Đang tải... (xem toàn văn)
Tập bài giảng gồm 9 chương được chia thành 2 phần Điện từ học và Quang học. Phần Điện từ học gồm các chương: Trường tĩnh điện; Vật dẫn; Từ trường không đổi; Hiện tượng cảm ứng điện từ; Trường điện từ. Phần Quang học gồm các chương: Cơ sở của quang hình học và các đại lượng trắc quang; Giao thoa ánh sáng; Nhiễu xạ ánh sáng; Quang học lượng tử.
LỜI NÓI ĐẦU Tập giảng Vật lý đại cƣơng đƣợc biên soạn theo chƣơng trình hành, dùng cho sinh viên hệ đại học trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Nam Định Tập giảng gồm chƣơng đƣợc chia thành phần Điện từ học Quang học Phần Điện từ học gồm chƣơng: Trƣờng tĩnh điện; Vật dẫn; Từ trƣờng không đổi; Hiện tƣợng cảm ứng điện từ; Trƣờng điện từ Phần Quang học gồm chƣơng: Cơ sở quang hình học đại lƣợng trắc quang; Giao thoa ánh sáng; Nhiễu xạ ánh sáng; Quang học lƣợng tử Tập giảng đƣợc biên soạn nối tiếp sau giáo trình Vật lý đại cƣơng với mục đích xây dựng tài liệu hoàn chỉnh trợ giúp đắc lực cho sinh viên trình đào tạo theo học chế tín chỉ, có số phần đƣa vào để sinh viên tự nghiên cứu Sau chƣơng có phần tổng kết chƣơng, hệ thống câu hỏi lý thuyết tập giúp ngƣời học củng cố kiến thức, tự kiểm tra, đánh giá kết trình học tập Tập giảng đƣợc biên soạn lần đầu nên không tránh khỏi thiếu sót, tác giả mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp bạn đọc để tập giảng đƣợc hoàn thiện Nam Định, 2011 Các tác giả MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC PHẦN III ĐIỆN TỪ HỌC 10 Chương TRƢỜNG TĨNH ĐIỆN 11 1.1 NHỮNG KHÁI NIỆM MỞ ĐẦU 11 1.1.1 Hiện tƣợng nhiễm điện, điện tích 11 1.1.2 Thuyết điện tử - Định luật bảo tồn điện tích 11 1.1.3 Phân loại vật liệu điện 12 1.2 ĐỊNH LUẬT COULOMB 12 1.2.1 Khái niệm điện tích điểm 12 1.2.2 Định luật Coulomb 13 1.2.3 Nguyên lý chồng chất lực 14 1.2.4 Bài tập áp dụng 15 1.3 ĐIỆN TRƯ ỜNG 17 1.3.1 Khái niệm điện trƣờng 17 1.3.2 Vectơ cƣờng độ điện trƣờng 18 1.4 ĐIỆN THÔNG 25 1.4.1 Đƣờng sức điện trƣờng 25 1.4.2 Sƣ̣ gián đoa ̣n của đường sƣ́c điện trường - Vectơ cảm ứng điện 26 1.4.3 Điện thông 28 1.5 ĐỊNH LÝ OXTROGRATXKI - GAUSS (O - G) ĐỐI VỚI ĐIỆN TRƢỜNG 29 1.5.1 Thiết lập định lý 30 1.5.2 Phát biểu định lý 32 1.5.3 Dạng vi phân định lý O-G 32 1.5.4 Phƣơng pháp sử dụng định lý O-G 32 1.6 ĐIỆN THẾ 37 1.6.1 Công lực tĩnh điện 37 1.6.2 Thế điện tích điện trƣờng 39 1.6.3 Điện hiệu điện 40 1.7 MẶT ĐẲNG THẾ 42 1.7.1 Định nghĩa 42 1.7.2 Tính chất mặt đẳng 43 1.8 LIÊN HỆ GIỮA VECTƠ CƢỜNG ĐỘ ĐIỆN TRƢỜNG VÀ HIỆU ĐIỆN THẾ 43 BÀI TẬP CHƢƠNG 53 Chương VẬT DẪN 57 2.1 ĐIỀU KIỆN CÂN BẰNG TĨNH ĐIỆN TÍNH CHẤT CỦA VẬT DẪN MANG ĐIỆN 57 2.1.1 Định nghĩa vật dẫn cân tĩnh điện 57 2.1.2 Điều kiện cân tĩnh điện 57 2.1.3 Những tính chất vật dẫn mang điện 58 2.2 HIỆN TƢỢNG ĐIỆN HƢỞNG 60 2.2.1 Hiện tƣợng điện hƣởng Định lý phần tử tƣơng ứng 60 2.2.2 Điện hƣởng phần điện hƣởng toàn phần 62 2.3 ĐIỆN DUNG CỦA MỘT VẬT DẪN CÔ LẬP 62 2.3.1 Định nghĩa 62 2.3.2 Điện dung cầu kim loại 63 2.4 HỆ VẬT DẪN TÍCH ĐIỆN CÂN BẰNG TỤ ĐIỆN 63 2.4.1 Điện dung hệ số điện hƣởng 63 2.4.2 Tụ điện 64 2.4.3 Điện dung số tụ điện 65 2.5 NĂNG LƢỢNG ĐIỆN TRƢỜNG 66 2.5.1 Năng lƣợng tƣơng tác hệ điện tích điểm 66 2.5.2 Năng lƣợng điện vật dẫn lập tích điện 66 2.5.3 Năng lƣợng tụ điện 67 2.5.4 Năng lƣợng điện trƣờng 67 BÀI TẬP CHƢƠNG 72 Chương TỪ TRƢỜNG KHÔNG ĐỔI 73 3.1 TƢƠNG TÁC TỪ - ĐỊNH LUẬT AMPER 74 3.1.1 Tƣơng tác từ 74 3.1.2 Định luật Amper tƣơng tác hai phần tử dòng điện 74 3.2 TỪ TRƢỜNG 76 3.2.1 Khái niệm từ trƣờng 76 3.2.2 Vectơ cảm ứng từ - Vectơ cƣờng độ từ trƣờng 77 3.3 TỪ THÔNG ĐỊNH LÝ O-G ĐỐI VỚI TỪ TRƢỜNG 86 3.3.1 Đƣờng cảm ứng từ 86 3.3.2 Từ thông 87 3.3.3 Tính chất xốy từ trƣờng 88 3.3.4 Định lý Oxtrogratxki – Gauss từ trƣờng 88 3.4 ĐỊNH LÝ AMPER VỀ DÕNG TOÀN PHẦN 89 3.4.1 Lƣu số vectơ cƣờng độ từ trƣờng 89 3.4.2 Định lý Amper dịng điện tồn phần 89 3.4.3 Ứng dụng định lý Amper dịng tồn phần 92 3.5 TÁC DỤNG CỦA TỪ TRƢỜNG LÊN DÕNG ĐIỆN 94 3.5.1 Tác dụng từ trƣờng lên phần tử dòng điện 94 3.5.2 Tác dụng tƣơng hỗ hai dòng điện thẳng song song dài vô hạn 94 3.5.3 Định nghĩa đơn vị cƣờng độ dòng điện 96 3.5.4 Tác dụng từ trƣờng lên mạch điện khép kín 96 3.6 LỰC TỪ TÁC DỤNG LÊN HẠT MANG ĐIỆN CHUYỂN ĐỘNG 97 3.6.1 Lực Lorentz 97 3.6.2 Chuyển động hạt tích điện từ trƣờng 98 3.7 CÔNG CỦA LỰC TỪ 100 BÀI TẬP CHƢƠNG 108 Chương HIỆN TƢỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ 112 4.1 CÁC ĐỊNH LUẬT VỀ HIỆN TƢỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ 112 4.1.1 Thí nghiệm Faraday 112 4.1.2 Định luật Lenx 113 4.1.3 Định luật tƣợng cảm ứng điện từ 114 4.1.4 Nguyên tắc tạo dòng điện xoay chiều 115 4.1.5 Dòng điện Foucoult 116 4.2 HIỆN TƢỢNG TỰ CẢM 116 4.2.1 Hiện tƣợng 116 4.2.2 Sức điện động tự cảm 117 4.3 NĂNG LƢỢNG CỦA TỪ TRƢỜNG 118 4.3.1 Năng lƣợng từ trƣờng ống dây điện 118 4.3.2 Năng lƣợng từ trƣờng 120 4.3.3 Năng lƣợng trƣờng 121 BÀI TẬP CHƢƠNG 125 Chương TRƢỜNG ĐIỆN TỪ 127 5.1 LUẬN ĐIỂM MAXWELL THỨ NHẤT ĐIỆN TRƢỜNG XOÁY 127 5.1.1 Phát biểu luận điểm 127 5.1.2 Phƣơng trình Maxwell Faraday 128 5.2 LUẬN ĐIỂM MAXWELL THỨ HAI DÕNG ĐIỆN DỊCH 129 5.2.1 Phát biểu luận điểm 129 5.2.2 Biểu thức mật độ dòng điện dịch 130 5.2.3 Phƣơng trình Maxwell Amper 136 5.3 TRƢỜNG ĐIỆN TỪ VÀ HỆ PHƢƠNG TRÌNH MAXWELL 137 5.3.1 Trƣờng điện từ 137 5.3.2 Hệ cặp phƣơng trinh Maxwell dƣới tích phân 138 5.3.3 Hệ cặp phƣơng trình Maxwell dƣới dạng vi phân 139 5.4 SÓNG ĐIỆN TỪ 141 5.4.1 Sự tạo thành sóng điện từ 141 5.4.2 Phƣơng trình sóng điện từ 142 5.4.3 Sóng điện từ đơn sắc phẳng 144 5.4.4 Năng lƣợng thơng sóng điện từ 145 5.4.5 Áp suất sóng điện từ áp suất 146 5.4.6 Bức xạ lƣỡng cực điện 147 5.4.7 Phân loại sóng điện từ 149 BÀI TẬP CHƢƠNG 154 PHẦN IV QUANG HỌC Error! Bookmark not defined Chương CƠ SỞ CỦA QUANG HÌNH HỌC CÁC ĐẠI LƢỢNG TRẮC QUANG Error! Bookmark not defined 1.1 CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN CỦA QUANG HÌNH HỌC Error! Bookmark not defined 1.1.1 Định luật truyền thẳng ánh sángError! Bookmark not defined 1.1.2 Định luật tác dụng độc lập tia sángError! Bookmark not defined 1.1.3 Hai định luật Descartes Error! Bookmark not defined 1.2 NHỮNG PHÁT BIỂU TƢƠNG ĐƢƠNG CỦA ĐỊNH LUẬT DESCARTES Error! Bookmark not defined 1.2.1 Quang lộ Error! Bookmark not defined 1.2.2 Nguyên lí Fermat Error! Bookmark not defined 1.2.3 Định lí Malus Error! Bookmark not defined 1.3 CÁC ĐẠI LƢỢNG TRẮC QUANG Error! Bookmark not defined 1.3.1 Quang thông Error! Bookmark not defined 1.3.2 Độ sáng Error! Bookmark not defined 1.3.3 Độ rọi Error! Bookmark not defined BÀI TẬP CHƢƠNG Error! Bookmark not defined Chƣơng GIAO THOA ÁNH SÁNG Error! Bookmark not defined 2.1 CƠ SỞ CỦA QUANG HỌC SÓNG Error! Bookmark not defined 2.1.1 Một số khái niệm cơ bản về sóng Error! Bookmark not defined 2.1.2 Thuyế t điện tƣ̀ về ánh sáng của MaxwellError! Bookmark not defined 2.1.3 Hàm sóng ánh sáng Error! Bookmark not defined 2.1.4 Cƣờng độ sáng Error! Bookmark not defined 2.1.5 Ngun lí chờ ng chấ t sóng Error! Bookmark not defined 2.1.6 Ngun lí Huygens Error! Bookmark not defined 2.2 GIAO THOA ÁNH SÁNG Error! Bookmark not defined 2.2.1 Đinh ̣ nghiã Error! Bookmark not defined 2.2.2 Khảo sát tươ ̣ng giao thoa Error! Bookmark not defined 2.3 GIAO THOA GÂY BỞI BẢN MỎNG Error! Bookmark not defined 2.3.1 Giao thoa phản xạ Error! Bookmark not defined 2.3.2 Giao thoa gây mỏng có bề dày khơng đổi Vân độ nghiêng Error! Bookmark not defined 2.3.3 Giao thoa gây mỏng có bề dày thay đổi Vân độ dày Error! Bookmark not defined BÀI TẬP CHƢƠNG Error! Bookmark not defined Chương NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG Error! Bookmark not defined 3.1 HIỆN TƢỢNG NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG NGUYÊN LÍ HUYGENSFRESNEL Error! Bookmark not defined 3.1.1 Hiện tƣợng nhiễu xạ ánh sáng Error! Bookmark not defined 3.1.2 Nguyên lí Huygens-Fresnel Error! Bookmark not defined 3.2 PHƢƠNG PHÁP ĐỚI CẦU FRESNEL Error! Bookmark not defined 3.2.1 Cách chia đới Error! Bookmark not defined 3.2.2 Tính biên độ tổng hợp Error! Bookmark not defined 3.2.3 Phƣơng pháp giản đồ vectơ Error! Bookmark not defined 3.3 NHIỄU XẠ GÂY BỞI CÁC SÓNG CẦUError! Bookmark not defined 3.3.1 Nhiễu xạ qua lỗ tròn Error! Bookmark not defined 3.3.2 Nhiễu xạ qua đĩa tròn Error! Bookmark not defined 3.4 NHIỄU XẠ GÂY BỞI CÁC SÓNG PHẲNGError! Bookmark not defined 3.4.1 Nhiễu xạ qua khe hẹp Error! Bookmark not defined 3.4.2 Nhiễu xạ qua nhiều khe hẹp Error! Bookmark not defined 3.4.3 Cách tử nhiễu xạ Error! Bookmark not defined 3.4.4 Nhiễu xạ tinh thể Error! Bookmark not defined BÀI TẬP CHƢƠNG Error! Bookmark not defined Chương QUANG HỌC LƯ ƠN ̣ G TƢ̉ Error! Bookmark not defined 4.1 BƢ́C XẠ NHIỆT Error! Bookmark not defined 4.1.1 Bức xạ nhiệt cân Error! Bookmark not defined 4.1.2 Các đa ̣i lươ ̣ng đặc trưng của bƣ́c xa ̣ nhiệt cân bằ ng Error! Bookmark not defined 4.1.3 Đinh ̣ luật Kirchhoff Error! Bookmark not defined 4.2 CÁC ĐINH ̣ LUẬT PHÁT XẠ CỦA VẬT ĐEN TUYỆT ĐỐI Error! Bookmark not defined 4.2.1 Đinh ̣ luật Stephan-Boltzmann Error! Bookmark not defined 4.2.2 Đinh ̣ luật Wien Error! Bookmark not defined 4.2.3 Sƣ̣ khủng hoảng ở vùng tƣ̉ ngoa ̣i Error! Bookmark not defined 4.3 THUYẾT LƯ ƠN ̣ G TƢ̉ PLANCK Error! Bookmark not defined 4.3.1 Thuyế t lươ ̣ng tƣ̉ năng lư ̣ng của PlanckError! Bookmark not defined 4.3.2 Thành công của thuyế t lư ̣ng tƣ̉ năng lươ ̣ngError! Bookmark not defined 4.4 THUYẾT PHOTON CỦA EINSTEIN Error! Bookmark not defined 4.4.1 Thuyế t photon của Einstein Error! Bookmark not defined 4.4.2 Động lƣ̣c ho ̣c photon Error! Bookmark not defined 4.5 HIỆN TƯ ƠN ̣ G QUANG ĐIỆN Error! Bookmark not defined 4.5.1 Đinh ̣ nghiã Error! Bookmark not defined 4.5.2 Các đinh ̣ luật quang điện giải thíchError! Bookmark not defined 4.6 HIỆU Ƣ́NG COMPTON Error! Bookmark not defined 4.6.1 Hiệu ƣ́ng Compton Error! Bookmark not defined 4.6.2 Giải thích hi ệu ƣ́ng Compton bằ ng thuyế t lư ̣ng tƣ̉ ánh sáng Error! Bookmark not defined BÀI TẬP CHƢƠNG Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO Error! Bookmark not defined PHẦN III ĐIỆN TỪ HỌC Trong chƣơng trình VLĐC ta khảo sát hai da ̣ng v ận động của v ật chấ t v ận động cơ ho ̣c v ận động nhiệt Trong phần ta sẽ nghiên cƣ́u da ̣ng vận động khác của vật chấ t: vận động điện tƣ̀ Từ xa xƣa, tƣợng điện từ đƣợc biết đến nhƣ tƣợng số vật cọ xát vào len, dạ, lơng thú… có khả hút đƣợc vật nhẹ nam châm hút đƣợc sắt Đó nguồn gốc tự nhiên khoa học điện từ, mà nhiều kỉ chúng đƣợc coi hai môn khoa học độc lập với Năm 1820, Hans Christran Oersted tìm mối quan hệ mật thiết hai tƣợng điện từ, điện từ thực chất hai hiệu ứng gắn liền với thuộc tính điện tích vật chất Từ đây, môn khoa học đời kết hợp tƣợng điện từ gọi điện từ học Đối tƣợng điện từ học hạt mang điện với tính chất liên quan đến chúng chuyển động chúng Các quy luật đƣợc tìm thấy điện từ học đƣợc áp dụng rộng rãi kỹ thuật điện, điện tử đời sống hàng ngày Mặc dù tƣợng điện từ có quan hệ mật thiết với nhau, nhƣng gắn kết tách rời Nếu tiến hành nghiên cứu điện tích trạng thái đứng yên (trong hệ quy chiếu dùng để nghiên 10 Nhận xét UAK>0: Khi UAK tăng I tăng theo, UAK đa ̣t đế n m ột giá tri ̣nào cường độ dịng quang điện sẽ không tăng nữa đa ̣t giá tri ̣ Ibh, đư ̣c go ̣i cường độ dòng quang điện bão hòa Khi UAK=0 cường độ dòng quang điện vẫn có giá tri ̣ I0 Điề u chứng tỏ quang electron bắ n có sẵn m ột động năng ban đầ u Để tri ệt tiêu dòng quang điện ta phải đ ặt Hình 4.5 Đồ thị I-V lên A-K hiệu điện thế ngư ̣c Uc cho công cản của ện trường phải đ ộng năng ban đầ u cực đa ̣i của electron bị bứt khỏi K, nghĩa là: eUc = mvo2max (4.15) Uc đươ ̣c go ̣i hiệu điện thế cản 4.5.2 Các đinh ̣ luật quang điện giải thích Từ kế t quả thí nghi ệm ngư ời ta tìm ba đinh ̣ lu ật sau go ̣i ba đinh ̣ luật quang điện Các đinh ̣ luật chỉ có thể giải thích đươ ̣c dựa vào thuyế t photon Einstein a Phương trình Einstein Khi có chùm ánh sáng thích hơ ̣ p rọi đến catốt , electron tự kim loa ̣i hấ p thu ̣ photo n Mỗi electron hấ p thu ̣ m ột photon sẽ nh ận đư ̣c năng lươ ̣ng bằ ng hν Năng lượng phầ n chủ n thành cơng Ath electron khỏi kim loa ̣i , phầ n lại chuyển thành đ ộng năng ban đầ u của quang electron Động năng ban đầ u lớn electron ở gầ n mặt ngồi kim loại, đớ i với electro n ở sâu kim loa ̣i , phầ n lượng m hấ p thu ̣ đươ ̣c của photo n sẽ bi ̣ tiêu hao trình chuyể n động từ m ặt kim loa ̣i Như động năng ban đầ u sẽ cực đa ̣i đớ i với electron sát mặt ngồi kim loa ̣i 89 Theo đinh ̣ luật bảo toàn năng lươ ̣ng, Einstein đưa phương trình cho hiệu ứng quang điện: h c = Ath + mvo2max l (4.16) b Đinh ̣ luật về giới haṇ quang điện Phát biểu: Đối với kim loại xác định , tư ợng quang ện chỉ xảy bước sóng λ chùm xạ ện từ rọi tới nhỏ giá tri ̣ xác ̣nh λo, λo gọi giới hạn quang điện của kim loại Giới ̣n quang ện λo phụ thuộc vào bản chấ t của kim loa ̣i làm catố t Đinh ̣ luật nói lên điề u kiện cầ n để có thể xảy hi ện tươ ̣ng quang điện Ở cầ n nhấ n ma ̣nh rằ ng , nế u chùm sáng tới có bước sóng λ>λo dù cường độ sáng rấ t ma ̣nh, cũng không thể gây tươ ̣ng quang điện Giải thích: Trong phương trình Einstein: h c = Ath + mvo2max l 2 Vì vomax ³ đặt Ath = h h c l ³h c l0 c l0 nên Þ l £ l0 Nghĩa chùm ánh sáng gây hi ệu ứng quang điện phải có bước sóng λ nhỏ giá tri ̣xác đinh ̣ l0 = hc (λλ (Hình 4.6) Thực nghi ệm chứng tỏ rằ ng bước sóng λ′ không phụ thuộc cấ u ta ̣o của chấ t đươ ̣c tia X rọi đến mà phụ thuộc vào góc tán xạ θ Độ tăng bước sóng Δλ=λ'-λ đư ̣c xác đinh ̣ bởi biể u thức: Dl = lc sin q λc=2,426.10-12m hằ ng sớ chung cho mo ̣i chấ t , đư ̣c go ̣i bước sóng Compton Theo lí thú t sóng tia X trù n đế n graphít làm cho hạt mang ện (ở electro n) dao động cưỡng bức với tầ n sớ của tia X, bức xa ̣ tán xa ̣ về mo ̣i phương phải có tầ n sớ với bức xa ̣ tới Như lí thú t sóng ện từ cở điể n khơng giải thích đươ ̣c tươ ̣ng Compton 4.6.2 Giải thích hiệu ƣ́ng Compton bằ ng thuyế t lư ̣ng tƣ̉ ánh sáng Chúng ta có thể coi hi ện tươ ̣ng tán xa ̣ tia X va cha ̣m hoàn toàn đàn hồ i giữa m ột photon electron chấ t mà tia X chiế u tới (Hình 4.7) Trong phở tán xa,̣ những va ̣ch có bước sóng bằ ng bước sóng của tia X 92 chiế u tới tương ứng với sự tán xa ̣ của tia X lên electron ở sâu nguyên tử , electron liên kế t ma ̣nh với ̣t nhân, cịn va ̣ch có bư ớc sóng λ′>λ tương ứng với tán xạ tia X lên electron liên kế t yế u với ̣t nhân Năng lươ ̣ng liên kế t của electron rấ t nhỏ so với năng lượng chùm tia X chiế u tới , electron có thể coi như tự Hình 4.7 Va chạm đàn hồ i giữa photon electron Giả thiế t trước va cha ̣m electro n (e-) đứng yên Tia X có năng lươ ̣ng lớn , tán xa ̣ electron tự tia X truyền lượng cho electron nên sau va cha ̣m v ận tớ c của electron rấ t lớn, ta phải áp dụng hi ệu ứng tư ơng đố i tính trường hơ ̣p Hình 4.8 Chúng ta xét động lươ ̣n g, lượng hạt photon electron trước sau va cha ̣m: Photon Động lượng hn h = c l Trước va chạm p= Sau va chạm hn ' h p' = = c l' Năng lượng hc Trước va chạm e = hn = Sau va chạm e ' = hn ' = l hc l' p'e = me v 1- p'+ p'e v2 c2 ee = mec ee ' = + p e + ee = hn + mec me c 1- 93 Hệ photon electron Eletron v2 c2 e '+ e 'e = hn '+ me c v2 1- c Do hệ hệ kín, va chạm đàn hồi nên áp dụng đinh ̣ luật bảo toàn lượng động lươ ̣ng ta có: ìïe + ee = e '+ e 'e (6.18) í ïỵ p = p '+ p'e (6.19) me khối lượng nghỉ eletron Gọi góc (p, p ') = q Từ (4.19) Þ p 'e = p - p ' Bình phương hai vế ta được: p'2e = p2 + p'2 - pp'cosq (4.20) Áp dụng công thức liên h ệ giữa năng lươ ̣ng đ ộng lươ ̣ng cơ ho ̣c tương đối tính: E = m02c + p2 c ý rằng, photon có khối lượng nghỉ nên với photon: E = p2 c Thay biểu diễn động lượng theo lượng vào (4.20), ta được: e '2e - me2 c c2 = e e '2 c2 + c2 - 2ee 'cosq c2 Þ e 'e2 - me2 c = e + e '2 - 2ee 'cosq (4.21) Từ (4.18), ta có: e 'e - ee = e - e ' Bình phương hai vế ta được: e '2e + ee2 - 2e 'e ee = e + e '2 - 2ee ' (4.22) Trừ (4.21) cho (4.22) rút ra: 2e 'e ee - ee2 - me2c = 2ee '(1- cosq ) Mặt khác: e 'e = e + ee - e ', ee = mec2 Þ 2(e + ee - e ')ee - 2ee2 = 2ee '(1- cosq ) Þ (e - e ')ee = ee '(1- cosq ) Þ mec (n - n ') = hnn '(1- cosq ) = 2hnn 'sin 94 q c Þ mec ( c l l' Þ l '- l = ) = 2h c2 ll ' sin q h q sin mec Vậy: l - l ' = lc sin đó: lc = q (4.23) h = 2,426.10-12 m go ̣i bư ớc sóng Compton mec Đa ̣i lươ ̣ng Δλ = λ'-λ độ biế n thiên của bước sóng tán xa ̣ , chỉ phụ thuộc vào góc tán xa ̣ mà khơng phu ̣ thuộc vào vật liệu làm bia Khi photon vào sâu nguyên tử va cha ̣m với electro n liên kế t mạnh với hạt nhân , ta phải coi va cha ̣m va cha ̣m của photon với nguyên tử (chứ không phả i với electron), công thức (4.23) vẫn nhưng phải thay khối lượng electron bằ ng khố i lươ ̣ng của nguyên tử , lớn hơ n nhiề u lầ n so với khố i lươ ̣ng của electron Do hầ u như khơng có sự thay đở i bước sóng Như v ậy bức xa ̣ tán xa ̣ xu ất những photon với bước sóng khơng đở i Qua hiệu ứng Compton người ta chứng minh đươ ̣c ̣t photon có động lượng p = h Động lươ ̣ng đặc trưng của ̣t Như tính chấ t ̣t của l ánh sáng đươ ̣c xác nh ận tro ̣n ve ̣n dựa vào thuyế t thành công hiệu ứng Compton 95 photon giải thích TỔNG KẾT CHƢƠNG Hiện tư ợng bức xa ̣ nhiệt Sóng điện từ vật phát gọi chung bức xạ Dạng xạ nguyên tử phân tử bi ̣ kích thích bởi tác dụng nhi ệt đư ợc gọi bức xạ nhiệt Nế u phầ n năng lư ợng của v ật bi ̣ mấ t phá t xạ bằ ng phầ n năng lượng vật thu đư ợc hấ p thụ bức xạ nhi ệt không đổ i đư ợc gọi bức xạ nhiệt cân bằ ng Các đinh ̣ luật phát xa ̣ của vật đen tuyệt đố i a Đinh ̣ luật Stephan-Boltzmann Năng suất phát xạ toàn phầ n của v ật đen tuyệt đố i tỉ l ệ thuận với lũy thừa bậc bố n của nhiệt độ tuyệt đớ i của vật đó: RT = s T b Đinh ̣ luật Wien Đối với vật đen tuyệt đớ i, bước sóng λmax chùm xạ đơn sắc mang nhiề u năng lư ợng nhấ t tỷ lệ nghịch với nhiệt độ tuyệt đố i của vật lmax = b T c Sự thất bại thuyết sóng ánh sáng việc giải thích tượng xạ nhiệt: Các định luật phù hợp với thực nghi ệm vùng tần số nhỏ (bước sóng dài), cịn ở vùng tầ n sớ lớn (bước sóng ngắn), tức vùng sóng tử ngoại, sai lệch rấ t nhiề u Bế tắ c đư ợc gọi sự khủng hoảng ở vùng tử ngoại Từ định luật ta có thể tính đư ợc lượng phát xạ tồn phần vật ở nhiệt độ T nhấ t ̣nh lại bằ ng vơ Sở di ̃ có kế t quả vơ lí quan ni ệm vật lí cở điển về sự phát xạ hấ p thụ năng lư ợng bức xạ cách liên tục Để giải quyế t những bế tắ c Planck phủ ̣nh lí thú t cở điển về bức xạ đề m ột lí thuyế t mới gọi thuyế t lư ợng tử năng lư ợng 96 Thuyế t lư ợng tử năng lư ợng của Planck Các nguyên tử phân tử phát xạ hay hấ p thụ năng lư ợng xạ điện từ m ột cách gián đoạn , nghĩa phần lượng phát xạ hay hấp thụ bội số nguyên của lư ợng năng lư ợng nhỏ xác ̣nh gọi lư ợng tử lượng hay quantum lượng Một lư ợng tử lượng xạ điện từ đơn sắ c tầ n số ν là: e = hn = h c l Thuyế t photon của Einstein Bức xạ ện từ gồ m vô số những hạt rấ t nhỏ gọi lư ợng tử ánh sáng hay photon Với mỗi bức xạ điện từ đơn sắc định, photon giống mang năng lư ợng xác ̣nh bằ ng Trong chân không photon đư ợc truyề n với v c = 3.108m/s ận tố c Khi vật phát xạ hay hấ p thụ bức xạ ện từ có ngh ĩa vật phát xạ hay hấp thụ photon Cường đ ộ chùm xạ tỉ l ệ với số photon phát từ nguồ n đơn vi ̣ thời gian Động lực học photon Năng lượng photon ứng với bức xạ điện từ đơn sắ c tầ n số ν là: e = hn Khố i lư ợng photon: m = e c hn h = c cl Photon có khớ i lư ợng nghỉ bằ ng Động lư ợng photon: p = mc = 97 = hn h = c l Hiện tượng quang điện Hiệu ứng bắ n elec tron từ m ột tấ m kim loại rọi vào tấ m kim loại bức xạ điện từ thích hợp đư ợc gọi hi ện tư ợng quang ện Các electron bắ n đư ợc gọi quang electron Các đinh ̣ luật quang điện a Phương trình Einstein h c = Ath + mvo2max l b Đinh ̣ luật về giới haṇ quang điện Đối với kim loại xác định , tư ợng quang ện chỉ xảy bước sóng λ chùm xạ ện từ rọi tới nhỏ hơn m ột giá tri ̣ xác ̣nh λo, λo gọi giới hạn quang điện của kim loại c Đinh ̣ luật về dịng quang điện bão hồ Cường độ dịng quang điện bão hồ tỉ l ệ với cư ờng độ chùm xạ rọi tới d Đinh ̣ luật về động năng ban đầ u cực đaị của quang electron Động năng ban đầ u cực đại của electron không phụ thuộc vào cư ờng độ chùm bức xạ rọi tới mà chỉ phụ thuộc vào tầ n số của chùm bức xạ Hiệu ứng Compton Chùm ánh sáng (chùm hạt photon) sau tán xạ lên hạt electron tự bước sóng λ tăng lên Dl = lc sin q Thực nghiệm xác ̣nh đư ợc độ tăng bước sóng Δλ Độ tăng bước sóng khơng phụ thu ộc vật liệu làm bia mà chỉ phụ thu ộc vào góc tán xạ Để giải thích hi ệu ứng Compton , người ta dựa hai định lu ật bảo toàn : bảo toàn lượng bảo toàn đ ộng lư ợng Động lư ợng m ột đặc trư ng hạt Như tính chấ t hạt của ánh sáng đư ợc xác nh ận trọn ve ̣n dựa vào thuyế t photon giải thích thành cơng hiệu ứng Compton 98 CÂU HỎI LÍ THUYẾT Nêu quan niệm cổ điể n về bản chấ t của bức xa ̣ Viế t công thức của Rayleigh-Jeans Nêu những khó khăn mà cơng thức g ặp phải đớ i với tươ ̣ng bức xa ̣ nhiệt Phát biể u thuyế t lượng tử Planck Viế t công thức Planck Nêu những thành công của thuyế t lươ ̣ng tử Đinh ̣ nghiã tươ ̣ng quang điện Phát biể u ba đinh ̣ luật quang điện Phát biể u thuyế t photon Einstein Vận du ̣ng thuyế t photon để giải thích ba đinh ̣ luật quang điện Trình bày nội dung hiệu ứng Compton Trong hiệu ứng , chùm tia X tán xa ̣ lên electron tự hay liên kế t ? Giải thích hiệu ứng Compton Tại coi hi ệu ứng Compton m ột bằ ng chứng thực nghi ệm xác nhận trọn vẹn tính hạt ánh sáng 99 BÀI TẬP CHƢƠNG Bài 4.1 Cơng của kim loa ̣i dùng làm catớ t của tế bào quang ện A=5eV Tìm: a Giới ̣n quang điện của tấ m kim loa ̣i b Vận tớ c ban đầ u cực đa ̣i của quang electron catôt đư ̣c chiế u bằ ng ánh sáng đơn sắ c bước sóng λ=0,2μm c Hiệu điện thế hãm để khơng có electron đế n đư ̣c anôt Bài 4.2 Photon mang năng lươ ̣ng 0,15MeV đến tán xạ electron tự Sau tán xa ̣ bước sóng của chùm photon tán xa ̣ tăng thêm ∆λ=0,015A0 Xác đinh ̣ bước sóng của photon góc tán xa ̣ của photon Bài 4.3 Giới ̣n quang ện của kim loa ̣i dùng làm catố t của tế bào quang ện λ0=0,5μm Tìm: a Cơng của electron khỏi kim loa ̣i b Vận tớ c ban đầ u cực đa ̣i của quang electron catôt đư ̣c chiế u bằ ng ánh sáng đơn sắ c bước sóng λ=0,25μm Bài 4.4 Chiế u bức xa ̣ điện từ đơn sắ c bước sóng λ=0,41μm lên kim loa ̣i dùng làm catôt của tế bào quang ện có tươ ̣ng quang ện xảy Nế u dùng m ột hiệu điện thế hãm 0,76V quang electron bắ n đề u bi ̣ giữ la ̣i Tìm: a Cơng của electron đớ i với kim loa ̣i b Vận tớ c ban đầ u cực đa ̣i của quang electron bắ n khỏi catơt Bài 4.5 Cơng của kim loa ̣i dùng làm catố t của tế bào quang điện A=2,48eV 100 Tìm: a Giới ̣n quan điện của tấ m kim loa ̣i b Vận tớ c ban đầ u cực đa ̣i của quang electron catôt đư ̣c chiế u bằ ng ánh sáng đơn sắ c bước sóng λ=0,36μm c Hiệu điện thế hãm để khơng có electron đế n đư ̣c anôt Bài 4.6 Khi chiế u m ột chùm ánh sáng có bước sóng λ=0,234μm vào kim loại dùng làm catốt tế bào quang ện có tươ ̣ng quang ện xảy Biế t tầ n số giới ̣n của catôt ν0=6.1014Hz Tìm: a Cơng của electron đớ i với kim loa ̣i b Hiệu điện thế hãm để khơng có electron đế n đươ ̣c anơt Bài 4.7 Khi chiế u m ột chùm ánh sáng vào kim loa ̣i dùng làm catố t của tế bào quang điện có tươ ̣ng quang ện xảy Nế u dùng hiệu điện thế hãm 3V quang electron bắ n đề u bi ̣giữ la ̣i Biế t tầ n sớ giới ̣n catơt ν0= 6.1014Hz Tìm: a Tầ n số của ánh sáng chiế u tới b Vận tố c ban đầ u cực đa ̣i của quang electron bắ n từ catôt Bài 4.8 Tìm động lươ ̣ng, khớ i lươ ̣ng của photon có tầ n sớ ν=5.1014Hz Bài 4.9 Tìm năng lươ ̣ng động lư ̣ng của photon ứng với bước sóng λ=0,6μm Bài 4.10 Tìm năng lươ ̣ng động lư ̣ng của photon ứng với bước sóng λ=10-12m Bài 4.11 Photon có năng lươ ̣ng 250keV bay đế n va cha ̣m với electron đứng yên tán xa ̣ Compton theo góc 1200 Xác đinh ̣ năng lượng photon tán xa ̣ 101 Bài 4.12 Photon ban đầ u có năng lươ ̣ng 0,8MeV tán xa ̣ electron tự thành photon ứng với xạ có bước sóng bước sóng Compton Tính: a Góc tán xa ̣ b Năng lượng photon tán xa ̣ Bài 4.13 Tính năng lươ ̣ng đ ộng lươ ̣ng của photon tán xa ̣ photon có bước sóng ban đầ u λ=0,05.10-10m đến va chạm vào electron tự tán xa ̣ theo góc 600, 900 Bài 4.14 Trong tươ ̣ng tán xa ̣ Compton , bức xa ̣ Rơngen có bước só ng λ đến tán xa ̣ electron tự Tìm bước sóng , cho biế t động năng cực đa ̣i của electron bắ n bằ ng 0,19MeV Bài 4.15 Tìm động lươ ̣ng của electron có photon bước sóng λ=0,05A0 đến va chạm tán xạ theo góc θ=900 Lúc đầ u electron đứng yên 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lương Dun Bình Vật lí đại cương T.2,3 NXB Giáo dục – 2006 [2] Lương Duyên Bình Bài tập Vật lí đại cương T.2,3 NXB Giáo dục – 2006 [3] David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker Cơ sở vật lí T.4,5,6 NXB Giáo dục - 2010 [4] Trần Ngọc Hợi, Phạm Văn Thiều Vật lí đại cương - Các nguyên lí ứng dụng T.2,3 NXB Giáo dục - 2009 [5] Phạm Viết Trinh, Nguyễn Văn Khánh, Lê Văn Bài tập Vật lí Đại cương NXB Giáo dục -1982 [6] Vũ Thanh Khiết, Nguyễn Phúc Thuần Điện học NXB Giáo dục - 1992 [7] Nguyễn Minh Thông, Nguyễn Thị Thanh Xuân Điện từ học T1,2 NXB Giáo dục -1995 [8] Huỳnh Huệ Quang học NXB Giáo dục -1992 103 ... TRƢỜNG 29 1.5.1 Thiết lập định lý 30 1.5 .2 Phát biểu định lý 32 1.5.3 Dạng vi phân định lý O-G 32 1.5.4 Phƣơng pháp sử dụng định lý O-G 32 1.6 ĐIỆN THẾ... 11 1.1 .2 Thuyết điện tử - Định luật bảo tồn điện tích 11 1.1.3 Phân loại vật liệu điện 12 1 .2 ĐỊNH LUẬT COULOMB 12 1 .2. 1 Khái niệm điện tích điểm 12 1 .2. 2 Định luật... VD1 +VD2 = Q1 Q2 + 4pee a 4pee a 1 ì Q1 Q2 Q1 Q2 ü Þ ACD = q(VC -VD ) = q í( + )-( + )ý 4pee a 4pee a ỵ ợ 4pee a 4pee a ACD = -1 (Q1 + Q2 ) 4pee a ACD = 9.10 9.10 -9 -1 -9 10 = 10 -6 (J ) -4 36.10