5. Các bƣớc thực hiện đề tài
4.1.1. Định luật về sự truyền thẳng của ánh sáng
Định luật này được phát biểu như sau: “Trong một môi trường trong suốt, đồng tính và đẳng hướng ánh sáng truyền theo đường thẳng” [13].
Khi nghiên cứu hiện tượng nhiễu xạ ta sẽ thấy định luật này có phạm vi ứng dụng của nó. Lúc ánh sáng truyền qua những lỗ nhỏ hoặc gặp những chướng ngại vật kích thước nhỏ vào cỡ bước sóng ánh sáng thì định luật trên không đúng nữa.
4.1.2. Định luật về tác dụng độc lập của các chum tia sáng
Định luật này được phát biểu: “Tác dụng của các chùm tia sáng thì độc lập với nhau” [13]. Điều đó có nghĩa là tác dụng của một chùm tia sáng này không phụ thuộc vào sự có mặt của chùm tia sáng khác.
Định luật này cũng chỉ gần đúng. Khi lỗ khá nhỏ, độ rọi ở một điểm trên màn có thể thay đổi rõ rệt tùy theo kích thước của lỗ vì các chùm sáng không còn độc lập với nhau mà còn có thể giao thoa với nhau, do đó tăng cường lẫn nhau hoặc làm yếu nhau.
4.1.3. Định luật phản xạ ánh sáng
Nếu tia sáng truyền từ môi trường quang học này sang môi trường quang học khác thì tại mặt phân giới của hai môi trường, tia sáng bị phản xạ hoàn toàn hay một phần tuân theo định luật phản xạ ánh sáng sau đây: - Tia tới và tia phản xạ cùng nằm trong mặt phẳng với pháp tuyến của mặt phản xạ vẽ từ điểm tới.
- Góc phản xạ bằng góc tới ' 1 1 i i . - Tia tới và tia phản xạ có tính thuận nghịch.
4.1.4. Định luật khúc xạ ánh sáng 4.1.4.1. Hiện tƣợng khúc xạ
- Khúc xạ ánh sáng là hiện tượng chùm tia sáng bị đổi phương đột ngột khi đi qua mặt phân cách giữa hai môi trường truyền ánh sáng.
- Trong hình ảnh minh họa cho hiện tượng khúc xạ ánh sáng.
+ SI: tia tới, I điểm tới.
+ N’IN: pháp tuyến với mặt phân cách tại I. + IR tia khúc xạ.
+ i: góc tới, r: góc khúc xạ.
+ Mặt phẳng làm bởi pháp tuyến và tia tới được gọi là mặt phẳng tới.
Hình 4.1. Hiện tượng phản xạ ánh sáng [14].
Hình 4.2 Hiện tượng phản xạ ánh sáng [14].
4.1.4.2. Định luật khúc xạ ánh sáng
Nếu một tia sáng tới mặt phân giới của hai môi trường đẳng hướng mà truyền sang môi trường thứ hai thì nó tuân theo định luật khúc xạ ánh sáng:
- Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới (tạo bởi tia tới và pháp tuyến) và ở bên kia pháp tuyến so với tia tới.
- Với hai môi trường trong suốt nhất định, tỉ số giữa sin góc tới (sini) và sin góc khúc xạ (sinr) luôn không đổi.
21 2 1 sin sin n i i
n21 là một số không đổi, phụ thuộc vào bản chất của hai môi trường, được gọi là chiết suất tỉ đối của môi trường 2 đối với môi trường 1.
- Lưu ý:
+ Nếu n21> 1 thì r < i: Tia khúc xạ lệch lại gần pháp tuyến hơn. Ta nói môi trường khúc xạ chiết quang hơn môi trường tới.
+ Nếu n21< 1 thì r > i : Tia khúc xạ lệch xa pháp tuyến hơn. Ta nói môi trường khúc xạ chiết quang kém môi trường tới.
+ Nếu góc tới thì góc khúc xạ , tia sáng chiếu vuông góc với mặt phân cách sẽ truyền thẳng.
4.2. CÁC DỤNG CỤ QUANG HỌC
4.2.1. Gƣơng phẳng
Là một phần mặt phẳng, phản xạ được hầu như hoàn toàn ánh sáng chiếu tới nó. Chùm tia sáng phân kỳ từ nguồn sáng điểm S sau khi phản xạ trên gương phẳng vẫn là chùm sáng phân kỳ.
Điểm S’ là ảnh ảo của nguồn điểm S vì nó được tạo ra bởi phần kéo dài của chùm tia phản xạ chứ không phải chính chùm tia phản xạ. Đường SS’ vuông góc với mặt phẳng gương và a=a’, trong đó a, a’ lần lượt là khoảng cách từ nguồn điểm S và S’ của nó tới gương.
4.2.2. Bản mặt song song
Đối với bản mặt song song góc tới và góc ló của tia sáng là bằng nhau. Bản mặt song song làm dịch chuyển tia sáng song song với chính tia sáng đó một khoảng . ) sin sin 1 1 ( sin . 2 2 2 i n i i d (4.2)
Trong đó d là chiều dài bản; i là góc tới của tia sáng đó, n là chiết suất tỉ đối của vật liệu làm bản đối với môi trường chứa bản.
Vì vậy khi nhìn qua mặt bản song song sẽ thấy điểm S của vật như nằm tại diểm S’, tức S’ có vẻ gần với bề mặt của bản hơn S một khoảng:
i sin ' Hoặc ) sin sin 1 1 ( ' 2 2 2 i n i d (4.1)
4.2.3. Lăng kính
4.2.3.1. Cấu tạo lăng kính
Định nghĩa: Lăng kính là một khối trong suốt, đồng nhất, được giới hạn bởi hai mặt phẳng không song song.
Cấu tạo:
- Hai mặt phẳng giới hạn ở trên được gọi là các mặt bên của lăng kính.
- Giao tuyến của hai mặt bên được gọi là cạnh của lăng kính.
- Mặt đối diện với cạnh gọi là đáy của lăng kính.
- Một mặt phẳng bất kì vuông góc với cạnh được gọi là mặt phẳng tiết diện chính. Trong thực tế lăng kính là một khối lăng trụ có tiết diện chính là một tam giác.
- Góc A hợp bởi hai mặt lăng kính được gọi là góc chiết quang hay góc ở đỉnh của lăng kính.
Chiết suất của lăng kính là chiết chuất tỉ đối của chất làm lăng kính với chiết suất của môi trường đặt lăng kính:
mt LK
n n
n . Nếu môi trường là không khí: nnLK
4.2.3.2. Đƣờng truyền qua tia sáng của lăng kính
a. Tác dụng tán sắc ánh sáng trắng
- Chùm ánh sáng trắng khi đi qua lăng kính sẽ bị phân tích thành nhiều chùm sáng đơn sắc khác nhau. Đó là sự tán sắc ánh sáng.
b. Đường tru ền của tia sáng qua lăng kính
- Tia ló ra khỏi lăng kính luôn lệch về phía đáy lăng kính so với tia tới
- Quy ước
Góc i: góc tới; Góc i’: góc ló; Góc D hợp bởi tia tới SI và tia ló JR được gọi là góc lệch của tia sáng khi đi qua lăng kính; r là góc khúc xạ tại I; r’ là góc tới tại J.
4.2.3.3. Các công thức của lăng kính
Các công thức lăng kính: sin i = nsinr (4.1) sin i′ = nsin r’ (4.2) r + r′ = A (4.3) D = i + i′ − A (4.4)
Nếu các góc i và A nhỏ (<10o
) thì các công thức này có thể viết: i = nr (4.5)
i’ = nr’ (4.6) A = r+r’ (4.7) D = (n-1)A (4.8)
Hình 4.4. Đường truyền của tia sáng qua lăng kính [8]
4.2.3.4. Biến thiên của góc lệch theo góc tới
- Khi góc tới thay đổi thì góc lệch cũng thay đổi và trải qua một giá trị cực tiểu Dm .
Ta có:
Dm = i + i’ –A
- Khi tia sáng có góc lệch cực tiểu thì đường đi của tia sáng đối xứng qua mặt phân giác của góc ở đỉnh A nên i’ = i = im (góc tới ứng với độ lệch cực tiểu)
- Và A 2 1 r r' (góc có cạnh tương ứng vuông góc) Vậy Dm = 2 i – A Hay 2 A D i m 2 sin 2 sinDm An A (4.9) 4.2.4. Thấu kính mỏng
4.2.4.1. Thấu kính, phân loại thấu kính a. Khái niệm thấu kính
- Thấu kính là một khối chất trong suốt (thủy tinh, nhựa…) giới hạn bởi hai mặt cong hoặc bởi một mặt cong và một mặt phẳng.
b. Phân loại thấu kính
* Theo hình dạng thấu kính gồm hai loại: - Thấu kính lồi (thấu kính rìa mỏng). - Thấu kính lõm (thấu kính rìa dày) .
4.2.4.2. Khảo sát thấu kính hội tụ a. Quang tâm. Tiêu điểm.Tiêu diện * Quang tâm
- Điểm O chính giữa của thấu kính mà mọi tia sáng tới O đều truyền thẳng qua thấu kính gọi là quang tâm của thấu kính.
- Đường thẳng đi qua quang tâm O và vuông góc với mặt thấu kính là trục chính của thấu kính.
- Các đường thẳng khác qua quang tâm là trục phụ.
- Mọi tia tới qua quang tâm của thấu kính đều truyền thẳng.
* Tiêu điểm. Tiêu diện
- Chiếu một chùm tia sáng song song với trục chính tới thấu kính, chùm tia ló sẽ hội tụ tại một điểm nằm trên trục chính của thấu kính. Điểm này gọi là tiêu ảnh của thấu kính.
- Trên mỗi trục có một tiêu điểm ảnh: + Tiêu điểm ảnh chính (F’)
+ Tiêu điểm ảnh phụ (Fn)
- Trên mỗi trục của thấu kính hội tụ còn có một điểm mà chùm tia tới xuất phát từ đó sẽ cho chùm tia ló song song.điểm đó gọi là tiêu điểm vật của thấu kính.
+ Tiêu điểm vật chính (F) + Tiêu điểm vật phụ(Fn)
- Tiêu điểm vật đối xứng với tiêu điểm ảnh qua quang tâm.
Hình 4.5. Đường đi của tia sáng khi có góc lệch cực tiểu [1].
- Tập hợp tất cả các tiêu điểm tạo thành tiêu diện. Mỗi thấu kính có hai tiêu diện: tiêu diện ảnh và tiêu diện vật.
- Có thể coi tiêu diện là mặt phẳng vuông góc với trục chính và qua tiêu điểm chính.
b. Tiêu cự. độ tụ
- Tiêu cự: là khoảng cách từ quang tâm đến tiêu điểm: . Độ tụ: đặc trưng cho khả năng hội tụ chùm tia sáng tới nhiều hay ít.
- Quy ước: thấu kính hội tụ: f>0;D>0. - Đơn vị của độ tụ là điôp(dp).
4.2.4.3. Khảo sát thấu kính phân kỳ
- Quang tâm của thấu kính phân kì cũng có tính chất như quang tâm của thấu kính hội tụ.
- Các tiêu điểm và tiêu diện của thấu kính phân kì cũng được xác định tương tự như đối với thấu kính hội tụ. Điểm khác biệt là chúng đều ảo, được xác định bởi đường kéo dài của các tia sáng.
- Quy ước: thấu kính phân kì: f<0, D<0.
a. Sự tạo ảnh bởi thấu kính
* Khái niệm ảnh và vật trong Quang học
- Ảnh điểm là điểm đồng quy của chùm tia ló hay đường kéo dài của chúng. + Ảnh điểm là thật nếu chùm tia ló là chùm hội tụ.
+ Ảnh điểm là ảo nếu chùm tia ló là chùm phân kì.
- Vật điểm là điểm đồng quy của chùm tia tới hay đường kéo dài của chúng. + Vật điểm là thật nếu chùm tia tới là chùm phân kì.
+ Vật ảo nếu chùm tia tới là chùm hội tụ. * Cách dựng ảnh tạo bởi thấu kính
- Thường sử dụng 2 trong 3 tia đặc biệt:
+ Tia tới đi qua quang tâm O của thấu kính tia ló đi thẳng.
+ Tia tới song song với trục chính tia ló qua tiêu điểm ảnh chính F.’ + Tia tới qua tiêu điểm vật chính F tia ló song song với trục chính. + Tia tới song song trục phụ tia ló qua tiêu điểm ảnh phụ '
n F . b. Các công thức về thấu kính * Công thức xác định vị trí ảnh ' 1 1 1 d d f * Công thức xác định số phóng đại ảnh QUY ƯỚC: - d>0 : vật thật, d<0: vật ảo - d’>0: ảnh thật, d’<0: ảnh ảo - k>0: ảnh và vật cùng chiều - k<0: ảnh và vật khác chiều
Kết luận: ở chương này đã trình bày được các nội dung 1. Các định luật cơ bản của quang hình học.
2. Các dụng cụ quang học.
Chƣơng 5. VẬT LÝ NGUYÊN TỬ HẠT NHÂN
5.1. CẤU TẠO NGUYÊN TỬ VÀ HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ
5.1.1. Cấu tạo nguyên tử
5.1.1.1. Mẫu hành tinh nguyên tử
Đầu thế kỷ XX, năm 1911 Ernest Rutheford, nhà bác học nổi tiếng người Anh, căn cứ vào hàng loạt kết quả thực nghiệm của mình, đã nêu lên một thuyết mới về cấu tạo nguyên tử, gọi là mẫu hành tinh nguyên tử Rơdepho [5].
a. Mẫu hành tinh nguyên tử của Rơdepho
Mẫu hành tinh nguyên tử Rơdepho có các nội dung chính sau:
- Ở mỗi tâm nguyên tử có một hạt nhân mang điện dương, có kích thước vô cùng nhỏ (đường kính khoảng 10-13
-10-12cm) so với kích thước nguyên tử. Chung quanh hạt nhân có những electron mang điện âm chuyển động theo những quỹ đạo khác nhau.
- Điện tích dương của hạt nhân đúng bảng tổng số điện tích âm của electron mang điện nhưng trái dấu, tức là bằng Ze, trong đó Z là số thứ tự của nguyên tố trong hệ thống tuần hoàn của Mendeleep, e là điện tích nguyên tố dương.
- Toàn bộ khối lượng của nguyên tử coi như tập trung ở hạt nhân, vì khối lượng của electron rất nhỏ, không đáng kể (bằng 1/1840 khối lượng hạt nhân hydro) và vì số electron không nhiều lắm.
b. Mẫu Bo
* Mô hình nguyên tử
Năm 1911, sau nhiều công trình nghiên cứu công phu, Rơ-dơ-pho (Rutherford) đã đề xướng ra mẫu hành tinh nguyên tử. Tuy nhiên mẫu này gặp phải những khó khăn là không giải thích được sự tạo thành các quang phổ vạch của các nguyên tử và tính bền vững của các nguyên tử.
Thực vậy, chuyển động của các êlectron quanh hạt nhân bao giờ cũng có gia tốc hướng tâm. Theo thuyết điện từ, một điện tích chuyển động có gia tốc bao giờ cũng phát ra sóng điện từ. Như vậy năng lượng của nguyên tử sẽ giảm dần và êlectron sẽ phải rơi vào hạt nhân [5].
Năm 1913, Bohr đã vận dụng thuyết lượng tử vào hệ thống nguyên tử và đề ra một mẫu nguyên tử mới gọi là mẫu nguyên tử Bo. Mẫu này đã giải thích được sự tạo thành quang phổ vạch của các nguyên tử, đặt biệt là nguyên tử hidrô.
Trong mẫu này, Bohr vẫn giữ mô hình hành tinh nguyên tử của Rơ-dơ-pho, nhưng ông cho rằng hệ thống nguyên tử bị chi phối bởi những quy luật đặc biệt có tính lượng tử mà ông đề ra dưới dạng hai giả thuyết. Người ta gọi chúng là hai tiên đề của Bohr về cấu tạo nguyên tử.
*Các tiên đề của Bo
1. Tiên đề về các trạng thái dừng
Nguyên tử chỉ tồn tại trong một sồ trạng thái có năng lượng xác định, gọi là các trạng thái dừng. Khi ở trong các trạng thái dừng thì nguyên tử không bức xạ. Trong các trang thái dừng của nguyên tử, êlectron chỉ chuyển động quanh hạt nhân trên những quỹ đạo có bán kính hoàn toàn xác định được gọi là quỹ đạo dừng.
Bình thường, nguyên tử ở trong trạng thái dừng có năng lượng thấp nhất và êlectron chuyển động trên quỹ đạo gần hạt nhân nhất. Đó là trạng thái cơ bản.
* Khi hấp thụ năng lượng thì nguyên tử chuyển lên các trạng thái dừng có năng lượng cao hơn và êlectron chuyển động trên những quỹ đạo xa hạt nhân hơn. Đó là các trạng thái kích thích.
* Các trạng thái kích thích có năng lượng càng cao thì bán kính quỹ đạo của êlectron càng lớn và càng kém bền vững, Thời gian sống trung bình của nguyên tử trong các trạng thái kích thích rất ngắn (chỉ vào cỡ 10-8s). Sau đó nó chuyển dần về các trạng thái có năng lượng thấp hơn, và cuối cùng về trạng thái cơ bản.
* Bohr tìm được công thức tính bán kính quỹ đạo dừng của electron trong nguyên tử hiđrô:
2 0
r n
rn (5.1)
Đối với nguyên tử hidrô, bán kính các quỹ đạo dừng tăng tỉ lệ với bình phương của các số nguyên liên tiếp:
Bán kính: r0 4 r0 9 r0 16 r0 25 r0 36 r0 Tên quỹ đạo: K L M N O P
Với r0 = 5,3.10-11 m; r0 gọi là bán kính Bo.
Ta hiểu năng lượng của nguyên tử bao gồm động năng của êlectron và thế năng tương tác tĩnh điện giữa êlectron và hạt nhân.
2. Tiên đề về sự bức xạ và hấp thụ năng lƣợng của nguyên tử
Khi nguyên tử chuyển từ trạng thái dừng có năng lượng (En) sang trạng thái dừng có năng lượng thấp hơn (Em) thì nó phát ra một phôtôn có năng lượng đúng bằng hiệu
m
n E
E :
hfnmEnEm (5.2)
Ngược lại, nếu nguyên tử đang ở trong trạng thái có năng lượng Em mà hấp thụ được một phôtôn có năng lượng đúng bằng hiệu En Em thì nó chuyển lên trạng thái dừng có năng lượng cao En.
Tiên đề này cho thấy: nếu một chất hấp thụ được ánh sáng có bước sóng nào thì nó