Bài giảng vật lý đại cương

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Khoa Điện - Điện tử BỘ MÔN VẬT LÝ PGS.TS Lê Văn Hảo BÀI GIẢNG VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG THÁNG 9/2018 MỤC LỤC CÔNG THỨC TOÁN CHƯƠNG 1: CƠ HỌC 15 I Động học 15 I.1 Các khái niệm mở đầu 15 I.2 Các phương pháp xác định ví trí chất điểm 15 I.3 Vận tốc 20 I.4 Gia tốc 26 I.5 Tổng hợp véctơ vận tốc véctơ gia tốc 38 I.6 Chuyển động thẳng thay đổi 40 II Động lực học 42 II.1 Các khái niệm mở đầu 42 II.2 Các định luật Newton 46 Bài đọc thêm: Pa-lăng 60 Bài đọc thêm: Hàn ma sát 66 III Cơ 68 III.1 Các khái niệm mở đầu 68 III.2 Định lí động 69 III.3 Trường lực 70 III.4 Cơ 74 III.5 Các vận tốc vũ trụ 76 Bài đọc thêm: Những hình dạng quỹ đạo phổ biến vật tự nhiên 77 III.6 Va chạm 79 IV Cơ học chất lưu 80 IV.1 Các khái niệm 80 IV.2 Tĩnh học chất lưu 81 IV.3 Phương trình Bernoulli 82 V Cơ học tương đối Einstein 83 V.1 Phép biến đổi Galilei 83 V.2 Nguyên lý tương đối Galilei 84 V.3 Thuyết tương đối hẹp Einstein 84 V.4 Phép biến đổi Lorentz 85 V.5 Động học tương đối 86 CHƯƠNG 2: NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 92 I Các khái niệm mở đầu 92 II Các định luật chất khí 93 III Nội khí lí tưởng 98 IV Các trình nhiệt 100 V Công nhiệt 100 VI Nguyên lí thứ nhiệt động học 104 VII Động nhiệt máy lạnh 109 VIII Chu trình Carnot 111 IX Nguyên lí thứ hai nhiệt động lực học 113 Bài đọc thêm: Cấu tạo nguyên lý làm việc điều hòa 116 CHƯƠNG 3: ĐIỆN TRƯỜNG 118 I Các khái niệm mở đầu 118 Bài đọc thêm: Máy in Laser máy photocopy 118 II Định luật Coulomb tương tác tĩnh điện 119 III Trường tĩnh điện 121 IV Định lí Ostrogradsky – Gauss (O – G) điện trưòng 126 Bài đọc thêm: Chứng minh định lí O-G điện trường 129 V Điện 134 VI Năng lượng điện hệ điện tích điểm 138 VII Vật dẫn 139 VIII Chất bán dẫn 141 Bài đọc thêm: Cá chình điện 144 CHƯƠNG 4: TỪ TRƯỜNG 146 I Dòng điện 146 II Định luật Biot – Savart – Laplace 148 III Định lí Ostrogradsky – Gauss ( O – G ) từ trưòng 156 IV Định lí Ampere 158 V Định luật Ampere tương tác từ 160 Bài đọc thêm: Hiệu ứng Hall 161 VI Vật liệu từ 162 CHƯƠNG 5: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ - SÓNG ĐIỆN TỪ 165 I Hiện tượng cảm ứng điện từ 165 Bài đọc thêm: Dòng điện Foucault 166 II Luận điểm thứ Maxwell 170 III Luận điểm thứ hai Maxwell 171 IV Trường điện từ 172 V Sóng điện từ 173 VI Các tượng sóng ánh sáng 176 CHƯƠNG 6: LÝ THUYẾT LƯỢNG TỬ & CƠ HỌC LƯỢNG TỬ 189 I Bức xạ nhiệt 189 II Thuyết lượng tử ánh sáng Einstein 191 III Lưỡng tính sóng hạt ánh sáng 195 IV Lưỡng tính sóng hạt vi hạt 196 Bài đọc thêm: Tiểu sử Louis de Broglie 198 V Nguyên lí bất định Heisenberg 199 VI Phương trình Schrodinger 199 VII Hiệu ứng đường hầm 200 VIII Laser ứng dụng 201 Bài đọc thêm: Súng laser 205 BẢNG CÁC HẰNG SỐ VẬT LÝ THƯỜNG GẶP 206 TÀI LIỆU THAM KHẢO 207 CƠNG THỨC TỐN Vật lý học thường trình bày thơng qua cơng cụ tốn học Phần nêu cơng thức tốn học thường gặp nhằm tạo thuận lợi cho sinh viên học Vật lý I/ Hình học 1/ Đường trịn bán kính r  Chu vi: s = 2 r (T.I-1)  Diện tích: S =  r2 (T.I-2) 2/ Hình cầu bán kính r  Diện tích: S = 4 r2  Thể tích: V = (T.I-3) r (T.I-4) II.Nghiệm phương trình bậc hai Phương trình bậc hai: ax2 + bx + c = Có nghiệm: x   b  b  4ac 2a (T.II-1) III Hàm lượng giác góc  c a c (T.III-1) tg = cos = b c (T.III-2) cotg = a  a b sin = (T.III.3) b a (T.III-4) b IV Đồng thức lượng giác 1/ Nếu  +  = 900 : sin = cos cos = sin 2/ sin   tg cos  (T.IV-1) cos   cot g sin  (T.IV-2) 3/ sin2 + cos2 = (T.IV-3) 4/ sin2 = sincos (T.IV-4) 5/ cos2 = cos2 - sin2 = 2cos2 - = – 2sin2 (T.IV-5) V Biểu thức gần Nếu  0, ngược chiều với a k <      Nếu k đại lượng vật lý a b khác tính chất Ví dụ: F  m a 5/ Chia véctơ với đại lượng vô hướng k   Chia véctơ a với đại lượng vô hướng k véctơ b  b =  a k  Véctơ b :  Có độ lớn: b = a k (T.VIII-5)    Cùng phương chiều với a k > 0, ngược chiều với a k <     Nếu k đại lượng vật lý a b khác tính chất Ví dụ: a  6/ Tích có hướng hai véctơ ( tích véctơ)- tích chéo ()    Tích hai véctơ a b véctơ d  F m    d = a b  Véctơ d :  Có độ lớn: d = a.b.sin   (T.VIII-6)    với  = ( a , b ) góc nhỏ hợp ( a b ),  < 180o      Có phương: d  a d  b  Có chiều xác định theo qui tắc bàn tay phải: đặt bàn tay phải theo véctơ thứ   a , lịng bàn tay nhìn véctơ thứ hai b theo góc α < 1800 chiều ngón  dang chiều d      Tích hai véctơ khơng có tính giao hốn: a  b = - b  a   Bốn hình vẽ sau mặt phẳng tạo hai véctơ a b vng góc với mặt phẳng hình vẽ (mặt phẳng tờ giấy)  d  d  b  b   a a   a a   b       d d b Chú ý: Khi trình bày sinh viên thường hay lẫn lộn hai ký hiệu tích chấm (.) tích chéo () 7/ Cơng thức tích hợp          a b c  b ( a c )  c ( a b )  (T.VIII-7)  8/ a d a  ada Chứng minh:    Đối với véctơ a Ta có: a a = a2     Lấy vi phân hai vế: d a a + a d a = 2ada 10 K A A V R C H.6.1 Một tế bào quang điện trạng thái chân khơng cao có áp suất khoảng 10 -6 Torr Trong tế bào quang điện có hai cực kim loại: cực A Anode, cực K Cathode làm kim loại cần nghiên cứu tương quang điện Khi dịch chuyển chạy C biến trở R hiệu điện hai điện cực thay đổi đo Vơn kế V Dịng quang điện chạy mạch đo Ampe kế A Thực nghiệm cho thấy dòng quang điện phụ thuộc vào hiệu điện U hình vẽ : I Ibh H.6.2 U Uh O Ub  Phần U > ứng với tế bào quang điện phân cực thuận, cực A nối với cực ( + ) nguồn điện Hình H.6.2: Khi U tăng I tăng bảo hịa (không đổi)  Phần U < ứng với tế bào quang điện phân cực nghịch, cực A nối với cực ( - ) nguồn điện Khi U tăng theo chiều âm I giảm đến Khi U  Ub dòng quang điện I đạt giá trị bão hồ Ibh Ta có : Ibh = n.e (6 -9) Với n số electron khỏi cực K giây Khi U = Uh  dòng quang điện I = Dễ dàng chứng minh : eU h  me vm2 (6-10) Trong đó: vm vận tốc ban đầu cực đại quang electron, Uh hiệu điện hãm, e điện tích electron, me khối lượng electron II.2.3 Các định luật quang điện 193 Từ thực nghiệm người ta thiết lập ba định luật quang điện sau: II.2.3.1 Định luật giới hạn quang điện: Đối với kim loại định tượng quang điện xảy bước sóng  xạ chiếu vào kim loại thoả mãn :    o Trong  o giới hạn quang điện ứng với kim loại Các kim loại khác có giới hạn quang điện khác II.2.3.2 Định luật dòng quang điện bão hồ: Cường độ dịng quang điện bão hoà Ibh tỉ lệ thuận với cường độ sáng I chiếu vào kim loại II.2.3.3 Định luật động cực đại : Động cực đại quang electron không phụ thuộc vào cường độ sáng I mà phụ thuộc vào tần số γ xạ Phân tích: 1) Giới hạn quang điện số kim loại Kim loại Đồng (Cu) λo (μm) 0,30 Nhôm (Al) 0,36 Sắt (Fe) Natri (Na) 0,28 0,50 2) Như để có tượng quang điện xảy ánh sáng chiếu vào Na phải có bước sóng λ thỏa mãn: λ  0,5 μm 3) Đối với kim loại Đồng, Nhôm, Sắt tượng quang điện không xảy vùng ánh sáng khả kiến (từ đỏ đến tím), xay tia tử ngoại II.2.4 Giải thích định luật quang điện Lý thuyết sóng ánh sáng khơng giải thích định luật quang điện Các định luật quang điện giải thích theo thuyết photon ánh sáng sau : II.2.4.1 Giải thích Định luật giới hạn quang điện: Để electron thoát khỏi bề mặt kim loại Năng lượng hấp thụ từ photon phải thoả mãn: h  A Với A cơng kim loại Suy ra: hc  A Hay:  hc  o A II.2.4.2 Giải thích Định luật dịng quang điện bảo hồ: Cường độ dịng quang điện bảo hoà Ibh tỉ lệ với n quang electron khỏi cực K, đến lượt n lại tỉ lệ với n hạt photon đập vào cực K, đến lượt n lại tỉ lệ với cường độ sáng I 194 Vậy : Ibh  n  n  I II.2.4.3 Giải thích Định luật động cực đại: Năng lượng electron hấp thụ từ photon chia làm hai phần: phần để thắng cơng A ngồi, cịn lại biến thành động ban đầu : h  A  me vm2 (6-11) Biểu thức (6-11) phương trình Einstein Câu hỏi: 1) Hãy giải thích lí thuyết sóng ánh sáng khơng giải thích định luật giới hạn quang điện định luật động cực đại quang electron 2) Trong tượng quang điện quang electron có động cực đại electron bề mặt kim loại hay sâu kim loại? Giải thích III Lưỡng tính sóng hạt ánh sáng III.1 Tính chất sóng ánh sáng Từ tượng giao thoa chứng tỏ ánh sáng có chất sóng Q trình sóng diễn tả hàm sóng Ta có hàm sóng lan truyền theo trục OX    o cos ( t  2 x  (1) )  M r  α X H.6.3 O x n Đối với sóng phẳng, mặt sóng mặt phẳng, mặt sóng vng góc với trục OX Từ hình vẽ H.6.4, ta có:   x  r n  r cos  (2)   Với: r véctơ vị trí xác định điểm M mặt sóng n véctơ đơn vị phương truyền sóng Thế (2) vào (1), ta được:     o cos ( t  2 n   r)   Hay: Với:    o cos ( t  k r )  k k 2   n (3) véctơ sóng (4) 2 (5)  Theo tốn học hàm sóng (3) biểu diễn dạng hàm phức sau: 195      o e  i ( t  k r ) (6-12) Toán học: Ta có số phức X: X = a + ib Với a phần thực số phức X, ib phần ảo số phức X, i2 = -1 Ta có cơng thức: X = a e±iφ = a cosφ ± ia sinφ III.2 Tính chất hạt ánh sáng Từ tượng quang điện chứng tỏ ánh sáng có chất hạt Hạt photon có:  lượng : E  h  động lượng : p  Từ (7) ta suy ra: p  Với:    (6) h (7)  h 2  k 2  h 2 (8)  Vì p k phương chiều nên:   p  k (9) Mặt khác:   2  2 h h (10) Thế (8) (6) vào (10), ta được:  E  (11) III.3 Lưỡng tính sóng hạt ánh sáng Thế (9) (11) vào (6 -12) ta được:   o   i  (Et  p r ) (6-13) Biểu thức (6 -13) hàm sóng hạt photon, diễn tả lưỡng tính sóng hạt ánh sáng IV Lưỡng tính sóng hạt vi hạt IV.1 Giả thuyết De Broglie (Đơ Brơi) Dựa lí thuyết lưỡng tính sóng hạt ánh sáng năm 1924 De Broglie đưa lí thuyết lưỡng tính sóng hạt vi hạt sau: Một vi hạt tự có lượng E (động E = Wd = ½ mv2) xác định động lượng p = mv xác định Tính chất sóng vi hạt diễn tả hàm sóng phẳng đơn sắc 196 Tần số  sóng vi hạt xác định theo lượng E vi hạt:   E h (6-14) Bước sóng  sóng vi hạt xác định theo động lượng p vi hạt:  h p (6-15) Tính chất sóng hạt electron kiểm chứng thực nghiệm Davisson (người Mỹ) năm 1927 Thomson (người Anh) vào năm 1927 Davisson Thomson nhận giải Nobel vật lý năm 1937 De Broglie (Nhà vật lý người Pháp) nhận giải Nobel vật lý năm 1929 IV.2 Hàm sóng De Broglie Theo giả thuyết De Broglie trạng thái chuyển động vi hạt diễn tả hàm sóng phẳng:   o e   i  (Et p r ) (6-16) Trong đó:  E lượng (động năng)     p động lượng vi hạt  r véctơ toạ độ xác định vị trí khảo sát  h 2 IV.3 Ýnghĩa thống kê hàm sóng Nội dung vật lý sóng vi hạt khơng phải q trình lan truyền dao động sóng cổ điển Năm 1926 Max Born đưa cách giải thích ý nghĩa vật lý hàm sóng vi hạt: Bình phương mơđun hàm sóng  mật độ xác suất tìm thấy hạt  dW  dV (6-17) Với dW xác suất tìm thấy hạt thể tích dV Vậy xác suất tìm thấy hạt thể tích dV là: dW   dV   dV  .  dV (6-18) Với   liên hiệp phức  Để tìm hàm   ta cần đổi dấu trước chữ i hàm sóng Sóng vi hạt gọi sóng xác suất Max Born ( Nhà vật lý người Anh) nhận giải Nobel vật lý năm 1954 197 Bài đọc thêm: Tiểu sử Louis de Broglie Louis de Broglie sinh gia đình quý tộc Dieppe, Seine-Maritime (Pháp), trai út Victor, duc de Broglie đời thứ Ông trở thành duc de Broglie đời thứ sau chết mà khơng có người thừa kế vào năm 1960 anh trai mình, Maurice, duc de Broglie đời thứ 6, nhà vật lý Ơng khơng kết hôn Khi ông qua đời Louveciennes, ông truy tặng danh hiệu công tước từ người họ hàng xa, VictorFranỗois, duc de Broglie i th De Broglie đồng nghiệp ơng có định hướng ban đầu làm việc lĩnh vực Nhân chủng học, nhận Lịch Sử Mặc dù vậy, ơng chuyển sang lĩnh vực tốn học vật lý sau nhận Vật lý Với bùng nổ Thế chiến thứ vào năm 1914, ông quân đội mời nghiên cứu lĩnh vực vô tuyến truyền Trong luận án tiến sĩ năm 1924 mình, dựa thành tựu Max Planck Albert Einstein ánh sáng, ơng đưa lý thuyết sóng vơ tuyến, bao gồm tính chất lưỡng tính sóng hạt vật chất Nhưng ban giám khảo không tài liệu ông sử dụng nên gửi luận án cho Einstein để đánh giá thêm, sau De Broglie trao tiến sĩ Nghiên cứu lên đến đỉnh điểm giả thuyết De Broglie nói hạt đối tượng chuyển động có bước sóng liên quan De Broglie tạo lĩnh vực vật lý tương quan sóng hạt Nhờ điều này, ơng đoạt giải Nobel Vật lý năm 1929 Trong nghiệp sau ông, de Broglie làm việc để có lý giải sâu xa học sóng, tiếp tục phát triển David Bohm năm 1950 Kể từ đó, biết đến lý thuyết De Broglie-Bohm Ngồi cơng việc nghiên cứu khoa học, de Broglie cịn nghiên cứu có nhiều viết triết học, bao gồm giá trị khám phá khoa học đại De Broglie trở thành thành viên Académie des sciences vào năm 1933, thư ký học viện từ 1942 Ông yêu cầu tham gia Le Conseil de l'Union des Catholique Scientifiques Francais Tuy nhiên, ông từ chối, ông không theo tôn giáo Ngày 12 tháng Mười, 1944, ông bầu vào Acadộmie franỗaise, thay th nh toỏn hc ẫmile Picard Vỡ có nhiều hi sinh thành viên Viện hàn lâm trình nghề nghiệp chiến tranh, Académie đáp ứng đủ số lượng đại biểu quy 198 định (hai mươi thành viên) cho bầu cử ông; nhiên hồn cảnh đặc biệt, ơng chấp thuận với số phiếu 17 đại biểu UNESCO trao tặng ông giải thưởng Kalinga vào năm 1952 cho việc phổ biến kiến thức khoa học, ông bầu làm thành viên nước Hội Hoàng gia vào ngày 23 tháng tư 1953 Năm 1961 ông nhận danh hiệu Hiệp sĩ Hội Chữ thập Grand ban tặng De Broglie công nhận cố vấn cho Hội đồng cấp cao Pháp Năng lượng Nguyên tử vào năm 1945 nỗ lực để mang ngành công nghiệp khoa học lại gần Ông thành lập trung tâm khí áp dụng Viện Henri Poincaré, nơi nghiên cứu quang học, điều khiển học, lượng nguyên tử Ông thành viên góp phần cho hình thành học viện International Academy of Qua ntum Molecular Science (http://vi.wikipedia.org/wiki/Louis_de_Broglie) V Nguyên lí bất định Heisenberg Tính chất sóng vi hạt thể nguyên lý bất định : Vị trí động lượng vi hạt khơng thể xac định xác đồng thời x.p x  h (6-19) Trong x độ bất định vị trí, p x độ bất định động lượng h số Planck Hệ thức bất định lượng thời gian: E.t  h (6-20) Trong t khoảng thời gian hạt trạng thái có độ bất định lượng E Heisenberg (Nhà vật lý người Đức) nhận giải Nobel vật lý năm 1932 VI Phương trình Schrodinger VI.1 Phương trình Schrodinger Một vi hạt chuyển động trường U  r  , hàm sóng   r  vi hạt       nghiệm phương trình Schrodinger:    2m          r    E  U  r   r           (6-21) Trong đó:  E lượng vi hạt (cơ năng)  m khối lượng vi hạt h 2     2 2 2         y z   x Phương trình Schrodinger (6-21) phương trình học lượng tử 199 Schrodinger (Nhà vật lý người Áo) nhận giải Nobel vật lý năm 1933 VI.2 Chuẩn hố hàm sóng Giải phương trình Schrodinger ta hàm sóng  vi hạt Nó xác định sai khác số C Để tìm số C ta dùng điều kiện chuẩn hố Ta có xác suất tìm thấy hạt tồn không gian (V) : W    dV  (6-22) V Biểu thức (6-22) điều kiện chuẩn hố hàm sóng VI.3 Điều kiện hàm sóng Hàm sóng vi hạt phải thỏa mãn điều kiện sau: a) Hàm sóng phải giới nội, xác suất giới nội b) Hàm sóng phải đơn trị, xác suất đơn trị c) Hàm sóng phải liên tục, xác suất liên tục d) Đạo hàm bậc hàm sóng phải liên tục, hàm sóng nghiệm phương trình vi phân bậc hai VII Hiệu ứng đường hầm Hiệu ứng đường hầm, hay chui hầm lượng tử (quantum tunneling) hiệu ứng lượng tử mô tả chuyển dịch hệ vật chất từ trạng thái sang trạng thái khác mà thông thường bị ngăn cấm quy luật vật lý cổ điển Trường hợp kinh điển việc hệ vật chất xuyên qua "hàng rào lượng", giống hệ đào "đường hầm" xuyên rào Trong học cổ điển, có hai thung lũng đồi ngăn cách, bi nằm thung lũng thứ vượt qua đồi để sang thung lũng khơng cung cấp lượng lớn đỉnh đồi Trong học lượng tử, vật chất không miêu tả hịn bi, mà giống sóng hơn, hàm sóng miêu tả "hịn bi" lan tỏa sang bên thung lũng kia, vị trí trung bình bên thung lũng Vì hàm sóng cho biết xác suất tìm thấy "hịn bi", có xác suất định việc tìm thấy "hòn bi" bên thung lũng Hiệu ứng này, hiệu ứng lượng tử khác, dễ quan sát hạt nhỏ cỡ nanomet, tính chất sóng chúng thể rõ nét 200 Một ứng dụng quan trọng hiệu ứng kính hiển vi quét chui hầm, cho phép quan sát bề mặt dẫn điện kích thước nanomet, kích thước nhỏ so với kính hiển vi quang học sử dụng ánh sáng bước sóng cỡ micromet Dòng điện thu điện tử "chui hầm lượng tử" từ bề mặt cần quan sát sang đầu đọc cho biết mức lượng hàng rào mức độ lồi lõm bề mặt VIII Laser ứng dụng Laser từ đầu “ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” có nghĩa khuếch đại ánh sáng xạ cảm ứng VIII.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 không 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 : h  E2  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 VIII.2 Bức xạ cảm ứng E2 e- hγ hγ E1 Khi nguyên tử trạng thái kích thích E2 Nếu hạt photon có lượng h  E2  E1 Chuyển động tới kích thích nguyên tử trở trạng thái E1 phát photon: h  E2  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 201 VIII.3 Môi trường khuếch đại ánh sáng N2 E2 E1 N1 Một khối chất trạng thái cân nhiệt có nhiệt độ T Theo Boltzmann:  Số nguyên tử có lượng E1 là: N1  C e   Số nguyên tử có lượng E2 là: N  C e E1 kT  E2 kT  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 N 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 Ngun 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: h  E2  E1 Hạt photon tác dụng kích thích lên nguyên tử khác trạng thái E2 gây xạ cảm ứng tạo hạt photon mới: h  E2  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 Mơi trường có N2 > N1 gọi là:  Môi trường mật độ đảo lộn  Môi trường khuếch đại ánh sáng 202  Môi 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 N > N1 Tối thiểu phải dùng ba mức lượng: E1, E2 E3 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 E1 N1 VIII.4 Cấu tạo nguyên lí hoạt động máy phát Laser Cấu tạo máy phát Laser sau: (1) Laser (3) (4) (2)  (1) môi trường hoạt tính có thể: khí, lỏng , rắn hay bán dẫn  (2) nguồn cung cấp lượng để bơm nguyên tử lượng E lên E3 có thể: ánh sáng hay điện …  (3) gương phản xạ  (4) gương bán phản xạ 203  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 vuông góc với hai gương (3) (4) hướng tới gương (3) Hạt photon phản xạ lại môi 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) 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 VIII.5 Các tính chất ánh sáng Laser Ánh sáng Laser có tính chất sau:  Ánh sáng Laser có độ đơn sắc cao  Ánh sáng Laser có độ kết hợp cao  Ánh sáng Laser có tính định hướng cao  Ánh sáng Laser có cơng suất cao  Ánh sáng Laser làm hội tụ với độ tụ cao VIII.6 Ứng dụng ánh sáng Laser Ánh 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 thơng 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 hố học, vi kỹ thuật Laser dùng nghiên cứu công nghệ sinh học … 204 Bài đọc thêm: Súng laser Các quan chức Raytheon tham gia Triễn lãm hàng không quốc tế Farnborough cho biết công ty họ hợp tác với hải quân Mỹ để phát triển loại vũ khí gắn chiến hạm Vũ khí đặt tên Laser Close-In Weapon System CIWS (Hệ thống Vũ khí Laser tầm gần) Súng laser họ bắn rơi máy bay không người lái thử nghiệm hải quân Mỹ thực hồi tháng 5/2010 khơi tiểu bang California Phó Chủ tịch Raytheon, ơng Mike Booen, nói thử nghiệm bước tiến lớn kỹ thuật tia laser Vũ khí laser có khả phóng tia laser mạnh 50 kilowatt dùng để triệt hạ máy bay khơng người lái mà cịn súng cối, rocket tàu nhỏ Ông Peter Felstead, tổng biên tập tuần san chun quốc phịng Jane's Defence Weekly, nói vũ khí CIWS khởi đầu cho tất ứng dụng vào đời thật loại laser thể rắn dùng lĩnh vực quốc phịng Các cơng ty thu gọn thêm kỹ thuật họ làm cho kỹ thuật hữu hiệu Ông kết luận: "Chúng ta phải chờ thời gian triệt hạ tên lửa liên lục địa với kỹ thuật laser, đường” Có hai vấn đề mà gây trở ngại cho việc phát triển vũ khí laser từ lâu thời tiết mục tiêu Khơng khí ẩm ngồi biển hấp thụ lượng laser trước đến mục tiêu Phó Chủ tịch Raytheon, ơng Mike Booen thừa nhận tượng này, nói khắc phục Raytheon không cho biết chiều cao, tốc độ tầm bay máy bay không người lái với lý liệu “nhạy cảm” Nhưng cơng ty nói thêm Hải quân Mỹ muốn thử nghiệm thực tiễn tốt, cho biết máy bay không người lái làm theo mà chuyên viên quân mong muốn Nhật Mai Theo BBC, AP (http://dantri.com.vn/the-gioi/lan-dau-tien-xuat-hien-vu-khi-laser-ban-ha-may-bay410065.htm) 205 BẢNG CÁC HẰNG SỐ VẬT LÝ THƯỜNG GẶP Hằng số Ký hiệu Giá trị Hằng số hấp dẫn G 6,67.10-11 Nm2/ kg2 Hằng số điện o 8,86 10-12 C2/N.m2 Hằng số từ µ0 4Π.10-7 H/m Hằng số Avogadro NA 6,02 1026 Hằng số khí lý tưởng R 8,31.103 J/Kmol.K Hằng số Boltzmann k 1,38.10-23 J/K Hằng số Plank h 6,626.10-34 J·s Hằng số Stefan-Boltzmann  5,67.10-8 W/m2K4 Hằng số Wien b 2,898.10-3 m.K Hằng số Rydberg R 1,097.107 m-1 Điện tích nguyên tố e 1,6.10-19 C Khối lượng electron me 9,109.10-31 kg Khối lượng proton mn 1,673.10-27 kg Khối lượng neutron mp 1,675.10-27 kg Vận tốc ánh sáng chân không c 3.108 m/s calori (cal) = 4,18 joule (j) electron-volt (ev) = 1,6.10-19 j mmHg = 133,322 N/m2 = Tor atm = 10,1325.104 N/m2 = 760 mmHg 1at = 9, 81.104 N/m2 = 736 mmHg 206 TÀI LIỆU THAM KHẢO Brébec, J M (2001) Điện Từ học Nhà xuất Giáo dục Burns, M.L (2012) Modern physics for science and engineering (1 st ed.) Physics Curriculum and Instruction, Inc Cao Long Vân (2008) Vật lý đại cương Nhà xuất Giáo dục Đặng Hùng (2005) Vật lý kỹ thuật Nhà xuất Giáo dục Đào Văn Phúc (1999) Lịch sử Vật lý học Nhà xuất Giáo dục Halliday, D (1998) Cơ Sở vật lý (6 tập) Nhà xuất Giáo dục Kompanheetx, A.X (1981) Giáo trình vật lý lí thuyết Nhà xuất Đại học Trung học chuyên nghiệp Lê Nguyên Long (2003) Vật lý - Công nghệ - Đời sống Nhà xuất Giáo dục Lương Duyên Bình (2003) Vật lý đại cương (3 tập) Nhà xuất Giáo dục 10 Nguyễn Đình Thắng (2007) Giáo trình vật liệu điện Nhà xuất Giáo dục 11 Nguyễn Hữu Đức (2003) Vật liệu từ cấu trúc nano điện tử học spin Nhà xuất Đại Học Quốc Gia Hà Nội 12 Nguyễn Tứ (2007) Sự tiến triển công nghệ Nhà xuất Trẻ 13 Nguyễn Xuân Chánh (2003) Vật lý với khoa học công nghệ đại Nhà xuất Giáo dục 14 Nguyễn Xuân Chánh (2009) Vật lý ứng dụng đời sống đại Nhà xuất Trẻ 15 Singh, J (2004) Modern physics for engineers Wiley-VCH 16 Stephen Hawking (2007) Lược sử thời gian Nhà xuất Trẻ 17 Wichmann, H (1981) Vật lý lượng tử Nhà xuất Đại học Trung học chuyên nghiệp 18 Xavaliev, I.V (1988) Giáo trình Vật lý đại cương Nhà xuất Đại học Trung học chuyên nghiệp 207 ... học vật thay đổi khoảng cách vật vật khác không gian theo thời gian I.1.2 Qũy đạo Quỹ đạo quỹ tích vị trí vật không gian “đường đi” vật không gian I.1.3 Hệ qui chiếu Hệ qui chiếu O vật hay hệ vật. .. diễn vật khái niệm chất điểm hình dạng kích thước vật không ảnh hưởng đến chuyển động vật Khi khảo sát chuyển động quay vật, biểu diễn vật khái niệm chất điểm Khi khảo sát chuyển động tịnh tiến vật, ... Laser ứng dụng 201 Bài đọc thêm: Súng laser 205 BẢNG CÁC HẰNG SỐ VẬT LÝ THƯỜNG GẶP 206 TÀI LIỆU THAM KHẢO 207 CƠNG THỨC TỐN Vật lý học thường trình bày thơng