• 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]
(1)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
(2)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 =
(3)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=σT
4 R=ασT
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
(4)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
(5)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= πr S
( ) ( )
2
4 4 2
P= πR S = πR σT
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
(6)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
(7)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