BÀI GIẢNG VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG TẬP II: ĐIỆN TỪ – QUANG – LƯỢNG TỬ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Khoa Điện-Điện tử BỘ MÔN VẬT LÝ Phan Văn Tiến, Phan Nhật Nguyên, Lê Văn Hảo BÀI GIẢNG VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG TẬP II: ĐIỆN TỪ – QUANG – LƯỢNG TỬ NHA TRANG, THÁNG NĂM 2017 MỤC LỤC CHƯƠNG 8: TRƯỜNG TĨNH ĐIỆN I Các khái niệm mở đầu II Định luật Coulomb tương tác tĩnh điện III Trường tĩnh điện IV Định lí Ostrogradsky – Gauss (O – G) điện trưòng 14 V Điện 22 VI Năng lượng điện hệ điện tích điểm 27 VII Vật dẫn 28 VIII Năng lượng điện trường 30 IX Hiện tượng điện hưởng 31 X Hiện tượng phân cực điện môi 32 XI Hiện tượng áp điện 33 XII Chất bán dẫn 34 CÔNG THỨC VẬT LÝ CHƯƠNG 37 CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM CHƯƠNG 40 CHƯƠNG 9: TỪ TRƯỜNG 44 I Dòng điện 44 II Định luật Biot – Savart – Laplace 46 III Định lí Ostrogradsky – Gauss ( O – G ) từ trưòng 54 IV Định lí Ampere 57 V Định luật Ampere tương tác từ 58 VI Vật liệu từ 62 CÔNG THỨC VẬT LÝ CHƯƠNG 64 CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM CHƯƠNG 67 CHƯƠNG 10: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ 70 I Hiện tượng cảm ứng điện từ 70 II Luận điểm thứ Maxwell 78 III Luận điểm thứ hai Maxwell 79 IV Trường điện từ 81 V Sóng điện từ 84 CÔNG THỨC VẬT LÝ CHƯƠNG 10 87 CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM CHƯƠNG 10 89 CHƯƠNG 11: QUANG HỌC SÓNG 92 I Bản chất sóng điện từ ánh sáng 92 II Nguồn kết hợp 92 III Giao thoa ánh sáng gây hai nguồn kết hợp 93 IV Khảo sát tượng giao thoa gây khe Young 95 V Hiện tượng giao thoa gây gương Lloyd 96 VI Giao thoa gây mỏng có bề dày thay đổi - Nêm khơng khí 97 VII Nguyên lý Huyhgen – Fresnel 98 VIII Nhiễu xạ qua lỗ tròn gây nguồn điểm gần 101 IX Nhiễu xạ qua đĩa tròn 103 X Nhiễu xạ qua khe hẹp gây chùm tia đơn sắc song song 103 XI Nhiễu xạ qua cách tử 105 XII Ánh sáng tự nhiên ánh sáng phân cực 107 XIII Sự phân cực lưỡng chiết 108 XIV Sự phân cực ánh sáng phản xạ khúc xạ 109 XV Sự quay mặt phẳng phân cực 110 CÔNG THỨC VẬT LÝ CHƯƠNG 11 114 CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM CHƯƠNG 11 115 CHƯƠNG 12: LÍ THUYẾT LƯỢNG TỬ - CƠ HỌC LƯỢNG TỬ 117 I Bức xạ nhiệt 117 II Thuyết lượng tử ánh sáng Einstein 121 III Lưỡng tính sóng hạt ánh sáng 125 IV Lưỡng tính sóng hạt vi hạt 127 V Nguyên lí bất định Heisenberg 128 VI Phương trình Schrodinger 128 VII Hạt giếng 129 VIII Nguyên tử Hydro 131 IX Mơmen động lượng tồn phần 139 X Laser 142 CÔNG THỨC VẬT LÝ CHƯƠNG 12 145 CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM CHƯƠNG 12 150 ĐÁP ÁN CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM 152 Đáp án câu hỏi trắc nghiệm Chương 152 Đáp án câu hỏi trắc nghiệm Chương 152 Đáp án câu hỏi trắc nghiệm Chương 10 152 Đáp án câu hỏi trắc nghiệm Chương 11 152 Đáp án câu hỏi trắc nghiệm Chương 12 152 TÀI LIỆU THAM KHẢO 153 CHƯƠNG 8: TRƯỜNG TĨNH ĐIỆN I Các khái niệm mở đầu I.1 Điện tích nguyên tố Mọi vật cấu tạo từ nguyên tử, đến lượt nguyên tử cấu tạo từ ba hạt bản: a/ Hạt electron ( e- ): - Có khối lượng: me = 9,1.10-31 kg - Có điện tích: e = -1,6 10-19 C b/ Hạt proton ( p ): - Có khối lượng: mp = 1,67.10-27 kg - Có điện tích: Qp = 1,6 10-19 C c/ Hạt neutron ( n ): - Có khối lượng: mn = 1,68.10-27 kg - Có điện tích: Qn = Bình thường ngun tử số hạt electron ( Ne ) số hạt proton ( Np ) Trên vật Ne > Np: vật mang điện tích âm ( - ) Trên vật Ne < Np: vật mang điện tích dương ( + ) Giá trị điện tích vật mang điện xác định bằng: Q = n eo ( 8-1 ) Trong n = , ,3 ,4 … ; eo = 1,6 10-19 C điện tích nguyên tố Câu hỏi: Trong tập người ta cho điện tích điểm q = 3.10 -9 C Sinh viên phân tích tự nhiên có tồn điện tích có giá trị khơng? Giải thích I.2 Điện tích điểm Nếu kích thước vật mang điện nhỏ không đáng kể, so với khoảng cách từ đến điểm khảo sát hay so với kích thước vật mang điện khác, vật mang điện biểu diễn khái miệm điện tích điểm Từ thực nghiệm cho thấy: hai điện tích dấu đẩy nhau, hai điện tích trái dấu hút Sự nhiễm điện tương tác tĩnh điện ứng dụng để tạo ra: máy Photocopy, máy in LASER… Tham khảo (đọc thêm) 1/ Máy in LASER Bộ phận quan trọng máy in LASER hình trụ kim loại nhẹ, bên ngồi có phủ lớp vật liệu đặc biệt gọi quang dẫn Hình trụ gọi đơn giản trống Trống quay chung quanh trục theo chiều kim đồng hồ đặt vào nơi tối, tức bên vỏ kín máy in Các bước hoạt động máy in LASER sau: Dây điện cao (kỹ thuật Corona) làm cho mặt trống dây tích điện dương Khi mặt trống tích điện dương quay đến chỗ có tia sáng LASER chiếu vào, nhờ máy tính điều khiển tia LASER viết, vẽ hàng lên mặt trống, tạo ảnh ẩn mang điện tích âm Mặt trống quay đến chỗ có ru-lơ mang hạt mực điện tích dương Vì ảnh ẩn mang điện tích âm nên hút hạt mực mang điện tích dương, ảnh ẩn trống trở thành ảnh có hạt mực điện tích dương Giấy khay sau tích điện âm chạy qua áp vào mặt trống Các hạt mực trống bị hút lên giấy Giấy đưa qua chỗ sởi nóng, ép hạt mực nóng chảy, dính chặt vào giấy Sau giấy đưa Mặt trống đưa đến chỗ đèn chiếu sáng, xóa hết điện tích mặt trống Mặt trống chuẩn bị để chạy qua dây điện cao, tích điện dương cho mặt trống, tiếp tục trình 2/ Máy photocopy Bộ phận quan trọng máy photocopy hình trụ kim loại nhẹ, bên ngồi có phủ lớp vật liệu đặc biệt gọi quang dẫn Hình trụ gọi đơn giản trống Trống quay chung quanh trục theo chiều kim đồng hồ đặt vào nơi tối, tức bên vỏ kín máy photocopy Các bước trình photocopy trang giấy sau: Dây điện cao (kỹ thuật Corona) làm cho mặt trống tích điện dương Một đèn chiếu ánh sáng đến tờ giấy có chữ, hình cần chụp Ta gọi tờ giấy gốc Ánh sáng chiếu vào gốc phản xạ qua thấu kính tạo mặt trống ảnh rõ nét chữ hình gốc.Trên mặt trống chỗ có chữ hình chỗ khơng có ánh sáng (tối), chỗ khơng có chữ hình chỗ có ánh sáng (sáng) Trên mặt trống chỗ có ánh sáng trở nên trung hòa ( khơng mang điện), chỗ có chữ hình (tối) mang điện tích dương Trên mặt trống có ảnh ẩn điện dương gốc Cho mực in tích điện âm lăn qua trống Do tương tác tĩnh điện ảnh ẩn trống trở thành ảnh thực mực in tích điện âm Tờ giấy trắng dùng để chụp đưa qua dây điện cao, làm cho tờ giấy nhiễm điện dương Tờ giấy đẩy áp sát vào mặt trống Do tờ giấy tích điện dương hút hạt mực tích điện âm mạnh ảnh ẩn tích điện dương trống hút hạt mực Trên giấy có hình chữ hạt mực Giấy đưa qua chỗ sởi nóng, làm cho hạt mực nóng chảy, dính chặt vào giấy Sau giấy đưa II Định luật Coulomb tương tác tĩnh điện II.1 Định luật Coulomb chân khơng Hai điện tích điểm có điện tích q qo cách khoảng r chân → không Điện tích q tác dụng lên điện tích qo lực tĩnh điện F , ngược lại qo → → → tác dụng lên q lực tĩnh điện F ' Hai lực F F ' phương ngược chiều độ lớn: q qo F = F, = k ( 8-2 ) r2 Với k số xác định thực nghiệm: k = 9.109 Nm2/C2 (8-2a) → r q → q0 H.8.1 F → Có thể viết: F =k q qo → r r3 ( 8-3 ) → → Với F lực tĩnh điện q tác dụng lên qo r véctơ có gốc q qo II.2 Định luật Coulomb môi trường Thực nghiệm cho thấy lực tương tác tĩnh điện hai điện tích điểm q qo đặt mơi trường nhỏ chân khơng ε lần Vậy ta có định luật Coulomb môi trường: → F= k q qo → r ε r3 Để hợp lí hố người ta đặt: k = 4πε o = 9.10 Nm2/C2 Suy ra: εo = 8,86 10 -12 C2/N.m2 gọi số điện Vậy ta có biểu thức định luật Coulomb môi trường: → F= → q qo 4πεε o r ( 8-4 ) r Trong ε số điện mơi, đặc trưng cho tính chất điện mơi trường, khơng đơn vị Trong chân khơng: ε = Trong khơng khí: ε = 1,0006 Trong nước: ε = 81 Tương tác tĩnh điện tuân theo định luật Newton thứ ba Tương tác tĩnh điện bốn tương tác tự nhiên Nó tạo liên kết nguyên tử phân tử Phân tích: → Ở ta diễn đạt điện tích điểm q tác dụng lên điện tích điểm qo lực F → ngược lại qo tác dụng lên q lực F ' Cách diễn đạt nói đơn giản theo thói quen khơng với chất vật lý tương tác tĩnh điện hai điện tích điểm q qo Bản chất vật lý tương tác tĩnh điện hai điện tích điểm q qo sau: • Điện tích điểm q gây chung quanh điện trường, điện trường → q tác dụng lên qo lực tĩnh điện F • Điện tích điểm qo gây chung quanh điện trường, điện → trường qo tác dụng lên q lực tĩnh điện F ' • Các điện tích tương tác với thơng qua điện trường Bài tập 8.1: Nguyên tử Hydro (H) cấu tạo hai hạt: hạt nhân hạt proton (p) có khối lượng: mp = 1,672.10-27 kg điện tích: q = 1,6 10-19 C, hạt electron có khối lượng: me = 9,1.10-31 kg điện tích: e = -1,6 10-19 C Hai hạt proton electron cách khoảng r = 0,53.10 -10 m a) Hãy tính lực tương tác hấp dẫn hai hạt proton hạt electron b) Hãy tính lực tương tác tĩnh điện hai hạt proton electron Phương pháp giải: a/ Tính lực tương tác hấp dẫn hai hạt proton hạt electron Fh = G m p me r2 = 6, 67.10−11 1, 672.10−27.9,1.10−31 = 3,6.10- 47 N −20 (0,53) 10 b/ Tính lực tương tác tĩnh điện hai hạt proton electron Fe = k −19 q.e 1, 6.10−19 1, 6.10 = 9.10 = 8,2.10 – N 2 −20 r (0,53) 10 Vậy lực tương tác tĩnh điện hai hạt p e- nguyên tử H lớn lực tương tác hấp dẫn chúng: 2,3 1039 lần III Trường tĩnh điện III.1 Khái niệm trường tĩnh điện Các vật thể có điện tích gây khơng gian chung quanh trường tĩnh điện Trường tĩnh điện dạng vật chất lan truyền không gian vận tốc ánh sáng Tương tác tĩnh điện điện tích thực thơng qua trường tĩnh điện chúng Tính chất trường tĩnh điện tác dụng lên điện tích đặt trường lực tĩnh điện III.2 Véctơ cường độ điện trường III.2.1 Định nghĩa: → Véctơ cường độ điện trưòng E , định nghĩa: → → F E= qo → ( 8-5 ) → Nếu qo = 1C E = F → → Vậy véctơ cường độ điện trường E lực tĩnh điện F điện trường tác dụng lên đơn vị điện tích dương → Nếu biết véctơ cường độ điện trường E , ta hoàn toàn xác định lực → tĩnh điện F : → → F = qE ( 8-6 ) → III.2.2 Véctơ cường độ điện trường E điện trường điện tích điểm q gây Theo ( 8-4 ) ( 8-6 ) ta có: → 4πεε o r → → q qo F= r = qo E → Suy véctơ cường độ điện trường E điểm điện trường điện tích điểm q: → E= → q 4πεε o r ( 8-7 ) r → Nếu q > : E hướng xa điện tích: q → → Nếu q < : E hướng vào điện tích: q ← → Độ lớn véctơ cường độ điện trường E gọi cường độ điện trường E Ta có cường độ điện trường điểm điện trường điện tích điểm q: E= q (8-8 ) 4πεε o r Trong hệ đơn vị Quốc tế (S.I) đơn vị cường độ điện trường E V/m Câu hỏi: Cường độ điện trường E điểm điện trường điện tích điểm q phụ thuộc vào yếu tố nào? → III.2.3 Véctơ cường độ điện trường E hệ điện tích điểm → Dễ dàng chứng minh véctơ cường độ điện trường E điểm điện trường hệ điện tích điểm, xác định: → E= n → ∑E i =1 (8-9 ) i → Trong Ei véctơ cường độ điện trường gây điện tích điểm thứ i (qi ) Bài tập 8.2: Điện tích điểm q1 = 10 – C đặt vị trí A điện tích điểm q2 = q1= 10 – C đặt vị trí B, với AB = L = m, chân không 1) Tính cường độ điện trường E điểm M nằm đường trung trực AB cách trung điểm O AB đoạn h = m 2) Tính cường độ điện trường E điểm M nằm đường trung trực AB cách trung điểm O AB đoạn h >> L 3) Tìm giá trị h vị trí cường độ điện trường E cực đại Phương pháp giải: 1/ Tính cường độ điện trường E điểm M nằm đường trung trực AB cách trung điểm O AB đoạn h = m → E → → E2 E1 α M α r r h d q1 O A L q2 B → Điện tích điểm q1 gây điểm M véctơ cường độ điện trường E1 → Điện tích điểm q2 gây điểm M véctơ cường độ điện trường E2 → Điện tích điểm q1 q2 gây điểm M véctơ cường độ điện trường E → → → E = E1 + E2 (1) Vì q1 = q2 = q = 10 -9 C r1 = r2 = r nên ta có: E1 = E2 = k q1 q q = k 22 = k 2 r1 r2 r (2) → Vì E1 = E2 nên véctơ cường độ điện trường E có phương nằm đường trung trực AB → Chiếu biểu thức (1) lên phương chiều véctơ cường độ điện trường E Ta được: E = E1 cosα + E2 cosα = 2E1 cosα (3) Từ hình vẽ ta có: cos α = h r (4) Thế (2) (4) vào (3), ta được: E=k 2q h r3 (5) Từ hình vẽ ta có: r = h + d = (h2 + d ) (6) Thế (6) vào (5) ta cường độ điện trường E hai điện tích điểm q1 q2 gây điểm M 2q E=k 2 (7) h (h + d ) Với: d= L = =1 m 2 2q E=k 2 (h + d ) 2.10−9 h = 9.109 2 = 6, 36 V / m (1 + ) 2/ Tính cường độ điện trường E q1 q2 gây điểm M nằm đường trung trực AB cách trung điểm O AB đoạn h >> L Theo biểu thức (7) ta có cường độ điện trường điểm M: 2q E=k 2 (a) h (h + d ) Nếu h >> L h2 + d2 ≈ h2 Vậy h >> L cường độ điện trường E điểm M: E=k 2q 2 (h + d ) h=k 2q h=k 2q h2 E=k 2q h2 2 (h ) (b) Phân tích: Khi h >> L có nghĩa kích thước L hệ điện tích điểm q1 q2 nhỏ so với khoảng cách h Khi hệ hai điện tích điểm q1 q2 điện tích điểm có điện tích 2q Áp dụng cơng thức (8-8) ta dẫn biểu thức (b) 3/ Tìm giá trị h vị trí cường độ điện trường E cực đại 10 Z l=1 m=1 Z l=1 m=0 l=1 m = -1 Vì mật độ xác suất ρ lm (θ , ϕ ) trạng thái ( 2p ) khơng phụ thuộc váo góc ϕ Nên < đám mây e- > thể không gian cách quay chung quanh trục OZ Kích thước hình dạng < đám mây e- > trạng thái kích thích (2p) biểu diễn hình vẽ sau: Z IX Mơmen động lượng tồn phần IX.1.Mơmen động lượng Trong học lượng tử để xác định trạng thái hạt e- ngun tử Ngồi → hàm sóng Ψnlm (r ,θ , ϕ ) người ta dùng véctơ mômen động lượng L → Trong học lượng tử người ta chứng minh véctơ mômen động lượng L electron nguyên tử có giá trị: L = l(l + 1).h ( 12-60 ) Vậy L nhận giá trị gián đoạn Trong l số lượng tử quỹ đạo: l = 0,1,2,3 … (n-1) → Hình chiếu véctơ mơmen động lượng L lên phương Z là: LZ = m.h (12-61 ) 139 Trong m số lượng tử từ: m = 0, ±1, ±2 … ± l → Như véctơ mômen động lượng L không định hướng không gian, → mà ứng với giá trị l véctơ mơmen L có (2l + 1) cách định hướng định không gian IX2.Mômen từ Ta biết hạt điện chuyển động tạo từ trường Do electron chuyển động nguyên tử tạo từ trường Từ trường xác định thông qua đại lượng vật → lý gọi mômen từ µ L Trong học lượng tử người ta chứng minh được: → µL = − e → L 2me (12-62 ) → Hình chiếu mơmen từ µ L lên phương Z là: µ LZ = − e LZ 2m e Hay: µ LZ = − m Với: µB = (12-63 ) eh = −mµ B 2me (12-64 ) eh = 9,27.10 − 24 J / T gọi manhêtôn Bo 2m e IX.3.Spin electron Năm 1928 lý thuyết học lượng tử tương đối tính Dirac chứng tỏ ngồi chuyển động khơng gian, hạt e- có vận động nội Để đo vận → động nội hạt e- người ta dùng đại lượng véctơ mômen Spin S Theo lý thuyết → Dirac mômen Spin S hạt e- nhận giá trị: S = s (s + 1) h Với: s = ( 12-65 ) gọi số lượng tử spin, gọi tắt Spin → Hình chiếu véctơ mơmen Spin S lên phương Z là: S Z = m S h Với : mS = ± (12-66 ) số lượng tử từ Spin → Như véctơ mômen Spin S có hai cách định hướng ngược không gian.Sự chuyển động nội hạt e- tạo từ trường Từ trường chuyển → động nội tạo đặc trưng véctơ mơmen từ Spin µ S : 140 → µS = − e → S me ( 12-67 ) Dirac (Nhà vật lý người Anh) lãnh giải Nobel vật lý năm 1933 IX.4 Mơmen động lượng tồn phần Để đo chuyển động không gian vận động nội hạt e- → nguyên tử Người ta dùng đại lượng véctơ mơmen động lượng tồn phần J định nghĩa: → → → J = L+ S ( 12-68 ) → Giá trị J là: J= j ( j + 1).h (12-69 ) Trong j số lượng tử mơmen tồn phần xác định bởi: j = l± (12-70 ) → Hình chiếu J lên phương Z là: J Z = m jh (12-71 ) Với mj số lượng tử từ toàn phần: mj = j, j-1, … -j Vậy ứng với giá trị j có (2j+1) giá trị mj Từ trường chuyển động toàn phần hạt e- nguyên tử tạo → véctơ mơmen từ tồn phần µ : → → → µ = µ1 + µ S ( 12-72 ) IX.5 Trạng thái electron nguyên tử - Nguyên lý loại trừ Pauli a/ Trạng thái electron nguyên tử Do electron có Spin nên trạng thái electron nguyên tử xác định bốn số lượng tử ( n, l, m mS): Ψn l m m S Như ứng với giá trị số lượng tử n Ta có 2n2 hàm sóng Ψn l m m khác hay trạng thái khác S b/ Nguyên lý loại trừ Pauli Ở trạng thái lượng tử xác định số lượng tử ( n, l , m, mS ) chứa tối đa electron Pauli (Nhà vật lý người Áo) nhận giải Nobel vật lý năm 1945 141 X Laser X.1.Bức xạ ngẫu nhiên E2 hγ E1 Bình thường nguyên tử trạng thái có lượng cực tiểu E1 ( mức E1 ) Khi tương tác nguyên tử nhận lượng nhảy lên trạng thái kích thích có lượng E2 ( mức E2 ) Trạng thái kích thích E2 khơng bền, sau khoảng thời gian 10-6 s đến 10-8 s nguyên tử tự phát trở trạng thái E1 cách ngẫu nhiên phát hạt photon có lượng : hγ = E − E1 Do xạ tự phát ngẫu nhiên nên pha phương chuyển động photon ( ánh sáng ) phát khác Các photon phát không kết hợp Bức xạ ngẫu nhiên chế phát sáng chủ yếu nguồn sáng tự nhiên X.2.Bức xạ cảm ứng E2 ehγ hγ E1 Khi nguyên tử trạng thái kích thích E2 Nếu hạt photon có lượng hγ = E − E1 Chuyển động tới kích thích nguyên tử trở trạng thái E1 phát photon: hγ = E − E1 Cơ chế phát xạ gọi xạ cảm ứng, hay xạ cưỡng bức, hay xạ cộng hưởng Photon tới gây cảm ứng photon xạ cảm ứng hoàn toàn giống : pha, phương , tần số … Chúng hai photon kết hợp Cơ chế xạ cảm ứng Einstein đưa năm 1917 X.3.Môi trường khuếch đại ánh sáng N2 E2 E1 N1 142 Một khối chất trạng thái cân nhiệt , có nhiệt độ T Theo Boltzmann: • Số nguyên tử có lượng E1 là: N = C e − E1 kT − E2 kT • Số nguyên tử có lượng E2 là: N = C e • Trong C số k = 1,38 10-23 J/K số Boltzmann Suy ra: N1 =e N2 ( E2 − E1 ) kT Do E2 > E1 , nên N1 > N2 Như bình thường số nguyên tử N1 trạng thái có lượng nhỏ ( E1 ) lớn số nguyên tử N2 trạng thái có lượng lớn ( E2 ) Khi chiếu ánh sáng vào mơi trường bình thường Nguyên tử trạng thái lượng E1 hấp thụ photon nhảy lên mức lượng cao ( E2 ) Môi trường hấp thụ ánh sáng Dĩ nhiên trường hợp hạt photon tới gây xạ cảm ứng tạo hạt photon Nhưng số nguyên tử ( N2 ) mức lượng lớn ( E2 ) nhỏ so với số nguyên tử ( N1 ) mức lượng nhỏ ( E1 ) Cho nên số hạt photon tạo xạ cảm ứng nhỏ không đáng kể so với số hạt photon hấp thụ Nếu ta cung cấp lượng cho nguyên tử mức lượng E1 cách liên tục Để chúng nhảy lên mức lượng cao Người ta gọi tượng “ bơm ’’, bơm ánh sáng hay điện … Kết cho N2 > N1 Khi nguyên tử trạng thái lượng E2 tự phát trở trạng thái E1 phát photon: hγ = E − E1 Hạt photon tác dụng kích thích lên nguyên tử khác trạng thái E2 gây xạ cảm ứng tạo hạt photon mới: hγ = E − E1 Hai photon lại gây xạ cảm ứng tạo hai hạt photon … Tiếp tục thời gian ngắn số hạt photon kết hợp tạo xạ cảm ứng tăng lên nhanh Môi trường có N2 > N1 gọi là: • Mơi trường mật độ đảo lộn • Mơi trường khuếch đại ánh sáng • Mơi trường hoạt tính Nếu dùng hai mức lượng E1 E2 tạo môi trường mật độ đảo lộn N2 > N1 Vì bơm nguyên tử từ E1 lên E2 đồng thời có q trình xạ cảm ứng đưa nguyên tử trở E1 Sau thời gian xuất cân động Số nguyên tử bơm lên số nguyên tử trở xạ cảm ứng Kết N1 = N2 Để tạo môi trường mật độ đảo lộn N2 > N1 Tối thiểu phải dùng ba mức lượng: E1, E2 E3 143 Bơm nguyên tử từ trạng thái lượng E1 kên trạng thái lượng E3 Các nguyên tử tồn trạng thái E3 khoảng thời gian gắn từ 10-6 s đến 10-8 s Sau nguyên tử dịch chuyển tự phát xuống trạng thái lượng E2 Các nguyên tử tồn trạng thái E2 thời gian khoảng 10-3 s tương đối lớn so với thời gian trạng thái E3 Kết tạo đảo lộn mật độ hai mức lượng E1 E2: N2 > N1 N3 E3 Bức xạ tự phát E2 N2 Quá trình bơm Bức xạ cảm ứng N1 E1 X.4 Cấu tạo nguyên lí hoạt động máy phát Laser Laser từ đầu “ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” có nghĩa khuếch đại ánh sáng xạ cảm ứng Cấu tạo máy phát Laser sau: (1) Laser (3) (4) (2) • (1) mơi trường hoạt tính có thể: khí, lỏng , rắn hay bán dẫn • (2) nguồn cung cấp lượng để bơm nguyên tử lượng E1 lên E3 có thể: ánh sáng hay điện … • (3) gương phản xạ • (4) gương bán phản xạ • Hai gương (3) (4) tạo thành hệ cộng hưởng Giả sử có nguyên tử trạng thái E2 tự phát trở E1 phát photon có phương song song với trục hệ cộng hưởng ( phương vng góc với hai gương (3) (4) hướng tới gương (3) Hạt photon phản xạ lại mơi trường hoạt tính (1) gây xạ cảm ứng tạo photon Hai photon kết hợp đến gương (4) phản xạ lại mơi trường hoạt tính (1) 144 Chúng gây xạ cảm ứng tạo hai photon kết hợp Bốn photon kết hợp đến gương (3) phản xạ lại mơi trường hoạt tính (1) , lại gây xạ cảm ứng tạo thêm bốn photon kết hợp Tám photon kết hợp đến gương (4) phản xạ lại mơi trường hoạt tính (1) Tiếp tục thời gian ngắn số hạt photon kết hợp chuyển động dọc theo trục hệ cộng hưởng tăng lên nhanh Do ánh sáng Laser khỏi gương bán phản xạ (4) tăng lên nhanh X.5 Các tính chất ánh sáng Laser Ánh sáng Laser có tính chất sau: • Anh sáng Laser có độ đơn sắc cao • Anh sáng Laser có độ kết hợp cao • Anh sáng Laser có tính định hướng cao • Anh sáng Laser có cơng suất cao • Anh sáng Laser làm hội tụ với độ tụ cao X.6 Ứng dụng ánh sáng Laser Anh sáng Laser có nhiều ứng dụng: Trong Y học ánh sáng Laser dùng để chữa bịnh liệu pháp Laser quang động học , liệu pháp Laser nhiệt , dùng làm dao mổ Laser phẩu thuật Tai – Mũi – Họng , phẩu thuật giác mạc nhãn khoa … Trong công nghiệp ánh sáng Laser dùng để: Khoan , cắt , hàn , bề mặt kim loại , vi khắc , vi hàn … Trong quân ánh sáng Laser dùng để hướng dẫn thả bom xác , làm vũ khí Laser … Trong thông tin ánh sáng Laser dùng để truyền thông tin cáp quang , lưu trử thông tin đĩa quang , tạo ảnh ( holography ) … Trong nghiên cứu khoa học ánh sáng Laser dùng để làm lạnh chất khí, điều khiển phản ứng hoá học, vi kỹ thuật Laser dùng nghiên cứu cơng nghệ sinh học … Thật khó kể hết ứng dụng đa dạng phong phú ánh sáng Laser lĩnh vực đời sống CÔNG THỨC VẬT LÝ CHƯƠNG 12 1/ Định luật Kirchhoff r (λ , T ) a (λ , T ) = f (λ , T ) ( 12 – ) 2/ Thuyết lượng tử lượng công thức Planck E = hγ = hc ( 12 – 2) λ 145 3/ Định luật Stefan-Boltzmann R = σT ( 12-3 ) Với: σ = 5,67.10-8 W/m2K4 4/ Định luật dịch chuyển Wien λm T = b ( 12-4) Với: b = 2,898.10-3 m.K 5/ Năng lượng hạt photon E = hγ = hc ( 12-5) λ 6/ Khối lượng hạt photon m= hγ h = λc c (12-6) 7/ Động lượng photon p= hγ h = c λ ( 12 -7) 8/ Dòng quang điện đạt giá trị bão hoà Ibh Ibh = n.e ( 12 -8) 9/Động cực đại quang electron eU h = me v m2 ( 12-9) 10/ Giới hạn quang điện λo = hc A 11/ Phương trình Einstein hγ = A + me v m2 ( 12 -10) 12/ Tần số γ sóng vi γ = E h (12-11) 13/ Bước sóng λ sóng vi hạt λ= h p (12-20) 14/ Hàm sóng vi hạt giếng Ψn ( x ) = nπ Sin x a a (12-12) 15/ Mật độ xác suất vi hạt giếng 146 ρ n (x ) = Ψ (x ) = 2 nπ Sin x a a (12-13) 16/ Năng lượng vi hạt En = π 2h 2ma n2 (12-14) 17/ Năng lượng electron nguyên tử Hydro En = − 13,6 eV n2 ( 12-15 ) eV = 1,6 10-19 J Với: 18/ Quang phổ H - Dãy Lyman  1 = R −  λ n  1 ( 12-16 ) Với n = 2, 3, …∞ R = 1,0967710 m-1 số Rydberg 19/ Quang phổ H - Dãy Balmer   = R −  λ n  2 ( 12-17 ) Với n = 3, 4, … ∞ 20/ Quang phổ H - Dãy Paschen   = R −  λ n  3 (12-18) Với n = 4, 5, …∞ 21/ Quang phổ H -Dãy Brackett:   = R −  λ n  4 (12-19) Với n = 5, 6, …∞ 22/ Quang phổ H - Dãy Pfun   = R −  λ n  5 (12-20) Với n = 6, 7, …∞ 23/ Hàm sóng bán kính Rnl (r ) trạng thái bản: n = l =  R10 (r ) = 2  ao r  − ao  e  ( 12-21 ) Trong ao = 0,5310-10 m 24/ Hàm sóng bán kính Rnl (r ) trạng thái kích thích: n = l = 147   R20 (r ) =  a o r 2  r  − ao  1 − e 2a o    ( 12-22 ) 25/ Hàm sóng bán kính Rnl (r ) trạng thái kích thích: n = l = 1   R21 (r ) = 24  a o    r  r  − ao   e  ao  ( 12-23 ) 26/ Hàm sóng cầu Yl m (θ , ϕ ) trạng thái n = 1, l = 0, m = Y00 = (12-24) 4π 27/ Hàm sóng cầu Yl m (θ , ϕ ) trạng thái kích thích n = 2, l = 1, m = 0, ±1 Y10 = cosθ 4π (12-25) Y11 = sin θ eiϕ 8π (12-26) Y1−1 = sin θ e-iϕ 8π ( 12-27 ) 28/ Mật độ xác suất electron nguyên tử Hydro • Mật độ xác suất theo bán kính r ρ n l (r ) = Rn l r 2 ( 12-28 ) • Mật độ xác suất theo góc : ρ lm (θ , ϕ ) = Ylm = Ylm Ylm∗ • ( 12-29 ) Mật độ xác suất e- nguyên tử Hydro : ρ n l m (r ,θ , ϕ ) = ρ n l (r ).ρ lm (θ , ϕ ) ( 12-30) • Mật độ xác suất theo bán kính r trạng thái n =1, l = 2r −  1 ρ10 ( r ) =   r 2e ao  ao  (12-31) • Mật độ xác suất theo góc trạng thái n =1, l = 0, m = ρ 00 (θ , ϕ ) = 4π (12-32) → 29/ Giá trị véctơ mômen động lượng L electron nguyên tử L = l(l + 1).h ( 12-33 ) Với : l = 0,1,2,3 … (n-1) 148 → 30/ Hình chiếu véctơ mơmen động lượng L lên phương Z LZ = m.h (12-34 ) Với: m = 0, ±1, ±2 … ± l 31/ Mơmen từ quỹ đạo → µL = − e → L 2me (12-35 ) → 32/ Hình chiếu mơmen từ µ L lên phương Z µ LZ = − e LZ 2m e µ LZ = − m Với: µ B = eh = −mµ B 2me (12-36 ) (12-37 ) eh = 9,27.10 − 24 J / T 2m e → 33/ Giá trị mômen Spin S S = s (s + 1) h Với: s = ( 12-38 ) → 34/ Hình chiếu véctơ mômen Spin S lên phương Z : S Z = m S h Với: mS = ± (12-39 ) → 35/ Véctơ mơmen từ Spin µ S → e → S me µS = − ( 12-40 ) → 36/ Hình chiếu véctơ mơmen từ Spin µ S lên phương Z µSZ = ± µB (12-41) → → → 37/ Giá trị véctơ mômen động lượng toàn phần J = L + S electron nguyên tử J= Với: j ( j + 1).h j = l± (12-42 ) 149 → 38/ Hình chiếu J lên phương Z: J Z = m jh Với: (12-43 ) mj = j, j-1, … -j CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM CHƯƠNG 12 Câu 1: Vật đen tuyệt đối vật: a) có màu đen b) hấp thụ toàn lượng xạ nhiệt chiếu tới vật c) hấp thụ phần lượng xạ nhiệt chiếu tới vật d) không hấp thụ lượng xạ nhiệt chiếu tới vật Câu 2: Cho hai mệnh đề (MĐ) MĐ 1: Hiện tượng giao thoa ánh sáng chứng tỏ ánh sáng có lưỡng tính sóng hạt MĐ 2: Hiện tượng quang điện chứng tỏ ánh sáng có lưỡng tính sóng hạt Hãy chọn phương án a) MĐ đúng, MĐ b) MĐ đúng, MĐ sai c) MĐ sai, MĐ d) MĐ sai, MĐ sai Câu 3: Một hạt electron chuyển động tự Nếu vận tốc v hạt tăng lên hai lần bước sóng λ tương ứng hạt? a) λ tăng lên lần b) λ tăng lên lần c) λ giảm xuống lần d) λ giảm xuống lần Câu 4: Một hạt electron chuyển động tự Nếu vận tốc v hạt tăng lên hai lần tần số sóng γ tương ứng hạt? a) γ tăng lên lần b) γ tăng lên lần c) γ giảm xuống lần d) γ giảm xuống lần Câu 5: Một hạt electron chuyển động tự Nếu vận tốc v hạt tăng lên hai lần mật độ xác suất Ψ tìm thấy hạt? a) Ψ khơng đổi 150 b) Ψ tăng lên lần c) Ψ tăng lên lần d) Ψ giảm xuống lần Câu 6: Ánh sáng Laser có tính chất sau đây: a) có độ đơn sắc cao b) có độ kết hợp cao c) có tính định hướng cao d) Tất tính chất 151 ĐÁP ÁN CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM Đáp án câu hỏi trắc nghiệm Chương 1-d 2-c 10-a- 11-a 3-a 4-d 5-a 6-d 7-d 8-c 9-b 12-a 13-b 14-a 15-a 16-b 17-d 18-a Đáp án câu hỏi trắc nghiệm Chương 1-a 2-b 10-b 11-c 3-a 4-b 5-d 6-a 7-a 8-a 9-a 12-a 13-d 14-b 15-a 16-a 17-b 18-d Đáp án câu hỏi trắc nghiệm Chương 10 1-c 2-c 3-d 4-c 5-a 6-c 7-b 8-d 9-a 10-b 4-d 5-a Đáp án câu hỏi trắc nghiệm Chương 11 1-c 2-d 3-d Đáp án câu hỏi trắc nghiệm Chương 12 1-b 2-d 3-c 4-a 152 5-a 6-d TÀI LIỆU THAM KHẢO A.X.Kompanheetx, Giáo trình vật lý lí thuyết, Nhà xuất Đại học Trung học chuyên nghiệp, Năm 1981 Bùi Trọng Tuân, Vật lý phân tử nhiệt học, Nhà xuất Giáo dục, Năm 1999 Cao Long Vân,Vật lý đại cương, Nhà xuất Giáo dục, Năm 2008 David Halliday, Cơ Sở vật lý (6 tập), Nhà xuất Giáo dục, Năm 1998 Đào Văn Phúc, Lịch sử Vật lý học, Nhà xuất Giáo dục, Năm 1999 Đặng Hùng, Vật lý kỹ thuật, Nhà xuất Giáo dục, Năm 2005 H.Wichmann, Vật lý lượng tử, Nhà xuất Đại học Trung học chuyên nghiệp, Năm 1981 I.V.Xavaliev, Giáo trình Vật lý đại cương, Nhà xuất Đại học Trung học chuyên nghiệp, Năm 1988 Lê Nguyên Long, Vật lý-Công nghệ-Đời sống, Nhà xuất Giáo dục, Năm 2003 10 Lương Duyên Bình, Vật lý đại cương (3 tập), Nhà xuất Giáo dục, Năm 2003 11 Jean-Marie Brébec, Điện Từ học, Nhà xuất Giáo dục, Năm 2001 12 Nguyễn Hữu Xí, Cơ học, Nhà xuất Đại học Trung học chuyên nghiệp, Năm 1985 13 Nguyễn Hữu Mình, Cơ Học, Nhà xuất Giáo dục, Năm 1998 14 Nguyễn Xuân Chánh, Vật lý ứng dụng đời sống đại, Nhà xuất Trẻ, Năm 2009 15 Nguyễn Xuân Chánh, Vật lý với khoa học công nghệ đại, Nhà xuất Giáo dục, Năm 2003 16 Nguyễn Tứ, Sự tiến triển công nghệ, Nhà xuất Trẻ, Năm 2007 17 Nguyễn Đình Thắng, Giáo trình vật liệu điện, Nhà xuất Giáo dục, Năm 2007 18 Nguyễn Hữu Đức, Vật liệu từ cấu trúc nano điện tử học spin, Nhà xuất Đại Học Quốc Gia Hà Nội Năm 2003 19 Ronald Gautreau, Vật lý đại, Nhà xuất Giáo dục, Năm 1997 20 Stephen Hawking, Lược sử thời gian, Nhà xuất Trẻ, Năm 2007 21 Vũ Thanh Khiết, Điện học, Nhà xuất Giáo dục, Năm 1992 153 ... tác tĩnh điện hai hạt p e- nguyên tử H lớn lực tương tác hấp dẫn chúng: 2,3 1039 lần III Trường tĩnh điện III.1 Khái niệm trường tĩnh điện Các vật thể có điện tích gây khơng gian chung quanh trường... chúng Tính chất trường tĩnh điện tác dụng lên điện tích đặt trường lực tĩnh điện III.2 Véctơ cường độ điện trường III.2.1 Định nghĩa: → Véctơ cường độ điện trưòng E , định nghĩa: → → F E= qo → (... 8-40 ) d Vậy điện dung C tụ điện phụ thuộc vào hình dạng, kích thước mơi trường hai VIII Năng lượng điện trường VIII.1 Năng lượng tụ điện: Hai tụ điện hai vật dẫn có giá trị điện tích Q, trái dấu