TÓM TẮT LÝ THUYẾT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG I Hiện tượng quang điện(ngoài) - Thuyết lượng tử ánh sáng a Hiện tượng quang điện Hiện tượng ánh sáng làm bật electron khỏi mặt kim loại gọi tượng quang điện (gọi tắt tượng quang điện) b Các định luật quang điện + Định luật quang điện thứ (định luật giới hạn quang điện): Đối với kim loại ánh sáng kích thích phải có bước sóng λ ngắn hay giới hạn quang điện λ0 kim loại đó, gây tượng quang điện: λ ≤ λ0 + Định luật quang điện thứ hai (định luật cường độ dòng quang điện bảo hòa): Ibảo hòa I O Uh U Đối với ánh sáng thích hợp (có λ ≤ λ0), cường độ dòng quang điện bảo hòa tỉ lệ thuận với cường độ chùm ánh sáng kích thích + Định luật quang điện thứ ba (định luật động cực đại quang electron): Động ban đầu cực đại quang electron không phụ thuộc vào cường độ chùm sáng kích thích, mà phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng kích thích chất kim loại c Thuyết lượng tử ánh sáng + Chùm ánh sáng chùm phôtôn (các lượng tử ánh sáng) Mỗi phôtôn có lượng xác định (năng lượng phô tôn ε = hf (J) Nếu chân không ε = h f = h.c λ f tần số sóng ánh sáng đơn sắc tương ứng h=6,625.10-34 J.s : số Plank; c =3.108 m/s : vận tốc ánh sáng chân không + Cường độ chùm sáng tỉ lệ với số phôtôn phát giây + Phân tử, nguyên tử, electron… phát xạ hay hấp thụ ánh sáng, nghĩa chúng phát xạ hay hấp thụ phôtôn + Các phôtôn bay dọc theo tia sáng với tốc độ c = 3.108 m/s chân không + Năng lượng phôtôn nhỏ Một chùm sáng dù yếu chứa nhiều phôtôn nhiều nguyên tử, phân tử phát Vì ta nhìn thấy chùm sáng liên tục +Phôtôn tồn trạng thái chuyển động Không có phôtôn đứng yên d Giải thích định luật quang điện hc λ 2 max + Công thức Anhxtanh tượng quang điện: hf = = A + mv + Giải thích định luật thứ nhất: Để có tượng quang điện lượng phôtôn phải lớn công thoát: hf = -với λ0 giới hạn quang điện kim loại: -Công thoát e khỏi kim loại : hc λ ≥A= λ0 = hc λ0 hc A A= h.c λ0 f0 = c λ0 λ ≤ λ0; -Tần số sóng ánh sáng giới hạn quang điện : với : V0 vận tốc ban đầu cực đại quang e (Đơn vị V0 m/s) giới hạn quang điện kim loại làm catot (Đơn vị λ0 m; µm; λ0 nm;pm) m (hay me ) = 9,1.10-31 kg khối lượng e; e = 1,6.10-19 C điện tích nguyên tố ; 1eV=1,6.10-19J +Bảng giá trị giới hạn quang điện Chất kim Chất kim λ o(µm) loại loại Bạc 0,26 Natri Đồng 0,30 Kali Kẽm 0,35 Xesi Nhôm 0,36 Canxi λ o(µm) 0,50 0,55 0,66 0,75 Chất bán dẫn Ge Si PbS CdS λ o(µm) 1,88 1,11 4,14 0,90 e Lưỡng tính sóng - hạt ánh sáng +Ánh sáng vừa có tính chất sóng, vừa có tính chất hạt Ta nói ánh sáng có lưỡng tính sóng - hạt +Trong tượng quang học, ánh sáng thường thể rỏ hai tính chất Khi tính chất sóng thể rỏ tính chất hạt lại mờ nhạt, ngược lại +Sóng điện từ có bước sóng ngắn, phôtôn có lượng lớn tính chất hạt thể rõ, tượng quang điện, khả đâm xuyên, khả phát quang…,còn tính chất sóng mờ nhạt +Trái lại sóng điện từ có bước sóng dài, phôtôn ứng với có lượng nhỏ, tính chất sóng lại thể rỏ tượng giao thoa, nhiễu xạ, tán sắc, …, tính chất hạt mờ nhạt II Hiện tượng quang điện a Chất quang dẫn Chất quang dẫn chất bán dẫn, dẫn điện không bị chiếu sáng dẫn điện tốt bị chiếu ánh sáng thích hợp b Hiện tượng quang điện Hiện tượng ánh sáng giải phóng electron liên kết để chúng trở thành electron dẫn đồng thời tạo lỗ trống tham gia vào trình dẫn điện, gọi tượng quang điện c Quang điện trở Được chế tạo dựa hiệu ứng quang điện Đó bán dẫn có giá trị điện trở thay đổi cường độ chùm ánh sáng chiếu vào thích hợp d Pin quang điện Pin quang điện nguồn điện quang biến đổi trực tiếp thành điện Hoạt động pin dựa tượng quang điện số chất bán dẫn ( đồng ôxit, sêlen, silic, ) Suất điện động pin thường có giá trị từ 0,5 V đến 0,8 V Pin quang điện (pin mặt trời) trở thành nguồn cung cấp điện cho vùng sâu vùng xa, vệ tinh nhân tạo, tàu vũ trụ, máy đo ánh sáng, máy tính bỏ túi … III So sánh tượng quang điện quang điện trong: So sánh Vật liệu Bước sóng as kích thích Hiện tượng quang điện Kim loại Nhỏ, lượng lớn (như tia tử ngoại) Hiện tượng quang dẫn Chất bán dẫn Vừa, lượng trung bình (as nhìn thấy ) Do ưu điểm cần as kích thích có lượng nhỏ (bước sóng dài as nhìn thấy) nên tượng quang điện ứng dụng quang điện trở (điện trở thay đổi chiếu as kích thích, dùng mạch điều khiển tự động) pin quang điện (biến trực tiếp quang thành điện năng) IV Hiện tượng quang–Phát quang a Sự phát quang + Có số chất hấp thụ lượng dạng đó, có khả phát xạ điện từ miền ánh sáng nhìn thấy Các tượng gọi phát quang + Mỗi chất phát quang có quang phổ đặc trưng cho b.Huỳnh quang lân quang- So sánh tượng huỳnh quang lân quang: So sánh Vật liệu phát quang Thời gian phát quang Đặc điểm - Ứng dụng Hiện tượng huỳnh quang Chất khí chất lỏng Rất ngắn, tắt nhanh sau tắt as kích thích As huỳnh quang có bước sóng dài as kích thích (năng lượng bé - tần số nhỏ hơn) Dùng đèn ống Hiện tượng lân quang Chất rắn Kéo dài khoảng thời gian sau tắt as kích thích (vài phần ngàn giây đến vài giờ, tùy chất) Biển báo giao thông, c Định luật Xtốc phát quang( Đặc điểm ánh sáng huỳnh quang ) Ánh sáng phát quang có bước sóng λhq dài bước sóng ánh sáng kích thích λkt: hf hq < hfkt => λ hq > λ kt d.Ứng dụng tượng phát quang Sử dụng đèn ống để thắp sáng, hình dao động kí điện tử, tivi, máy tính Sử dụng sơn phát quang quét biển báo giao thông V Mẫu nguyên tử Bo a Mẫu nguyên tử Bo +Tiên đề trạng thái dừng -Nguyên tử tồn số trạng thái có lượng xác định E n, gọi trạng thái dừng Khi trạng thái dừng, nguyên tử không xạ -Trong trạng thái dừng nguyên tử, electron chuyển động quanh hạt nhân quỹ đạo có bán kính hoàn toàn xác định gọi quỹ đạo dừng -Công thức tính quỹ đạo dừng electron nguyên tử hyđrô: rn = n2r0, với n số nguyên r0 = 5,3.10-11 m, gọi bán kính Bo (lúc e quỹ đạo K) Trạng thái dừng n Tên quỹ đạo dừng Bán kính: rn = n2r0 K r0 En = - 13, (eV ) n2 - 13,6 12 L 4r0 - 13,6 22 M 9r0 - 13,6 32 N 16r0 - 13,6 42 O 25r0 - 13,6 52 P 36r0 - 13,6 62 Năng lượng e Hidro: En = Năng lượng electron nguyên tử hiđrô: 13, (eV ) n2 Với n ∈ N* -Bình thường, nguyên tử trạng thái dừng có lượng thấp gọi trạng thái Khi hấp thụ lượng nguyên tử chuyển lên trạng thái dừng có lượng cao hơn, gọi trạng thái kích thích Thời gian nguyên tử trạng thái kích thích ngắn (cỡ 10-8 s) Sau nguyên tử chuyển trạng thái dừng có lượng thấp cuối trạng thái + Tiên đề xạ hấp thụ lượng nguyên tử -Khi nguyên tử chuyển từ trạng thái dừng có lượng E n sang trạng thái dừng có lượng Em nhỏ nguyên tử phát phôtôn có lượng: ε = hfnm = En – Em -Ngược lại, nguyên tử trạng thái dừng có lượng E m mà hấp thụ phôtôn có lượng hf hiệu E n – Em chuyển sang trạng thái dừng có lượng En lớn hấp thụ xạ hfmn En Em hfnm -Sự chuyển từ trạng thái dừng Em sang trạng thái dừng En ứng với nhảy electron từ quỹ đạo dừng có bán kính r m sang quỹ đạo dừng có bán kính r n ngược lại b Quang phổ phát xạ hấp thụ nguyên tử hidrô -Nguyên tử hiđrô có trạng thái dừng khác EK, EL, EM, Khi electron chuyển động quỹ đạo dừng K, L, M, -Khi electron chuyển từ mức lượng cao (Ecao) xuống mức lượng thấp (Ethấp) phát phôtôn có lượng xác định: hf = Ecao – Ethấp c f -Mỗi phôtôn có tần số f ứng với sóng ánh sáng đơn sắc có bước sóng λ = , tức vạch quang phổ có màu (hay vị trí) định Điều lí giải quang phổ phát xạ hiđrô quang phổ vạch -Ngược lại nguyên tử hiđrô mức lượng Ethấp mà nằm chùm ánh sáng trắng, có tất phôtôn có lượng từ lớn đến nhỏ khác nhau, nguyên tử hấp thụ phôtôn có lượng phù hợp ε = Ecao – Ethấp để chuyển lên mức lượng Ecao Như vậy, sóng ánh sáng đơn sắc bị hấp thụ, làm cho quang phổ liên tục xuất vạch tối Do quang phổ hấp thụ nguyên tử hiđrô quang phổ vạch VI Sơ lược laze Laze nguồn sáng phát chùm sáng cường độ lớn dựa việc ứng dụng tượng phát xạ cảm ứng a Đặc điểm laze + Laze có tính đơn sắc cao + Tia laze chùm sáng kết hợp (các phôtôn chùm có tần số pha) + Tia laze chùm sáng song song (có tính định hướng cao) + Tia laze có cường độ lớn Ví dụ: laze rubi (hồng ngọc) có cường độ tới 10 W/cm2 b Một số ứng dụng laze + Tia laze dùng dao mổ phẩu thuật mắt, để chữa số bệnh da (nhờ tác dụng nhiệt), + Tia laze dùng truyền thông thông tin cáp quang, vô tuyến định vị, điều khiển tàu vũ trụ, + Tia laze dùng đầu đọc đĩa CD, bút bảng, đồ, thí nghiệm quang học trường phổ thông, + Tia laze dùng đo đạc , ngắm đưởng thẳng + Ngoài tia laze dùng để khoan, cắt, tôi, xác vật liệu công nghiệp