thuyết lượng tử

a) Electron của nguyên tử chuyển động quanh hạt nhân với gia tốc hướng tâm khác không và sinh ra sóng b) Mỗi nguyên tử vật chất khi bị đun nóng đến một nhiệt độ nào đó sẽ phá[r]

Ths Nguyễn Trọng Dũng

I BỨC XẠ CỦA VẬT ÐEN

1 Bức xạ Ðặc điểm xạ

3 Ðịnh lý Stefan-Boltzmann xạ Vật đen

5 Ðịnh luật Wien II THUYẾT LƯỢNG TỬ

1 Nội dung thuyết lượng tử Planck

2 Nội dung thuyết lượng tử Einstein Ðịnh nghĩa cường độ sáng

III HIỆU ỨNG QUANG ÐIỆN Thí nghiệm Các định luật quang điện

3 Giải thích định luật quang điện Ứng dụng

IV NHIỆT DUNG RIÊNG CỦA VẬT RẮN V TIA X

1 Thí nghiệm

2 Cơ chế tạo thành tia X VI TÁN XẠ COMPTON

VII PHỔ NGUYÊN TỬ VÀ MẪU NGUYÊN TỬ CỦA BOHR VIII SÓNG VẬT CHẤT

IX NHIỄU XẠ CỦA ÐIỆN TỬ X HỆ THỨC BẤT ÐỊNH BÀI TẬP

TRẮC NGHIỆM

Hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ phân cực ánh sáng chứng tỏ ánh sáng có bả bế tắc việc giải thích xạ nhiệt vật đen tượng quang điện Ðể ta phải sử dụng thuyết lượng tử Planck thuyết lượng tử ánh sáng Einstein Ph tượng ánh sáng sở thuyết gọi quang học lượng tử

Bức xạ tượng mà vật thể phát sóng điện từ sóng điện từ đ trình phát lan truyền sóng điện từ qúa trình lan truyền lượng, v dạng lượng thành lượng sóng Con người làm cho v cung cấp lượng cho Năng lượng cung cấp cho vật tác dụng hố h phốt-pho khơng khí phát sáng Có thể dùng lượng học cọ sát v lượng dòng điện để phát sóng điện từ Nói chung phương pháp giản đơn nh

Bức xạ nhiệt (Heat radiation) Bức xạ nhiệt qúa trình mà hệ bi

trường thành nội hệ vật; Bức xạ nhiệt dạng xạ phổ biến tạo nguyên t chất bị kích thích tác dụng nhiệt nguồn Khi nguyên tử, phân t

kích thích trở trạng thái lúc đầu, phát sóng điện từ (có th khái niệm xạ nhiệt để phân biệt với xạ điện từ điện trường từ trường bi

Sự hấp thụ (ABSORPTION) bên cạnh q trình xạ, vật thể có khả thu sóng điện từ hệ khác truyền qua Qúa trình gọi q trình hấp thu sóng hấp thụ Khi vật phát xạ lượng giảm kéo theo nhiệt độ hấp thụ xạ lượng tăng nhiệt độ tăng lên

Cân nhiệt phần lượng vật xạ bù lại bằ vật trạng thái cân nhiệt lúc nhiệt độ vật không thay đổi theo thờ

Như phân tích chương 1, lượng truyền xạ không cần (ether chẳng hạn) xạ chụp lại qua nhiều mơi trườ

giữa loại xạ cường độ xạ ứng với tần số bước sóng khác khác Ng xạ phát thơng qua vùng bước sóng mà xạ phát

Năng lượng vật chất đơn vị thời gian vật xạ gọi công su thuộc vào nhiệt độ tuyệt đối vật xạ Nhiệt độ tuyệt đối vật thấp cơng su ngược lại nhiệt độ cao cơng suất xạ vật cao

Năm 1879, Josef Stefan qua nhiều thí nghiệm xạ nhiệt, kết hợp v Boltzmann đưa sau lâu, tổng kết thành định lý Stefan- Boltzmann: Công su với lũy thừa bậc bốn nhiệt độ tuyệt đối vật xạ diện tích bề mặt vật bứ

Bởi vật phát xạ nhiệt vào mơi trường xung quanh c nhiệt từ vật khác xung quanh nó; Thế nên công suất xạ nhiệt biến đổi m

Ðặc điểm xạ

Ðịnh lý Stefan-Boltzmann xạ (Stefan- Boltzmann s law of Radiation)

Vật đen vật có hệ số đặc trưng cho xạ hấp thụ

Một vật nhận thêm nhiệt khơng xạ mạnh mà màu sắc c kim loại mỏng đung nóng lâu chuyển từ màu xám thành màu đỏ dầ Vật đen (Black-body)

Những nguyên tử hay phân tử vật chất hấp thụ hay xạ lượng thành ph mang lượng hoàn toàn xác định có độ lớn

II THUYẾT LƯỢNG TỬ CỦA PLANCK ( PLANCK'S QUANTUM THEORY) Nội dung thuyết lượng tử Planck

Ðối với ánh sáng, lượng tử lượng gọi Phôtôn, Phôtôn không t chuyển động với vận tốc gần vận tốc ánh sáng, xung lượng lượng c xung lượng lượng tương đối là:

Ngoài ra, theo quan điểm Einstein, tia sáng chạm vào vật h đến giảm đi, cường độ ánh sáng giảm có số phơtơn tách kh sáng hoàn toàn mà toàn số lượng phôtôn tới tách khỏi tia sáng Nội dung thuyết lượng tử Einstein

Ví dụ: Có bóng đèn trịn dùng dây nung có cơng suất 50W Người quan sát nguồn sáng Cho biết hiệu suất bóng đèn 10%

(nghiã có W chuyển thành xạ vùng ánh sáng khả kiến) Cho biết phát khoảng bước sóng 552 ( 1nm Hỏi có phơtơn vùng bướ

mắt người quan sát giây cho biết đường kính mắt người quan sát 2mm

Từ toán ta thấy, với nguồn sáng yếu khoảng cách quan sát t bước sóng hẹp số lượng phơtơn qua mắt giây vào khoảng 35000 h

khi dùng máy đếm phơtơn có bước sóng xác định Phillip Lenard thực Nh mật độ đồng theo phương

Khi chiếu sáng ánh sáng có bước sóng thích hợp chiếu tia c người ta thấy electron bị xạ khỏi bề mặt (Hình 2.4)

III HIỆU ỨNG QUANG ÐIỆN (THE PHOTOELECTRIC EFFECT) 1.Thí nghiệm:

Người ta chứng minh tần số xạ chiếu tới phải có tần số lớ sóng kích thích nhỏ bước sóng giới hạn)

Ðối với kim loại khác giá trị giới hạn tần số bước sóng khác Lenard qua nhiều thí nghiệm chứng tỏ số lượng electron bị xạ tăng lên cường độ chùm ánh sáng tới

Năng lượng (động ban đầu) electron không phụ thuộc cường độ Những định luật vừa nêu ngược lại với thuyết điện động lực học cổ điể

truyền lượng nên ánh sáng có cường độ mạnh có lượng lớn Các electron h sau khỏi kim loại lớn Ngoài lý thuyết cổ điển tiên đốn r yếu có số electron hấp thu vừa đủ lượng cần thiết mà thoát b hạn cho hiệu ứng quang điện Như Hiệu ứng quang điện cần giải thích nh

Trước tiên giả sử lượng nhỏ gọi công thoát A đủ để kim loại thoát khỏi kim loại (giá trị A hoàn toàn xác định với kim loại Giá tr eV)

Các định luật quang điện

Hiệu ứng quang điện ứng dụng để chế tạo tế bào quang điện (thiết bị thích hợp chiếu tới) Tế bào quang điện dùng chế tạo Rơle quang điện ứng d thiết bị đếm xung ánh sáng

Pin quang điện: Ðó hệ gồm hai mẫu bán dẫn loại P lọai N ghép sát sau, có s tán điện tử lổ trống lớp ghép nối xuất điện trường phụ hướng từ lớp N (có nhi

Ứng dụng

P (có nhiều điện tử khuếch sang) khơng cho dịng điện qua khối N-P Khi có ánh sáng chi electron nhận lượng xạ điện tử liên tục tạo thành electron tự Khi n

tiêu thụ điện có dịng điện qua dây dẫn từ P sang N (hình 2.6) Các e từ trống

Người ta sử dụng Pin quang điện để biến đổi lượng ánh sáng mặt trời thành pin quang điện chất bán dẫn Silic, hiệu suất đạt đến 14-15% Ng

pin quang điện ánh sáng chiếu tới ta nhận công suất điện 100 W nh mái nhà trung bình ta có đủ điện để thỏa mãn tiện nghi cho gia đình Tuy nhiên, v quang điện cịn tương đối đắc so với nguồn lượng khác

Căn định luật Dulong-Petit, nhiệt dung riêng vật rắn dao thể xung quanh vị trí cân Khi nguyên tử nhận thêm nhiệt, tần số dao động c tăng lên Sự thay đổi nầy phụ thuộc vào khối lượng nguyên tử lực tương tác c khác Khi tần số tăng nội nguyên tử tăng theo

Khi tinh thể nhiệt độ thấp, nguyên tử đểu trạng thái (nă hấp thụ phơtơn lượng có giá trị h( không hấp thụ nhiều h( Vì hấp th tăng lên đến KT lớn h( lúc ngun tử hấp thụ nhiều phơtơn lúc tiến tới gía trị cổ điển ( 3R = số cho mol) Từ nhiệt độ nhiệt dung riêng s IV NHIỆT DUNG RIÊNG CỦA VẬT RẮN (SPECIFIC HEAT OF SOLID)

V TIA X ( X RAYS )

Về sau, nhà khoa học xác nhận xạ phát từ thí nghiệm m ngắn bước sóng tia tử ngoại ( gía trị từ 10-8 m đến 10-12 m) Các nhà khoa h ghi nhận cơng trình khám phá Roentgen

Tia X tạo electron chuyển động có động lớn đập vào đối âm c riêng lớn, dễ xuyên sâu vào lớp bên vỏ nguyên tử Ðiều nầy không th loại nhẹ, electron tới tương tác với hạt nhân electron lớp vỏ nguyên tử động hạt hạt mang điện nguyên tử Dao động hạt hạt mang đ

trường biến thiên, từ sinh sóng điện từ lan truyền khơng gian Sóng nầy có tinh ch chùm tia sáng dịng hạt Phơtơn) mà ta gọi sóng tia Roentgen

Cơ chế tạo thành tia Roentgen

Chính nhờ phát minh ống phóng điện mơi trường tạo tia X với bước sóng đ

đã lãnh giải thưởng Nobel vật lý năm 1895, người ta nhanh chóng ứng dụng tia roentgen phương pháp chụp X quang Tuy nhiên, việc chụp X quang làm tổn hại nhiều hồng huy

thời gian dài bị hạn chế sử dụng

Tán xạ hạt gì: Người ta định nghĩa tán xạ hạt Photon thay đổi đường chùm tia Phơtơn g có không đồng chiết suất với khoảng cách mà chiết suất thay đổi gần độ dài b

Thực tán xạ lan truyền sóng mơi trường có số điện s dụng hệ phương trình Maxwell để giải tìm chiết suất hiệu dụng mơi trường

Sự tán xạ xem đơn giản va chạm đàn hồi qủa bóng mơi trườ bảo tồn lượng xung lượng áp dụng

Ví dụ ta có lượng tử lượng tia X, va chạm vào electron đứng nghỉ Mộ chuyển vào cho electron sau tán xạ lượng tử lượng tán xạ (hạt hình thành sau tán x lượng tử lượng ban đầu (tiaX) Vì lượng lượng tử tán xạ nhỏ lượng lượ nhỏ tần số lượng tử ban đầu bước sóng lượng tử tán xạ lại lớn bước sóng c

Cơ Chế Tán Xạ Compton:

Như trình bày, tia X va chạm, phần lượng tia X chuyển hóa cho electron Nă phương lượng tử lượng tán xạ so với phương ban đầu:

Giá trị nhỏ so với bước sóng ánh sáng khả kiến dùng ánh sáng làm thí nghi đổi độ dài sóng Tức không quan sát hiệu ứng Compton

Hiệu ứng Compton thực thuyết phục nhà vật lý sóng điện từ thực thể m động với vận tốc ánh sáng Hay nói khác Sóng hạt hai thuộc tính tồn trình bi

VII PHỔ NGUYÊN TỬ VÀ MẪU NGUYÊN TỬ CỦA BOHR

Con người khơng nhìn thấy ngun tử kích thích để phát sáng Aïnh sáng hiểu cấu tạo nguyên tử đồng thời mang đến bế tắc vật lý cổ điển

Nhược điểm thuyết giải thích nguyên tử phát sáng electron nguyên t gia tốc hướng tâm khác khơng để sinh sóng điện từ Sóng điện từ lan truyền phải n yếu lao vào hạt nhân Mộüt điện tử, hai điện tử cuối toàn điện tử lao vào hạt nhân Ðiều nầy trái với thực tế nguyên tử tồn

Từ lâu người ta biết nguyên tử chất bị đun nóng đến nhiệt độ đ

lăng kính để phân tích ánh sáng (sự tán sắc ánh sáng) ta thu hình ảnh dãy vạch màu Hình ảnh gọi quang phổ nguyên tử

Ðặc điểm quang phổ nguyên tử :

1- Mỗi nguyên tử phát vạch màu khác

2- CÁC VẠCH MÀU NẰM GIÁN ĐOẠN KHƠNG LIÊN TỤC ỨNG VỚI TỪNG BƯỚC SĨNG C 3- Các vạch màu có độ rộng khác nhỏ, ứng với bước sóng khác

Ví dụ : quang phổ Hydrogen (trên Hình 2.11 ) Mẫu nguyên tử Rutherford:

Theo quan điểm cổ điển, nguyên tử quay quanh hạt nhân phát ánh sáng phải có tần số (ho nguyên tử thay đổi liên tục Vậy quang phổ nguyên tử phải quang phổ liên tục Nhưng thực t đoạn

Như thế, quan sát quang phổ nguyên tử, người ta đưa Vật lý cổ điển vào để giải thích cho thí nghiệm nguyên tử

Năm 1913 Borh nêu giả thuyết nguyên tử sau:

1- Ðiện tử chuyển động đường đặc biệt gọi quỹ đạo dừng Trạng thái nguyên t đạo dừng gọi trạng thái dừng Khi trạng thái dừng nguyên tử không xa.û

2- Trong tất quỹ đạo dừng có điện tử qũy đạo dừng mà nguyên lần số Planck

Vậy ta thấy, mômen xung lượng electron nhận giá trị gián đoạn lượng củ gián đoạn Ta gọi gián đọan đại lượng lượng tử hóa

3-Khi nhận lượng kích thích, electron chuyển từ quỹ đạo dửng có lượng nhỏ sang qu thái nầy khơng bền nên electron lại có khuynh hướng chuyển quỹ đạo dửng có lượng nhỏ ph ánh sáng:

Mỗi electron có nhiều quỹ đạo dừng khác nên có nhiều bước chuyển lượng Tươ di chuyển electron bước sóng điện từ (trong bước sóng vùng khả kiến) Ðối với nguyên tử Hydrogen bán kính qũy đạo dừng tăng tỷ lệ với bình phương số sau:

K L M N O P r 4r 9r 16r 25r 36r Nguyên tử Borh (Borh Modal)

Ví dụ: Hãy tính bước sóng có nguyên tử Hydrogen chuyển từ m chuyển từ mức mức L tạo bước sóng vùng ánh sáng thấy có gía trị tươ

Thành cơng thuyết Borh tính xác bước sóng quang phổ nguyên tử Hydrogen Tuy nhiên, tiên khơng có sở để đưa mặt thực nghiệm khơng xác cho nguyên tử thứ hai b

đó 10 năm, Ba giả thuyết nhà khoa học khác chứng minh bổ sung thêm cho hoàn ch sau nầy chương

Mặc dù đến năm 1924 nhiều nhà khoa học chán nản việc giải vấn đề nan giả

nhưng Duc de Broglie mạnh dạn đưa giả thuyết rằng: hạt nhỏ vi mô electron, hạt nhân nguyên t thể đặc tính sóng gọi sóng vật chất sóng Broglie Sự giải thích Broglie d

nguyên tử Hydrogen

Theo Broglie sóng vật chất tồn với hạt dù có khối lượng nặng hay nhẹ B liên hệ với xung lượng hạt vật chất theo cơng thức:

Ví dụ 2: Tính bước sóng vật chất qủa ping pong gam chuyển động chậm với v bóng 1m/giây

Bài tóan cho thấy với vật thể có kích thước lớn bước sóng Broglie nh lan truyền vơ chậm sóng vật chất

Tính chất sóng vật thể thể tượng nhiễu xạ (hiện tượng lệch kh vật cản có kích thước thích hợp)

IX NHIỄU XẠ CỦA ÐIỆN TỬ (ELECTRON DIFFRACTION)

Ta giả sử vị trí hạt qua khe tọa độ Y nằm mặt phẳng khe, toạ độ đến a:

0< y < a

Nói tóm lại, Tọa độ hạt xác định với độ sai số (Độ bất định) X HỆ THỨC BẤT ÐỊNH (UNCERTAINTY PRINCIPLE)

Thực nghiệm:

Trong học lượng tử, sử dụng phép toán cao cấp hơn, Heisenberg phát biểu hệ thức b

Phát biểu nguyên lý

Tích độ bất định toạ độ độ bất định xung lượng hạt luôn lớn bằ

Ðộ sai số nầy lớn nên xác định xác vận tốc electron

Vì khơng thể xác định xác đồng thời vị trí tọa độ, học lượ Hệ

vi mơ Trong giới vĩ mơ ngun lý nầy có ảnh hưởng nào?

Vậy hạt vĩ mơ ta xác định xác đồng thời tọa độ xung lượng hạt vậ cách khác, Với hạt vĩ mô tồn khái niệm quỹ đạo

Trong học lượng tử người ta cịn tìm hệ thức bất định cho lượng E thời gian t :

Phát biểu: Tích độ bất định tần số độ bất định thời gian sóng ln ln lớ

Hệ thức bất định lượng

1 Bức xạ nhiệt qúa trình:

a) Cung cấp lượng cho vật tác dụng hoá học CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM

b) Biến đổi lượng nhận mà hệ nhận từ môi trường thành nội hệ c) Hệ vật biến đổi nội để phát sóng điện từ

d) Bao gồm câu a câu c e) Bao gồm câu b câu c Trong định lý Stefan- Boltzmann:

a) Công suất bứïc xạ nhiệt vật tỷ lệ với lũy thừa bậc bốn nhiệt độ tuyệt đối vậ b) Cơng suất bứïc xạ nhiệt vật tỷ lệ với diện tích bề mặt vật xạ

c) Cơng suất bứïc xạ nhiệt vật tỷ lệ với hệ số Stefan-Boltzmann d) Công suất bứïc xạ nhiệt vật tỷ lệ với độ phát xạ vật e) Tất ý

3 Vật đen tuyệt đối là: a) Vật có màu đen

b) Một kim loại mỏng đung nóng lâu

c) Vật có hệ số đặc trưng cho xạ hấp thụ d) Vật có nhiệt độ tuyệt đối lớn

e) Vật xạ mạnh mặt trời Theo định luật Wien:

a) Một vật xạ nhiệt, phát nhiều bước sóng khác b) Mỗi bước sóng xạ từ vật có cơng suất xạ khác

c) Bức xạ có cơng suất xạ cực đại liên quan trực tiếp đến nhiệt độ tuyết đối vật bứ d) Vật xạ lượng đồng thời hấp thu lượng từ môi trườ e) Bức xạ có cơng suất xạ cực đại có liên quan đến số Planck

5 Ðịnh nghĩa cường độ sáng:

a) Số phôtôn ánh sáng đến đơn vị diện tích

b) Số phơtơn ánh sáng qua vật đơn vị thời gian

d) Số phôtôn ánh sáng đến đơn vị thể tích đơn vị thời gian

6 Xung lượng lượng Phôtôn tuân theo công thức xung lượng lượng tương đối b a) Phơtơn có khối lượng qúa nhỏ

b) Phôtôn không tồn đứng n c) Phơtơn khơng có điện tích

d) Phơtơn chuyển động gần vận tốc ánh sáng Theo định luật quang điện Einstein :

a) Phôtôn đập vào bề mặt kim loại làm bật electron tự

b) Có bước sóng giới hạn cho kim loại để có tượng quang điện xảy

c) Ðộng ban đầu electron phụ thuộc số lượng Phơtơn ánh sáng chiếu vào m d) Phải cần có thời gian đủ lớn để electron hấp thu lượng ánh sáng phát dòng quang Theo định luật quang điện ta kết luận:

a) Ánh sáng có lưỡng tính sóng hạt

b) Ánh sáng chùm hạt mang lượng gọi Phôtôn c) Ánh sáng dạng sóng điện từ

d) Ánh sáng có vận tốc giống hệ qui chiếu quán tính e) Các câu sai

9 Chỉ phát biểu sai tia X: a) Tia X xuyên qua thủy tinh

b) Tia X làm phát quang số chất

c) Tia X không bị lệch qua điện trường từ trường mạnh d) Tia X nhìn thấy ánh sáng khả kiến

e) Tia X phát từ kim loại có nguyên tử lớn bạch kim 10 Năng lượng hạt phôtôn sau tán xạ với electron là:

a) Luôn nhỏ lượng trước tán xạ b) Ln lớn lượng trước tán xạ

d) Khơng phụ thuộc vào góc tán xạ phôtôn tới e) Không phụ thuộc vào hạt bia mà tán xạ vào 11 Bước sóng phôtôn sau tán xạ với prôtôn là: a) Không thay đổi

b) Ðổi thành bước sóng đơn sắc khác tán xạ theo phương

c) Ðổi thành nhiều bước sóng đơn sắc khác tán xạ theo phương với xác su d) Có gía trị tăng lên lượng phơtơn tăng lên

f) Tất câu 12 Theo lý thuyết nguyên tử Borh:

a) Electron nguyên tử chuyển động quanh hạt nhân với gia tốc hướng tâm khác không sinh sóng b) Mỗi nguyên tử vật chất bị đun nóng đến nhiệt độ phát ánh sáng

c) Quang phổ Hydrogen quang phổ vạch

c) Ðiện tử chuyển động đường đặc biệt gọi quỹ đạo dừng Khi trạng thái d 13) Theo hệ thức bất định Heisenberg:

a) Khơng xác định xác đồng thời tọa độ hạt vi mơ chuyển động b) Khơng xác định xác đồng thời xung lượng toạ độ vi hạt chuyển động

c) Khơng xác định xác đồng thời thành phần xung lượng theo phương khác củ d) Khơng xác định xác đồng thời vận tốc toạ độ vi hạt chuyển động

e) câu b câu d

14) Theo hệ thức bất định lượng:

a) Khơng thể xác định xác đồng thời lượng xung lượng vi hạt b) Không thể xác định xác đồng thời lượng toạ độ vi hạt