5. Cấu trúc khóa luận
2.6.3 Xác định met theo bước sóng
5d5 của nguyên tử Kripton 86”.
Số bước sóng được thừa nhận trong định nghĩa chỉ ra rằng có bao nhiêu bước sóng chứa đựng được trong mẫu chiều dài đã có trong một met. Bức xạ ứng với một vạch quang phổ bất kỳ không phải là thật đơn sắc mà là một khoảng tần số hay một bước sóng nào đó. Khoảng tần số này càng nhỏ bao nhiêu thì vạch quang phổ càng hẹp bấy nhiêu và bức xạ càng gần đơn sắc. Sự so sánh các vạch quang phổ của các đồng vị thuộc những chất khác
nhau Kr86, Hg198 và Cd114 cho thấy đồng vị Kr86 có vạch quang phổ hẹp và ổn định nhất (vạch vàng). Vì vậy để sao lại mẫu met người ta đã chọn bức xạ này của đồng vị Kr86.
Những điều kiện kích thích nguyên tử đã gây ra tác dụng nhiễu loạn lên bề rộng tự nhiên của vạch quang phổ và vị trí cực đại của nó, bởi vì sự thay đổi các mức năng lượng của các nguyên tử phụ thuộc vào những điều kiện này. Những tác dụng này gây ra bởi ảnh hưởng của điện trường và từ trường, của nhiệt độ môi trường, tăng nhiệt độ thì hiệu ứng Dople càng mạnh, và của áp suất lên vật phát xạ nguyên tử.
Các mức năng lượng 2p10 và 5d5 được dùng của đồng vị Kr86 ít bị thay đổi nhất dưới tác dụng của điều kiện ngoài.
Phổ thấy được của Kripton khoảng 200 vạch. Để xác định mẫu met người ta chỉ chọn một vạch vàng trong những vạch này, ứng với sự chuyển đồng vị Kr86
từ một mức năng lượng này xuống mức năng lượng khác.
Trạng thái năng lượng của nguyên tử được đặc trưng bởi các lượng tử số chính quỹ đạo, từ và spin. Tổng vector của các lượng tử số quỹ đạo và spin được gọi là lượng tử số nội.
Trong định nghĩa met có hai mức năng lượng đồng vị Kripton: 2p10 và
5d5.
Khi đồng vị Kripton chuyển từ mức năng lượng cao hơn về mức năng lương thấp hơn thì phát ra ánh sáng (vạch vàng) có bước sóng 605,7 nm.
Để sao lại mét theo bước sóng ánh sáng người ta dùng đèn đồng vị phát sáng dùng đồng vị Kr86
Đồng vị nặng nhất và bền nhất này của Kr thuộc về các nguyên tố có khối lượng nguyên tử chẵn và số thứ tự chẵn trong bảng hệ thống tuần hoàn Meldeleev. Chúng được gọi là chẵn chẵn và cho khả năng sao chép lại chính xác hơn cực đại của đường cong phân bổ cường độ sáng trong vạch quang phổ, nghĩa là thu được bước sóng ánh sáng cần thiết.
Đèn đồng vị có cấu tạo gồm một bình hình chữ U chứa đầy đồng vị bền và nặng nhất là Kr86. Cả hai nhánh của nó được nối với ống mao dẫn 2 dài khoảng 10 – 12 cm và đường kính 2 – 3 cm. Hai điện cực được hàn vào hai đầu của bình: catot đốt nóng 3 và anot 4,có dạng một mũi nhọn.
64K, bình làm lạnh đặt trong một hộp kim loại kín 6. Nhiệt độ ống mao dẫn được đo bằng pin nhiệt điện 7, còn áp suất hơi nito đo bằng áp kế 8. Hiệu điện thế đặt giữa hai điện cực đèn là 1500V. Bức xạ của khí phóng điện đi qua đầu của ống mao dẫn 2 ra ngoài bằng cửa sổ, nghĩa là theo phương từ catot đến anot. Nhờ que 9 khuấy nito lỏng, do đó nhiệt độ trung bình làm lạnh được giữ đều.
2.7. Kết luận chƣơng 2.
Trong chương 2: “Sự giao thoa ánh sáng” chúng ta đã tìm hiểu những nội dung chính sau đây:
Hiện tương giao thoa của các sóng.
Cơ cấu của sự tạo thành sóng kết hợp. Sự truyền năng lượng trong hiện tương giao thoa.
Cách xác định bước sóng ánh sáng.
Những ứng dụng của hiện tượng giao thoa. Sự giao thoa và photon.
CHƢƠNG 3: NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG
3.1. Bƣớc chuyển tiếp từ sự nghiên cứu hiện tƣợng giao thoa sang nhiễu xạ. Nguyên lýHuygens - Fresnel.
Khi nghiên cứu hiện tượng nhiễu xạ và tính toán sự phân bổ năng lượng trong không gian phía sau các vật không trong suốt đặt trên đường truyền của chùm tia sáng, ta phải dùng nguyên lý Huygens - Fresnel. Nguyên lý này cho phép tính toán kết quả sự giao thoa các sóng nguyên tố tại một điểm bất kỳ trong không gian. Fresnel xem nhiễu xạ như là kết quả của sự giao thoa một tập hợp vô hạn các sóng nguyên tố. Biên độ và pha của các sóng này tại một điểm cho trước trong không gian sau vật cản tỷ lệ với biên độ và pha của các nguồn kết hợp nguyên tố trên mặt đầu sóng, chẳng hạn trên lỗ của màn chắn.
Trong hiện tượng giao thoa sự truyền sóng ánh sáng xảy ra không bị cản trở. Đặc biệt sự truyền thẳng của ánh sáng được giải thích bằng sự giao thoa của các sóng nguyên tố, truyền từ mỗi điểm của toàn bộ mặt sóng mà trên đường truyền của mình không gặp một vật không trong suốt nào. Trong hiện tương nhiễu xạ các sóng nguyên tố giao thoa với nhau. Các sóng này xuất phát từ mỗi điểm của một phần nào đó của mặt sóng không bị vật giữ lại.
Như vậy trong môi trường đồng tính và trong suốt ánh sáng truyền thẳng. Tuy nhiên trong môi trường trong môi trường trong suốt có các vật không trong suốt, chẳng hạn như các màn, thì môi trường đó có thể xem là không đồng tính. Ánh sáng truyền trong môi trường như thế sẽ không tuân theo định luật truyền thẳng, nghĩa là xảy ra nhiễu xạ.
sát được mặt sóng bao trùm tất cả các sóng có bán kính như nhau sẽ được tao thành như thế nào. Mặt sóng này là do sự chồng chất của các sóng tròn nguyên tố được gây ra bởi mỗi ngòi rung. Ngoài ra mặt đầu sóng chỉ dịch chuyển về phía trước. Sóng thu được là sóng phẳng.
- Thí nghiệm được lặp lại với các ngòi rung gắn trên một vòng tròn phẳng cắt ra từ một tấm gỗ dán. Sóng thu được sẽ là sóng tròn.
- So sánh hình ảnh sóng thu được từ một ngòi rung và một tập hợp ngòi rung gắn trên một vòng tròn, từ môt ngòi rung và một hàng ngòi rung. Nhờ máy hoạt nghiệm có thể làm cho mặt đầu sóng dịch chuyển từ từ.
Nếu môi trường là đồng tính và đẳng hướng, nguồn sáng là nguồn điểm thì mặt đầu sóng là mặt cầu và hình chiếu của nó lên mặt phẳng là một đường tròn. Ở xa nguồn điểm phần mặt cầu này có tểh xem là mặt phẳng, một phần sóng cầu như thế được gọi là sóng phẳng.
3.2. Hai khe Young.
Thí nghiệm Young làm với hai lỗ nhỏ khoét trên hai màng trong suốt. Để tăng cường độ sáng tại các cực đại ảnh nhiễu xạ, trong thì nhiệm Young thường dùng hai khe hẹp.
Trên kính ảnh đã rửa dùng hai lưỡi dao cạo ghép lại ta cạo lớp nhũ tương thành hai khe thật đều, bề rộng hai khe 0,2mm và khoảng cách giữa chúng là 5mm. Như vậy ta có thể quan sát được ảnh nhiễu xạ từ hai khe.
Hiệu đường đi giữa hai tia trục 1 và 2 của hai chùm tia sáng cũng giống như đối với mỗi cặp tia tương ứng từ cả hai khe, chẳng hạn 1’ và 1”, 2’ và 2”, … Vì vậy đối với tất cả các tia song song điều kiên giao thoa đều như nhau, đi tới màn chúng tạo thành cực đại hay cưực tiểu nhiễu xạ. Thấu kính không làm tăng them hiệu số đường đi phụ nào.
Hình 3.1: Nhiễu xạ ánh sáng từ hai khe hẹp song song.
Hình ảnh nhiễu xạ từ hai khe có dạng giống như từ một khe nhưng sáng hơn. Từ hình vẽ ta thấy hiệu quang trình của hai tia tương ứng bằng BC. Đối với cực đại: BC = n , trong đó n là số nguyên.
Gọi tổng số bề rộng của khe và khoảng cách giữa hai khe là AB = d, hiệu quang trình của các tia tương ứng là BC = x, khoảng cách từ hai khe đến màng quan sát NO = l và khoảng cách từ cực đại trung tâm đến cực đại thứ n OM = a.
Theo cách vẽ ta có: ABC~NOM
Vì góc bé cho nên: NO NM
Do vậy:
sin l (3.2) và xn (3.3) Cho nên d n sin (3.4) Đối với ánh sáng đơn sắc, khi d không đổi ta có:
const
d
(3.5) Vì thế cùng với sự tăng n, góc dưới đó ta quan sát cực đại nhiễu xạ thứ n sẽ tăng. Công thức tìm được ở trên cũng đúng cả với cách tử nhiễu xạ.
3.3. Những thí nghiệm về nhiễu xạ. Sự nhiễu xạ và photon.
3.3.1. Những thí nghiệm về sự nhiễu xạ.
Từ định luật truyền thẳng của ánh sáng ta có thể suy ra rằng, sau các vật không trong suốt sẽ là những bóng tối rõ nét, in lại chu vi của các vật, còn sau các lỗ là những vết sáng có chu vi rõ nét. Trong cả hai trường hợp vùng bóng tối khác biệt với vùng được chiếu sáng một cách rõ rệt. Vấn đề đặt ra là có phải điều đó lúc nào cũng đúng hay không? Ta có thể trả lời được điều đó sau khi làm hàng loạt các thí nghiệm với các sóng có bản chất vật lý khác nhau.
3.3.1.1. Nhiễu xạ của các sóng cơ.
Hình 3.2: Nhiễu xạ của sóng mặt.
Trên đường truyền của các sóng này người ta đặt một miếng kim loại hay miếng thủy tinh 3 dưới đáy của bể sóng và song song với que rung. Mép trên của miếng thủy tinh hay kim loại ló lên mặt nước. Thí nghiệm tiến hành với ba miếng có chiều dài khác nhau.
Trong trường hợp thứ nhất sóng mặt hầu như không đi vào vùng “bóng tối” hình học của miếng kim loại, trong trường hợp thứ hai hiên tượng nhiễu xạ quan sát được khá rõ như hình vẽ:
sóng hai miếng kim loại dọc theo một đường thẳng, giữa hai đầu mút của chúng hình thành một khe. Các miếng kim loại này ló lên khỏi mặt nước. Ta cũng xét ba trường hợp như trên.
Trong trường hợp thứ nhất một chùm tia song song đi qua khe. Trường hợp thứ hai chùm tia đi qua khe không còn song song nữa và sóng đi vào vùng bóng tối hình học như hình vẽ.
Hình 3.4: Sự truyền sóng sau khe
Trường hợp thứ ba sóng truyền dưới dạng những vòng tròn đồng tâm mà tâm ở tại điểm giữa của khe hẹp.
Sóng phẳng PQ trên đường truyền gặp một vật không trong suốt và nó bị giữ lại. Phần sóng phẳng còn lại tiếp tục truyền theo phương cũ. Các điểm A và B của sóng phẳng, đối với trường hợp nửa mặt phẳng là điểm A, trở thành tâm của các sóng nguyên tố. Trong sóng phẳng và trong các sóng nguyên tố đỉnh sóng được biểu diễn bằng những đường liền nét, còn hõm sóng được biểu diễn bằng những nét đứt. Hiệu số pha giữa chúng bằng . Ta đi khảo sát sự giao thoa của các sóng phẳng và các sóng cầu nguyên tố.
Hình 3.5: Hiện tượng nhiễu xạ từ một màn.
Hình 3.6: Hiện tượng nhiễu xạ từ một mặt phẳng.
Tại các điểm D, C, E nghĩa là trong vùng bóng tối hình học, dao động được tăng cường và tại những chỗ đó quan sát được các cực đại nhiễu xạ, trên hình vẽ là những vòng tròn trắng. Tại các điểm K, L, M và N, nghĩa là trong vùng lẽ ra phải được rọi đều, dao động lại bị yếu đi và khi biên độ bằng nhau nhưng chỗ đó sẽ tối, trên hình vẽ là những chấm đen. Dựng hình như vậy giúp ta có thể giải thích một cách định tính cơ cấu của hiện tương nhiễu xạ đối với
phát âm 2, và micro 3 được nối với dao động ký điện tử 1. Giữa loa và micro ta đặt màn 5 bằng gỗ mỏng.
Hình 3.7: Sơ đồ thí nghiệm phát hiện nhiễu xạ âm.
Với tần số âm của loa là 5000 Hz sẽ xuất hiện một dóng điện nhỏ trong mạch của một dao động ký. Màn càng hẹp cường độ dòng điện càng tăng lên, nghĩa là hiệu ứng nhiễu xạ của các sóng âm tăng lên.
Cũng với tần số đó của loa, giữa loa và micro đặt hai màn trong cùng một mặt phẳng hình thành một khe hẹp, bề rộng khoảng
2 1
. Khi dịch chuyển
micro vào miền bóng tối hình học ta phát hiện được dòng điện trong mạch dao động ký. Có thể thay đổi tần số của máy phát âm, nghĩa là thay đổi bước sóng âm, cũng như thay đổi bề rộng của màn và khe. Khi dịch chuyển micro ta phát hiện được sự đi cong của các sóng âm trong những điều kiện thí nghiệm khác nhau.
3.3.1.3. Nhiễu xạ của sóng điện từ.
Angten loa của đài phát và đải thu hướng vào nhau và cách nhau khoảng 1m như hình vẽ. Giữa chúng ta đặt lần lượt một đĩa kim loại và một màn kim loại hẹp.
Hình 3.8
Loa vang lên trong vùng bóng tối hình học sau đĩa hay sau màn hẹp và ở hai phía của khe.
3.3.1.4. Nhiễu xạ ánh sáng.
Do bước sóng ánh sáng rất bé nên để làm thí nghiệm về nhiễu xạ ánh sáng khó hơn nhiều so với các thí nghiệm về nhiễu xạ sóng cơ, sóng âm và sóng điện từ. Việc phát hiện được hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng từ các màn tròn và lỗ hẹp cũng rất khó khăn nên có thể chiếu hai phim về ảnh nhiễu xạ thu được khi ánh sáng truyền gặp một đĩa tròn nhỏ hay truyền qua một lỗ tròn nhỏ.
Trong trường hợp thứ nhất, sau đĩa tròn không trong suốt, nghĩa là trong vùng theo định luật quang học phải hoàn toàn là bóng tối, thì lại quan sát được ảnh nhiễu xạ. Nó gồm một hệ những vân tròn đồng tâm sáng và tối mà tâm luôn là cực đại sáng.
lớn. Tuy nhiên trong những trường hợp này ở khoảng cách không lớn các cực đại và cực tiểu nhiễu xạ sắp xếp dày đặc hơn và tập trung sát nhau ở miền chuyển tiếp giữa chỗ tối hoàn toàn và chỗ được rọi đều. Có thể quan sát chúng bằng kính lúp hay kính hiển vi.
Ở khoảng cách lớn ảnh nhiễu xạ tăng kích thước nhưng cường độ sáng lại giảm đi rất nhiều. Để phát hiện sự nhiễu xạ trong trường hợp này ta có thể chụp ảnh nó nhờ những nguồn sáng mạnh.
Nếu miền chuyển tiếp từ bóng tối sang chỗ rọi đều rất bé so với kích thước của vật không trong suốt thí thực tế các định luật quang hình học được thực hiện.
Ta khảo sát một thí nghiệm với màn hẹp. Nguồn sáng là đèn chiếu 1. Ánh sáng được hướng qua thấu kính 2 lên khe điều chỉnh được 3 (chiếu sáng toàn bộ khe) và đến sợi chỉ mảnh 4. Hình ảnh nhiễu xạ sẽ quan sát trên màn trắng tán xạ ánh sáng và di chuyển được 5. Để dễ nhìn thấy ta đặt màn dưới
góc 45 đối với quang trục của thiết bị và hướng màn về phía người quan sát.
Mặt phẳng chứa dây tóc đèn chiếu vuông góc với mặt thấu kính, còn mép thì song song với khe. Khe và sợi chỉ, hay màn hẹp, trên đó xảy ra nhiễu xạ phải hoàn toàn song song nhau. Nguồn sáng được điều chỉnh sao cho sợi chỉ được rọi sáng nhất và đều nhất.
Có thể thấy sợi chi mảnh 4 băng một khe thứ hai có thể điều chỉnh được. Bề rộng của khe thứ nhất khoảng 0,2 mm; còn bề rộng của khe thứ hai được điều chỉnh bằng ốc cho đến khi ta thu được ảnh nhiễu xạ trên màn không trong suốt hay kính mờ.
Ảnh nhiễu xạ gồm một dãy những vân sáng và tối liên tiếp nhau và song song với màn hẹp hay khe hẹp. Khi quan sát với ánh sáng đơn sắc, đặt kính lọc sắc sau khe thứ nhất, các vân sáng là những vân có màu của kính lọc