Quang học 2 sóng hạt

TRƢỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG KHOA SƢ PHẠM QUANG HỌC – SÓNG – HẠT DÙNG CHO SINH VIÊN NGÀNH SƢ PHẠM VẬT LÝ ThS NGUYỄN VĂN MỆN AN GIANG, THÁNG 12 NĂM 2015 Tài liệu giảng dạy “Quang học – Sóng – hạt”, tác giả Nguyễn Văn Mện, công tác Khoa Sƣ phạm thực Tác giả báo cáo nội dung đƣợc Hội đồng Khoa học Đào tạo Khoa thông qua ngày………., đƣợc Hội đồng Khoa học Đào tạo Trƣờng Đại học An Giang thông qua ngày…… Tác giả biên soạn ThS NGUYỄN VĂN MỆN Trƣởng Khoa Sƣ phạm Phó Trƣởng Bộ mơn TRẦN THỂ TRƢƠNG TÍN THÀNH Hiệu trƣởng AN GIANG, THÁNG 12 NĂM 2015 LỜI NÓI ĐẦU Tài liệu giảng dạy yếu tố cốt lõi Chƣơng trình đào tạo, góp phần quan trọng vào định chất lƣợng đào tạo Từ năm học 2009 – 2010, Trƣờng Đại học An Giang chuyển từ hình thức đào tạo theo niên chế sang đào tạo theo hệ thống tín Theo đó, chƣơng trình đào tạo, nội dung, phƣơng pháp tài liệu giảng dạy kèm với phải thay đổi theo cho phù hợp Học phần Quang học (mã học phần PHY512) học phần bắt buộc với khối lƣợng lớn (chiếm tín chỉ) thuộc Chƣơng trình đào tạo đại học ngành Sƣ phạm Vật lý Đây học phần thuộc nhóm kiến thức vật lý cổ điển, sau học phần học, nhiệt học điện từ học Quang học cung cấp cho sinh viên kiến thức tính chất sóng tính chất hạt ánh sáng, làm tiền đề cho tƣ lƣợng tử vật lý học đại, giúp sinh viên hoàn thiện kiến thức tranh tổng thể vật lý cổ điển, vận dụng cơng tác giảng dạy sau Đã có số sách Quang học sóng – hạt đƣợc tác giả nhà xuất tên tuổi nƣớc xuất Tuy nhiên, tài liệu không thật phù hợp với nội dung nhƣ thực tế giảng dạy học tập giảng viên sinh viên ngành Sƣ phạm Vật lý trƣờng Đại học An Giang Vì thế, việc biên soạn tài liệu giảng dạy học phần Quang học phục vụ cho chƣơng trình đào tạo ngành Sƣ phạm Vật lý Trƣờng điều cần thiết Việc làm đồng thời góp phần nhỏ vào mục tiêu chung nhà Trƣờng xây dựng hệ thống giáo trình, tài liệu giảng dạy đạt chuẩn thời gian tới Căn thực tế giảng dạy học tập học phần năm qua, tác giả biên soạn tài liệu gồm hai phần với sáu chƣơng nội dung chính, đƣợc chia làm hai phần lớn: Phần thứ nói tính chất sóng ánh sáng gồm chƣơng: Chƣơng Giao thoa ánh sáng Chƣơng Nhiễu xạ ánh sáng Chƣơng Phân cực ánh sáng Chƣơng Sự truyền ánh sáng qua môi trƣờng Tán sắc, tán xạ hấp thụ ánh sáng Phần thứ hai, tính chất hạt ánh sáng, gồm chƣơng: Chƣơng Bức xạ nhiệt Chƣơng Tính chất lƣợng tử ánh sáng Nội dung Quang học sóng – hạt nhiều, nhiên thời lƣợng chƣơng trình có hạn nên tác giả biên soạn nội dung nhất, trang bị cho sinh viên chuyên ngành Sƣ phạm Vật lý Để hoàn thành đƣợc tài liệu xin gửi lời cảm ơn đến Đảng uỷ, Ban Giám hiệu Trƣờng Đại học An Giang tạo điều kiện thuận lợi cho tôi; cảm ơn Ban Chủ nhiệm Khoa Sƣ phạm, Hội đồng Khoa học Khoa quan tâm, giúp đỡ, góp ý cho tơi việc hồn thành tài liệu nhƣ thủ tục hành Đặc biệt tơi xin gửi i lời cảm ơn đến Tập thể đồng nghiệp Bộ môn Vật lý, Khoa Sƣ phạm giúp đỡ, đóng góp nhiều ý kiến q báu để tơi hồn thành tài liệu Tuy có nhiều cố gắng nhƣng hẳn tài liệu cịn nhiều thiếu sót Tác giả mong nhận đƣợc đóng góp ý kiến quý báu nhà khoa học, quý đồng nghiệp nhƣ bạn sinh viên, học sinh để tài liệu ngày hoàn thiện An Giang, ngày … tháng… năm 2015 Ngƣời thực Nguyễn Văn Mện ii LỜI CAM KẾT Tôi xin cam đoan nội dung khoa học tài liệu tham khảo đƣợc nghiên cứu, biên soạn; nguồn gốc nội dung đƣợc trích dẫn rõ ràng An Giang, ngày … tháng… năm 2015 Ngƣời thực Nguyễn Văn Mện iii MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU i LỜI CAM KẾT iii MỤC LỤC iv DANH SÁCH BẢNG viii DANH SÁCH HÌNH ix CHƢƠNG GIAO THOA ÁNH SÁNG 1.1 BẢN CHẤT ĐIỆN TỪ CỦA ÁNH SÁNG NGUYÊN LÝ CHỒNG CHẤT 1.1.1 Bản chất điện từ sóng ánh sáng 1.1.2 Cƣờng độ sáng 1.1.3 Nguyên lý chồng chất 1.2 SỰ GIAO THOA NGUỒN KẾT HỢP 1.2.1 Hiện tƣợng giao thoa ánh sáng 1.2.2 Tổng hợp hai dao động điều hòa phƣơng, tần số 1.2.3 Dao động kết hợp không kết hợp 1.3 GIAO THOA CỦA NGUỒN ĐIỂM VÂN KHÔNG ĐỊNH XỨ 1.3.1 Sự phân bố cƣờng độ sáng 1.3.2 Hình dạng vân giao thoa 1.3.3 Vị trí vân giao thoa 1.3.4 Giao thoa ánh sáng trắng 10 1.4 CÁC PHƢƠNG PHÁP QUAN SÁT VÂN KHÔNG ĐỊNH XỨ 11 1.4.1 Nguyên tắc chung để tạo hai nguồn kết hợp 11 1.4.2 Khe Young 11 1.4.3 Lƣỡng gƣơng Fresnel 12 1.4.4 Lƣỡng lăng kính Fresnel 13 1.4.5 Lƣỡng thấu kính Billet 14 1.4.6 Gƣơng Lloyd 15 1.5 ẢNH HƢỞNG CỦA KÍCH THƢỚC NGUỒN SÁNG ĐẾN HÌNH ẢNH GIAO THOA TRÊN MÀN 16 1.6 GIAO THOA CHO BỞI BẢN MỎNG CĨ BỀ DÀY KHƠNG ĐỔI VÂN CÙNG ĐỘ NGHIÊNG 17 1.6.1 Sự định xứ vân 17 1.6.2 Tính hiệu quang trình 18 1.6.3 Vân độ nghiêng 19 1.7 GIAO THOA CHO BỞI BẢN MỎNG CÓ BỀ DÀY THAY ĐỔI VÂN CÙNG ĐỘ DÀY 19 1.7.1 Sự định xứ vân 19 1.7.2 Tính hiệu quang trình 20 1.7.3 Vân độ dày 21 1.7.4 Nêm khơng khí 21 1.7.5 Vân tròn Newton 22 1.8 GIAO THOA KẾ HAI CHÙM TIA 24 1.8.1 Giao thoa kế Rayleigh 24 1.8.2 Giao thoa kế Michealson 26 1.9 NHỮNG ỨNG DỤNG CỦA HIỆN TƢỢNG GIAO THOA 27 1.9.1 Khử ánh sáng phản xạ mặt dụng cụ quang học 27 1.9.2 Kiểm tra phẩm chất mặt quang học 28 1.10 BÀI TẬP CHƢƠNG 28 iv CHƢƠNG NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG 34 2.1 HIỆN TƢỢNG NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG NGUYÊN LÝ HUYGHENS – FRESNEL 34 2.1.1 Hiện tƣợng nhiễu xạ ánh sáng: 34 2.1.2 Nguyên lý Huyghens – Fresnel: 35 2.1.3 Phƣơng pháp đới cầu Fresnel 37 2.1.4 Phƣơng pháp giản đồ vector 40 2.2 NHIỄU XẠ CỦA SÓNG CẦU (NHIỄU XẠ FRESNEL) 42 2.2.1 Nhiễu xạ qua lỗ tròn 42 2.2.2 Nhiễu xạ qua chắn không suốt 43 2.3 NHIỄU XẠ CỦA SÓNG PHẲNG (NHIỄU XẠ FRAUNHOFER) 44 2.3.1 Nhiễu xạ qua khe hẹp 44 2.3.2 Nhiễu xạ qua lỗ tròn 49 2.4 CÁCH TỬ NHIỄU XẠ 51 2.4.1 Định nghĩa 51 2.4.2 Sự phân bố cƣờng độ sáng 51 2.4.3 Quang phổ cho cách tử 55 2.4.4 Máy quang phổ cách tử 56 2.5 Nhiễu xạ tinh thể (nhiễu xạ tia X) 59 2.5 BÀI TẬP CHƢƠNG 60 CHƢƠNG SỰ PHÂN CỰC ÁNH SÁNG 65 3.1 ÁNH SÁNG TỰ NHIÊN VÀ ÁNH SÁNG PHÂN CỰC 65 3.1.1 Ánh sáng tự nhiên: 65 3.1.2 Ánh sáng phân cực 65 3.2 ĐỊNH LUẬT MALUS 66 3.2.1 Thí nghiệm 66 3.2.2 Giải thích 67 3.2.3 Định luật Malus 68 3.3 SỰ PHÂN CỰC ÁNH SÁNG DO PHẢN XẠ VÀ KHÖC XẠ 68 3.3.1 Hiện tƣợng 68 3.3.2 Định luật Brewster 69 3.3.3 Giải thích 70 3.4 SỰ PHÂN CỰC ÁNH SÁNG DO LƢỠNG CHIẾT 71 3.4.1 Tính lƣỡng chiết tự nhiên tinh thể phân cực lƣỡng chiết 71 3.4.2 Mặt sóng tinh thể đơn trục 74 3.4.3 Cách xác định tia thƣờng tia bất thƣờng 74 3.4.4 Một vài trƣờng hợp đặc biệt xác định tia thƣờng tia bất thƣờng: 75 3.5 MỘT VÀI LOẠI KÍNH PHÂN CỰC 76 3.5.1 Lăng kính nicol 77 3.5.2 Lăng kính ghép từ đá băng lan thủy tinh 78 3.5.3 Lăng kính ghép từ hai lăng kính đá băng lan có phƣơng quang trục vng góc 78 3.6 ÁNH SÁNG PHÂN CỰC ELLIPSE ÁNH SÁNG PHÂN CỰC TRÕN 79 3.6.1 Định nghĩa 79 3.6.2 Cách tạo ánh sáng phân cực ellipse 79 3.6.3 Sự định hƣớng ellipse 80 3.6.4 Một số trƣờng hợp đặc biệt 81 3.7 CÁCH PHÂN BIỆT ÁNH SÁNG PHÂN CỰC ELLIPSE VỚI ÁNH SÁNG PHÂN CỰC MỘT PHẦN; ÁNH SÁNG PHÂN CỰC TRÕN VỚI ÁNH SÁNG TỰ NHIÊN 84 v 3.7.1 Dùng phần tƣ bƣớc sóng để biến ánh sáng phân cự ellipse có    ánh sáng phân cực tròn thành ánh sáng phân cực thẳng 84 3.7.2 Dùng máy bổ để biến ánh sáng phân cực ellipse có hiệu số pha hai tia thành ánh sáng phân cực thẳng 85 3.8 SỰ GIAO THOA CỦA ÁNH SÁNG PHÂN CỰC 86 3.8.1 Thí nghiệm 86 3.8.2 Cƣờng độ sáng điểm ảnh giao thoa 86 3.9 HIỆN TƢỢNG LƢỠNG CHIẾT NHÂN TẠO 89 3.9.1 Lƣỡng chiết biến dạng 89 3.9.2 Lƣỡng chiết điện trƣờng 91 3.10 SỰ QUAY MẶT PHẲNG PHÂN CỰC 91 3.10.1 Hiện tƣợng quay mặt phẳng phân cực 91 3.10.2 Góc quay mặt phẳng phân cực 92 3.10.3 Sự quay mặt phẳng phân cực tác dụng từ trƣờng Hiệu ứng Faraday 94 3.11 BÀI TẬP CHƢƠNG 95 CHƢƠNG SỰ TRUYỀN ÁNH SÁNG QUA CÁC MÔI TRƢỜNG TÁN SẮC, TÁN XẠ VÀ HẤP THỤ ÁNH SÁNG 99 4.1 SỰ TÁN SẮC TÁN SẮC DỊ THƢỜNG THUYẾT ELECTRON MÁY QUANG PHỔ LĂNG KÍNH 99 4.1.1 Sự tán sắc ánh sáng 99 4.1.2 Thuyết electron Lorentz 102 4.1.3 Máy quang phổ lăng kính 104 4.2 VẬN TỐC PHA VÀ VẬN TỐC NHÓM 105 4.2.1 Vận tốc pha 105 4.2.2.Vận tốc nhóm 106 4.2.3 Liên hệ vận tốc pha vận tóc nhóm 107 4.3 SỰ HẤP THỤ ÁNH SÁNG 108 4.3.1 Hiện tƣợng hấp thụ Định luật Bouguer 108 4.3.2 Sự hấp thụ dung dịch Định luật Bouguer – Beer: 109 4.3.3 Hấp thụ lọc lựa 110 4.4 SỰ TÁN XẠ ÁNH SÁNG 110 4.4.1 Hiện tƣợng tán xạ ánh sáng 110 4.4.2 Tán xạ Tyndall 111 4.4.3 Tán xạ phân tử 113 4.5 BÀI TẬP CHƢƠNG 113 CHƢƠNG BỨC XẠ NHIỆT 115 5.1 BỨC XẠ NHIỆT 115 5.1.1 Bức xạ nhiệt tính chất xạ nhiệt 115 5.1.2 Các đại lƣợng đặc trƣng 115 5.1.3 Định luật Kirchhoff 116 5.1.4 Khảo sát xạ vật đen tuyệt đối thực nghiệm: 118 5.2 CÁC ĐỊNH LUẬT THỰC NGHIỆM VỀ BỨC XẠ CỦA VẬT ĐEN TUYỆT ĐỐI 119 5.2.1 Định luật Stefan – Boltzmann 119 5.2.2 Định luật dịch chuyển Wein 119 5.3 THUYẾT LƢỢNG TỬ NĂNG LƢỢNG CỦA PLANCK 119 5.3.1 Công thức Rayleigh – Jeans 119 5.3.2 Thuyết lƣợng tử lƣợng Planck Công thức Planck 120 vi 5.3.3 Các hệ công thức Planck 121 5.4 ỨNG DỤNG CỦA CÁC ĐỊNH LUẬT BỨC XẠ 122 5.4.1 Nhiệt độ xạ 122 5.4.2 Nhiệt độ màu 123 5.4.3 Nhiệt độ chói 123 5.5 BÀI TẬP CHƢƠNG 124 CHƢƠNG TÍNH CHẤT LƢỢNG TỬ CỦA ÁNH SÁNG 127 6.1 HIỆN TƢỢNG QUANG ĐIỆN NGOÀI 127 6.1.1 Thí nghiệm Stoletov tƣợng quang điện ngồi 127 6.1.2 Các định luật quang điện 128 6.2 THUYẾT LƢỢNG TỬ ÁNH SÁNG 129 6.2.1 Sự bất lực lý thuyết sóng ánh sáng 129 6.2.2 Thuyết lƣợng tử ánh sáng 129 6.2.3 Công thức Einstein 130 6.2.4 Giải thích định luật quang điện 130 6.2.5 Ứng dụng tƣợng quang điện 131 6.2.6 Các thuộc tính photon 132 6.3 HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN TRONG 133 6.4 HIỆU ỨNG COMPTON 134 6.4.1 Thí nghiệm 134 6.4.2 Lý thuyết hiệu ứng Compton 135 6.5 ÁP SUẤT ÁNH SÁNG 136 6.5.1 Áp suất ánh sáng 136 6.5.2 Áp suất ánh sáng theo thuyết lƣợng tử ánh sáng 136 6.6 SỰ PHÁT QUANG 137 6.6.1 Hiện tƣợng phát quang 137 6.6.2 Phân loại tƣợng phát quang 138 6.6.3 Định luật Stokes – Lomen phát quang 138 6.7 BÀI TẬP CHƢƠNG 140 TÀI LIỆU THAM KHẢO 144 vii DANH SÁCH BẢNG Bảng Vị trí cực đại phụ 47 Bảng 2 Tỷ số cƣờng độ sáng cực đại phụ so với cực đại 48 Bảng Bài tập 2.5.16 63 Bảng Chiết suất số loại tinh thể lƣỡng chiết 73 Bảng Năng suất quay cực thạch anh số bƣớc sóng 93 Bảng Giới hạn quang điện số kim loại 129 viii   h (6.2) Trong h số Planck,  tần số ánh sáng Cƣờng độ chùm sáng tỷ lệ với photon có mặt chùm sáng Gọi P cơng suất phát sáng nguồn sáng đơn sắc, n số photon nguồn phát đơn vị thời gian ta có: P  n 6.2.3 Cơng thức Einstein Khi tƣợng quang điện xảy ra, electron nhận photon có lƣợng   h Năng lƣợng phần A1 va chạm với hạt khác qua trình di chuyển từ bề mặt kim loại, phần sinh cơng A electron khỏi bề mặt kim loại Phần lại truyền cho electron động ban đầu Theo định luật bảo tồn lƣợng ta có: h  A1  A  mv 2 (6.3) Các electron bề mặt kim loại nhận động ban đầu cực đại (A1=0): h  A  mvmax (6.4) Hay dƣới dạng bƣớc sóng hc   A mvmax (6.5) Các công thức (6.4) (6.5) gọi công thức Einstein hiệu ứng quang điện 6.2.4 Giải thích định luật quang điện Trên sở thuyết lƣợng tử ánh sáng, Einstein giải thích định luật tƣợng quang điện nhƣ sau: 6.2.4.1 Định luật giới hạn đỏ Từ công thức Einstein (6.4) (6.5) at đƣợc: h  Vì hc   A mvmax 2 mvmax hc 0 A    0  hc A (6.6) 130   0  A h (6.7) giá trị 0  đƣợc gọi giới hạn đỏ hiệu ứng quang điện 6.2.4.2 Định luật động ban đầu cực đại quang electron: Từ công thức Einstein (6.4) công thức (6.7) suy ra: h  A  mà theo (6.1) mvmax mv  max  h   0  2 mvmax  eU h nên eU h  h   0  (6.8) Vậy động ban đầu cực đại electron hiệu điện hãm không phụ thuộc vào cƣờng độ chùm sáng mà phụ thuộc bậc vào tần số ánh sáng tới 6.2.4.3 Định luật dòng quang điện bão hòa Theo thuyết lƣợng tử ánh sáng, cƣờng độ sáng tỷ lệ với số photon tới đơn vị thời gian, số photon tới tỷ lệ với số quang electron, số quang electron tỷ lệ với cƣờng độ dòng quang điện bão hòa Vậy dòng quuang điện bão hòa tỷ lệ với cƣờng độ ánh sáng tới 6.2.5 Ứng dụng tƣợng quang điện 6.2.5.1 Tế bào quang điện chân không Sơ đồ cấu tạo tế bào quang điện đƣợc biểu diễn hình 6.3 Bức xạ điện từ A K G Hình Nguyên tắc hoạt động hình ảnh tế bào quang điện 131 Trong cầu thủy tinh đƣợc hút chân khơng có chứa hai điện cực Cực dƣơng A có dạng vịng trịn kim loại, cực âm K có dạng chỏm cầu Hai điện cực tế bào đƣợc nối với nguồn điện chiều Hoạt động: ánh sáng thích hợp chiếu vào âm cực K tế bào cho dịng quang điện Đo độ lớn dịng quang điện ta suy cƣờng độ ánh sáng tới đƣợc ghi trực tiếp thang chia điện kế G 6.2.5.2 Ống nhân quang điện Về nguyên tắc cấu tạo, ống nhân quang điện giống nhƣ tế bào quang điện Tuy nhiên, để nâng cao độ nhạy dụng cụ quang điện ngồi cực âm K cịn có cực điện trung gian K1 , K , gọi cực phát (emitor) Sơ đồ cấu tạo ống nhân quang điện đƣợc biểu diễn hình 6.4 K3 K1 A K K2 Hình Ống nhân quang điện Hoạt động: ánh sáng tới K có tần số thích hợp làm bật quang electron Các electron đƣợc tăng tốc đập vào cực phát K1 sinh electron thứ cấp Hiệu điện cực phát đƣợc tăng dần theo cấp số cộng nên số quang electron tăng dần theo cấp số cộng Kết từ electron ban đầu tạo nhiều electron nghĩa dòng quang điện đƣợc khuếch đại 6.2.6 Các thuộc tính photon Theo thuyết tƣơng đối Eistein khối lƣợng hạt tỷ lệ với lƣợng với hệ số tỷ lệ bình phƣơng vận tốc ánh sáng chân không:   mc  m   c2 (6.9) Biểu thức (6.9) cho ta khối lƣợng tƣơng đối tính photon Và theo thuyết tƣơng đối khối lƣợng nghỉ photon đƣợc xác định hệ thức v2 m0  m  c Do photon v = c nên m0 = (6.10) (6.11) 132 Biểu thức (6.11) cho thấy, photon khơng có khối lƣợng nghỉ, nghĩa tồn trạng thái chuyển động mà thơi Xung lƣợng tƣơng đối tính photon là: p = mc =  c  h h  c  (6.12) Đối với hạt vi mơ (hạt có khối lƣợng kích thƣớc nhỏ) ta có hệ thức: E  mc2 (6.13) m khối lƣợng tƣơng đối tính, lƣợng E bao gồm lƣợng nghỉ động hạt Khi vật đứng yên m  m0 E0  m0c (6.14) Biểu thức (6.14) biểu thức lƣợng nghỉ hạt m m0 v2 1 c (6.15) Giữa lƣợng xung lƣợng hạt vi mơ có hệ thức: E  p2c2  m02c4 (6.16) 6.3 HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN TRONG Một số chất bán dẫn trở nên dẫn điện chiếu vào ánh sáng thích hợp tƣợng quang điện Hiện tƣợng quang điện xảy electron chất bán dẫn hấp thụ photon khỏi liên kết với ion dƣơng Kết tạo thành electron tự lỗ trống (các điện tích tự do) chất bán dẫn trở nên dẫn điện tốt Dựa vào tƣợng quang điện trong, ngƣời ta chế tạo dụng cụ có tác dụng tƣơng tự nhƣ tế bào quang điện nhƣng có độ nhạy lớn hàng ngàn lần gọi quang trở Quang trở có cấu tạo nhƣ hình 6.5 Lớp bán dẫn (2) mỏng (có bề dày khoảng 20 m  30 m ) phủ lên đế cách điện (1) nối mạch ngồi nhờ hai điện cực (3) Khi khơng có ánh sáng tới, dòng quang điện mạch nhỏ (gọi dòng tối) phụ thuộc vào điện trở lớp bán dẫn hiệu điện mạch Khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào lớp bán dẫn, độ dẫn điện tăng lên theo cƣờng độ chùm sáng tới 133 3 G Hình Sơ đồ nguyên tắc hoạt động quang điện trở Trong trƣờng hợp bán dẫn không đồng nhất, ngồi thay đổi độ dẫn điện cịn tạo thay đổi hiệu điện Hiện tƣợng gọi quang ganvanic Nó đƣợc ứng dụng để chế tạo pin quang điện Đó dụng cụ phát điện rọi sáng mà khơng cần hiệu điện ngồi, nghĩa biến đổi trực tiếp quang thành điện 6.4 HIỆU ỨNG COMPTON 6.4.1 Thí nghiệm Tấm chì Vật tán xạ P Chùm tia X  Máy thu tia X Ống phát tia X Hình 6 Sơ đồ thí nghiệm tán xạ Compton 134 Chiếu chùm tia X đơn sắc bƣớc sóng  qua hai khe hẹp đục hai chì dày Phía sau hai khe, chùm sáng xem nhƣ chùm song song rọi vào vật tán xạ P, thƣờng đƣợc làm graphit (hình 6.6) Theo phƣơng tán xạ  ngƣời ta thấy ngồi ánh sáng có bƣớc sóng  cịn có ánh sáng đơn sắc khác có bƣớc sóng ’ có độ lệch (cịn gọi độ dịch chuyển bƣớc sóng) đƣợc xác định biểu thức:   2C sin  (6.17) Trong C số đƣợc xác định thực nghiệm, đƣợc gọi bƣớc sóng Compton có giá trị bằng: C  0,0241 A0 (6.18) 6.4.2 Lý thuyết hiệu ứng Compton Hiệu ứng Compton đƣợc giải thích dựa thuyết lƣợng tử ánh sáng Einstein Coi tán xạ tia X va chạm đàn hồi photon với electron kim loại Trong va chạm, photon nhƣờng phần lƣợng cho electron biến thành photon khác có lƣợng thấp nghĩa có bƣớc sóng dài  Ban đầu, photon có lƣợng   h , xung lƣợng p  h ; electron c có lƣợng nghỉ m0c2 xung lƣợng  Sau va chạm, photon có lƣợng    h  , xung lƣợng p  h  ; c electron có lƣợng mc2 , xung lƣợng pe  mv Định luật bảo toàn xung lƣợng cho ta (hình 6.7):  Hình Định luật bảo toàn động lƣợng cho tán xạ Compton p  p  pe  pe2  p2  p2  pp cos (6.19) 135 Định luật bảo toàn lƣợng: h  m0c  h   mc  h   pe2  m02c c  pc  m0c  pc  pe2  m02c c  p  m0c  p  pe2  m02c  p2  p2  pm0c  pm0c  pp  pe2 (6.20) Cân hai vế (6.19) (6.20) ta đƣợc: m0c  p  p  pp 1  cos   Thay p  h  , p  h ta đƣợc:    1  h m0ch     sin         C sin 2        Với C  (6.21) (6.22) h  0,02426 Ao gọi bƣớc sóng Compton biết (6.18) m0c 6.5 ÁP SUẤT ÁNH SÁNG 6.5.1 Áp suất ánh sáng Theo quan điểm thuyết điện từ, áp suất ánh sáng tác dụng lên vật đƣợc chiếu sáng đƣợc tính cơng thức: p E 1  R  c (6.23) Trong E/c mật độ lƣợng ánh sáng R hệ số phản xạ vật đƣợc chiếu sáng Theo kết tính tốn Maxwell, ngày trời nắng, áp suất ánh sáng Mặt Trời tác dụng lên bề mặt Trái Đất vào khoảng 4.103 Pa Việc phát thực nghiệm áp suất nhỏ nhƣ khó khăn 6.5.2 Áp suất ánh sáng theo thuyết lƣợng tử ánh sáng Theo quan điểm thuyết lƣợng tử ánh sáng, áp suất mà ánh sáng gây chiếu lên bề mặt vật thay đổi xung lƣợng photon va chạm với bề mặt gây Xét chùm sáng đơn sắc tần số  chiếu vuông góc lên mặt vật Gọi E lƣợng N hạt photon tới đập vng góc với bề mặt vật đơn vị thời gian ta có 136 N E h (6.24) Nếu vật hấp thụ hoàn toàn ánh sáng áp suất ánh sáng lên bề mặt vật độ thay đổi xung lƣợng hạt photon 1s pht  N h E  c c (6.25) Nếu vật phản xạ hoàn toàn, photon bị phản xạ trở lại với xung lƣợng có độ lớn nhƣ cũ nhƣng ngƣợc hƣớng ban đầu Độ thay đổi xung lƣợng p px  N h E 2 c c (6.26) Nếu vật có hệ số phản xạ R, số N hạt tới có RN hạt phản xạ 1  R  N hạt bị hấp thụ độ thay đổi xung lƣợng chùm hạt giây p  RN h h E  1  R  N  1  R  c c c (6.27) Đây cơng thức cổ điển mà ta biết Việc phát áp suất ánh sáng thực nghiệm khẳng định ánh sáng khơng có lƣợng mà cịn có xung lƣợng Điều chứng tỏ ánh sáng dạng vật chất Đối với vật hoàn toàn suốt, photon truyền qua vật mà khơng bị thay đổi xung lƣợng nên không gây ánh sáng lên mặt vật 6.6 SỰ PHÁT QUANG 6.6.1 Hiện tƣợng phát quang Một số chất sau hấp thụ lƣợng dƣới dạng phát ánh sáng vùng nhìn thấy Hiện tƣợng gọi tƣợng phát quang Không phải phát sáng tƣợng phát quang Chẳng hạn phản xạ, tán xạ ánh sáng tƣợng phát sáng nhƣng phát quang Để phân biệt tƣợng phát quang với tƣợng phát sáng khác ta ý đặc điểm sau tƣợng phát quang:  Ở nhiệt độ miền quang phổ, ánh sáng phát quang có cƣờng độ lớn nhiều so với cƣờng độ xạ nhiệt Chẳng hạn, nhiệt độ phịng có nhiều chất phát quang, quang phổ xạ nhiệt nhiệt độ chủ yếu hồng ngoại Điều giúp ta phân biệt phát quang với xạ nhiệt  Sau ngừng kích thích, tƣợng phát quang kéo dài thêm khoảng thời gian tắt hẳn Khoảng thời gian đƣợc gọi thời gian phát quang Tùy theo chất phát quang mà thời gian phát quang từ 1010 s đến vài 137 ngày Đặc điểm cho phép ta phân biệt phát quang với phản xạ tán xạ ánh sáng, hầu nhƣ ngừng phát sáng sau ngừng kích thích  Bức xạ phát quang xạ riêng vật, chất phát quang có quabg phổ riêng đặc trƣng cho Nói cách khác, quang phổ phát quang phụ thuộc vào cấu trúc nguyên tử phân tử vật 6.6.2 Phân loại tƣợng phát quang Tùy theo thời gian phát quang, ngƣời ta phân tƣợng phát quang làm hai loại:  Huỳnh quang: phát quang có thời gian phát quang ngắn dƣới 106 s, ánh sáng phát quang hầu nhƣ tắt sau ngừng kích thích Huỳnh quang thƣờng xảy chất lỏng chất khí  Lân quang: tƣợng phát quang có thời gian phát quang kéo dài 106 s Lân quang thƣờng xảy chất rắn Dựa vào nguồn gốc lƣợng phát quang, ngƣời ta phân chia tƣợng phát quang làm nhiều loại khác nhau:  Khi chất phát quang đƣợc kích thức xạ quang học (nhƣ tia tử ngoại hay ánh sáng nhìn thấy chẳng hạn) ta có tƣợng quang phát quang  Nếu chất phát quang có dịng điện chạy qua hay đặt điện trƣờng, ta có điện phát quang  Khi chất phát quang đƣợc chiếu chùm tia electron, ta có tƣợng kathode phát quang  Nếu chất phát quang đƣợc kích thích từ lƣợng lấy từ phản ứng hóa học, ta có hóa phát quang  Nếu chất phát quang đƣợc kích thích sản phẩm phân rã phóng xạ, ta có phóng xạ phát quang 6.6.3 Định luật Stokes – Lomen phát quang Hiện tƣợng quang phát quang phân tử phức tạp đƣợc Stokes nghiên cứu nêu thành định luật sau, gọi định luật Stokes: Bƣớc sóng ánh sáng phát quang lớn bƣớc sóng ánh sáng mà chất phát quang hấp thụ Thực nghiệm chứng tỏ rằng, định luật Stokes luôn Trong quang phổ phát quang ngƣời ta quan sát thấy xạ có bƣớc sóng ngắn bƣớc sóng ánh sáng kích thích phát quang Lomen đƣa định luật tổng quát nhƣ sau, gọi định luật Stokes – Lomen Toàn phổ phát quang cực đại dịch chuyển phía sóng dài so với tồn phổ hấp thụ cực đại (hình 6.8) 138 Phần phổ phát quang có bƣớc sóng dài bƣớc sóng ánh sáng kích thích phát quang gọi phần Stokes; phần phổ lại phần đối Stokes Phổ hấp thụ Phổ phát xạ  Hình Định luật Stokes - Lomen Thực nghiệm cho thấy, nhiệt độ thấp, cƣờng độ xạ thuộc phổ đối Stokes nhỏ nhiều so với cƣờng độ xạ thuộc phổ Stokes Khi nhiệt độ tăng, cƣờng độ xạ phổ đối Stokes tăng lên nhƣng nhỏ cƣờng độ phần phổ Stokes Định luật Stokes – Lomen đƣợc giải thích dễ dàng nhờ thuyết lƣợng tử ánh sáng Giả sử phân tử chất phát quang trạng thái bản, hấp thụ photon có lƣợng h ht phát photon khác có lƣợng h pq Trong trình này, phần lƣợng photon bị hao phí biến thành nhiệt A Theo định luật bảo toàn lƣợng h ht  A  h pq (6.28) Vì lƣợng A dƣơng nên h ht  h pq   ht   pq  ht  pq (6.29) Đây phần phổ Stokes Trong trƣờng hợp ban đầu phân tử trạng thái kích thích hấp thụ photon chuyển lên trạng thái kích thích có lƣợng cao Khi chuyển trạng thái phát photon có lƣợng lớn lƣợng photon mà hấp thụ đƣợc h ht  h pq   pq  ht (6.30) Biểu thức (6.30) tƣơng ứng với phần đối Stokes quang phổ 139 6.7 BÀI TẬP CHƢƠNG 6.7.1 Cathode tế bào quang điện có giới hạn quang điện 0,54m Chiếu vào cathode xạ có bƣớc sóng 0,36m Cho h  6, 625.1034 Js ; c  3.108 m / s ; me  9,1.1031 kg ; e  1, 6.1019 C a Xác định vận tốc ban đầu cực đại quang electron b Tìm hiệu điện anode cathode để cƣờng độ dòng quang điện triệt tiêu c Tính vận tốc cực đại quang electron đến anode U AK  2V d Giảm bƣớc sóng ánh sáng kích thích 20 nm; phải thay đổi hiệu điện hãm nhƣ nào? 6.7.2 Lần lƣợt chiếu vào cathode tế bào quang điện hai xạ có tần số 1  2, 2.1015 Hz   4,5.1015 Hz hiệu điện hãm có độ lớn tƣơng ứng U1  5, 45V U  14,97V Cho e  1, 6.1019 C ; c  3.108 m / s ; me  9,1.1031 kg a Xác định số Planck từ số liệu b Tìm cơng electron giới hạn quang điện kim loại dùng làm cathode c Vận tốc ban đầu cực đại quang electron hai trƣờng hợp 6.7.3 Cathode tế bào quang điện có cơng 2,4eV Chiếu vào cathode xạ có bƣớc sóng   0,36m Cho h  6, 625.1034 Js ; c  3.108 m / s ; me  9,1.1031 kg ; e  1, 6.1019 C Hãy xác định: a Động ban đầu cực đại quang electron b Để dòng quang điện triệt tiêu, hiệu điện anode cathode nhận giá trị nào? c Công suất chiếu sáng nguồn 2mW xem nhƣ toàn photon nguồn phát tới cathode Xác định số photon đập vào cathode giây d Cƣờng độ dòng quang điện bảo hòa 32  A Tìm hiệu suất lƣợng tử tế bào quang điện lƣợng chuyển qua tế bào thời gian phút dòng quang điện đạt giá trị bão hịa 6.7.4 Khi chiếu xạ có bƣớc sóng 0, 41m vào cathode tế bào quang điện quang electron có vận tốc cực đại vmax1 Thay xạ khác có tần số 12.1014 Hz vận tốc ban đầu cực đại quang electron vmax  2vmax1 140 Cho h  6, 625.1034 Js ; c  3.108 m / s ; me  9,1.1031 kg ; e  1, 6.1019 C Xác định: a Cơng electron kim loại dùng làm cathode b Các hiệu điện hãm tƣơng ứng c Trong hai lần chiếu, cƣờng độ dòng quang điện bão hòa mA hiệu suất lƣợng tử 5% Tính cơng suất xạ mà bề mặt cathode nhận đƣợc 6.7.5 Hiệu điện anốt cathode ống Rongens 2,5 kV, cƣờng độ dòng điện qua ống I  1,6mA Cho h  6, 625.1034 Js ; c  3.108 m / s ; me  9,1.1031 kg ; e  1, 6.1019 C a Tính số electron đập vào đối cathode 1s b Vận tốc electron tới đối cathode (bỏ qua động ban đầu electron) c Tần số lớn tia X ống phát d Cho 5% lƣợng dòng electron biến thành lƣợng tia X Xác định nhiệt lƣợng tỏa đối K thời gian phút 6.7.6 Một tế bào quang điện có cathode làm kim loại có cơng 3,2 eV Chiếu chùm sáng hẹp vào cathode (coi nhƣ điểm cathode) xạ có bƣớc sóng 0, 20 m Biết khoảng cách anode cathode cm Coi điện trƣờng hai cực điện trƣờng Cho h  6, 625.1034 Js ; c  3.108 m / s ; me  9,1.1031 kg ; e  1, 6.1019 C Xác định bán kính vùng có electron đập vào anode hiệu điện anode cathode 2V 6.7.7 Cathode tế bào quang điện có giới hạn quang điện 0,35m Chiếu vào cathode xạ có bƣớc sóng 0, 25 m Hiệu điện anode cathode 2,5V Cho h  6, 625.1034 Js ; c  3.108 m / s ; me  9,1.1031 kg ; e  1, 6.1019 C a Xác định vận tốc cực đại quang electron đến anode b Anode đƣợc khoét lỗ nhỏ để tách chùm hẹp quang electron hƣớng vào từ trƣờng có vector cảm ứng từ hợp với vận tốc chùm hạt góc 600 có độ lớn 0,5 mT Xác định bán kính cực đại bƣớc ốc quỹ đạo quang electron từ trƣờng 6.7.8 Một tế bào quang điện có cathode đƣợc làm kim loại có cơng electron 3,6 eV; khoảng cách anode cathode cm Chiếu vào cathode 141 xạ điện từ có bƣớc sóng 0, 21m Cho h  6, 625.1034 Js ; c  3.108 m / s ; me  9,1.1031 kg ; e  1, 6.1019 C a Xác định giá trị hiệu điện anode cathode để cƣờng độ dòng quang điện triệt tiêu b Hiệu điện anode cathode U AK  0,8 V coi điện trƣờng anode cathode điện trƣờng Xác định vận tốc cực đại quang electron đến anode c Hiệu điện anode cathode U AK  6 V coi điện trƣờng anode cathode điện trƣờng Xác định quãng đƣờng lớn mà electron đƣợc trƣớc bị hút quay trở cathode 6.7.9 Trong tƣợng tán xạ Compton, chùm photon bay tới có bƣớc sóng 0,03A0 Tính bƣớc sóng photon tán xạ động electron ứng với góc tán xạ 600, 900, 1800 6.7.10 Photon có lƣợng ban đầu 0,15MeV tới tán xạ Compton electron đứng yên Sau tán xạ, bƣớc sóng photon tăng thêm 0,015A Tính góc bay electron 6.7.11 Tìm bƣớc sóng photon biết tƣợng tán xạ Compton, lƣợng photon tán xạ động electron bay chúng bay theo hai phƣơng vuông góc 6.7.12 Trong tƣợng tán xạ Compton, photon tán xạ electron bay theo hai hƣớng đối xứng qua phƣơng photon ban đầu Biết lƣợng photon tới 10MeV Xác định góc tán xạ 6.7.13 Trong tƣợng tán xạ Compton, photon tán xạ có bƣớc sóng 0,05 A0 a Tìm động cực đại mà electron nhận đƣợc trình tán xạ b Tính bƣớc sóng photon tới động electron bay nửa động cực đại 6.7.14 Tìm bƣớc sóng photon tới động electron trình tán xạ Compton biết photon tán xạ electron bay với động lƣợng hợp góc 600 6.7.15 Trong tƣợng tán xạ Compton, động cực đại mà electron nhận đƣợc 120 eV Xác định: a Bƣớc sóng photon tới b Năng lƣợng photon tán xạ 142 6.7.16 Trong tƣợng tán xạ Compton, photon tới có bƣớc sóng 3, 6.1012 m electron bay với tốc độ 0,6c (c vận tốc ánh sáng chân không) Xác định độ tăng bƣớc sóng photon góc tán xạ 6.7.17 Tìm bƣớc sóng photon biết tƣợng tán xạ Compton, electron có động cực đại lƣợng nghỉ 6.7.18 Trong tƣợng tán xạ Compton, electron bay với động lớn nửa động cực đại góc tán xạ 600 Xác định bƣớc sóng photon tới 6.7.19 Một chất phát quang phát xạ có bƣớc sóng 0,55m Kích thích chất chùm tia tử ngoại có bƣớc sóng 0,36m thấy công suất chùm sáng phát quang 5% công suất chùm xạ kích thích Biết cơng suất chùm sáng phát quang 1, 2mW a Xác định số photon kích thích chiếu tới khối chất thời gian phút b Tìm số photon xạ kích thích ứng với photon xạ phát quang 143 TÀI LIỆU THAM KHẢO Bùi Quang Hân (2002) Giải tốn Vật lý 12 (tập 3) TP Hồ Chí Minh: Giáo dục Việt Nam Đặng Thị Mai (1998) Quang học (Sách Cao đẳng Sƣ phạm) Hà Nội: Giáo dục Việt Nam Đặng Thị Mai (2001) Bài tập Vật lý đại cương (Sách Cao đẳng Sƣ phạm – tập 2) Hà Nội: Giáo dục Việt Nam Huỳnh Huệ (1981) Quang học (Sách Đại học Sƣ phạm) TP Hồ Chí Minh: Giáo dục Việt Nam Lƣơng Duyên Bình (2003) Bài tập Vật lý đại cương (tập 2) Quảng Nam: Giáo dục Việt Nam Nguyễn Thế Bình (2007) Quang học Hà Nội: Đại học Quốc gia Hà Nội Vũ Quang (Chủ biên) (2008) Vật lý 12 Hà Nội: Giáo dục Việt Nam Vũ Quang (Chủ biên) (2008) Bài tập Vật lý 12 Hà Nội: Giáo dục Việt Nam Vũ Thanh Khiết (Chủ biên) (2008) Bài tập Vật lý 12 nâng cao TP Hồ Chí Minh: Giáo dục Việt Nam Vũ Thanh Khiết (Chủ biên) (2008) Vật lý 12 nâng cao TP Hồ Chí Minh: Giáo dục Việt Nam Vũ Tiến Dũng (2002) Vật lý đại cương A2 (Tài liệu giảng dạy) Đại học An Giang 144 ... tam giác vng S1PM S2QM ta có: a  r 12  D   x   2? ??  (1.31) a  r  D x  2? ??  2 2 (1. 32) x M r1 S1 r2 P O I a x Q S2 D E Trừ vế (1. 32) cho (1.31) ta đƣợc: r 22  r 12  xa (1.33) Vì khoảng... nghiệm Stoletov tƣợng quang điện 127 6.1 .2 Các định luật quang điện 128 6 .2 THUYẾT LƢỢNG TỬ ÁNH SÁNG 129 6 .2. 1 Sự bất lực lý thuyết sóng ánh sáng 129 6 .2. 2 Thuyết lƣợng tử... ? ?2  1  Vì giá trị biên độ E01 E 02 không phụ thuộc vào thời gian nên ta có I1  E0 12  E0 12 ; I  E 022  E 022 Do I  I1  I  I1I cos ? ?2  1  (1.14) Trong t cos ? ?2  1    cos ? ?2 