⎛ me ⎞ E n = −⎜⎜ 2 ⎟⎟ ⎝ 8ε h ⎠ n 13,6eV =− n2 n = 1, 2, nh x hố (3.3) *Trong n s nguyên đ c g i s l ng t chính; s đ u tiên s l ng t mà c n đ xác đ nh đ y đ tr ng thái l ng t cho phép c a nguyên t hiđrơ II.4 Moment qu đ o t tính M i tr ng thái c a nguyên t hiđrô có m t moment qu đ o L t v đ l n h ng c a nó: ng ng Ta xem xét l nc aL Khi gi i ph ng trình Schrodinger, ta bi t r ng đ l n c a moment qu đ o c a tr ng thái c a nguyên t hiđrô b l ng t hoá *Nh ng giá tr cho phép c a là: L = l(l + 1)h (3.4) h * l đ c g i s l ng t qu đ o ây s l ng t th hai 2π b n s l ng t mà tìm ki m Các giá tr cho phép c a l ph thu c vào s l ng t n là: h = l = 0, 1, 2, 3…(n - 1) (3.5) ví d v i n = 1; l ch có giá tr l = 0; cịn v i n = 2, ch có l =1 l = H ng c a L *Các tr ng thái có giá tr n l nh ng có hàm sóng khác t ng ng v i h ng khác c a vect moment qu đ o L i v i m t nguyên t hiđrơ l p, khơng gian khơng có m t h ng đ c bi t đ ta có th xác đ nh h ng c a L so v i có m t h ng đ c bi t nh v y, s r t ti n l i n u ta hình dung nguyên t đ c nhúng vào m t t tr ng y u nh đ u, có ph ng mà ta s l y làm tr c z *Theo quy t c c a c h c sóng, moment qu đ o L không th l p đ c m t góc b t k đ i v i tr c z, mà ch nh ng góc cho thành ph n d c theo tr c đ c cho b i: L z = ml h * ml s l (3.6) ng t t , ch có th nh n đ ml = 0, ±1, ±2, ± l c giá tr : (3.7) S l ng t t s th ba b n s l ng t mà tìm ki m Hình 3.5 cho th y giá tr kh d c a Lz, đ i v i l =1, 10 Chú ý r ng đ i v i giá tr c a l cho 39 V T LÝ HI N Ch I ng III Nguyên t có l + giá tr khác c a ml i v i l = 10 b t đ u tr v gi i h n c n, nguyên lý t ng ng đòi h i m i đ nh h ng c a vect moment xung l ng đ u cho phép S h n ch b áp đ t b i lý thuy t l ng t đ i v i h ng c a vect moment xung l ng đ c g i *s l ng t hố khơng gian, mà s có m t thí nghi m ch ng minh sau Hình 3.5 Các giá tr c a Lz đ i v i l = 1, , 10 Các s cho tr c z giá tr c a s l ng t ml Các hình đ c v v i t l khác M t mơ hình vect h u ích Trên hình 3.6 cho th y m t mơ hình vect c n giúp cho hình dung s l ng t hố khơng gian c a L Nó cho ta th y vect moment xung l ng chuy n đ ng tu sai chung quang h ng z Trong trình chuy n đ ng tu sai hình chi u Lz c a L tr c z v n cịn khơng đ i *Nguyên lý b t đ nh Heisenberg - d i d ng góc đ c vi t cho thành ph n z nh sau: ΔL z ΔΦ ≈ h (3.8) Φ góc quay xung quanh tr c z hình 3.6 M t xác đ nh đ c s l ng t t , có ngh a Lz đ c bi t xác; t c ΔL z = Ph ng trình 3.8 u c u r ng ΔΦ c n ph i l n vô h n, t c hồn tồn khơng có thơng tin 40 Hình 3.6 Mơ hình vect bi u di n s l ng t hố khơng gian c a vect moment xung l ng vect moment t Chú ý r ng đ l n c a L μ hình chi u tr c z: Lz μz khôngđ i vect chuy n đ ng tu sai xung quang tr c z V T LÝ HI N Ch I ng III Ngun t v v trí góc c a vect moment xung l ng chuy n đ ng tu sai chung quang tr c z Chúng ta ch bi t đ c đ l n c a L hình chi u Lz c a tr c z Moment t qu đ o Nh t hình 3.6 ta th y moment t qu đ o c a m t n t g n li n v i moment qu đ o c a Do v y n u vect moment qu đ o b h n ch ch có m t t p h p gián đo n thành ph n d c theo tr c z moment t qu đ o c ng s b h n ch t ng t Các hình chi u cho phép c a *vect moment t qu đ o (so v i ph ng trình 3.6) là: μ l , z = −ml μ B (3.9) μ B magnetơn Bohr b ng: eh μB = 4πm = 9,274 10-24 J /T =5,788 10-5 eV /T m t đ n v xung l ng thu n ti n c cách nguyên t D u tr moment t có h ng ng (3.10) đo t tính thu n ti n c a nguyên t , c ng nh h đ n v đo moment a nguyên t rB – bán kính Bohr đ n v đo thu n ti n c a kho ng ph ng trình 3.9 ch ng t r ng vect moment xung l ng c B III.5 Moment spin t tính Dù có b nh t nguyên t hay không, n t đ u có moment xung l ng n i t i c a riêng *Ng i ta g i moment spin c ng b l ng t hố khơng gian v i thành ph n kh d theo ph ng z đ c cho b i: S z = m z h (3.11) *s l ng t spin mz ch có th có hai giá tr +1/2 –1/2 Chúng ta dùng ký hi u “S” đ ký hi u moment xung l ng g n li n v i s quay t thân (spin) đ phân bi t v i “L” ký hi u moment xung l ng g n li n v i chuy n đ ng qu đ o S l ng t spin, s l ng t th t b n s đ c dùng đ mô t tr ng thái c a nguyên t hiđrô B ng 3.1 t ng k t v b n s l ng t B ng 3.1 Các s Tên l ng t c a nguyên t hiđrô Ký hi u Các giá tr cho phép Liên quan v i S giá tr kh d ∞ S l ng t n 1, 2, … N ng l S l ng t qu đ o l 0, 1, …(n-1) Moment qu đ o n S l ng t t ml 0, ±1, ±2, ± l Moment qu đ o (2 l +1) S l ng t spin ms ± 1/2 Moment spin 41 ng V T LÝ HI N Ch I ng III Nguyên t H u h t s li u th c nghi m đ u đòi h i r ng *moment t spin t ch có giá tr đ c cho b i: μ s , z = −2ms μ B ng ng c a n t (3.12) μ B magnetơn Bohr Th a s ph ng trình 3.12 nói v i r ng: Moment t spin hai l n hi u qu h n moment qu đ o vi c làm phát sinh t tính K t qu th c nghi m hoàn toàn phù h p v i lý thuy t l ng t t ng đ i tính III.6 Hàm sóng c a ngun t hiđrơ hồn t t s xem xét c a đ i v i nguyên t hiđrô, ta xem xét hàm sóng c a đ i v i m t s tr ng thái *Ta b t đ u t tr ng thái c b n, có s l ng t là: n = 1; l = ml = Hàm sóng c a tr ng thái này, nh th y t ch ng II ch ph thu c vào r Tr ng thái có tính đ i x ng c u có moment xung l ng b ng khơng u h p lí, b i t t c h ng qua tâm c a nguyên t n m tr ng thái đ u hoàn toàn t ng đ ng *M t đ xác su t theo bán kính đ i v i tr ng thái c b n là: P(r ) = − r / rB r e rB3 (3.13) Hình 3.7 (a) M t đ xác su t theo bán kính đ i v i tr ng thái c b n c a nguyên t hiđrô v i n = 1; l = ml = (b) M t đ xác su t theo bán kính v i tr ng thái c a nguyên t hiđrơ có n = 2; l = ml = Hình 3.7 a cho đ th c a hàm s C n nh r ng m t đ xác su t theo bán kính đ c đ nh ngh a cho P(r) dr xác su t tìm th y n t gi a hai m t c u có bán kính r, r + dr Hình 3.7 a cho th y đ th có m t c c đ i t i r = rB Ti p theo ta xét tr ng thái có *n = 2; l = ml = Gi ng nh t t c tr ng thái có l = 0, tr ng thái c ng có tính đ i x ng c u, m t đ xác su t theo bán kính c a đ c cho b i: B ⎛ r2 ⎞ ⎛ r ⎞ P(r ) = ⎜⎜ ⎟⎟ * ⎜⎜ − ⎟⎟ e −r / rB (3.14) rB ⎠ ⎝ 8rB ⎠ ⎝ Hình 3.7b cho đ th c a hàm s cho Kh o sát hàm s cho th y P( r) = r = 2rB B i v i n = 2, *các tr ng thái l = c ng cho phép Có tr ng thái nh th đ b i s l ng t sau: 42 c xác đ nh V T LÝ HI N Ch I ng III Nguyên t n l ml +1 2 -1 Có ba giá tr c a ml bi u di n ba đ nh h ng cho phép c a vect moment qu đ o t ng ng v i l = 1; xem hình 3.5a M t đ xác su t c a ba tr ng thái khơng cịn đ i x ng c u n a t c nh ta th y hình 3.8 m t đ xác su t m t m b t k ph thu c khơng ch vào r t i m mà cịn ph thu c vào góc θ gi a bán kính tr c z M t đ ch m m b t k hình 3.8 t l v i m t đ xác su t m đó; c đ th đ u đ i x ng quay theo tr c z Hình 3.8 “Các đ th ch m ch m” đ c v cho ba tr ng thái c a nguyên t hiđrô có n = 2, l =1.Các giá tr c a ml t ng ng v i ba đ nh h ng cho phép không gian c a vect moment qu đ o ng v i l = Các đ th đ u đ i x ng đ i v i phép quay xung quanh tr c z M t đ ch m m t m b t k t l v i m t đ xác su t t i m (m c dù m t đ xác su t ba hình ph thu c vào vào r θ nh ng t ng c a ba hình l i đ i x ng c u, t c ch hàm s c a r.) III Thí nghi m Stern – Gerlach N m 1922, s l ng t hố khơng gian đ c ki m ch ng b i thí nghi m Otto Stern Walter Gerlach Hình 3.9 s đ thí nghi m c a h B c đ c bay h i t m t lò n Các nguyên t b c sau qua m t khe chu n tr c t o thành m t chùm h p Tuy trung hoà v n nh ng nguyên t b c có moment t R i sau chùm tia qua kho ng khơng gian gi a hai Hình 3.9 D ng c c a Stern Gerlach đ ch ng minh s t hố khơng 43 gian l ng V T LÝ HI N Ch I ng III Nguyên t c c c a m t nam châm n, đ p vào t m thu tinh phát hi n L ng c c (dipole) m t tr ng không đ u Các m t c c c a nam châm hình 3.9 đ c t o cho t tr ng khơng đ u nh t có th đ c Chúng ta t m th i m ngo c tìm hi u xem l c tác d ng lên m t l ng c c m t t tr ng khơng đ u nh v y Hình 3.10a cho th y m t l ng c c có moment t μ l p m t góc θ v i t tr ng đ u L ng c c có moment t μ h ng t nam (S) đ n b c (N) i v i tr ng đ u, th y khơng có m t l c t ng h p có th tác đ ng lên l ng c c Các l c h ng lên h ng xu ng c c có đ l n chúng s tri t tiêu b t k s đ nh h ng c a l ng c c nh th Hình 3.10b, c cho th y tình hình s khác m t t tr ng không đ u l c h ng lên h ng xu ng khơng có đ l n b i hai c c đ c nhúng vào tr ng hai ch có c ng đ khác Trong tr ng h p này, có m t l c t ng h p v i đ l n h ng ph thu c vào s đ nh h ng c a l ng c c, t c vào góc θ Trong hình 3.10b l c t ng h p h ng lên hình 3.10c h ng xu ng d i Nh v y nguyên t b c s b l ch h ng qua nam châm, h ng đ l n c a s l ch ph thu c vào s đ nh h ng c a moment t c a nguyên t Bây gi tính l c gây s l ch nói Th n ng c a m t l ng c c đ t t tr ng B b ng: U = - μ B = - μ B cos θ 44 (3.15) V T LÝ HI N Ch I ng III Nguyên t Hình 3.10 M t l ng c c t đ c bi u di n b i m t nam châm nh v i hai c c trong: (a) t tr ng đ u; (b); (c) t tr ng không đ u T ng h p l c tác đ ng lên nam châm b ng không (a), h ng lên (b) h ng xu ng (c) Trong θ góc gi a h hay t ph ng c a μ B L c t ng h p Fz tác d ng lên nguyên t ( dU ) dz ng trình 3.15: Fz = − dU ⎛ dB ⎞ = μ⎜ ⎟ cos θ dz ⎝ dz ⎠ (3.16) dB d ng Vì v y d u c a l c làm l ch dz Fz đ c xác đ nh b i góc θ N u θ < 90° (hình 3.10b) nguyên t s b l ch lên trên, n u θ > 90° (hình 3.10c) chúng s b l ch xu ng d i Trong hình 3.10b c, B t ng z t ng, cho K t qu th c nghi m Khi ng t nam châm n hình 3.9 s khơng có s l ch c a nguyên t chùm nguyên t s t o thành m t v ch h p t m phát hi n Tuy nhiên b t nam châm n, l c làm l ch m nh s b t đ u có tác d ng *L c ch có hai kh n ng, tu thu c vào s có l ng t hố khơng gian hay khơng n u khơng có s l ng t hố khơng gian, l ng c c t nguyên t s có m t phân b góc liên t c đ i v i h ng c a t tr ng chùm tia đ n gi n s b dãn r ng Ng c l i, n u có s l ng t hố khơng gian, ch có m t t p h p gián đo n giá tr c a θ i u có ngh a s ch có m t t p h p gián đo n giá tr đ i v i l c Fz làm l ch ph ng trình 3.16 chùm tia s tách thành m t s thành ph n gián đo n Trên hình 3.11 cho th y chùm tia không dãn r ng mà tách thành hai chùm tia S l ng t hố khơng gian có t n t i Hình 3.11 K t qu c a thí nghi m c a Sten Gerlach cho th y b c đ c bám t m thu tinh phát hi n v i t tr ng (a) t t (b) đóng Chùm tia đ c tách thành hai chùm d i tác d ng c a t tr ng Thanh th ng đ ng bên ph i (b) bi u di n chi u dài b ng mm III.8 Nguyên t nhi u n t b ng tu n hoàn Bây gi s chuy n sang nguyên t có nhi u n t h n phát bi u không ch ng minh k t qu sau: *B n s l ng t li t kê b ng 3.1 xác đ nh tr ng thái c a nguyên t hiđrô c ng đ c dùng đ xác đ nh tr ng thái c a n t riêng bi t nguyên t có nhi u n t h n 45 V T LÝ HI N Ch I ng III Nguyên t Lý thuy t nguyên t hi n đ i phát bi u r ng chuy n đ ng c a n t xung quanh h t nhân n ng l ng c a chúng đ c tr ng b i không ch m t s l ng t mà b i s l ng t : s l ng t n, s l ng t qu đ o l , s l ng t t ml s l ng t spin ms *Chính b i tr ng thái đ c mơ t b ng s l ng t khơng có ngh a chúng có n ng l ng, hàm sóng, th c t nh v y Trong nguyên t có nhi u n t , th n ng liên quan đ n m t n t cho đ c xác đ nh không ch b i h t nhân nguyên t mà b i n t khác nguyên t Khi u đ c tính đ n m t cách tho đáng vi c gi i ph ng trình Schrodinger, ng i ta th y n ng l ng c a m t tr ng thái khơng cịn ch ph thu c vào s l ng t n n a, mà cịn ph thu c vào s l ng t qu đ o l *Khi ta n đ nh n t cho tr ng thái nguyên t có nhi u n t , c n ph i tuân theo nguyên lí lo i tr Pauli đ c phát bi u nh sau: Ch có th n đ nh m t n t nh t cho m t tr ng thái l ng t cho N u nguyên lý quan tr ng khơng đ c tho mãn, t t c n t nguyên t s chuy n v tr ng thái có n ng l ng th p nh t th gi i c a hồn tồn khác Các orbital Nhóm tr ng thái c a n t nguyên t nhi u n t thành orbital, m i *orbital đ c đ c tr ng b i giá tr cho n l *S l ng t n: s l ng t n t ng ng v i s n ph ng trình Bohr Nó th hi n m c n ng l ng cho n t có th đ c xem nh l p khơng gian, xác su t tìm th y n t v i giá tr n cá bi t cao Giá tr n nh ng s nguyên d ng S n l n, l p xa h t nhân, s l ng t l n, n t xa h t nhân (trong thang th i gian trung bình c ng nh nói chung s n cao n ng l ng cao) *S l ng t qu đ o l : S l ng t đ c tr ng cho m c n ng l ng ph n m m c n ng l ng c ng đ c tr ng cho l p ph mà xác su t tìm th y n t cao n u nh m c n ng l ng b chi m Các giá tr cho phép c a l 0, 1… (n-1) Các ký hi u ch đ c s d ng đ bi u di n m c n ng l ng ph nh sau: Ký hi u s l = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, Ký hi u ch l = s, p, d, f, g, h, i, k, l, m, *S l ng t t ml s l ng t th ml đ c tr ng cho đ nh h ng không gian c a orbital nguyên t đ n có tác đ ng nh lên n ng l ng c a n t S l ng đ nh h ng cho phép c a qu đ o ph thu c vào s l c a qu đ o cá bi t Khi l = ml ch có m t giá tr đ c phép Khi l = ml có giá tr -1, 0, +1 V i tên s, p, d, f, c a orbital nêu có m t s-orbital, p-orbital *S l ng t spin ch có tác đ ng r t nh lên n ng l ng c a n t Ph i ch r ng có hai n t có th chi m m t orbital n u nh v y, chúng ph i có spin ng c *S l ng c c đ i n t t ng l p t ng ng v i m t giá tr c a n b ng 2n2 *Các m c n ng l ng ph s, p, d, f, c a n t orbitals ta có th nói ví d nh m c n ng l ng ph s, p T orbital c ng dùng đ ch l p ph c a nguyên t , m t đ xác su t n t cá bi t ho c đôi n t cao Nh v y, ng i ta có th nói l p s, ho c p c a phân t cá bi t Ph ng trình 3.7 cho th y r ng đ i v i m t giá tr cho c a l , t n t i l + tr ng thái kh d , m i tr ng thái có giá tr khác c a s l ng t t ml M i tr ng 46 V T LÝ HI N Ch I ng III Nguyên t thái l i có hai giá tr s l ng t spin m s , *nên t ng s tr ng thái m t orbital v i giá tr c a l cho 2(2 l + 1) i v i l = 0, s 2, cịn v i l = 1, Chú ý s tr ng thái orbital ch ph thu c vào l , nh ng n ng l ng ph thu c vào c n l n l Lúc ta vi t ký hi u orbital nh sau: ví d orbital v i n =1, l = ta có th vi t 1s; n =2, l = ta có th vi t 2s; v i n =2, l = s 2p B ng tu n hoàn *Khi thêm d n n t t i h t nhân tr n đ t o thành nguyên t , orbital ln ln đ c chốn đ y theo tr t t n ng l ng t ng d n Tuy nhiên đ i v i nguyên t n ng h n, tr t t chốn đ y khơng ph i ln ln theo trình t logic c a s 5s 5p 5d 5f l ng t Ti n trình s p x p orbital tu n t t ng d n theo 4s 4p 4d 4f chi u h ng m i tên ch b ng bên Ví d nguyên t 3s 3p 3d krypton, orbital 4,0 (4s) l i n m th p h n v m t n ng l ng so 2s 2p v i orbital 3,2 (3d) n t c a orbital 4,0 n m 1s sâu nguyên t h n 10 n t c a orbital 3,2 Khi thi t l p tr t t chốn đ y m t cách thích h p, có th gi i thích tồn b B ng tu n hoàn c a nguyên t m t th ng l i c a c h c sóng Các ví d c th Nêon *Nguyên t có 10 n t Hai s chi m orbital v i n = l = (orbital 1,0) chốn đ y orbital Hai tám n t cịn l i chốn đ y orbital v i n = l = (orbital 2,0) Sáu n t cịn l i chốn đ y orbital 2, Nh v y nguyên t nêon tr ng thái n ng l ng th p nh t có n t chi m đ y ba orbital i v i nêon ta có th vi t d i d ng ký hi u ch nh sau: 1s22s22p6 Ch s vi t cao sau ký hi u ch s l ng n t n m orbital Trong m t orbital đ c chốn đ y, t t c hình chi u kh d c a vect moment qu đ o c ng nh vect moment spin đ u hi n di n m t nguyên t s tri t tiêu l n hồn tồn tính cho toàn b nguyên t M t orbital đ c choán đ y nh v y s m t đ n v liên k t ch t, đ c mơ t b ng hàm sóng đ i x ng c u Nó có moment tồn ph n c moment t tồn ph n đ u b ng không i u phù h p v i tính tr v m t hố h c c a nguyên t nêon Natri *Ngay sau nêon natri, có 11 n t M i s t o thành m t lõi gi ng nh nêon, ch đ l i m t n t n m orbital 3,0 Trong phép g n đ u tiên, có th xem r ng h t nhân c a natri (có n tích +11e) m t ph n b ch n b i lõi đ ng d ng nêon (có n tích –10e) n cho ch cịn m t n tích trung tâm u n chuy n đ ng c a n t Moment toàn ph n moment t toàn ph n c a nguyên t natri nh n t nh t đ c liên k t t ng đ i l ng l o Vì tr ng thái có l = 0, nên moment tồn ph n moment t toàn ph n c n ph i b ng moment xung l ng moment t g n li n v i spin n i t i c a n t Ký hi u ch đ c vi t nh sau: 1s22s22p63s1 S t n t i m t n t nh t orbital ngồi phù h p v i tính hố h c m nh c a natri i n t hố tr c a liên k t y u, ch c n m t n ng l ng eV có th b t kh i 47 V T LÝ HI N Ch I ng III Nguyên t nguyên t natri Trong v i nêon c n ph i có 22 eV m i có th b t đ kh i nguyên t c m t n t Bài toán m u s 5: Tính s nguyên t chu k đ u c a B ng tu n hồn b ng cách tính s n t choán đ y orbital Gi i: Nh ph l c cho th y s nguyên t hàng n m ngang c a B ng tu n hoàn 2, 8, 8, 18, 18, 32 Chúng ta th y r ng s n t t i đa m t orbital ch ph thu c vào s l ng t qu đ o l đ c cho b i 2(2 l + 1) V y: S l S ng t qu đ o l n t t i đa 2(2 l + 1) 10 14 Ta có th tính cho m i chu k n m ngang qua orbital choán đ y nh sau: ???? Các chu k Các nguyên t chu k Các orbital choán đ y 2 2, 2+6 4, 18 + + 10 32 + + 10 + 14 III.9 Tia X s đánh s nguyên t Bây gi chuy n h ng ý t n t n m vành đ n *các n t n m sâu nguyên t Lúc chuy n t vùng có liên k t t ng đ i th p (ví d , c eV đ i v i n t hoá tr c a nguyên t natri) t i vùng n ng l ng cao h n (ví d , c 70 keV đ i v i n ng l ng liên k t c a n t n m sâu nh t nguyên t tungsten, t c c 10 000 l n l n h n) Lúc b c sóng liên quan s d ch m t cách ghê g m t ánh sáng vùng nhìn th y c a đèn natri 589 nm v phía b c sóng ng n 20 pm - m t nh ng v ch b c x tia X đ c tr ng c a tungsten *Tia X đ c ng d ng r t nhi u y t , công nghi p cho bi t v c u trúc nguyên t nguyên t h p th ho c b c x Chúng ta s xem xét v 48 Hình 3.12 Phân b theo b c sóng c a tia X t o thành chùm n t có n ng l ng 35 keV đ p vào bia molibden Chú ý c c đ i nh n n i lên m t phông liên t c V T LÝ HI N Ch I ng III Ngun t cơng trình c a nhà v t lý ng i Anh H G Moseley B ng ph ng pháp tia X, Moseley phát tri n khái ni m s nguyên t (còn g i nguyên t s ) tìm ý ngh a v t lý c a vi c s p x p nguyên t B ng tu n hoàn *Tia X đ c t o n t n ng l ng l n đ p vào m t bia ch t r n vào n m n Hình 12 cho th y ph b c sóng c a tia X đ c t o nên m t chùm tia n t có n ng l ng 35 keV đ p vào m t bia làm b ng molibden Chúng ta th y r ng g m m t ph b c x r ng phân b liên t c theo b c sóng tia X có b c sóng r t xác đ nh đ ng th i t n t i Hai ki u ph xu t hi n theo cách r t khác mà s xét riêng d i *Ph liên t c c a tia X i n t t i có th tán x không đàn h i b i tr ng Coulomb c a h t nhân nguyên t (m t ph n b che ch n b i n t n m g n h t nhân), v y cho m t ph n ho c t t c n ng l ng c a N ng l ng đ c b c x d i d ng tia X đ c g i *b c x hãm Do n t ban đ u có th cho b t k ph n n ng l ng c a mình, nên phân b n ng l ng c a b c x tia X liên t c Ta xét m t n t đ c gia t c b i n th V có đ ng n ng K = e.V n m vùng g n qua h t nhân c a m t nguyên t molipden n m bia, nh ta th y hình 3.13 i n t có th m t m t ph n đ ng n ng ΔK đ chuy n thành n ng l ng c a phô tôn tia X đ c phát t n i va ch m i n t ti n t i h t nhân g n bao Hình 3.13 Khi m t n t g n qua h t nhân c a nguyên t bia., nhiêu đ “va ch m” n ng l ng m t l n có th s m t m t ph n đ ng n ng *Trong tr ng h p gi i h n, n t t i ch m t c a phát m t phơ tơn tia va ch m m t h t toàn toàn b n ng l ng K đ c gia X t c c a i u ng v i s t n t i m t b c sóng gi i h n r t xác đ nh λ , mà d i giá tr ph liên t c khơng t n t i B c sóng c c ti u đ c xác đ nh t bi u th c: hc eV = hv = λ hay: λ = hc eV b c sóng gi i h n (3.17) *B c sóng gi i h n hoàn toàn đ c l p v i v t li u làm bia Gi d ta dùng bia đ ng thay cho bia molibden ph liên t c thay đ i, nh ng b c sóng gi i h n λ khơng thay đ i Ph tia X đ c tr ng Khi m t n t n m l p t ng tác v i chùm n t t i có n ng l ng cao, k t qu n t chuy n d i lên m c n ng l ng cao h n g i m c kích thích đ l i m t l tr ng *Qua trình h i ph c ho c kh kích thích, t n t i kh n ng chuy n d i t m c vào l tr ng t i m c Các chuy n d i đ ng th i v i b c x m t n ng l ng đ c tr ng b ng hi u n ng l ng c a tr ng thái đ u tr ng thái cu i N ng l ng đ c 49 V T LÝ HI N Ch I ng III Nguyên t b c x d i d ng m t b c x n t - tia X v i n ng l ng cao tr ng h p chuy n d i gi a m c phía Các n ng l ng b c x đ c tr ng cho nguyên t t o thành bia, mà chùm n t n ng l ng cao đ p vào B i v y chúng mang tên b c x đ c tr ng hay ph tia X đ c tr ng Thí d nh ta th y hai v ch c c đ i hình 3.12 chùm n t n ng l ng cao b n phá bia molibden Tia X có th qua m t kho ng cách l n h n chùm n t v y có th xuyên qua m u, chùm n t l i tr i r ng *Tên g i c a v ch b c x tia X đ c đ t tên t ng ng v i tr ng thái có l tr ng tr ng thái, mà t n t chuy n d i l p l tr ng (hình 3.14) B i nguyên nhân l ch s l p v có n = 1, đ c g i l p K ; n = L; n = M ; n = N N u nh l tr ng ban đ u n m m c K, n t nh y t m c L xu ng l p l tr ng, tia X ký hi u K α đ c b c x N u nh n t t m c M nh y xu ng tia X ký hi u K β Còn n t t m c N xu ng l tr ng m c K tia X ký hi u K γ T t nhiên nh ng chuy n d i nh v y đ l i m t l tr ng l p v L ho c M, nh ng chúng l i đ c l p đ y b ng m t n t nh y t m c xa h n n a nguyên t , q trình đó, ngun t l i phát m t tia X đ c tr ng n a (Do s ph c t p c a c u trúc m c n t , tên g i tr nên ph c t p h n l tr ng n m tr ng thái có n ng l ng cao h n) Vi phân tích cho th y nói chung ch c n dãy K, L, M c a tia X đ t o nên *ph tia X đ c tr ng c a nguyên t xét Do v y tài li u tra c u ph n l n ch đ a v ch KLM Hình 3.14 M t vài d ng v ch quan sát đ c ph tia X đ c tr ng M i l p th c t bao g m vài m c n ng l ng; nh v y tr ng thái cao h n s ph c t p h n th hi n hình Moseley ph tia X Trong nghiên c u c a v ph tia X đ c tr ng, Moseley t o tia X đ c tr ng b ng cách dùng t t c ngun t mà ơng tìm đ c (c th 38 nguyên t ) làm bia đ cho n t b n phá m t ng tia X đ c bi t ông t thi t k Nh m t xe l n đ c u n b ng dây, ơng có th đ t bia khác đ ng c a chùm n t t i Ông đo đ c b c sóng c a tia X b ng ph ng pháp nhi u x tinh th T k t qu th c nghi m ông phát hi n th y tính h Hình 3.15 50 th Moseley c a v ch K α thu c ph tia X đ c tr ng c a 21 nguyên t T n s đ c tính t b c sóng đo đ c V T LÝ HI N Ch I ng III Nguyên t th ng ph tia X ông l n l t xét t nguyên t sang nguyên t khác B ng tu n hoàn c bi t ông th y đ i v i m t v ch ph cho, ch ng h n nh K α , n u ta v đ th bi u di n c n b c hai c a t n s nh hàm s c a v trí ngun t B ng tu n hồn, ta s đ c m t đ ng th ng (hình 3.15) Trên c s d li u c a mình, Moseley đ a k t lu n sau: *Chúng ch ng minh r ng nguyên t có m t đ i l ng c b n t ng t ng b c đ u đ n chuy n t nguyên t sang nguyên t ti p theo i l ng ch có th n tích c a h t nhân Nh cơng trình c a Moseley, ph tia X đ c tr ng tr thành “ch ký” đ c m i ng i ch p nh n c a nguyên t , cho phép gi i đ c nhi u câu đ c a B ng tu n hồn Tr c th i gian (1913) v trí nguyên t đ c s p x p theo tr ng l ng nguyên t , m c dù có m t s tr ng h p ph i đ o l i v trí nh ng b ng ch ng hoá h c ép bu c Meseley ch ng minh đ c r ng c s th c s đ đánh s nguyên t n tích h t nhân nguyên t c a nguyên t đ y B ng tu n hồn t ng có nh ng tr ng nh ng tuyên b nhi u đ n m c đáng ng c nhiên v nguyên t m i liên t c đ c đ a Ph tia X cung c p m t phép tr c nghi m ch c ch n cho nh ng tuyên b Các nguyên t đ t hi m có tính ch t hố h c t ng t nên ch đ c phân lo i m t cách t ng đ i, đ c s p x p ch a th t tr t t Ch g n đây, s nh n d ng nguyên t n m sau urani m i đ c c đ nh m t cách ch c ch n nh có đ m t kh i l ng c n thi t đ ti n hành nghiên c u ph tia X c a chúng *Ph tia X b c l m t tính h th ng chuy n t nguyên t sang m t nguyên t ti p theo, *trong ph quang h c vùng nhìn th y g n nhìn th y l i khơng có tính ch t n gi n chìa khố đ nh n di n m t nguyên t n tích h t nhân c a Các m c n ng l ng phía r t g n h t nhân v y n t n m nh ng h t th r t nh y đ i v i n tích c a h t nhân Trong đó, ph quang h c t nh ng chuy n d i c a l p n t hố tr n m l p ngồi Chúng b ch n r t m nh đ i v i h t nhân b i nh ng n t khác l i c a nguyên t , v y chúng h t th khơng m y nh y đ i v i h t nhân Lí thuy t Bohr th Moseley Các s li u th c nghi m c a Moseley h t s c có l i vi c đánh s nguyên t th m chí c n u ch a xác l p đ c c s lý thuy t c a Moseley cịn xa h n Ông ch ng t đ c r ng nh ng k t qu c a ơng hồn toàn phù h p v i lý thuy t Bohr v c u trúc c a nguyên t Chúng ta c ng th y r ng lý thuy t c a Bohr cho k t qu r t t t v i nguyên t hiđrô, nh ng l i th t b i c v i heli, nguyên t đ ng sau B ng tu n hồn V y b ng cách lý thuy t l i cho k t qu t t đ i v i nguyên t n ng? Chúng ta s th y m t s nguyên nhân n u t p trung s ý vào l tr ng nh t ngun t n ng Chính s chuy n d i c a l tr ng làm phát sinh tia X T cách nhìn đó, th y r ng tình hình khơng khác m y tình hình c a ngun t hiđrơ- ngun t có ph đ c t o thành nh nh ng chuy n d i c a m t n t nh t Gi s r ng m t hai n t c a l p v K c a m t nguyên t n ng b b t kh i nguyên t c a đ l i m t l tr ng l p K L tr ng đ c l p b ng m t n t chuy n đ ng t l p v L vào q trình ngun t s phát m t tia X : K α i n tích h t nhân hi u d ng đ c n t chuy n d i “c m nh n” khơng ph i Z n a, mà r t g n v i Z – 1, b i t ng n tích c a h t nhân b ch n m t ph n b i n t l i l p v K su t chuy n d i 51 V T LÝ HI N Ch I ng III Nguyên t Công th c Bohr cho t n s b c x t ng ng v i chuy n d i gi a hai m c nguyên t b t k nguyên t đ ng d ng v i ngun t hiđrơ (nói xác h n ion đ ng d ng v i nguyên t hiđrô): *v = me Z 8ε 02 h ⎛ 1 ⎞ ⎜⎜ − ⎟⎟ ⎝ n1 n ⎠ m kh i l ng c a n t , n1 n2 s l ng t , đ i v i chuy n d i K α c n ph i thay Z b ng Z – đ t n1 = n2 = N u làm nh th l y c n hai v ta đ c: 3me ( Z − 1) v= 32ε 02 h hay ta có th vi t d (3.18) i d ng: * v = α ( Z − 1) (3.19) α h ng s đ ng nh t v i c n b c hai bi u th c 3.18 Ph ng trình 3.19 m t đ ng th ng hoàn toàn phù h p v i th c nghi m c a hình 3.15 N u m r ng cho nguyên t có s cao h n, s h i ch ch m t chút kh i đ ng th ng Tuy nhiên, s phù h p v i lý thuy t Bohr v n t t đ n m c ng c nhiên III 10 Laser ánh sáng laser T laser đ c vi t t t c a c m t ti ng Anh: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation có ngh a khu ch đ i ánh sáng b ng b c x c m ng Vì v y s khơng có ng c nhiên bi t r ng b c x c m ng chìa khố cho s ho t đ ng c a laser Einstein đ a khái ni m vào n m 1913; nh ch đ n n m 1960 Theodore Maiman m i có th t o đ c m t laser ho t đ ng S t ng tác gi a ánh sáng môi tr ng: Chúng ta xét m t nguyên t nh t cô l p có th t n t i m t hai tr ng thái, có n ng l ng t ng ng E1 E2 D i s xét ba cách có th làm cho nguyên t chuy n t tr ng thái sang tr ng thái gi a hai tr ng thái a S* h p th : Hình 16a cho th y nguyên t ban đ u tr ng thái th p h n hai tr ng thái, có n ng l ng E1 N u m t phơ tơn có n ng l ng hv hv = E − E1 (3.20) vào t ng tác v i ngun t xét, phơ tơn s bi n m t nguyên t s chuy n lên tr ng thái có n ng l ng cao h n Quá trình đ c g i s h p th b *B c x t phát: Trong hình 3.16 b, nguyên t tr ng thái cao h n khơng có m t b c x có m t Sau m t kho ng th i gian τ trung bình đó, nguyên t t đ ng chuy n sang tr ng thái th p h n trình phát m t phơ tơn có n ng l ng b ng hv Quá trình đ c 52 V T LÝ HI N Ch I ng III Nguyên t g i s b c x t phát, khơng x y d i m t tác đ ng bên Ánh sáng phát t dây tóc nóng sáng c a bóng đèn n thơng th ng đ c phát b ng cách c *B c x c m ng: Nh hình 3.16c, nguyên t l i tr ng thái Lúc có m t phơ tơn có n ng l ng hv đ c cho b i ph ng trình 3.20 vào t ng tác v i nguyên t K t qu nguyên t s chuy n xu ng tr ng thái có m c n ng l ng th p h n, nh ng bây gi có hai phơ tơn thay ch m t nh ban đ u Phơ tơn đ c phát x hồn tồn đ ng nh t v i phơ tơn kích thích Nó có n ng l ng, h ng, pha phân c c Quá trình đ c g i b c x c m ng Ánh sáng laser đ c t o b ng cách Hình 3.16 T ng tác c a v t ch t v i b c x trình: (a) - h p th ; (b) - b c x t phát (c) b c x c m ng Q trình (c) c s cho ho t đ ng c a laser Thông th ng s có nhi u nguyên t có m t *Trong tr ng thái m t nhi t đ T đó, s phân b nguyên t tuân theo đ nh lu t Boltzmann nh sau: n x = Ce − Ex kT (3.21) nx s nguyên t m c n ng l ng Ex, C h ng s D th y u h p lý L ng kT n ng Hình 3.17 (a) Phân b cân b ng nhi t gi a l ng chuy n đ ng nhi t trung bình c a m t nguyên t nhi t đ T, n u nhi t đ cao, có nhi u hai tr ng thái chuy n đ ng nhi t (b) S nguyên t có kh n ng nh y lên m c b ng n ng đ o ng c đ c trú nh n đ c nh k thu t đ c bi t l ng chuy n đ ng nhi t N u ta áp d ng công th c 3.21 cho hai m c c a hình 3.16 r i chia chúng cho ta có: * n2 − ( E2 − E1 ) kT =e n1 (3.22) Hình 3.17a minh ho hi n t ng Tuy nhiên hi u ng toàn ph n m t đ c trú m c d i v n cao h n m c nên h p th phát ánh sáng laser, ta c n có tình hu ng b c x c m ng ph i chi m u th Có ngh a ph i t o đ c s nguyên t m c cao 53 V T LÝ HI N Ch I ng III Nguyên t h n l n h n s nguyên t m c th p h n nh hình 3.17b *Tình tr ng đ ng c đ c trú (hay g i phân b đ o) c g i s đ o Laser ho t đ ng nh th nào? *Ng i ta có th dùng nhi u k thu t khác cung c p n ng l ng kích thích cho môi tr ng đ t o s đ o ng c đ c trú B m b ng phóng n qua ch t khíN u dùng ánh sáng m nh t đ a vào liên t c cung c p n ng l ng cho h nguyên t , đ có nhi u nguyên t h p th đ c n ng l ng chuy n lên m c K thu t đ c g i b m quang h c Hình 3.18 bi u di n khái l c ph ng pháp b m quang h c mà có th s d ng đ t o l p s phân b đ o v t li u mà laser có th ho t đ ng đ c Chúng ta xu t phát t tình tr ng h u h t nguyên t c a v t li u đ u n m tr ng thái c b n có n ng l ng E1 Sau chúng h p th đ c n ng l ng c a ánh sáng b m chuy n lên tr ng thái kích thích E3 Tr ng thái tr ng thái có th i gian s ng ng n, nên nguyên t nhanh chóng t phát chuy n v tr ng Hình 3.18 S đ ba m c – c s cho s ho t đ ng c a laser Tr ng thái siêu b n E thái E2 có đ c hi u ng laser, *th i gian s ng có đ c trú l n h n nhi u so v i tr ng thái2 c a nguyên t t i m c ph i siêu b n, c 10-3 s c b n E1 (so v i m c bình th ng c 10-8 s) Mơi tr ng có nguyên t đáp ng đ c yêu c u B m quang h c đ c g i mơi tr ng ho t tính Nh v y ngun t tích góp l i tr ng thái E2 t o nên hi n t ng đ o ng c đ c trú Khi n u nh có m t phơ tơn xu t hi n có n ng l ng thích h p Tia laser Mơi tr ng ho t tính b ng E2 – E1, ví d nh b i q trình b c x t phát, có th gây m t c n thác l b c x c m ng t tr ng thái M2 M1 E2 ta có ánh sáng laser Hình 3.19 C u hình nguyên lý c b n c a m t laser B m có m t laser ho t đ ng đ c, quang h c kích ho t ngun t c a mơi tr ng ho t ngồi ngu n b m n ng l ng kích thích tính t o nên s đ o ng c đ c trú Khi có m t phơ tơn ngun t c a mơi tr ng ho t tính ng u nhiên xu t hi n t o nên b c x c m ng, nh ph n x Chúng ta c n đ t môi tr ng ho t tính l i nhi u l n gi a hai g ng M1 M2, đ c khu ch vào m t *bu ng c ng h ng quang đ i G ng M2 không ph n x tồn ph n m t ph n ánh sáng laser đ c ngồi đ t o thành tia mà h c- th ng đ c t o thành t hai g ng ta s s d ng ph n x (ph ng ho c c u) đ t song song v i Do ph n x l i nhi u l n gi a hai g ng b c x c m ng đ c khu ch đ i lên Bu ng c ng h ng quang h c có tác d ng l c l a không gian, ch t c có hi u ng khu ch đ i nh ng phô tôn d c theo tr c c a mơi tr ng ho t tính ây nguyên nhân tính song song c a chùm tia laser Hình 3.19 th hi n c u hình c b n c a m t laser Các g ng M1 M2 t o nên bu ng c ng h ng G ng M2 khơng ph n x tồn ph n m t ph n ánh sáng laser đ c ngồi đ t o thành tia mà ta s d ng 54 V T LÝ HI N Ch I ng III Nguyên t *Các tính ch t c a tia laser Do tính ch t c b n c a b c x c m ng, t t c phô tôn đ c b c x đ u có n ng l ng, h ng, pha phân c c Cho nên: a Ánh sáng laser có đ đ n s c cao (t c Δλ nh ) N u nh ánh sáng t đèn dây đ t có ph tr i m t d i ph r ng khó có th so sánh Nh ng ánh sáng t v ch ch n l c ng phóng n qua ch t khí có đ r ng v ch vùng nhìn th y c 10-6 m, đ đ n s c c a ánh sáng laser nh h n r t nhi u l n c 10-15 m b Ánh sáng laser có đ k t h p cao: Do phơ tơn c a ánh sáng laser có pha gi ng nên chúng có th giao thoa v i hi u quãng đ ng c a chúng có th đ n vài tr m kilomet Trong chi u dài k t h p t ng ng đ i v i ánh sáng t đèn tungsten ho c ng phóng n qua ch t khí ch c 1m c Ánh sáng laser có tính đ nh h ng cao: Do nhi u x đ c quy t đ nh b i b c sóng kh u đ l i ra, nên chùm sáng laser khơng cịn hồn tồn song song Tuy ánh sáng t ngu n khác có th t o thành chùm song song nh h quang h c Nh ng đ phân k góc c a chùm l n h n nhi u so v i tia laser B i m i m, ch ng h n nh t đèn tungsten đ u t o thành chùm ánh sáng riêng đ c xác đ nh b ng kích th c c a dây tóc ch khơng b i s nhi u x d Ánh sáng laser có th h i t v i đơi t cao: Tính ch t g n li n v i tính song song tính đ n s c c a chùm tia laser ng kính c a m h i t b ng th u kính chùm ánh f λ Trong ω đ ng kính chùm tia t i, f đ dài h i t c a sáng b ng: ω = π ω n th u kính, λ b c sóng đ c h i t n chi t xu t c a v t li u làm th u kính M t đ ánh sáng laser h i t có th đ t t i 1016W/cm2 hồn tồn có th Trong m t đ c a chùm ánh sáng ng n l a đèn xì ch có 103W/cm2 Các ng d ng c a tia laser: • • • • • • c dùng công nghi p: khoan l siêu nh kim c ng đ kéo dây m nh, c t v i công nghi p may m c, t o khuôn th t tinh kim lo i, đo v xác, đo chi u dài xác b ng phép đo giao thoa… Dùng quân s đ d n đ ng cho máy bay tên l a Dùng thông tin quang s i: Các laser AsGa kích th c nh nh nh ng chi c đ nh ghim đ c dùng đ truy n tin thông tin quang s i Dùng y t : đ ch a b nh ph u thu t Trong nghiên c u ph n ng t ng h p h t nhân Trong nghiên c u khoa h c: laser đ c dùng nh ngu n ánh sáng đ kích thích hu nh quang, b m laser… 55 ... nguyên t đ y B ng tu n hồn t ng có nh ng ô tr ng nh ng tuyên b nhi u đ n m c đáng ng c nhiên v nguyên t m i liên t c đ c đ a Ph tia X cung c p m t phép tr c nghi m ch c ch n cho nh ng tuyên b Các nguyên... u tr c z: Lz μz khôngđ i vect chuy n đ ng tu sai xung quang tr c z V T LÝ HI N Ch I ng III Ngun t v v trí góc c a vect moment xung l ng chuy n đ ng tu sai chung quang tr c z Chúng ta ch bi t... chùm nguyên t s t o thành m t v ch h p t m phát hi n Tuy nhiên b t nam châm n, l c làm l ch m nh s b t đ u có tác d ng *L c ch có hai kh n ng, tu thu c vào s có l ng t hố khơng gian hay khơng n