Bài giảng vật lý hiện đại P2

Vật lý Hiện đại (Modern Physics) Giảng viên: TS Nguyễn Văn Thái NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn -0- Giới thiệu mơn học  Mục đích môn học (Objectives)  Cung cấp kiến thức bổ sung cho học phần ứng dụng Kỹ thuật Hạt nhân  Kiến thức tượng xảy nguyên tử, lý thuyết tương đối Anhxtanh áp dụng Kỹ thuật Hạt nhân  Các môn học cần thiết (Pre-requisites)  Vật lý I&II NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn -1- Giới thiệu môn học  Nội dung môn học  Tuần 1: Lý thuyết tương đối tính tập  Tuần 2: Lý thuyết tương đối tính tập (tiếp)  Tuần 3: Vật lý nguyên tử  Tuần 4: Vật lý nguyên tử (tiếp)  Tuần 5: Vật lý nguyên tử (tiếp)  Tuần 6: Vật lý nguyên tử (tiếp)  Tuần 7: Máy phát lượng tử  Tuần 8: Máy phát lượng tử (tiếp) NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn -2- Giới thiệu mơn học  Giáo trình tài liệu tham khảo Vật lý đại, Ronald Gautreau and William Savin (Ngô Phú An Lê Băng Sương dịch), Nhà Xuất Giáo dục, 2003 Vật lý đại cương, tập phần I Lương Duyên Bình (chủ biên) Nhà Xuất Giáo dục, 2009 Vật lý đại cương, tập phần II Đỗ Trần Cát, Đặng Quang Khang, Nguyễn Văn Trị, Phùng Văn Trình, Nguyễn Cơng Vân Nhà Xuất Giáo dục, 2009 NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn -3- Vật lý Nguyên tử           Phổ Hydro Lý thuyết Bohr nguyên tử Hydro Hiện tượng phát xạ lý thuyết Bohr Giản đồ mức lượng Các nguyên tử đồng dạng Hydro Nguyên tử kim loại kiềm Chuyển động quỹ đạo electron hiệu ứng Zeeman Spin electron Các nguyên tử nhiều electron Nguyên lý loại trừ Pauli Huỳnh quang tia X ứng dụng NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn -4- Vật lý Nguyên tử           Phổ Hydro Lý thuyết Bohr nguyên tử Hydro Hiện tượng phát xạ lý thuyết Bohr Giản đồ mức lượng Các nguyên tử đồng dạng Hydro Nguyên tử kim loại kiềm Chuyển động quỹ đạo electron hiệu ứng Zeeman Spin electron Các nguyên tử nhiều electron Nguyên lý loại trừ Pauli Huỳnh quang tia X ứng dụng NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn -5- Vật lý Nguyên tử  Phổ Hydro  Vào cuối kỉ trước nhiều cơng trình thực nghiệm tiến hành nhằm nghiên cứu phổ gián đoạn xạ phát trình phóng điện chất khí  Những phép đo quang phổ xác chứng tỏ phổ Hydro phổ đơn giản số phổ ngun tố, điều khơng có ngạc nhiên  Người ta phát thấy vạch vùng nhìn thấy khơng nhìn thấy xếp cách có hệ thống thành nhiều dãy NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn -6- Vật lý Nguyên tử  Phổ Hydro  Điều ngạc nhiên tất bước sóng xạ ngun tử hiđrơ phát tìm thấy từ công thức thực nghiệm đơn giản  Công thức Rydberg   = R −  n  λ n u   l R = 1,0967758 × 10 −3 (Å-1) nl = nu = 2, 3, 4, cho dãy Lyman (tử ngoại) nl = nu = 3, 4, cho dãy Balmer (nhìn thấy) nl = nu = 4, 5, cho dãy Paschen (hồng ngoại) nl = nu = 5, 6, cho dãy Brackett (hồng ngoại xa) tiếp tục dãy hồng ngoại xa khác NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn -7- Vật lý Nguyên tử           Phổ Hydro Lý thuyết Bohr nguyên tử Hydro Hiện tượng phát xạ lý thuyết Bohr Giản đồ mức lượng Các nguyên tử đồng dạng Hydro Nguyên tử kim loại kiềm Chuyển động quỹ đạo electron hiệu ứng Zeeman Spin electron Các nguyên tử nhiều electron Nguyên lý loại trừ Pauli Huỳnh quang tia X ứng dụng NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn -8- Vật lý Nguyên tử  Lý thuyết Bohr nguyên tử Hydro  Năm 1913 Niels Bohr xây dựng lí thuyết vật lí nguyên tử Hydro từ suy cơng thức Rydberg  Mẫu Bohr nguyên tử Hydro dựa mẫu hành tinh, electrơn, hạt mang điện âm chuyển động theo quỹ đạo xung quanh hạt nhân nặng mang điện dương NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn -9- Vật lý Nguyên tử  Huỳnh quang tia X ứng dụng  Quá trình tạo phổ tia X đặc trưng NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn - 78 - Vật lý Nguyên tử  Huỳnh quang tia X ứng dụng  Hệ thức Moseley  Năm 1913 H Moseley tìm thấy tần số v quan sát dãy xạ Roentgen K L thỏa mãn hệ thức v2 = A(Z − Z0 )  Z nguyên tử số vật liệu làm bia, A Z0 số phụ thuộc vào chuyển dời quan sát  Với dãy K, thực nghiệm người ta tìm thấy Z0 = 1, giá trị A thay đổi tương đối ít, tùy theo chuyển dời quan sát Kα, Kβ v.v  Với dãy L, Z0 = 7,4 A thay đổi theo chuyển dời Lα, Lβ v.v NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn - 79 - Vật lý Nguyên tử  Huỳnh quang tia X ứng dụng  Hệ thức Moseley  Dạng biểu thức Moseley suy từ mẫu kiểu Bohr 1/ A Kα  3 =  cR∞   4 A Lα   =  cR∞   36    m   =   × 10  1,097 × 107  m  s    1/ 1/   m   =   × 10  1,097 × 107  s  m   36  = ,97 × 107 Hz / 1/ = ,14 × 107 Hz /  Các giá trị tương đối phù hợp với kết thực nghiệm sử dụng tốn có liên quan đến hệ thức Moseley, có dẫn ngược lại NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn - 80 - Vật lý Nguyên tử  Huỳnh quang tia X ứng dụng  Hệ thức Moseley  Mặc dù mẫu Bohr phát triển để nghiên cứu nguyên tử tự thể khí người ta thử áp dụng mẫu để giải thích tính chất nguyên tử môi trường rắn chúng chịu tác dụng tương tác mạnh  Nguyên nhân chuyển dời tia X xảy electron mức lượng thấp chịu liên kết mạnh với hạt nhân  Khi nguyên tử liên kết để tạo thành vật rắn lượng electron vỏ khác với lượng mà chúng có, ngun tử trạng thái khí  Năng lượng electron vỏ không chịu biến đổi chúng bị liên kết mạnh NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn - 81 - Vật lý Nguyên tử  Huỳnh quang tia X ứng dụng  Sự gián đoạn trình hấp thụ tia X  Khi chùm tia X truyền qua chất, số photon tương tác với nguyên tử chất số photon bị hấp thụ  Các loại tương tác quan trọng làm giảm cường độ chùm Roentgen nằm vùng từ 1-100 keV nên chúng khơng thể gây q trình tạo cặp (năng lượng tạo cặp cần thiết ≥ 1000 keV)  Như cường độ chùm tia X bị giảm hai hiệu ứng đầu hiệu ứng quang điện chiếm ưu NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn - 82 - Vật lý Nguyên tử  Huỳnh quang tia X ứng dụng  Sự gián đoạn trình hấp thụ tia X  Cường độ I chùm tia X đơn sắc sau truyền qua khoảng cách x vật liệu cho trước biểu diễn theo cơng thức I = I e − µx  với I0 cường độ chùm tới µ hệ số hấp thụ vật liệu  Giá trị µ phụ thuộc đồng thời vào nguyên tử vật liệu bia lượng photon X NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn - 83 - Vật lý Nguyên tử  Huỳnh quang tia X ứng dụng  Sự gián đoạn trình hấp thụ tia X  Giả sử vật liệu bia cho trước µ đo tùy thuộc vào lượng photon tới  Khi lượng tăng, hệ số hấp thụ giảm photon lượng cao có khả bị tán xạ Compton  Quá trình giảm µ tiếp tục lượng photon tia X lượng liên kết electron vỏ  Lúc nhiều electron sẵn sàng tham gia vào hiệu ứng quang điện kéo theo giảm đột ngột cường độ chùm tia X truyền qua hay nói cách khác kéo theo tăng đột ngột hệ số hấp thụ NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn - 84 - Vật lý Nguyên tử  Huỳnh quang tia X ứng dụng  Sự gián đoạn trình hấp thụ tia X  Việc biến đổi đột ngột µ xảy lượng photon lượng liên kết electron vỏ thể điểm gián đoạn đường cong hấp thụ  Việc đo điểm gián đoạn K, L, cho phép xác định lượng liên kết electron thuộc vỏ tương ứng  Thực tế chỗ gián đoạn, trừ điểm gián đoạn K, bao gồm nhiều pic gần tương ứng với cấu trúc tinh tế mức lượng NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn - 85 - Vật lý Nguyên tử  Huỳnh quang tia X ứng dụng  Hiệu ứng Auger  Trong lập luận giả sử quang electron sinh photon tia X truyền đến từ nguồn bên ngồi  Tuy nhiên xảy trường hợp photon tia X phát chuyển dời bên nguyên tử, bị electron ngun tử hấp thụ; kết electron bị bứt khỏi nguyên tử  Các quang electron sản sinh gọi electron Auger theo tên nhà bác học Pháp phát q trình NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn - 86 - Vật lý Nguyên tử  Huỳnh quang tia X ứng dụng  Huỳnh quang tia X  Các photon tia X sử dụng để kích thích để bứt electron từ vỏ  Khi nguyên tử trở trạng thái bản, chuyển dời xảy kèm theo việc phát photon tia X phụ với lượng bé lượng photon tới  Hiện tượng gọi tượng huỳnh quang tia X NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn - 87 - Vật lý Nguyên tử  Huỳnh quang tia X ứng dụng  Ứng dụng NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn - 88 - Vật lý Nguyên tử  Huỳnh quang tia X ứng dụng  Ứng dụng NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn - 89 - Vật lý Nguyên tử  Huỳnh quang tia X ứng dụng  Ứng dụng  X-ray fluorescence can provide high sensitivity with small samples  Spectrum taken from ul (1 mm3) of blood  Concentrations are given in parts per million NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn - 90 - Câu hỏi & Giải đáp NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn - 91 - Atoms for Peace and for the Next Generation Safe, Reliable, Peaceful, and Sustainable Use of Nuclear Power NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn - 92 - ... 1: Lý thuyết tương đối tính tập  Tuần 2: Lý thuyết tương đối tính tập (tiếp)  Tuần 3: Vật lý nguyên tử  Tuần 4: Vật lý nguyên tử (tiếp)  Tuần 5: Vật lý nguyên tử (tiếp)  Tuần 6: Vật lý nguyên... NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn - 26 - Vật lý Nguyên tử  Các nguyên tử đồng dạng Hydro  Ví dụ: Giản đồ mức lượng H, He+ Li2+ NE2010: Vật lý Hiện đại. .. khác NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn -7- Vật lý Nguyên tử           Phổ Hydro Lý thuyết Bohr nguyên tử Hydro Hiện tượng phát xạ lý thuyết