Cơ sở vật lý điện quang

C Ch S V T LÝ I N (T ) ậ QUANG ng 9: Tính ch t l ng t c a ánh sáng B c x nhi t - Các đ nh lu t v b c x nhi t B c x nhi t B c x nhi t s b c x c a v t nung nóng Trong trình này, v t nh n n ng l ng nhi t t môi tr ng xung quanh b c x môi tr ng y, tr ng thái c a v t không b thay đ i c m quan tr ng nh t c a b c x nhi t cho phép phân bi t v i lo i b c x khác s cân b ng b c x H kín tr ng thái cân b ng b c x có nhi t đ không đ i đ i l ng đ c tr ng cho trình b c x nhi t h Tr ng thái b c x nhi t (thành ph n ph c ng đ b c x ) ph thu c vào nhi t đ c a v t vào b n ch t c a v t Các đ nh lu t v b c x nhi t nh lu t Kirchoff “T s c a n ng su t b c x riêng ph n h s h p th riêng ph n c a m t v t m t h ng s không ph thu c vào b n ch t c a v t mà ch ph thu c vào b c sóng c a b c x nhi t đ c a v t” N ng su t b c x riêng ph n e ,T n ng l ng phát m t đ n v th i gian t m t đ n v di n tích b m t v t nhi t đ T theo m i ph ng m t đ n v b c sóng lân c n b c sóng  H s h p th riêng ph n: a  ,T  d : thông l d d ng b c x có b c sóng n m kho ng m t đ n v b c sóng c sóng  t i m t đ n v di n tích b m t v t có nhi t đ T t m i lân c n b ph ng d : ph n quang thông b b m t h p th   ,T đ c g i m t đ thông l ng riêng ph n c a tr ng b c x - m t đ thông l ng c a tr ng b c x , m t đ n v b c sóng lân c n b c sóng , qua m t đ n v di n tích đ nh h ng b t k , m t đ n v th i gian H qu : - m t nhi t đ , v t h p th m nh b c sóng c ng có kh n ng phát x m nh b c sóng - i v i v t đen t đ i (v t có a  ,T  m i b c sóng nhi t đ ): e ,T    ,T N ng su t b c x riêng ph n c a v t đen t đ i m t h ng s không ph thu c vào b n ch t c a v t mà ch ph thu c vào b c sóng c a b c x nhi t đ c a v t Nói khác đi, m t đ thông l ng b c x riêng ph n c a tr ng b c x cân b ng nhi t đ T b ng n ng su t riêng ph n c a v t đen t đ i nhi t đ - N ng su t b c x riêng ph n c a m t v t không ph i v t đen t đ i luôn nh h n n ng su t b c x riêng ph n c a v t đen t đ i nhi t đ V t đen t đ i v t b c x lý t ng - i l ng quan tr ng nh t lý thuy t b c x nhi t hàm m t đ thông l ng riêng ph n c a tr ng b c x   ,T nhi t đ T, b c sóng  V i đ nh lu t Kirchoff, v th c nghi m, ta có th xác đ nh hàm   ,T b ng cách đo n ng su t b c x riêng ph n c a v t đen t đ i nhi t đ T, b c sóng  K t qu th c nghi m cho th y đ th hàm   ,T có d ng nh sau: Nh n xét: - D ng đ ng cong h u nh không thay đ i nhi t đ khác ng cong có m t c c đ i max ,   ,T  Khi t ng nhi t đ , c c đ i t ng b d ch chuy n v phía b c sóng ng n V n đ đ t cho nghiên c u lý thuy t b c x nhi t làm th đ đ a đ c công th c   ,T phù h p v i th c nghi m nh lu t Stefan - Boltzmann N ng su t b c x toàn ph n c a v t đen t đ i t l v i l y th a b c c a nhi t đ t đ i c a v t  T  T v i   5,6687 10 8 W / m2 / K (xác đ nh b ng th c nghi m) nh lu t d ch chuy n Wien B c sóng  max ng v i c c đ i c a n ng su t b c x c a v t đen t đ i bi n thiên t l ngh ch v i nhi t đ t đ i c a max max  b T v i b  2896 m.K (xác đ nh b ng th c nghi m) N ng su t b c x  max ng v i c c đ i c a đ ng cong phân b n ng l ng b c x theo ph c a v t đen t đ i, t ng t l v i lu th a b c c a nhi t đ t đ i c a  m ax ,T  BT v i B  1,301.10 11W.m2 K 5 m1 (xác đ nh b ng th c nghi m) Công th c Planck Công th c Wien D a nguyên lý nhi t đ ng h c, Wien đ a công th c:   ,T  C1 5 e  C2 T v i h ng s C1, C2 đ c xác đ nh b ng th c nghi m Công th c Wien mô t xác đ ng cong th c nghiêm  T v phía sóng ng n nh ng không mi n b c sóng dài Công th c Rayleigh – Jeans Xu t phát t lý thuy t n t h c, v i mô hình dao đ ng t u hòa đ nh lu t phân b đ u n ng l ng theo b c t do, Rayleigh Jeans đ a công th c:   ,T  2c 4 kT Công th c Rayleigh – Jeans mô t đ ng cong th c nghi m  T v phía sóng dài nh ng hoàn toàn sai v phía sóng ng n (th m ho t ngo i) Công th c Planck Planck đ a công th c c a v i gi thuy t n ng l ng (c ng nh n l ng) có c u trúc gián đo n N ng l ng b c x /h p th c a m t dao đ ng t không th có m t tr s b t k mà bao gi c ng b i s nguyên c a m t n ng l ng nguyên t (g i l ng t n ng l ng) L ng t n ng l ng t n s  có tr s b ng h , v i h m t h ng s (h ng s Planck) Công th c Planck có d ng:   ,T  2hc  e hc kT v i h  6,62517 10 34 J s 1 Công th c Planck phù h p m t cách xác v i đ ng cong th c nghi m  T , m i nhi t đ có th đ t đ c m i b c sóng có th đo đ c i u xác nh n s đ n c a gi thuy t l ng t n ng l ng c a Planck T công th c Planck, ta có th suy công th c Rayleigh - Jeans, công th c Wien, đ nh lu t Stefan - Boltzmann đ nh lu t d ch chuy n Wien Hi u ng quang n Hi u ng quang n (ngoài) hi n t ng n t b b t kh i b m t v t li u đ c chi u sáng thích h p Các quy lu t th c nghi m: - V i m t lo i v t li u xác đ nh, t n t i m t t n s ng ng (gi i h n đ c a hi u ng quang n) d c đ th đ ng n ng c c đ i c a quang n t theo t n s Kmax ( ) không ph thu c lo i v t li u - C ng đ dòng quang n bão hoà t l v i c ng đ chùm sáng - Hi u ng quang n h u nh quán tính Gi thuy t l ng t ánh sáng c a Einstein Thuy t sóng n t ánh sáng không th gi i thích đ c th a đáng quy lu t c a hi u ng quang n N m 1905, Einstein đ a gi thuy t cho r ng n ng l ng v n chuy n chùm sáng không phân b đ u m t sóng mà t p trung vào m t ph n r t nh c a m t sóng t c vào m t l ng t ánh sáng (sau đ c g i photon) Ánh sáng đ n s c t n s  truy n chân không t ng ng v i m t chùm l ng t ánh sáng hay photon Các photon chuy n đ ng v i v n t c ánh sáng c mang n ng l ng: E  h v i h h ng s Planck C ng đ chùm sáng đ n s c t l thu n v i s photon chùm V i n ng l ng thích h p, t ng tác v i m t n t , photon s truy n h t n ng l ng c a cho n t b h y (b h p th tr n v n) V i gi thuy t l ng t ánh sáng c a Einstein, quy lu t c a hi u ng quang n có th đ c gi i thích đ n gi n nh sau: thoát kh i b m t v t li u, n t ph i có n ng l ng nh t b ng công thoát Ae N u n ng l ng n t nh n đ c t photon h nh h n Ae không th b t kh i b m t v t li u đ c Nh v y, t n t i m t t n s ng ng  v i h  Ae Ch v i ánh sáng có    , n t m i nh n đ n ng l ng đ b t kh i m t v t li u Ae đ i l ng đ c tr ng cho t ng lo i v t li u nên  c ng v y không ph thu c c ng đ ánh sáng t i - Khi n t h p th m t photon h , theo đ nh lu t b o toàn n ng l ng: K max  h  Ae (ph ng trình quang n Einstein) h  Ae  K max Thay K max  eVs Ae  h  Vs     h e d c c a đ th Vs   h / e  const không ph thu c lo i v t li u - C ng đ dòng quang n bão hòa (    ) N u N s photon chùm sáng đ n s c t i có t n s  c ng đ c a chùm sáng I  aNh v i a h s t l Gi s s N photon t i ch có kN ( k  ) gây hi u ng quang n, ph n l i b h p th chuy n thành nhi t M i photon gây hi u ng quang n s làm b t m t n t c ng đ dòng quang n bão hòa i b ng: i  kNe v i N  I ah i ke I  I ahv - Khi h p th photon, n t nh n đ c toàn b n ng l ng c a photon có th b t kh i b m t v t li u l p t c v y hi u ng quang n quán tính Khi Einstein đ a gi thuy t photon (1905), đ c m th c nghi m v hi u ng quang n c n ch a r ràng, đ y đ S ph thu c n tính c a Vs vào t n s ánh sáng t i đ c kh ng đ nh nh thí nghi m c a Millikan (1916) Trong thí nghi m này, Millikan xác đ nh đ c giá tr t s h e , t tính đ c giá tr c a h ng s h phù h p v i ph ng pháp khác Gi thuy t c a Einstein đ c ki m ch ng hoàn toàn Einstein đ c nh n gi i Nobel cho công trình nghiên c u hi u ng quang n vào n m 1921 Hi u ng Compton N m 1923, Compton nghiên c u s tán x tia X nh ng nguyên t nh nh n th y r ng tia X tán x , thành ph n b c sóng tia X t i, có thành ph n có b c sóng khác S thay đ i b c sóng (t n s ) c a tia X tán x nguyên t nh đ c g i hi u ng Compton Thí nghi m Compton: Chùm tia X đ n s c b c sóng 0, g n nh song song t i đ p vào bia graphite Ph n tia X tán x theo góc đ c thu nh n phân tích b ng m t máy quang ph tia X Trên ph thu đ c, v ch xu t hi n v ch ’= + có c ng đ nh h n d ch chuy n b c sóng không ph thu c vào v t li u bia, nh ng t ng theo góc tán x theo h th c: o v i k  0.0241 A h ng s xác đ nh b ng th c nghi m, đ c g i b c sóng Compton Gi i thích: d ch chuy n b c sóng không ph thu c b n ch t v t tán x ch ng t hi u ng Compton không liên quan đ n h t nhân nguyên t mà ch liên quan đ n n t nguyên t C ng đ v ch tán x Compton l n đ i v i nguyên t nh cho th y r ng n t gây hi u ng nh ng n t liên k t y u v i h t nhân m t cách g n có th đ c xem nh ng n t t V i gi thuy t l ng t ánh sáng, t ng tác gi a tia X v i v t li u tán x có th đ c xem va ch m đàn h i gi a photon X v i n t t v t li u v y ta có th áp d ng đ c đ nh lu t b o toàn n ng l ng đ nh lu t b o toàn xung l ng Tính toán lý thuy t theo quan ni m nói cho k t qu phù h p v i th c nghi m: L ng tính sóng h t c a ánh sáng Ánh sáng m t th c th v t lý, bi u hi n tính ch t sóng (giao thoa, nhi u x , phân c c), bi u hi n tính ch t h t (hi u ng quang n, hi u ng Compton) Sóng-h t hai m t đ i l p nh ng song song t n t i th c th ánh sáng L ng tính sóng-h t c ng tính ch t chung cho m i h t c b n khác Theo thuy t sóng, c ng đ chùm sáng t l v i bình ph ng biên đ ch n đ ng sáng Theo thuy t h t, c ng đ chùm sáng t l v i s photon Trên th c t , ng i ta ch ý t i phân b c ng đ sáng, t c phân b s l ng photon Bình ph ng biên đ ch n đ ng sáng t i m t m đ c xem t l v i xác su t tìm th y photon t i m ... đ c a hi u ng quang n) d c đ th đ ng n ng c c đ i c a quang n t theo t n s Kmax ( ) không ph thu c lo i v t li u - C ng đ dòng quang n bão hoà t l v i c ng đ chùm sáng - Hi u ng quang n h u nh... N photon t i ch có kN ( k  ) gây hi u ng quang n, ph n l i b h p th chuy n thành nhi t M i photon gây hi u ng quang n s làm b t m t n t c ng đ dòng quang n bão hòa i b ng: i  kNe v i N  I... n n ng su t b c x riêng ph n c a v t đen t đ i nhi t đ V t đen t đ i v t b c x lý t ng - i l ng quan tr ng nh t lý thuy t b c x nhi t hàm m t đ thông l ng riêng ph n c a tr ng b c x   ,T nhi