6. Cấu tr c khoá luận
2.1.2. Ống nhân quang điện tử
Việc khuếch đại dòng quang điện còn có thể thực hiện được bằng ch nh các dụng cụ chân không, trong đó xảy ra hiệu ứng quang điện. Đó là ống nhân quang điện tử. Sự khuếch đại dòng quang điện trong ống nhân điện tử dựa vào sự phát xạ electron thứ cấp (Hình 2.2).
Hình 2.2
Dụng cụ này là một ống thủy tinh hay thạch anh được h t chân không, trong đó có quang catot K, các cực phát K1, K2, K3... và anot A. Ống nhân quang điện tử được mắc vào mạch của một nguồn ổn áp một chiều. Hiệu điện thế giữa hai cực phát kề nhau thường vào cỡ 100V đến 200V tùy theo kiểu ống nhân quang điện tử.
Ánh sáng rọi vào quang catot K, giải phóng electron khỏi nó. Các electron này được tăng tốc trong điện trường sẽ có một động năng nào đó đủ lớn để bức các electron thứ cấp từ cực phát K1, các electron thứ cấp này được tăng tốc đến đập vào cực phát K2, lại bứt các electron thứ cấp từ K2 và hiện tượng cứ như thế tiếp diễn.
Cứ một electron sơ cấp có thể giải phóng từ 3 đến 5 electron thứ cấp ở cực phát tiếp theo. Như vậy, số electron sẽ tăng lên theo cấp số nhân.
Độ nhạy của ống nhân quang điện tử có thể đạt tới 5.105
µA/lm. Ngày nay người ta đã chế tạo được những ống nhân quang điện tử cỡ 11 đến 13
tầng, có độ nhạy cao, dòng tới bé và làm việc trong nhiều miền quang phổ khác nhau, từ miền tử ngoại đến hồng ngoại gần.
Ứng dụng
Hình 2.3
Đầu dò nhấp nháy: Khả năng phát hiện xung ánh sáng cỡ vài photon và nhân lên, dẫn đến việc ghép PMT (Photomultiplier tube) với tinh thể nhấp nháy để tạo ra đầu dò nhấp nháy để phát hiện các bức xạ, dùng trong các thiết bị phân t ch bức xạ. Mỗi hạt bức xạ tạo ra trong tinh thể một xung ánh sáng. Hệ thống như vậy sẽ cho ra xung điện có biên độ tỷ lệ với lượng photon.
Máy phát nhiễu ngẫu nhiên: Các hạt bức xạ thu nhận ở đầu dò nói trên có tính ngẫu nhiên thật sự, nên đầu dò như vậy được dùng trong tạo dãy xung ngẫu nhiên. Khi ghép với máy gây nhiễu radar sẽ tạo ra xung phản xạ giả có độ trễ ngẫu nhiên.
Ống nhân quang điện tử thường được dùng trong các phép đo quang thông rất bé.
2.2. Các dụng cụ q ang điện bán dẫn
2.2.1. Quang điện trở
Ngày nay, quang điện trở được sử dụng rất nhiều trong các mạch tự động, xác định sáng tối để thực hiện một công việc cụ thể nào đó, nói cách
khác nó như cảm biến ánh sáng. Hiểu rõ hoạt động của quang điện trở sẽ gi p chúng ta tạo ra nhiều mạch ứng dụng vào thực tế.
Hình 2.4
Quang điện trở còn gọi tắt là RDL là loại cảm biến ánh sáng đơn giản, hoạt động dựa vào hiện tượng quang điện trong.
Khi có ánh sáng chiếu vào chất bán dẫn, làm xuất hiện các điện tử tự do, làm sự dẫn điện tăng lên, làm giảm điện trở của chất bán dẫn (nếu có nối vào mạch điện thì mạch sẽ nối tắt, ngắn mạch).
Khi không có ánh sáng chiếu vào, nội trở của chất bán dẫn tăng dần đến vô cùng (nếu có nối vào mạch điện thì sẽ hở mạch).
Nguyên lí hoạt động
Quang điện trở làm bằng chất bán dẫn trở kháng cao, và không có tiếp giáp nào. Trong bóng tối, quang điện trở có điện trở đến vài MΩ. Khi có ánh sáng, điện trở giảm xuống mức một vài trăm Ω.
Hoạt động của quang điện trở dựa trên hiệu ứng quang điện trong khối vật chất. Khi photon có năng lượng đủ lớn đập vào, sẽ làm bật electron khỏi phân tử, trở thành tự do trong khối chất và làm chất bán dẫn thành dẫn điện. Mức độ dẫn điện tuỳ thuộc số photon được hấp thụ.
Tuỳ thuộc chất bán dẫn mà quang trở phản ứng khác nhau với bước sóng photon khác nhau. Quang trở phản ứng trễ hơn điốt quang, cỡ 10ms, nên nó tránh được thay đổi nhanh của nguồn sáng.
Một số vật liệu làm quang điện trở
+ Sunfua cadmi (CdS) và selenua cadmi (CdSe), nhưng tại châu Âu đang cấm dùng cadmi.
+ Sunfua chì (PbS) và indi antimonit (InSb) được sử dụng cho vùng phổ hồng ngoại.
+ Gecu là cảm biến dò hồng ngoại xa tốt nhất, được sử dụng trong thiên văn hồng ngoại và quang phổ hồng ngoại.
Ứng dụng của quang điện trở
Quang điện trở được dùng làm cảm biến nhạy sáng trong các mạch dò sáng tối để đóng cắt đèn chiếu sáng.
Dàn nhạc có guitar điện thì dùng quang trở để nhận biết độ sáng từ dàn đèn màu nhạc để tạo hiệu ứng âm thanh.
Trong thiên văn hồng ngoại và quang phổ hồng ngoại, hợp chất Gecu được chế thành bảng photocell làm cảm biến ảnh.
2.2.2. Pin quang điện
Khái niệm: Pin quang điện là nguồn điện chạy bằng năng lượng ánh sáng. Pin quang điện biến đổi trực tiếp quang năng thành điện năng.
Cấu tạo và hoạt động
Pin quang điện gồm hai lớp bán dẫn tiếp x c nhau: một bán dẫn loại p (gồm đa số là lỗ trống mang điện t ch dương) và một lớp bán dẫn n (gồm đa số là electron dẫn mang điện t ch âm).
Giữa lớp p và lớp n hình thành một lớp đặc biệt gọi là lớp chặn, có tác dụng ngăn không cho electron di chuyển từ lớp bán dẫn n sang lớp bán dẫn p.
Khi chiếu ánh sáng vào bề mặt lớp p thì trong lớp này xuất hiện rất nhiều các electron dẫn. Ch ng ngay lập tức khuếch tán sang lớp n khiến lớp bán dẫn p trở nên nhiễm điện dương còn lớp n thừa electron trở nên nhiễm điện âm.
Ở ph a trên lớp p có một lớp kim loại mỏng (vừa cho phép ánh sáng đi qua, vừa có tác dụng dẫn điện) nối với một điện cực. Điện cực này là điện cực dương.
Ở ph a dưới lớp n là một đế bằng kim loại đóng vai trò của điện cực âm. Nối hai điện cực của pin quang điện với một mạch ngoài thì trong mạch ngoài có dòng điện một chiều chạy từ cực dương sang cực âm.
Đặc điểm của pin quang điện
Hiệu suất của pin quang điện chỉ vào khoảng 10%.
Suất điện động của mỗi tế bào pin quang điện (tức là một lớp tiếp x c p - n như trên) từ 0,5V đến 0,8V. Đo đó người ta phải ghép rất nhiều tế bào pin quang điện với nhau thành bộ để có hiệu điện thế và cường độ dòng điện đủ lớn để sử dụng.
Ứng dụng của pin quang điện
Dùng trong các máy đo ánh sáng (Hình 2.6).
Dùng để cung cấp điện cho các tòa nhà lớn (Hình 2.7).
Hình 2.7
Dùng để cung cấp năng lượng cho ô tô ( Hình 2.8).
Hình 2.8 Máy t nh dùng pin Mặt Trời (Hình 2.9).
Hình 2.9 Và rất nhiều ứng dụng quan trọng khác nữa.
2.3. Laser
Laser là tên của những chữ cái đầu của thuật ngữ bằng tiếng Anh “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation’’ (Sự khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ k ch hoạt). Laser là nguồn ánh sáng nhân tạo thu được nhờ sự khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ phát ra khi k ch hoạt cao độ các phần tử của một môi trường vật chất tương ứng. Laser là ánh sáng có nhiều t nh chất đặc biệt hơn hẳn ánh sáng tự nhiên hay nhân tạo khác và có những công dụng rất hữu ch có thể áp dụng trong rất nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật và đời sống, tạo nên cả một cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật sau khi nó ra đời. Sự ra đời cùa Laser bắt nguồn từ Thuyết Lượng tử do nhà bác học A. Einstein phát minh ra năm 1916. Đến năm 1954, các nhà bác học Anh, Mỹ đã đồng thời sáng chế ra máy phát tia laser ứng dụng vào thực tế. Các thử nghiệm laser trên người bắt đầu từ những năm 1960. Từ năm1964, đã bắt đầu ứng dụng laser trong các trị liệu về Da (chuyên khoa da liễu).
Cấu tạo máy phát laser
Hình 2.10 1. Buồng cộng hưởng (vùng bị k ch th ch)
2. Nguồn nuôi (năng lượng bơm vào vùng bị k ch th ch) 3. Gương phản xạ toàn phần
4. Gương bán mạ 5. Tia laser
Hoạt chất laser: Là môi trường chứa các hoạt chất có khả năng phát ra bức xạ laser khi được k ch hoạt bằng một nguồn năng lượng.
Nguồn nuôi: Là nguồn năng lượng để duy trì hoạt động của môi trường hoạt chất laser, giữ cho hoạt chất luôn luôn ở trạng thái có số phần tử ở mức B nhiều hơn ở mức A.
Buồng cộng hưởng: Bao gồm 1 gương phản xạ toàn phần và 1 gương bán mờ (độ phản xạ từ 70% đến 99%).
Buồng cộng hưởng cho phép nguồn sáng k ch th ch chất nhiều lần và chùm tia sáng bức xạ sẽ được khuyếch đại và chọn lọc qua gương phản xạ toàn phần và gương mờ cho đến khi ổn định để phát ra chùm sáng laser.
Phân loại laser
Tùy theo loại hoạt chất laser ta sẽ thu được các tia laser với tên gọi khác nhau:
Laser rắn có môi trường hoạt chất ở thể rắn. Có hàng trăm loại như Laser Ruby, Laser YAG, Laser bán dẫn, Laser thủy tinh,…
Laser lỏng có môi trường hoạt chất ở thể lỏng. Có 50 loại khác nhau. Các hoạt chất thể lỏng có màu sẽ cho ta laser màu, là những laser rất thông dụng hiện nay.
Laser khí có môi trường hoạt chất ở thể kh . Cũng có hơn trăm loại kh được dùng làm hoạt chất laser như laser CO2, laser heli-Neon, laser Argon,…. Người ta còn phân loại theo t nh chất như: laser nóng (như laser CO2, Argon) và laser lạnh (như Laser He-Ne, Laser hồng ngoại).
Các tính chất của tia Laser
Độ đơn sắc cao: Laser là chùm ánh sáng mà các tia sáng của nó có mức chênh lệch bước sóng nhỏ nhất, so với các chùm sáng đơn sắc khác. Sự chênh lệch bước sóng này còn gọi là phổ ánh sáng của chùm ánh sáng.
T nh chất này rất quan trọng vì hiệu quả tác dụng của laser khi tương tác với vật chất, với các tổ chức sinh học phụ thuộc vào độ đơn sắc này.
Độ định hướng cao: Khác với các nguồn sáng khác, các tia sáng Laser được chọn lọc chỉ phát ra những tia vuông góc với gương, nên hầu như song song với nhau (hay nói theo ngôn ngữ vật lý là góc mở giữa các tia là rất nhỏ). Nhờ vậy, laser có độ định hướng lý tưởng, có thể chiếu đi rất xa, đến mức người ta có thể dùng laser để đo những khoảng cách trong vũ trụ. Mật độ phổ (độ chói) rất cao: Độ chói của nguồn sáng được t nh bằng cách chia công suất của chùm sáng cho độ rộng của phổ.
Vì độ rộng của phổ Laser rất nhỏ nên laser có độ tập trung các tia sáng rất cao, hay nói cách khác là độ chói rất cao so với các nguồi sáng khác.
V dụ: Laser có công suất thấp là laser He - Ne cũng có độ chói gấp hàng vạn lần độ chói của ánh sáng mặt trời. Những laser có công suất lớn có độ chói cao gấp hàng triệu lần mặt trời.
Công suất của laser: Tùy loại laser mà có nguồi sáng công suất khác nhau. Có những loại laser công suất mạnh tương đương công suất 1 vạn nhà máy điện 1 triệu KW. Nhựng nguồn laser công suất mạnh có thể sử dụng trong công nghiệp nặng như khoan cắt vật liệu, hay chế tạo các loại vũ kh , kh tài quân sự.
Các loại laser sử dụng trong y học là những laser có công suất thấp như laser He - Ne công suất chỉ khoảng từ 2MW đến 10MW.
Những công dụng của laser
Ngày nay, người ta đã chế tạo ra được gần 500 loại laser khác nhau, ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực:
Đo đạc những khoảng cách cực lớn, như trong nghành thiên văn (đo khoảng cách từ trái đất đến các hành tinh và khoảng cách giữa các hành tinh trong vũ trụ).
Thiết lập dẫn đường như các loại bom, tên lửa được dẫn đường bằng laser.
Đồ dùng, thiết bị sử dụng trong cuộc sống hằng ngày (Hình 2.11).
Hình 2.11
Công nghiệp nặng: hàn cắt kim loại (Hình 2.12).
Hình 2.12 Công nghiệp chế tạo vũ kh (Hình 2.13).
Trong y học: chuẩn đoán và điều trị bệnh, thẩm mỹ (Hình 2.14).
Hình 2.14
2.4. Giải một số bài tập về lượng tử ánh sáng
2.4.1. Tính năng lượng, động lượng, khối lượng photon
Cách giải: Sử dụng các công thức cần thiết để giải bài tập.
+ Photon của ánh sáng đơn sắc có năng lượng: + Khối lượng tương đối tính của photon:
+ Động lượng của photon: Trong đó các hằng số:
h = 6,625.10-34 J.s c = 3.108 m/s m = 9,1.10-31 kg e = 1,6.10-19 C
Bài tập ví dụ: T nh năng lượng, động lượng, khối lượng photon ứng với ánh sáng có bước sóng λ = 0,768μm.
Cho h = 6,625.10-34J.s ; c = 3.108m/s ; 1eV = 1,6.10-19J. Hướng dẫn giải:
Năng lượng của photon là:
Động lượng của photon là:
Khối lượng của photon là:
(kg)
2.4.2. Tìm các đại lượng thường gặp (công thoát, giới hạn quang điện, vận tốc ban đầu cực đại, hiệu điện thế hãm, hiệu suất lượng tử…) từ biểu thức tốc ban đầu cực đại, hiệu điện thế hãm, hiệu suất lượng tử…) từ biểu thức tính động năng hay từ phương trình Einstein.
Cách giải: áp dụng các công thức như :
+ Công thức Einstein về hiện tượng quang điện:
+ Công thức động năng:
+ Công thoát:
+ Giới hạn quang điện:
+ Hiệu suất lượng tử : Là tỉ số giữa số electron bứt ra (n) và số photon đập vào Catot (N) trong khoảng thời gian t:
Bài tập ví dụ:
Bài 1: Kim loại dùng làm catốt của tế bào quang điện có công thoát electron là 2,5eV. Chiếu vào catot bức xạ có tần số f = 1,5.1015Hz. Động năng ban đầu cực đại của các electron quang điện là bao nhiêu?
Hướng dẫn giải: Ta có:
Nếu t nh theo đơn vị eV ta có:
Vậy động năng cực đại của các electron quang điện là:
Bài 2: Chiếu bức xạ có bước sóng λ = 0,546µm lên một tấm kim loại có giới hạn quang điện . Dùng màn chắn tách ra một chùm hẹp các electron quang điện và cho ch ng bay vào từ trường đều theo hướng vuông góc với các đường cảm ứng từ có B = 10-4
T. Biết bán k nh cực đại của quỹ đạo của các electron là R = 23,32mm. T nh giới hạn quang điện ?
Hướng dẫn giải:
Khi bay vào vùng từ trường đều theo hướng vuông góc với các đường cảm ứng từ, lực do từ trường tác dụng lên các electron buộc electron chuyển động tròn đều. Lực Lorenxơ đóng vai trò lực hướng tâm nên ta có f = Fht
→ → (1)
Vì bán k nh của các electron này cực đại nên ch ng có vận tốc ban đầu cực đại là:
(2)
Thay (1), (2) vào công thức Einstein (1.4) cuối cùng ta thu được
Bài 3: Một tấm kim loại có giới hạn quang điện là được đật cô lập về điện. Người ta chiếu sáng nó bằng bức xạ có bước sóng λ thì thấy điện thế cực đại của tấm kim loại này là 2,4V. Bước sóng λ của ánh sáng k ch th ch có giá trị là bao nhiêu?
Hướng dẫn giải: Ta có công thoát:
Theo công thức Einstein:
Vậy suy ra bước sóng λ của ánh sáng k ch th ch là:
2.4.3. Bài tập về hiện tượng tán xạ Compton. Cách giải: Áp dụng định luật bảo toàn năng lượng và định luật bảo toàn động lượng, công thức Compton (1.5) để giải dạng bài tập này. Bài tập ví dụ: Photon tới có năng lượng 0,8MeV tán xạ trên electron tự do và biến thành photon ứng với bức xạ có bước sóng bằng bước sóng Compton. Hãy t nh góc tán xạ. Hướng dẫn giải: Ta có, năng lượng photon tới: Từ công thức Compton:
2.5. ết l ận chương 2
Qua chương này ch ng ta đã biết được rất nhiều ứng dụng hữu ch về t nh chất lượng tử của ánh sáng. Những ứng dụng này gi p cho cuộc sống của chúng ta tốt hơn.
Việc giải quyết các bài toán phức tạp cũng đã trở nên đễ dàng hơn nếu ch ng ta biết phân t ch bài toán, áp dụng đ ng các công thức t nh toán của từng dạng bài tập.
Đất nước ch ng ta đang ngày càng phát triển, kéo theo đó là sự phát triển của rất nhiều các lĩnh vực khoa học, nghiên cứu, chế tạo… Để không bị tụt lại ph a sau sự phát triển đó ch ng ta cần phải không ngừng tìm tòi, nghiên cứu. sáng tạo ra nhiều ứng dụng tiên tiến, sử dụng đem lại hiệu quả cao gi p ch