Bài giảng vật lý đại cương 2 chương 8 nguyễn xuân thấu

Chương QUANG HỌC LƯỢNG TỬ Nguyễn Xuân Thấu -BMVL HÀ NỘI 2016 NỘI DUNG CHÍNH A BỨC XẠ NHIỆT VÀ THUYẾT LƯỢNG TỬ NĂNG LƯỢNG CỦA PLANCK B HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN C HIỆU ỨNG COMPTON A BỨC XẠ NHIỆT VÀ THUYẾT LƯỢNG TỬ PLANCK BÀI BỨC XẠ NHIỆT CÂN BẰNG Bức xạ nhiệt cân Sóng điện từ vật phát gọi chung xạ Dạng xạ nguyên tử phân tử bị kích thích tác dụng nhiệt phổ biến gọi xạ nhiệt Khi vật phát xạ, lượng giảm nhiệt độ giảm theo Ngược lại vật hấp thụ xạ, lượng tăng nhiệt độ tăng theo Trong trường hợp phần lượng vật xạ bù lại phần lượng vật nhận hấp thụ, nhiệt độ vật khơng đổi theo thời gian, xạ nhiệt vật không thay đổi gọi xạ nhiệt cân Những đại lượng đặc trưng phát xạ cân a) Năng suất phát xạ tồn phần - Xét vật đốt nóng giữ nhiệt độ không đổi T - Phần tử diện tích dS vật phát đơn vị thời gian lượng lượng xạ toàn phần dT Theo định nghĩa, đại lượng: d T RT  dS gọi suất phát xạ toàn phần vật nhiệt độ T RT (W/m2) lượng xạ đơn vị diện tích vật phát đơn vị thời gian nhiệt độ T Những đại lượng đặc trưng phát xạ cân b) Hệ số phát xạ đơn sắc - Bức xạ toàn phần vật phát nhiệt độ T bao gồm nhiều xạ đơn sắc Mỗi xạ đơn sắc ứng với giá trị xác định bước sóng  - Giả sử xạ đơn sắc có bước sóng nằm khoảng từ     d  đơn vị diện tích vật nhiệt độ khơng đổi T phát đơn vị thời gian, mang theo lượng dRT Theo định nghĩa, đại lượng: r ,T dRT  d gọi hệ số phát xạ đơn sắc vật nhiệt độ T ứng với bước sóng  Những đại lượng đặc trưng phát xạ cân b) Hệ số phát xạ đơn sắc Cơng thức biểu diễn qua tần số  xạ chiếu tới r ,T dRT d d (c /  )   r ,T  r ,T c( )  d d  d Vì theo định nghĩa hệ số phát xạ đơn sắc âm, nên ta có: r ,T  r ,T c 2 Đại lượng: dRT  r ,T d  gọi suất phát xạ đơn sắc Suy suất phát xạ toàn phần: RT     0 dRT     0 r ,T d  Những đại lượng đặc trưng hấp thụ xạ a) Hệ số hấp thụ toàn phần Giả sử rằng, đơn vị thời gian, toàn lượng xạ gửi tới đơn vị diện tích vật có giá trị dΦT vật hấp thụ phần lượng dΦ’T d T Theo định nghĩa, đại lượng: aT  gọi hệ số hấp thụ toàn phần d T vật nhiệt độ T b) Hệ số hấp thụ đơn sắc Giá sử đơn vị thời gian, chùm xạ đơn sắc có bước sóng nằm khoảng từ     d  gửi tới đơn vị diện tích cảu vật lượng dΦλ,T vật hấp thụ phần dΦ’λ,T a ,T  d  ,T d   ,T - gọi hệ số hấp thụ đơn sắc vật nhiệt độ T ứng với bước sóng λ Vật đen tuyệt đối Vật đen tuyệt đối hay gọi vật đen lý tưởng vật hấp thụ hoàn toàn lượng chùm xạ đơn sắc gửi tới a ,T  Trong tự nhiên, khơng có vật đen tuyệt đối, có vật có tính chất gần với tính chất vật đen tuyệt đối Một bình kín rỗng có kht lỗ nhỏ mặt phủ lớp chất đen xốp (bồ hóng) coi vật đen tuyệt đối BÀI ĐỊNH LUẬT KIRCHHOFF VỀ BỨC XẠ NHIỆT CÂN BẰNG Phát biểu định luật Kirchhoff Tỷ số hệ số phát xạ đơn sắc r ,T hệ số hấp thụ đơn sắc a ,T vật trạng thái xạ nhiệt cân không phụ thuộc vào chất vật đó, mà phụ thuộc vào nhiệt độ T bước sóng chùm xạ đơn sắc xét, nghĩa là: r ,T a ,T    ,T -   ,T hàm số chung cho vật nên gọi hàm phổ biến Nó phụ thuộc vào bước sóng xạ đơn sắc nhiệt độ T vật xạ nhiệt cân  Hàm phổ biến hệ số phát xạ đơn sắc vật đen tuyệt đối Khi a ,T  Ý nghĩa thực tiễn định luật Kirchhoff a) Sự phát xạ vật Đối với vật bất kỳ: a ,T  nên theo định luật Kirchhoff ta có: r ,T  a ,T   ,T    ,T Sự phát xạ vật (khơng đen) ứng với bước sóng xác định yếu phát xạ vật đen tuyệt đối ứng với bước sóng nhiệt độ với 10 b) Điều kiện cần đủ để vật kỳ phát xạ r ,T  a ,T   ,T Muốn r ,T  đồng thời a ,T    ,T  Điều kiện cần đủ để vật phát xạ  r ,T  phải hấp thụ xạ a ,T  vật đen tuyệt đối nhiệt độ với phải phát xạ   ,T  Thành công thuyết lượng tử lượng Planck c) Tìm lại cơng thức định luật Wien: 2  c Lấy đạo hàm theo ν công thức:  ,T Ta thu giá trị h e h kT 1  m tức m theo nội dung định luật Wien mT  b, b=2,8978.10-3  m.K  17 d) Tìm lại công thức định luật Stefan-Boltzmann:     2  T    ,T d   c  0  0 h e h kT 1 đặt x h kT Thành công thuyết lượng tử lượng Planck d) Tìm lại cơng thức định luật Stefan-Boltzmann:  2 k 4T x3 2 k 4T   T   x dx   T c h 15 c h e 1   5, 67.108W / m K 18 B HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN BÀI HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN VÀ CÁC ĐỊNH LUẬT CỦA NÓ Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện tượng electron giải phóng khỏi mặt ngồi kim loại rọi chùm ánh sáng thích hợp tới mặt kim loại 19 Sơ đồ thí nghiệm: - Dương cực A, âm cực K - nguồn điện nối tiếp, biến trở R để điều chỉnh điện A cao K ngược lại - Cường độ dòng điện đo điện kế - Hiệu điện kim loại đo vôn kế Hiệu ứng quang điện Đường đặc trưng Vôn-Ampe: đường biểu diễn phụ thuộc cường độ dòng quang điện vào hiệu điện kim loại Nếu U tăng I tăng, U lớn giá trị I khơng tăng nữa, tức cường độ dòng quang điện bị bão hịa (dịng quang điện tạo tồn electron bứt khỏi kim loại) 20 Để triệt tiêu dòng quang điện tác dụng hiệu điện ngược (VK>VA) để cản electron từ K sang A  gọi hiệu điện cản Công cản eUc điện trường độ lớn phải động cực đại hạt electron bị bứt khỏi K eU C  m0 vmax 2 Các định luật quang điện a) Định luật giới hạn quang điện Đối với kim loại xác định, hiệu ứng quang điện xảy bước sóng chùm sáng rọi tới nhỏ giá trị xác định đó, gọi giới hạn quang điện tần số ánh sáng chiếu tới lớn tần số ngưỡng đó, gọi “ngưỡng quang điện” kim loại đó:   0 ,   CHÚ Ý!!! b) Định luật dòng quang điện bão hòa 21 Cường độ dòng quang điện bão hòa tăng tỷ lệ thuận với cường độ sáng chùm sáng chiếu tới kim loại c) Định luật Einstein động cực đại quang electron Động cực đại quang electron tỷ lệ với tần số chùm ánh sáng rọi tới không phụ thuộc vào cường độ sáng chùm ánh sáng Sực bất lực thuyết điện từ ánh sáng 22 - Khơng giải thích “giới hạn quang điện” Theo thuyết điện từ dù ánh sáng có bước sóng nữa, có cường độ lớn cung cấp nhiều lượng cho electron giải phóng electron khỏi kim loại, thực chất thì…khơng - Khơng giải thích động cực đại ban đầu quang electron phụ thuộc vào tần số ánh sáng mà không phụ thuộc vào cường độ - Khơng giải thích xuất gần quang electron kim loại rọi sáng BÀI THUYẾT PHOTON CỦA EINSTEIN VÀ SỰ GIẢI THÍCH CÁC ĐỊNH LUẬT QUANG ĐIỆN Thuyết lượng tử ánh sáng Einstein a) Ánh sáng gồm hạt nhỏ gọi photon (hay lượng tử ánh sáng) Mỗi photon mang lượng xác định bằng:   h Trong h=6,624.10-34(J.s) số Planck, ν tần số sóng ánh sáng tương ứng với photon b) Trong chân không môi trường khác, photon truyền vận tốc xác định c=108 m/s 23 c) Cường độ chùm ánh sáng tỷ lệ với số photon phát từ nguồn sáng đơn vị thời gian Giải thích định luật quang điện a) Giải thích định luật giới hạn quang điện: Khi kim loại rọi sáng, electron hấp thụ hoàn toàn photon tới nhận lượng ε=hν photon Nếu phần lượng lớn cơng electron electron giải phóng khỏi kim loại Như điều kiện để hiệu ứng quang điện xảy là:   h  A    24  c   0  c 0 A  h  hc A - tần số ngưỡng - giới hạn quang điện  Tần số ngưỡng giới hạn quang điện phụ thuộc vào công thoát A, tức phụ thuộc vào chất kim loại cần nghiên cứu hiệu ứng quang điện Giải thích định luật quang điện b) Giải thích định luật dòng quang điện bão hòa 25 Dòng quang điện trở nên bão hòa tất quang electron giải phóng khỏi kim loại âm cực chuyển động hết dương cực A Nhưng số quang electron giải phóng khỏi âm cực tỷ lệ thuận với số photon bị hấp thụ: số photon lại tỷ lệ thuận với số photon tới âm cực Vì vậy, cường độ dịng quang điện bão hịa (bằng số electron giải phóng khỏi âm cực K đơn vị thời gian) tỷ lệ với số photon tới âm cực, tức tỷ lệ thuận với cường độ sáng chùm ánh sáng rọi tới kim loại âm cực Giải thích định luật quang điện c) Giải thích định luật Einstein động cực đại quang electron Đối với electron sát mặt kim loại, lượng mà electron hấp thụ photon dùng để sinh cơng A, phần cịn lại chuyển thành động ban đầu electron Đối với electron sâu kim loại, phần lượng mà hấp thụ photon bị tiêu hao q trình chạy từ mặt ngồi kim loại Như vậy, electron sát mặt kim loại, giải phóng khỏi kim loại có động ban đầu cực đại 26 mvmax  h  A Đây gọi phương trình Einstein Phương trình chứng tỏ rằng, kim loại xác định, động cực đại ban đầu quang electron phụ thuộc vào tần số chùm sáng rọi tới mặt kim loại C HIỆU ỨNG COMPTON BÀI HIỆU ỨNG COMPTON Hiệu ứng Compton tượng thể chất hạt xạ điện từ, nói riêng chứng minh tồn động lượng hạt photon 27 Năm 1923, Compton làm thí nghiệm cho chùm tia X, bước sóng λ chiếu vào chất grafit, paraffin,v.v… Trong phổ tia X bị tán xạ, vạch có bước sóng λ chùm tia X chiếu tới cịn phát vạch có bước sóng λʹ>λ Thực nghiệm chứng tỏ λʹ phụ thuộc vào góc tán xạ θ, mà khơng phụ thuộc vào cấu tạo chất chiếu tia X BÀI CƠNG THỨC CHO HIỆU ỨNG COMPTON Để tính độ tăng       , ta dựa vào thuyết photon Einstein áp dụng định luật bảo toàn động lượng bảo toàn lượng cho hệ kín “tia X – electron” m 0e - khối lượng nghỉ electron   m 0e c 28 m 0e 1 pe  v c2 m 0e v 1 v c2 - lượng nghỉ electron - khối lượng electron chuyển động ,  m 0e c 1 v c2 - động lượng lượng electron chuyển động BÀI CÔNG THỨC CHO HIỆU ỨNG COMPTON Động lượng Năng lượng Hạt Trước va chạm 29 Photon γ p   mc  h c Sau va chạm p  h  c m 0e v Electron v2 1 c Trước va chạm Sau va chạm h h  m 0e c2 m 0e c v2 1 c BÀI CÔNG THỨC CHO HIỆU ỨNG COMPTON Định luật bảo toàn lượng: Định luật bảo toàn động lượng: h  m 0e c  h  m 0e c v2 1 c       p   p  p e  p  p  p e Bình phương vế PT ĐLBT động lượng trừ cho PT ĐLBT lượng:     m 0e c  v  v   hvv 1  cos    2hvv sin  2h sin   2 C sin        m 0e c 2h C   2, 426.1012 m bước sóng Compton, số chung m 0e c cho chất 30 BÀI TẬP CHƯƠNG QUANG HỌC LƯỢNG TỬ 4.1 – 4.6, 4.8, 4.10, 4.11, 4.12, 4.13, 4.27, 4.31, 4.32, 4.33, 4.39, 4.41, 4.50, 4.51, 4.52, 4.53, 4.54 31 ...     m 0e c 2h C   2, 426 .10 12 m bước sóng Compton, số chung m 0e c cho chất 30 BÀI TẬP CHƯƠNG QUANG HỌC LƯỢNG TỬ 4.1 – 4.6, 4 .8, 4.10, 4.11, 4. 12, 4.13, 4 .27 , 4.31, 4. 32, 4.33, 4.39,... vật lượng dΦλ,T vật hấp thụ phần dΦ’λ,T a ,T  d  ,T d   ,T - gọi hệ số hấp thụ đơn sắc vật nhiệt độ T ứng với bước sóng λ Vật đen tuyệt đối Vật đen tuyệt đối hay gọi vật đen lý tưởng vật. .. đối vật b m  T Trong b – số Wien 12 b  2, 89 78. 103 m.K  định luật dịch chuyển Công thức Rayleigh – Jeans khủng hoảng vùng tử ngoại a) Công thức Rayleigh - Jeans Xuất phát từ quan niệm vật lý