Bài giảng Vật lý 2: Chương 5 - Lê Quang Nguyên

• Áp một hiệu điện thế để cản electron thoát, khi dòng quang điện bằng không thì công của hiệu thế cản bằng động năng cực đại của electron:.. • Vẽ đường thẳng Δ V theo f , suy ra h [r]

Quang lượng tử

Lê Quang Nguyên

www4.hcmut.edu.vn/~leqnguyen nguyenquangle59@yahoo.com

Nội dung

1 Mở đầu Bức xạ nhiệt

3 Hiện tượng quang điện Tán xạ Compton

Max Planck (1858-1947)

Albert Einstein (1879-1955)

Arthur Compton (1892-1962)

1 Mở đầu

• Các nhà thiên văn đo nhiệt độ nào?

• Ngôi màu xanh màu đỏ, nóng hơn?

• Nhiệt kế cảm ứng (đo nhiệt độ thể qua lỗ tai) hoạt động sao?

• Tại lớp ozone bao quanh trái đất chống tia cực tím?

2 Bức xạ nhiệt

a Một số định nghĩa

b Các định luật xạ nhiệt

2a Một số định nghĩa –

• Bức xạ nhiệt xạ điện từ phát từ vật nung nóng

• Ví dụ: xạ từ mặt trời, ấm từ lửa …

• Vật đen tuyệt đối vật hấp thụ hết xạ đến

• Ví dụ: vật sơn đen, hốc sâu có miệng nhỏ …

2a Một số định nghĩa –

• Năng suất xạ tồn phần R lượng xạ từ đơn vị diện tích vật, đơn vị thời gian

• R có đơn vị J/(m2.s) hay W/m2

2a Một số định nghĩa –

• Gọi dU lượng xạ từ đơn vị diện tích, đơn vị thời gian, bước sóng khoảng (λ, λ + d λ)

• Năng suất xạ đơn sắc Rλ bước sóng λ là:

• Rλ liên hệ với R qua: dU

R d λ =

λ

0

R=∞∫dU=∞∫R dλ

λ

2a Một số định nghĩa –

• Gọi dU lượng xạ từ đơn vị diện tích, đơn vị thời gian, tần số khoảng (f, f + df)

• Năng suất xạ đơn sắc Rf tần số f là:

• Rf liên hệ với R qua:

f

dU R

df =

2b Các định luật xạ nhiệt –

• Định luật Stefan-Boltzmann cho vật đen tuyệt đối nhiệt độ T:

• σ hng s Stefan-Boltzmann ã = 5,670 ì 108 W/(m2.K4)

• Với vật khác:

• với α < hệ số hấp thụ vật

R

=

σ

T

4 R=

ασ

T

2b Các định luật xạ nhiệt –

• Định luật Wiencho vật đen tuyệt đối nhiệt độ

T:

ã b = 2,8978 ì 103 m.K = 2897,8 μm.K

• λm bước sóng ứng với suất xạ đơn sắc lớn – vật xạ mạnh bước sóng λm

• Dùng để đo nhiệt độ vật đen tuyệt đối – sao, hốc lỗ tai

• Vật nóng xạ mạnh bước sóng ngắn

mT b

λ

= b: số Wien

2c Thuyết lượng tử xạ nhiệt –

• Giả thuyết Planck (1900): Các nguyên tử, phân tử xạ lượng thành lượng tử, lượng tử có lượng:

• h số Planck • h = 6,626 × 10−34 J.s

hf

ε

=

2c Thuyết lượng tử xạ nhiệt –

• Từ giả thuyết Planck, tìm biểu thức suất xạ đơn sắc:

• kB số Boltzmann • kB = 1,381 × 10−23 J/K

2

2

1 B

hc k T hc

R

e λ

λ

π

λ

= ⋅

−

2

2

1

B

f hf

k T

hf R

c e

π

= ⋅

−

λ

B hc k T

B

2c Thuyết lượng tử xạ nhiệt –

• Ở nhiệt độ thấp, vật xạ chủ yếu vùng hồng ngoại

• Đỉnh suất xạ ứng với bước sóng vật xạ mạnh

λm

• Nhiệt độ tăng, λm

giảm dần, phù hợp với ĐL Wien

2c Thuyết lượng tử xạ nhiệt –

• Ở nhiệt độ cao, vật bắt đầu xạ vùng khả kiến

• Nhiệt độ tăng, λm

giảm dần từ đỏ đến xanh

• Vật phát sáng màu xanh nóng vật “nóng đỏ”!

2c Thuyết lượng tử xạ nhiệt –

• Từ biểu thức Rλ suy định luật Stefan-Boltzmann Wien

• Tích phân Rλ theo λ từ đến ∞ cho suất xạ tồn phần R

• Bước sóng λm xác định từ điều kiện cực đại Rλ

2d Màu sắc nhiệt độ

Bài tập 2.1

Nhiệt độ bề mặt cách xa trái đất 5,2×1018 m 5400 K Cơng suất nhận đơn vị diện tích trái đất 1,4×10−4 W/m2 Hãy ước lượng bán kính ngơi

Trả lời BT 2.1

• Gọi r khoảng cách từ đến trái đất, SE

là công suất nhận m2 trái đất • Nếu lượng phát xạ không bị mát dọc

đường truyền, công suất phát xạ công suất nhận mặt cầu bán kính r:

• Mặt khác, ta có cơng suất phát xạ:

• S suất phát xạ, theo định luật Stefan-Boltzman

( )

4 E

P=

π

r S

( )

( )

2

4

4

2

P

=

π

R

S

=

π

R

σ

T

Trả lời BT 2.1 (tt)

• Từ (1) (2) suy bán kính ngơi sao:

• Thay số ta được:

18

12

2

5,2 10 1,4 10

8,86 10

5400 5,67 10

R m

− −

 

⋅ ⋅

=  ⋅  = ⋅

 

1 2

4 E r S R

T

σ

 

= 

 

1

2 E S r

T

σ

 

=  

 

3 Hiện tượng quang điện

a Hiện tượng

b Thuyết photon Einstein c Giải thích tượng

3a Hiện tượng quang điện

• Chiếu ánh sáng đến kim loại • Có dịng quang

điện bước sóng nhỏ bước sóng ngưỡng

• Bước sóng ngưỡng thay đổi theo kim loại

3b Thuyết photon Einstein (1905)

• Mọi xạ điện từ cấu tạo từ hạt nhỏ gọi photon, photon có lượng động lượng:

• Giữa chúng có hệ thức:

• Phù hợp với thuyết tương đối: hf

ε

= p h

λ

= c

h pc

ε

λ

= =

( )

2

( )

2

( )

2

2

0

pc m c pc

ε

= + = Khối lượng nghỉ photon khơng

3c Giải thích tượng

• Để tách electron khỏi kim loại, photon tới phải có lượng cơng kim loại đó:

• Vậy bước sóng ngưỡng là:

• Cơng phụ thuộc vào kim loại, bước sóng ngưỡng thay đổi theo kim loại

c hc

hf h W

W

λ

λ

= ≥ ⇒ ≤

t

hc W

λ

=

3d Đo số Planck cơng

• Động cực đại electron thốt:

• Áp hiệu điện để cản electron thốt, dịng quang điện khơng cơng hiệu cản động cực đại electron:

• Vẽ đường thẳng ΔV theo f, suy h W • Applet minh họa

max

K =hf −W

Bài tập 3.1

Ánh sáng bước sóng 200 nm chiếu tới bề mặt Cadmium Người ta phải dùng hiệu hãm 2.15 V để ngăn hồn tồn dịng quang điện Hãy tìm cơng Cadmium eV

Trả lời BT 3.1

• Khi dịng quang điện khơng cơng hiệu cản động cực đại electron:

• Suy cơng thốt: c

e V h W

λ

∆ = −

c

W h e V

λ

= − ∆

(

34

)(

8

) (

)

19

6,63 10 10

1,6 10 2,15

200 10

W

−

− −

⋅ ⋅

= − ⋅ ⋅

⋅

Trả lời BT 3.1 (tt)

• Đổi sang đơn vị eV:

( )

(

9

(

34

)(

198

)

)

6,63 10 10

2,15 4,07

200 10 1.6 10

W eV eV

−

− −

⋅ ⋅

= − =

⋅ ⋅

4 Tán xạ Compton

a Tán xạ Compton b Giải thích tượng

c Chứng tỏ cơng thức Compton