Sách Bài Giảng Vật Lý Đại Cương A2

H C VI N CÔNG NGH B U CHÍNH VI N THÔNG =====(===== SÁCH BÀI GI NG V T LÝ IC NG A2 (Dùng cho sinh viên h đào t o đ i h c t xa) L u hành n i b HÀ N I - 2005 H C VI N CÔNG NGH B U CHÍNH VI N THÔNG BÀI GI NG V T LÝ Biên so n : Hi u đính: IC NG A2 TS VÕ TH THANH HÀ ThS HOÀNG TH LAN H TS LÊ TH MINH THANH NG L i nói đ u L I NÓI U T p V T LÍ IC NG (A2) t p hai c a b sách h ng d n h c t p môn V t lí đ i c ng cho sinh viên h đào t o đ i h c t xa c a H c vi n Công ngh B u Vi n thông, đ c biên so n theo ch ng trình c i cách giáo d c B Giáo d c t o thông qua (1990) B sách g m hai t p: T p I: V T LÍ I C NG (A1) bao g m ph n C , NHI T, Ts V V n Nh n, Ts Võ inh Châu Ks Bùi Xuân H i biên so n I N, T T p II: V T LÍ I C NG (A2) bao g m ph n QUANG H C, THUY T T NG I H P, C H C L NG T VÀ V T LÍ NGUYÊN T Ts Võ Th Thanh Hà ThS Hoàng Th Lan H ng biên so n T p sách V t lí đ i c ng A2 g m ch ng: - Ch ng I: Dao đ ng n t - Ch ng II: Giao thoa ánh sáng - Ch ng III: Nhi u x ánh sáng - Ch ng IV: Phân c c ánh sáng - Ch ng V: Thuy t t - Ch ng VI: Quang h c l - Ch ng VII: C h c l - Ch ng VIII: V t lí nguyên t Trong m i ch ng đ i h p ng t ng t ng đ u có: M c đích, yêu c u giúp sinh viên n m đ c tr ng tâm c a ch Tóm t t n i dung giúp sinh viên n m b t đ nh ng k t qu c n n m v ng ng c v n đ đ t ra, h ng gi i quy t Câu h i lí thuy t giúp sinh viên t ki m tra ph n đ c hi u c a Bài t p giúp sinh viên t ki m tra kh n ng v n d ng ki n th c lí thuy t đ gi i quy t nh ng toán c th Phân công biên so n t p V T LÍ IC NG (A2) nh sau: Võ Th Thanh Hà biên so n lí thuy t ch ch Hoàng Th Lan H ng ng II, III, IV, V, VI, VII, VIII ng biên so n lí thuy t ch ng I t p c a t t c L i nói đ u T p V T LÍ I C NG (A2) m i in l n đ u, nên không tránh kh i nh ng thi u sót Chúng xin chân thành cám n s đóng góp quí báu c a b n đ c cho quy n sách Hà N i, ngày tháng 11 n m 2005 NHÓM TÁC GI Ch ng 1: Dao đ ng n t CH NG I: DAO NG I NT Dao đ ng n t s bi n thiên tu n hoàn theo th i gian c a đ i l ng n t , c th nh n tích q b n t n, c ng đ dòng n i m t m ch n xoay chi u, hi u n th gi a hai đ u m t cu n dây hay s bi n thiên tu n hoàn c a n tr ng, t tr ng không gian v.v Tu theo c u t o c a m ch n, dao đ ng n t m ch chia ra: dao đ ng n t u hoà, dao đ ng n t t t d n dao đ ng n t c ng b c I M C ÍCH - YÊU C U N m đ c dao đ ng n t u hoà, dao d ng n t t t d n, dao đ ng n t c ng b c, hi n t ng c ng h ng N m đ c ph ng pháp t ng h p hai dao đ ng u hoà ph hai dao đ ng u hoà t n s có ph ng vuông góc ng t n s , II N I DUNG: §1 DAO NG I N T I U HOÀ M ch dao đ ng n t LC Xét m t m ch n g m m t t n có n dung C, m t cu n dây có h s t c m L B qua n tr m ch Tr c h t, t n C đ c b ngu n tích n đ n n tích Q0, hi u n th U0 Sau đó, ta b b ngu n đóng khoá c a m ch dao đ ng Trong m ch có bi n thiên tu n hoàn theo th i gian c a c ng đ dòng n i, n tích q b n t n, hi u n th gi a hai b n t , n ng l ng n tr ng c a t n, n ng l ng t tr ng c a ng dây Các dao đ ng n t có d ng hình sin v i t n s ω biên đ dao đ ng không đ i Do đó, dao đ ng đ c g i dao đ ng n t u hoà M t khác m ch ch có m t y u t riêng c a m ch nh t n C cu n c m L, nên dao đ ng n t đ c g i dao đ ng n t riêng Hình 1-1 M ch dao đ ng n t riêng Ch ng 1: Dao đ ng n t Ta xét chi ti t h n trình dao đ ng c a m ch m t chu k T T i th i m t = 0, n tích c a t Q , hi u n th gi a hai b n U = Q / C , n ng l ng n tr ng c a t n có giá tr c c đ i b ng: E e(max ) = Q 02 2C (1-1) Cho t phóng n qua cu n c m L Dòng n t phóng t ng đ t ng t t không, dòng n bi n đ i làm cho t thông g i qua cu n c m L t ng d n Trong cu n c m L có m t dòng n t c m ng c chi u v i dòng n t C phóng ra, nên dòng n t ng h p m ch t ng d n, n tích hai b n t gi m d n Lúc n ng l ng n tr ng c a t n Ee= q / 2C gi m d n, n ng l ng t tr ng lòng ng dây Em = Li / t ng d n Nh v y, có s chuy n hoá d n t n ng l ng n tr ng sang n ng l ng t tr ng Hình 1-2 Quá trình t o thành dao đ ng n t riêng Khi t C phóng h t n tích, n ng l ng n tr ng Ee = 0, dòng n m ch đ t giá tr c c đ i I0, n ng l ng t tr ng ng dây đ t giá tr c c đ i E m(max ) = LI 02 / , th i m t = T/4 Sau dòng n t phóng b t đ u gi m cu n dây l i xu t hi n m t dòng n t c m chi u v i dòng n t phóng Vì v y dòng n m ch gi m d n t giá tr I0 v không, trình x y kho ng t t = T/4 đ n t = T/2 Trong trình bi n đ i cu n L đóng vai trò c a ngu n n p n cho t C nh ng theo chi u ng c l i, n tích c a t l i t ng d n t giá tr không đ n giá tr c c đ i Q0 V m t n ng l ng n ng l ng n tr ng t ng d n, n ng l ng t tr ng gi m d n Nh v y có s chuy n hoá t n ng l ng t tr ng thành n ng l ng n tr ng, giai đo n k t thúc t i th i m t = T/2, lúc cu n c m gi i phóng h t n ng l ng n tích hai b n t l i đ t giá tr c c đ i Q0 nh ng đ i d u hai b n, n ng l ng n tr ng l i đ t giá tr c c đ i E e(max ) = Q 02 / 2C T i đây, k t thúc trình dao đ ng m t n a chu k đ u T C phóng n vào cu n c m theo chi u ng c v i n a chu k đ u, cu n c m l i ng 1: Dao đ ng n t Ch đ c tích n ng l chu k (t = T) t đ u, m ch dao đ toàn ph n đ t Ph ng r i l i gi i phóng n ng l ng, t C l i đ c tích n đ n cu i C đ c tích n v i d u n tích b n nh t i th i m ban ng n t tr l i tr ng thái dao đ ng ban đ u M t dao đ ng n t c hoàn thành D i ta thi t l p ph ng trình mô t dao đ ng n ng trình dao đ ng n t u hoà Vì s m t mát n ng l không đ i: ng m ch, nên n ng l ng n t c a m ch E e + E m = E = const Thay E e = q2 Li E m = vào (1-2), ta đ 2C (1-2) c: q Li + = const 2C (1-3) L y đ o hàm c hai v c a (1-3) theo th i gian r i thay dq / dt = i , ta thu đ q Ldi + =0 C dt (1-4) L y đ o hàm c hai v c a (1-4) theo th i gian r i thay dq/dt =i, ta đ d 2i dt t = ω02 , ta đ LC c: c: i=0 LC (1-5) + ω02 i = (1-6) + c: d 2i dt ó ph ng trình vi phân c p hai thu n nh t có h s không đ i Nghi m t ng quát c a (1-6) có d ng: i = I cos(ω0 t + ϕ) I0 biên đ c a c (1-7) ng đ dòng n, ϕ pha ban đ u c a dao đ ng, ω0 t n s góc riêng c a dao đ ng: ω0 = LC (1-8) Ch ng 1: Dao đ ng n t T tìm đ c chu k dao đ ng riêng T0 c a dao đ ng n t u hoà: T0 = 2π = 2π LC ω0 (1-9) Cu i ta nh n xét r ng n tích c a t n, hi u n th gi a hai b n t … c ng bi n thiên v i th i gian theo nh ng ph ng trình có d ng t ng t nh (1-7) §2 DAO Hình 1-3 ng bi u di n dao đ ng u hoà NG I N T T TD N M ch dao đ ng n t RLC Trong m ch dao đ ng bây gi có thêm m t n tr R t ng tr ng cho n tr c a toàn m ch (hình 1-4) Ta c ng ti n hành n p n cho t C, sau cho t n phóng n qua n tr R ng dây L T ng t nh trình bày dao đ ng n t u hoà, c ng xu t hi n trình chuy n hoá gi a n ng l ng n tr ng c a t n n ng l ng t tr ng c a ng dây Nh ng có s to nhi t n tr R, nên dao đ ng c a đ i l ng nh i, q, u, không Hình 1-4 M ch dao đ ng n t t td n d ng hình sin n a, biên đ c a chúng không đ i l ng không đ i nh tr ng h p dao đ ng n t u hoà, mà gi m d n theo th i gian Do đó, lo i dao đ ng đ c g i dao đ ng n t t t d n M ch dao đ ng RLC đ c g i m ch dao đ ng n t t t d n Ph ng trình dao đ ng n t t t d n Do m ch có n tr R, nên th i gian dt ph n n ng l ng to nhi t n tr Ri2dt b ng đ gi m n ng l ng n t -dE c a m ch Theo đ nh lu t b o toàn chuy n hoá n ng l ng, ta có: − dE = Ri dt (1-10) q Li + vào (1-10), ta có: Thay E = 2C ng 1: Dao đ ng n t Ch ⎛ q Li ⎞ ⎟ = Ri dt − d⎜ + ⎟ ⎜ 2C ⎠ ⎝ (1-11) Chia c hai v c a ph ng trình (1-11) cho dt, sau l y đ o hàm theo th i gian thay dq/dt = i, ta thu đ c: q di + L = −Ri dt C (1-12) L y đ o hàm c hai v c a (1-12) theo th i gian thay dq/dt = i, ta thu đ d 2i dt t R = 2β , = ω02 , ta thu đ L LC d 2i R di + i=0 L dt LC c ph + 2β (1-13) ng trình: di + ω02 i = dt (1-14) dt ng trình vi phân c p hai thu n nh t có h s không đ i V i u ki n h s ó ph + c: t t đ nh cho ω0 > β hay ⎛ R ⎞ >⎜ ⎟ LC ⎝ 2L ⎠ nghi m t ng quát c a ph ng trình (1-14) có d ng: i = I e −βt cos(ωt + ϕ) (1-15) I0, ϕ h ng s tích phân ph thu c vào u ki n ban đ u, ω t n s góc c a dao đ ng điên t t t d n có giá tr : ω= ⎛R ⎞ −⎜ ⎟ LC ⎝ 2L ⎠ < ω0 (1-16) Chu k c a dao đ ng n t t t d n: T= 2π = ω 2π ⎛R ⎞ −⎜ ⎟ LC ⎝ 2L ⎠ = 2π ω02 −β (1-17) Nh v y, chu k dao đ ng t t d n l n h n chu k dao đ ng riêng m ch ng I e −βt biên đ c a dao đ ng t t d n Nó gi m d n v i th i gian theo qui lu t hàm m Tính ch t t t d n c a dao đ ng n t đ c đ c tr ng b ng m t đ i l ng g i l ng gi m lôga, ký hi u b ng ch δ : l ng gi m lôga có giá tr b ng lôga t nhiên c a t s gi a hai tr s liên ti p c a biên đ dao đ ng cách m t kho ng th i gian b ng m t chu k dao đ ng T Theo đ nh ngh a ta có: il Ch ng 1: Dao đ ng n t δ = ln I e −βt I e −β(t +T ) = βT (1-18) β = R / 2L , rõ ràng n u R l n β l n dao đ ng t t nhanh i u phù h p v i th c t Chú ý: m ch dao đ ng RLC ghép n i ti p, ta ch có hi n t ng dao đ ng n t khi: L ⎛ R ⎞ >⎜ ⎟ hay R < LC ⎝ 2L ⎠ C Tr s R = L đ C c g i n tr t i n t t t d n h n c a m ch N u R ≥ R0 m ch dao đ ng §3 DAO 1.Hi n t ng bi u di n dao đ ng Hình 1-5 NG I N T C NG B C ng: trì dao đ ng n t m ch dao đ ng RLC, ng i ta ph i cung c p n ng l ng cho m ch n đ bù l i ph n n ng l ng b t n hao n tr R Mu n v y, c n m c thêm vào m ch m t ngu n n xoay chi u có su t n đ ng bi n thiên tu n hoàn theo th i gian v i t n s góc Ω biên đ E0: E= E0sinΩt Hình 1-6 M ch dao đ ng n t c ng b c Lúc đ u dao đ ng m ch ch ng ch t c a hai dao đ ng: dao đ ng t t d n v i t n s góc dao đ ng c ng b c v i t n s góc Giai đo n đ x y r t ng n, sau dao đ ng t t d n không n a m ch ch dao đ ng n t không t t có t n s góc b ng t n s góc Ω c a ngu n n ó dao đ ng n t c ng b c Ph ng trình dao đ ng n t c ng b c Trong th i gian dt, ngu n n cung c p cho m ch m t n ng l ng b ng Eidt Ph n n ng l ng dùng đ bù đ p vào ph n n ng l ng to nhi t Joule - Lenx 10 Ch ng 8: V t lý nguyên t - L p S có t i đa electrôn, - L p P có t i đa electrôn, - L p D có t i đa 10 electrôn B ng b ng phân b electrôn đ i v i m t vài nguyên t B ng L p L p Nguyên t H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K L M 1S 2S 2P 3S 3P 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 6 6 6 6 2 2 2 2 D a theo b ng tu n hoàn Mendeleev, ta vi t đ t Ví d : 3D c c u hình electrôn cho nguyên C : 1s22s22p2 F : 1s22s22p5 N : 1s22s22p3 Ne : 1s22s22p6 O : 1s22s22p4 Al : 1s22s22p63s23p1 Ví d đ i v i Neon (Ne) có electrôn tr ng thái 1s, electrôn tr ng thái 2s, electrôn tr ng thái 2p Nh v y, electrôn l p đ y l p i v i Cacbon (C) electrôn ch a l p kín h t l p l p P có th ch a t i đa electrôn, l p P C m i ch có electrôn 154 Ch ng 8: V t lý nguyên t III TÓM T T N I DUNG Nguyên t hiđrô ph Chúng ta nghiên c u chuy n đ ng c a electrôn nguyên t hiđrô c s ng trình Schrodinger, ph ng trình c b n c a c h c l ng t Δψ + 2m e ( E − U )ψ = h2 U th n ng t ng tác gi a h t nhân electrôn Bài toán đ t tìm n ng l ng c a electrôn hàm sóng c a Gi i ph ng trình Schrodinger h t a đ c u, ta thu đ c m t s k t lu n sau: a N ng l l ng c a electrôn nguyên t hiđrô ph thu c vào s nguyên n, g i s Rh En = − ng t chính: n2 R h ng s Rydberg Ta nói r ng n ng l b N ng l c tr l tr h s ng b l ng t hóa ng c n thi t đ b t electrôn kh i nguyên t ng ion hóa n ng l E = E ∞ − E1 = Rh = 13,5eV Khi kích thích bên ngoài, electrôn tr ng thái n ng l ng th p nh t, g i ng thái c b n ó tr ng thái b n Khi có kích thích bên ngoài, electrôn thu thêm n ng ng nh y lên m c n ng l ng cao h n g i m c kích thích Nh ng electrôn ch ng thái m t th i gian ng n (10-8s), sau tr v tr ng thái n ng l ng En th p n phát b c x n t mang n ng l ng h , ngh a phát v ch quang ph có t n : ⎛ 1 ⎞ ⎟⎟ ν nn ' = R ⎜⎜ − n2 ⎠ ⎝ n' V i n’ =1, n = 2,3,4 ta đ c dãy Lyman n m vùng t ngo i V i n’ =2, n = 3,4 ta đ c dãy Balmer vùng ánh sáng nhìn th y V i n’ = 3, n = 4,5 ta đ c dãy Paschen n m vùng h ng ngo i d ng v i m t s l ng t n, t c v i m i m c n ng l ng En, ta có n2 tr ng thái l t khác ch a xét đ n spin, ta nói En suy bi n b c n2 ng e Hàm sóng c a electrôn nguyên t H n l m(r, n s l , ) = Rn l (r)Y l m( , ) ng t chính, l s l ng t qu đ o m s l ng t t T bi u th c c a hàm sóng ta tìm đ c xác su t tìm th y electrôn theo kho ng cách theo góc , ng v i tr ng thái l ng t khác Tính toán cho th y xác su t tìm electrôn nguyên t H t i kho ng cách tính t tâm r = a = 0,53 có giá tr l n nh t Giá tr trùng v i bán kính c n c a nguyên t H T ng i ta hình dung electrôn chuy n đ ng quanh h t nhân nguyên t H nh m t đám mây ám mây dày đ c nh t kho ng cách ng v i xác su t t n t i electrôn c c 155 Ch ng 8: V t lý nguyên t đ i Khái ni m qu đ o đ c thay th b ng khái ni m xác su t tìm h t Nguyên nhân l ng tính sóng h t c a electrôn Nguyên t kim lo i ki m Nguyên t kim lo i ki m hóa tr m t d dàng b iôn hóa Chúng có m t electrôn vòng cùng, electrôn chuy n đ ng tr ng th hi u d ng t o b i lõi nguyên t (g m h t nhân (Z-1) electrôn vòng trong) Tính ch t hóa h c c a kim lo i ki m v c b n gi ng c a nguyên t H, nh ng n ng l ng c a electrôn hóa tr ph thu c thêm c vào s l ng t l : E nl = − Rh (n + Δ l ) Trong v t lí nguyên t trang thái l ng t đ c kí hi u b ng nx, m c n ng l nX, n s l ng t chính, x X tùy thu c s l ng t qu đ o: l= x= s p d X= S P D S chuy n m c n ng l ng tuân theo qui t c: ng l = ±1 Ví d đ i v i Na, t n s b c x tuân theo công th c: Mômen đ ng l h = 3S – nP n = 4,5, l =1 h = 3P – nS n = 4,5, l = -1 ng qu đ o mômen t Electrôn quay quanh h t nhân không theo qu đ o xác đ nh, vect L h m i tr ng thái ng xác đ nh, nh ng có đ l n xác đ nh: L = l(l + 1) h hình chi u c a mômen đ ng l ng qu đ o L lên m t ph ng z b t kì đ c xác đ nh theo h th c: L z = mh , m s nguyên g i s l ng t t , có tr s m = 0,±1,±2,±3, ,±l , ngh a v i m i tr s cho tr c c a l có l + tr s c a m Electrôn quay quanh h t nhân t o thành dòng n, gi a mômen t mômen đ ng l ng qu đ o có m i liên h μ=− hình chi u lên ph e L 2m e ng z b t kì: μz = − e L z = − mμ B 2m e μ B = eh / 2m e manhêtôn Bohr Khi electrôn chuy n tr ng thái m ph i tuân theo qui t c l a ch n: m = 0,±1 156 Ch ng 8: V t lý nguyên t Hi u ng Zeeman: Hi n t ng tách v ch quang ph nguyên t phát sáng đ t t tr g i hi n t ng Zeeman Gi i thích: Khi nguyên t H đ t t tr ng ngoài, electrôn có thêm n ng l ng đ c ng ph ΔE = −μ z B = mμ B B N ng l ng E’ c a electrôn lúc ph thu c vào s l ng t t m: E ' = E + mμ B B Khi electrôn chuy n tr ng thái, t n s v ch quang ph phát b ng: ν' = E '2 − E1' E − E1 (m − m1 )μ B B + = h h h m2 – m1 = m = 0, ±1, ’ s có th có ba giá tr t quang ph ng ng v i s t o thành ba v ch Spin: Ngoài chuy n đ ng quay quanh h t nhân electrôn tham gia thêm chuy n đ ng v n đ ng n i t i, đ c đ c tr ng b i spin, kí hi u S ph ng z đ c xác đ nh theo h th c: S = s(s + 1) h s s l ng t spin (s=1/2), ms s l l ng t t ms ch l y hai giá tr ±1/2 l n c a S hình chi u c a lên Sz = m s h ng t hình chi u spin Khác v i s Spin đ i l ng thu n túy l ng t , s t ng đ ng c n D a vào khái ni m spin, ng i ta gi i thích đ c v ch kép đôi c a quang ph Na c u t o b i c a v ch quang ph Tr ng thái n ng l ng c a electrôn nguyên t Do có spin nên mômen đ ng l v i giá tr c a J b ng: J = j s l ng toàn ph n J c a electrôn b ng: J = L + S j( j + 1)h ng t toàn ph n đ c xác đ nh b i: j = l ± Do có xét đ n spin nên tr ng thái l ng t c a electrôn ph thu c vào b n s l ng t : n, l , m, ms hay n, l , m, j Hai tr ng thái l ng t đ c coi khác n u nh t m t b n s l ng t n, l , m, ms khác Trên ta tính đ c: ng v i m i s l ng t có n2 tr ng thái l ng t khác N u k đ n spin ms có giá tr : ±1/2 nên ng v i s l ng t n , có 2n2 tr ng thái l ng t khác nhau: n −1 ∑ (2l + 1) = 2n l=0 157 Ch ng 8: V t lý nguyên t S có m t mômen t spin c a electrôn cho phép gi i thích v ch kép đôi quang ph c a kim lo i ki m Các electrôn chuy n đ ng quanh h t nhân t o m t t tr ng đ c tr ng b i mômen t qu đ o c a electrôn Mômen t spin c a electrôn t ng tác v i t tr ng đó, t ng tác đ c g i t ng tác spin-qu đ o Do t ng tác này, s có m t n ng l ng ph b sung vào bi u th c n ng l ng c a electrôn N ng l ng ph ph thu c vào s đ nh h ng c a mômen spin nh v y n ng l ng ph thu c vào s l ng t toàn ph n j Nói cách khác, n ng l ng toàn ph n c a electrôn ph thu c vào ba s l ng t n, l j: En l j M i m c n ng l ng xác đ nh tách thành hai m c j = l -1/2 j = l +1/2, tr m c S ch có m t m c, l = Kho ng cách gi a hai m c n ng l ng r t nh C u trúc nh v y g i c u trúc t vi c a m c n ng l ng Khi chuy n t múc n ng l ng cao sang m c n ng l l = ±1 j = 0, ±1 ph i tuân theo qui t c l a ch n: D a vào qui t c l a ch n trên, ta gi i thích đ xét đ n spin ng th p, s l ng t l , j c v ch kép đôi b i ba có Gi i thích b ng tu n hoàn Mendeleev D a c s c a c h c l ng t , có th gi i thích qui lu t phân b electrôn b ng h th ng tu n hoàn S phân b electrôn b ng tu n hoàn d a hai nguyên lí: nguyên lí c c ti u n ng l ng nguyên lí lo i tr Pauli C u hình electrôn s phân b theo tr ng thái v i s l ng l ng t n, l khác T p h p electrôn có s l ng t n t o thành l p c a nguyên t Ví d : L p K ng v i n = 1, l p L ng v i n = S electrôn t i đa có m t l p b ng 2n2 (theo nguyên lí Pauli) N ng l ng l p K nh h n l p L Các electrôn s l p đ y l p K tr c r i m i đ n l p L M i l p l i chia nh thành nh ng l p v i l khác T p h p electrôn có giá tr l t o thành m t l p Trong m i l p có t i đa 2(2 l +1) electrôn Ví d : L p S ( l = 0) có t i đa 2(0 + 1) = 2eL p P ( l = 1) có t i đa 2(2 + 1) = 6e- D a vào b ng Mendeleev, ta vi t đ c c u hình electrôn nguyên t Ví d c u hình electrôn c a nguyên t C: 1s22s22p2 (có 2e- l p 1S, 2e- l p 2S 2e- l p 2P, e- ch a x p kín l p P, l p có th ch a t i đa 6e) IV CÂU H I LÍ THUY T Hãy nêu k t lu n c a c h c l a N ng l ng t vi c nghiên c u nguyên t Hiđrô v : ng c a electrôn nguyên t Hiđrô b C u t o v ch c a quang ph Hiđrô c suy bi n c a m c En 158 Ch ng 8: V t lý nguyên t Nêu s khác gi a nguyên t Hiđrô nguyên t kim lo i ki m v m t c u t o Vi t bi u th c n ng l ng c a electrôn hóa tr nguyên t Hiđrô nguyên t kim lo i ki m Nêu s khác gi a hai công th c Vi t qui t c l a ch n đ i v i s l ng t qu đ o l V n d ng qui t c đ vi t dãy v ch dãy v ch ph c a nguyên t Li Vi t bi u th c mômen đ ng l ng qu đ o L c a electrôn quanh h t nhân hình chi u Lz c a lên ph ng z Nêu ý ngh a c a đ i l ng công th c Vi t qui t c l a ch n cho m Bi u di n b ng s đ đ i l ng L Lz tr ng h p l =1 l =2 Vi t bi u th c mômen t μ c a electrôn quay quanh h t nhân hình chi u c a theo ph ng z Trình bày gi i thích hi n t ng Zeeman Trình bày nh ng s ki n th c nghi m nói lên s t n t i c a spin electrôn Vi t bi u th c xác đ nh mômen spin electrôn hình chi u c a ph ng z T d a vào thí nghi m Einstein de Haas, vi t bi u th c c a mômen t μ s bi u di n hình chi u c a μ s qua manhêtôn Bohr Hãy ch ng t r ng, n u xét đ n spin ng v i m c n ng l ng En c a electrôn nguyên t H, có th có 2n2 tr ng thái l ng t khác nh t m t b n s l ng t n, l , m, sz 10 nh ngh a c u hình electrôn 11 S phân b electrôn b ng tu n hoàn Mendeleev tuân theo nh ng nguyên lí nào? 12 Vi t c u hình electrôn cho nguyên t O, Al Gi i thích cách vi t nêu ý ngh a V BÀI T P Thí d 1: Xác đ nh b quang ph hiđrô Bài gi i: B c sóng c a v ch quang ph th hai, th ba dãy Paschen c sóng c a v ch th hai dãy Paschen: λ= B c = ν c ⎛ 1 ⎞ ⎟⎟ − R ⎜⎜ 52 ⎠ ⎝3 = 1,3.10 − m c sóng c a v ch th ba dãy Paschen: λ= c = ν c ⎛ 1 ⎞ R ⎜⎜ − ⎟⎟ 62 ⎠ ⎝3 = 1,1.10 − m 159 Ch ng 8: V t lý nguyên t Thí d 2: Tìm s b Rydberg đ i v i s h ng 3P c a nguyên t Na, bi t r ng th kích thích đ i v i tr ng thái th nh t b ng 2,1V n ng l ng liên k t c a electrôn hoá tr tr ng thái 3S b ng 5,14eV Bài gi i: Rh Theo đ bài: = 5,14 eV, (3 + Δ s )2 Thay R h ta tìm đ Rh (3 + Δ s )2 − Rh (3 + Δ p ) = 2,1 eV → Rh (3 + Δ p )2 = 3,04 eV c: Δ p = −0,88 Bài t p t gi i Xác đ nh đ ng n ng, th n ng n ng l ng c a electrôn nguyên t hiđrô chuy n đ ng qu đ o Bohr th nh t Cho bán kính qu đ o Bohr th nh t r1= 0,53.10-10m áp s : E=− Rh n2 =− 3,27.1015.6,625.10 −34 = −21,66.10 −19 J ( ke 9.10 1,6.10 −19 Et = − =− r1 0,53.10 −10 )2 = −43,47.10 −19 J Eđ = E – Et = 21,81 J Xác đ nh b c sóng l n nh t nh nh t dãy Paschen quang ph hiđrô áp s : λ= Xác đ nh b ph hiđrô áp s : B c ⎛ 1 ⎞ ⎟⎟ − R ⎜⎜ n2 ⎠ ⎝3 c = 1,88.10 − m ⎛ 1 ⎞ ⎟⎟ − R ⎜⎜ 42 ⎠ ⎝3 c λ = = 0,83.10 − m ⎛ 1 ⎞ ⎟⎟ R ⎜⎜ − ⎝ 32 ∞ ⎠ c sóng c a v ch quang ph th hai, th ba dãy Balmer quang c sóng c a v ch th hai dãy Balmer: λ 42 = B → λ max = c ⎛ 1 ⎞ ⎟⎟ − R ⎜⎜ ⎝ 22 42 ⎠ = 0,49.10 − m c sóng c a v ch th ba dãy Balmer: λ 52 = c ⎛ 1 ⎞ ⎟⎟ − R ⎜⎜ ⎝ 22 52 ⎠ = 0,437.10 − m 160 Ch ng 8: V t lý nguyên t Xác đ nh b ph hiđrô áp s : B c sóng c a v ch quang ph c sóng c a th hai dãy Lyman: λ 31 = B th hai th ba dãy Lyman quang c ⎛1 ⎞ R ⎜⎜ − ⎟⎟ ⎝ 12 ⎠ = 0,103.10 − m c sóng c a v ch quang ph th ba dãy Lyman: λ 41 = c ⎛1 ⎞ R ⎜⎜ − ⎟⎟ ⎝ 12 ⎠ = 0,98.10 − m Electrôn nguyên t hiđrô chuy n t m c n ng l ng th ba v m c n ng l nh t Xác đ nh b c sóng c a b c x n t phát áp s : E − E1 = Xác đ nh b ng th c hc Rh Rh ; E3 = − ; E1 = − →λ = = 1,03.10−7 m λ ⎛ ⎞ R⎜1 − ⎟ ⎝ 9⎠ c sóng l n nh t nh nh t dãy Lyman quang ph hiđrô áp s : λ= c ⎛1 ⎞ ⎟⎟ R ⎜⎜ − ⎝ 12 n ⎠ c → λ max = = 1,22.10 − m ⎛1 ⎞ ⎟⎟ R ⎜⎜ − ⎝ 12 2 ⎠ c λ = = 0,92.10 − m ⎛1 ⎞ ⎟⎟ R ⎜⎜ − ∞2 ⎠ ⎝1 Xác đ nh giá tr l n nh t giá tr nh nh t c a n ng l ph t ngo i c a nguyên t hiđrô (dãy Lyman) ng phôtôn phát quang ⎛ 1 ⎞ ⎟ = 10,2 (eV), hν max = Rh = 13,5 (eV) áp s : hν = Rh ⎜⎜ − ⎟ 12 ⎝ 12 2 ⎠ Xác đ nh giá tr kh d c a mômen đ ng l ng qu đ o c a electrôn nguyên t hiđrô b kích thích, cho bi t n ng l ng kích thích b ng E = 12eV áp s : Mômen đ ng l ng qu đ o c a electrôn: l = 0,1, 2, , n − , c n tìm n N ng l l ng kích thích E = 12eV n ng l L = l(l + 1)h , tr ng thái n : E n = − Rh , n ng n2 ng mà electrôn h p th đ nh y t tr ng thái c ng electrôn 161 Ch ng 8: V t lý nguyên t b n lên tr ng thái En → En – E1 = 12eV → − đó: L = 0, 2h , ⎛ Rh ⎞ − ⎜− ⎟ = 12 → n = V y l = 0,1, , n2 ⎝ ⎠ Rh 6h Phôtôn có n ng l ng 16,5eV làm b t electrôn kh i nguyên t b n Tính v n t c c a electrôn b t kh i nguyên t tr ng thái c ng n ng c a electrôn b t kh i nguyên t : áp s : mev2 = hν − E1 = 16,5 − 13,5 = (eV) → v = 10 m / s 10 N ng l ng liên k t c a electrôn hoá tr nguyên t Liti tr ng thái 2s b ng 5,59eV, tr ng thái 2p b ng 3,54eV Tính s b Rydberg đ i v i s h ng quang ph s p c a liti áp s : Rh (2 + Δ s ) = 5,39 eV, Rh (2 + Δ p )2 = 3,54 eV → Δ s = −0,41, Δ p = −0,04 11 Tìm b c sóng c a b c x phát nguyên t Li chuy n tr ng thái 3S bi t s b Rydberg đ i v i nguyên t Li: Δ s = −0,41, Δ p = −0,04 2S cho áp s : Không có s chuy n m c tr c ti p t 3S đ n 2S vi ph m qui t c l a ch n S chuy n tr ng thái đ c th c hi n nh sau: 1.3S 2P, phát ra b c x 0,82 m 2.2P 2S, phát b c x 0,68 m 12 Nguyên t Na chuy n t tr ng thái n ng l ng 4S 3S Tìm b c sóng c a b c x phát Cho s b Rydberg đ i v i Na b ng Δ s = −1,37, Δ p = −0,9 3P, = 5890A0, 3P áp s : 4S 3S, = 11400A0 13 B c sóng c a v ch c ng h ng c a nguyên t kali ng v i s chuy n d i 4P 4S 0 b ng 7665A B c sóng gi i h n c a dãy b ng 2858A Tìm s b Rydberg Δs Δp đ i v i kali áp s : R (4 + Δ s ) mà − R (4 + Δ s ) R (4 + Δ p ) = = c 7665.10 −10 c 2858.10 −10 → Δ s = −2,23, Δ p = −1,915 14 Tính đ l n c a mô men đ ng l ng qu đ o giá tr hình chi u c a mômen đ ng l ng qu đ o c a electrôn nguyên t tr ng thái f 162 Ch ng 8: V t lý nguyên t áp s : Tr ng thái f ng v i l = Các giá tr c a m = 0, ±1, ±2, ±3 Gía tr hình chi u mômen đ ng l ng qu đ o LZ = 0, ± h, ± 2h, ± 3h l n mômen đ ng l ng qu đ o: L = l(l + 1)h = 3h 15 Nguyên t hiđrô tr ng thái c b n h p th phôtôn mang n ng l ng 10,2eV nh y lên tr ng thái kích thích n Tìm đ bi n thiên mômen đ ng l ng qu đ o c a electrôn, bi t tr ng thái kích thích c a electrôn tr ng thái p áp s : Tr ng thái c b n s có l = , tr ng thái kích thích p có l = T công th c L = l(l + 1)h → ΔL = 2h 163 Ph l c PH M TS L C H NG S V T LÝ C H ng s V n t c ánh sáng chân không i n tích nguyên t B N Ký hi u Gía tr c 3.108m/s e 1,6.10-19C Kh i l ng electrôn me 9,11.10-31kg = 5,49.10-4u Kh i l ng prôtôn mp 1,67.10-27kg = 1,0073u Kh i l ng n trôn mn 1,68.10-27kg = 1,0087u h 6,625.10-34J.s c 2,426.10-12m H ng s Placnk B c sóng Compton c a electrôn H ng s Avogadro NA 6,023.1023mol-1 H ng s Boltzman k 1,38.10-23J/K 5,67.10-8 W/m2K4 H ng s Stephan – Boltzman H ng s Wien b 2,868.10-3 m.K H ng s Rydberg R 3,29.1015s-1 Bán kính Bohr rB 0,529.10-10m B Manhêtôn Bohr B B 164 9,27.10-24J/T Tài li u tham kh o TÀI LI U THAM KH O 1.V t lí đ i c ng, t p I, II, III - L ng Duyên Bình, Ngô Phú An, Lê B ng S Nguy n H u T ng Nhà xu t b n Giáo d c - 2003 ng C s V t lí, T p VI - Halliday, Resnick, Walker Nhà xu t b n Giáo d c 1998 b n V t lí đ i c ng, t p I, II, III i h c Bách khoa Hà N i - 2001 Bài t p V t lí ic ng Quang Khang Nguy n Xuân Chi Nhà xu t ng t p I, II, III - L 1999 165 ng Duyên Bình Nhà xu t b n Giáo d c - M cl c M CL C L I NÓI Ch U .3 U ng I: DAO NG I N T I M C ÍCH - YÊU C U U II N I DUNG: §1 DAO NG I N T I U HOÀ .5 §2 DAO NG I N T T T D N .8 §3 DAO NG I N T C §4 S T NG H P DAO NG B C 10 NG .12 III TÓM T T N I DUNG 17 IV CÂU H I LÍ THUY T 19 V BÀI T P 19 Ch ng II: GIAO THOA ÁNH SÁNG .24 I M C ÍCH - YÊU C U 24 U II N I DUNG 24 §1 C S C A QUANG H C SÓNG .24 §2 GIAO THOA ÁNH SÁNG 28 §3 GIAO THOA GÂY B I B N M NG .31 §4 NG D NG HI N T NG GIAO THOA .34 III TÓM T T N I DUNG 36 IV CÂU H I LÍ THUY T 38 V BÀI T P 38 Ch ng III: NHI U X ÁNH SÁNG .45 I M C ÍCH - YÊU C U 45 U II N I DUNG 45 §1 NHI U X ÁNH SÁNG C A SÓNG C U 45 U §2 NHI U X ÁNH SÁNG C A SÓNG PH NG 49 III TÓM T T N I DUNG 54 IV CÂU H I LÍ THUY T 56 V BÀI T P 56 Ch ng IV: PHÂN C C ÁNH SÁNG 61 I M C ÍCH - YÊU C U 61 U 166 M cl c II N I DUNG 61 §1 ÁNH SÁNG PHÂN C C 61 §2 PHÂN C C DO L NG CHI T 65 §3 KÍNH PHÂN C C 66 §4 ÁNH SÁNG PHÂN C C ELIP 68 §5 S QUAY M T PH NG PHÂN C C 71 III TÓM T T N I DUNG 73 IV CÂU H I LÍ THUY T 76 V BÀI T P 77 Ch ng V: THUY T T NG I H P EINSTEIN 81 I M C ÍCH - YÊU C U 81 U II N I DUNG 81 §1 CÁC TIÊN §2 EINSTEIN 81 NG H C T NG I TÍNH – PHÉP BI N §3 CÁC H QU C A PHÉP BI N § NG L C H C T NG I LORENTZ 82 I LORENTZ 84 I 87 III TÓM T T N I DUNG 90 IV CÂU H I LÍ THUY T 91 V BÀI T P 92 Ch ng VI: QUANG H C L NG T 95 I M C ÍCH - YÊU C U 95 U II N I DUNG 95 §1 B C X NHI T 95 §2 CÁC NH LU T PHÁT X C A V T EN TUY T §3 THUY T L §4 HI N T §5 HI U NG T I 98 PLANCK VÀ THUY T PHÔTÔN EINSTEIN 99 NG QUANG I N 101 NG COMPTON 104 III TÓM T T N I DUNG 106 IV CÂU H I LÍ THUY T 109 IV BÀI T P 110 Ch ng VII: C H CL NG T 116 I M C ÍCH - YÊU C U 116 U II N I DUNG 116 §1 L NG TÍNH SÓNG H T C A VI H T 116 §2 H TH C B T NH HEISENBERG 119 §3 HÀM SÓNG 120 167 M cl c §4 PH §5 NG TRÌNH SCHRODINGER 122 NG D NG C A PH NG TRÌNH SCHRODINGER 124 III TÓM T T N I DUNG 131 IV CÂU H I LÍ THUY T 133 V BÀI T P 133 Ch ng VIII: V T LÍ NGUYÊN T .138 I M C ÍCH - YÊU C U 138 U II N I DUNG 139 §1 NGUYÊN T HI RÔ 139 §2 NGUYÊN T KIM LO I KI M .144 §3 MÔMEN NG L NG V MÔMEN T C A ELECTRÔN .146 §4 SPIN C A ELECTRÔN .149 §5 B NG H TH NG TU N HOÀN MEN ÊLEEV 153 III TÓM T T N I DUNG 155 IV CÂU H I LÍ THUY T 158 V BÀI T P 159 PH L C 164 TÀI LI U THAM KH O 165 M C L C 166 168