Thí nghiệm Phrang và Hec

6. Cấu trúc khóa luận

2.2.1 Thí nghiệm Phrang và Hec

Thí nghiệm này nhằm xác nhận một trong những sự kiện cơ bản là năng lượng của các phân tử và nguyên tử có thể biến thiên không liên tục như đối với các vật vĩ mô, mà thành từng lượng gián đoạn xác định.

Nội dung của thí nghiệm như sau:

Trong bình thủy tinh đã được tạo chân không người ta cho vào chất khí cần nghiên cứu, chẳng hạn hơi thủy ngân. Người ta hàn vào bình catot K, anot A, và hai lưới C1 và C2 (hình 2.1). Catốt được đốt nóng bởi dòng điện từ bộ pin B, giữa catot K và lưới C1 xuất hiện một hiệu điện thế U’ do bộ pin B1 , còn giữa anot A và lưới C2 là hiệu điện thế U’’ do bộ pin B2. Chiều của vector

cường độ điện trường giữa catot và C1 ngược chiều với vector cường độ điện

trường giữa anot và lưới C2. Trong không gian giữa hai lưới không có điện trường.

Elecron được phát ra bay từ catot K, được gia tốc bởi điện trường trong không gian K – C1 và có động năng:

2 ' 1 , 2mv eU (2.6) trong đó: m, e, v là khối lượng, điện tích và vận tốc tương ứng của eletron.

Giữa catot và lưới thứ nhất electron không bị va chạm với các nguyên

tử trung hòa của khí. Các electron được tăng tốc đi qua lưới C1, chuyển động

trong không gian giữa các lưới C1 và C2 với vận tốc không đổi. Sau khi đi qua lưới C2 electron rơi vào điện trường và chúng bị điện trường hãm lại. Tuy nhiên nhờ động năng vốn có từ trước đủ lớn để thực hiện một công chống lại trường cản, các electron đến được anot của ống và đi qua điện kế. Cường độ dòng điện được tạo nên bởi các dòng electron đi qua điện kế phụ thuộc vào số electron n rơi vào anot của ống trong một giây.

Thí nghiệm chứng tỏ rằng sự phụ thuộc của cường độ dòng điện vào

điện thế của lưới C1 (đối với catot K), hay là vào động năng của các electron

mà động năng này phụ thuộc vào điện thế tại lưới. Ta hãy khảo sát quá trình xảy ra trong ống:

điện trong mạch tăng lên bởi các electron khi gặp các nguyên tử hơi thủy ngân sẽ va chạm đàn hồi, nghĩa là không truyền năng lượng của mình cho nguyên tử.

Khi tăng điện thế tại lưới C1 đến một giá trị mà động năng của electron bằng 4,5 eV thì sự va chạm của các electron với nguyên tử của hơi thủy ngân trở nên không đàn hồi. Ở đây, cường độ dòng điện qua điện kế giảm nhanh, còn dòng điện trong mạch lưới tăng lên. Dòng điện đi qua điện kế là do một phần nhỏ electron không chịu sự va chạm không đàn hồi sinh ra.

Nếu tiếp tục tăng điện thế tại lưới động năng của các electron tiếp tục tăng và sự va chạm của các electron với các nguyên tử hơi thủy ngân trở nên đàn hồi. Vì vậy cường độ dòng điện qua điện kế tăng lên, nhưng chỉ tăng cho

đến khi điện kế tại lưới C1 đạt đến một giá trị xác định khác với động năng

của electron.

2.2.2 Thí nghiệm xác định các mức năng lƣợng gián đoạn của nguyên tử

Dụng cụ gồm có một ống phát electron I (hình 2.2) trong đó electron

được phát ra từ một sợi dây đốt nóng và chuyển động trong điện trường với

hiệu điện thế U’. Chùm electron sau khi đi qua lỗ A, rơi vào buồng II trong đó

có chứa hơi hay khí cần nghiên cứu. Tại đây xảy ra sự va chạm đàn hồi hay không đàn hồi với nguyên tử, tùy thuộc vào độ lớn của động năng của các electron.

Hình 2.2: Sơ đồ thí nghiệm phát hiện sự biến thiên gián đoạn mức năng lượng của các electron khi va chạm không đàn hồi với các nguyên tử của hơi

thủy ngân.

Buồng II làm bằng chất dẫn điện và được giữ ở vùng một điện thế. Vì vậy trong buồng II chuyển động của các electron là chuyển động không có gia tốc. Các electron chịu sự va chạm với các nguyên tử của chất khí nghiên cứu bay qua một lỗ hẹp B trong buồng III. Lỗ này đặt lệch với lỗ A, vì vậy chỉ có những electron nào va chạm với nguyên tử mới đi qua B. Người ta đo năng lượng của các electron trong buồng III.

Phép đo chứng tỏ rằng:

- Khi va chạm đàn hồi trong buồng II động năng của các electron trong

buồng III cũng bằng động năng của electron trong ống phát electron.

- Khi va chạm không đàn hồi với các nguyên tử hơi thủy ngân thì năng

lượng của các electron bị giảm đột ngột một lượng 4,9eV và những lượng năng lượng gián đoạn khác.

Những sự va chạm của electron với nguyên tử không xảy ra trong ống phát electron và trong buồng đo năng lượng electron, vì các buồng này được giữ ở độ chân không cần thiết.

2.3 Giản đồ các mức năng lƣợng của nguyên tử.

Nội năng của nguyên tử và những biến thiên gián đoạn của nó có thể được biểu diễn trên giản đồ. Nội năng của nguyên tử là tổng cộng của động năng của electron quay quanh hạt nhân:

2 1 2 đ E  mv , (2.7)

trong đó m, v là khối lượng và vận tốc của electron. Và thế năng

2

Ze

trong đó: Z, e, rlà nguyên tử số của nguyên tố, điện tích của electron và khoảng cách từ electron đến hạt nhân.

Năng lượng toàn phần được xác định như sau: 2 1 . 2 đ t Ze E E E r     (2.9) Đối với nguyên tử hiđrô Z 1. Vì vậy,

2 1 2 e E r   . (2.10)

2.3.1 Thiết lập công thức năng lƣợng toàn phần của nguyên tử.

Theo tĩnh điện học thì thế năng tại một điện tích điểm dương tại một điểm nào đó của điện trường trong chân không, cách điện tích này một

khoảng r bằng q

r . Nếu tại điểm này của trường có một electron mà điện tích

là –e, thì thế năng của electron tại điểm này là:

. t qe E r   (2.11)

Trong sự quay của electron theo quỹ đạo tròn xung quanh hạt nhân của

nguyên tử có điện tích là qZe, lực hút culông của electron đối với hạt nhân

là: 2 2 2 . c qe Ze F r r   (2.12)

Theo định luật II Newtơn, lực tác dụng lên electron quay xung quanh hạt nhân nguyên tử được xác đinh bởi công thức:

2 , mv F r  (2.13) trong đó: m, v là khối lượng và vận tốc của electron, còn

2

v

r là gia tốc

Do đó : 2 2 2 . mv Ze r  r (2.14) Từ đó: 2 2 1 1 . 2 2 đ Ze E mv r   (2.15) Nghĩa là động năng của electron là một đại lượng dương. Giá trị của động năng bằng nửa giá trị tuyệt đối của thế năng của nó:

1 . 2 đ t E  E (2.16) Năng lượng toàn phần của nguyên tử có giá trị :

2 2 2 1 1 . 2 2 t đ Ze Ze Ze E E E r r r        (2.17) Như vậy năng lượng toàn phần của nguyên tử là một đại lượng âm và được gọi là mức năng lượng.

2.3.2 Nguyên tắc xây dựng giản đồ mức năng lƣợng của nguyên tử.

Trục năng lượng của nguyên tử được biểu diễn bởi nửa đường thẳng

đứng hướng xuống dưới (hình 2.3). Điểm 0 ở phía trên biểu diễn độ lớn của

năng lượng toàn phần của nguyên tử bị ion hóa, còn các điểm khác sắp xếp phía dưới biểu diễn năng lượng toàn phần của nguyên tử ở các trạng thái kích thích khác nhau.

Hình 2.3: Giản đồ các mức năng lượng của nguyên tử Hiđrô (mũi tên chỉ sự chuyển electron). (mũi tên chỉ sự chuyển electron).

Từ các điểm này ta sẽ vẽ các đường thẳng nằm ngang biểu diễn các mức năng lượng của nguyên tử. Phía bên phải của hình ghi các giá trị khác nhau của lượng tử số bắt đầu từ thứ nhất (n=1), tương ứng với cực tiểu của năng lượng toàn phần của nguyên tử (ở trạng thái bình thường). Giản đồ như

Nguyên tử của mỗi chất có một tập hợp các mức năng lượng gián đoạn và năng lượng ion hóa xác định của mình. Hiệu số năng lượng giữa hai mức kề nhau của cùng một nguyên tử không phải là như nhau.

Trong một số hình khác ta có thể gặp thang năng lượng có chiều ngược lại với hình 2.3. Mũi tên hướng lên trên chỉ chiều tăng năng lượng khi dịch chuyển nguyên tử lên mức năng lượng cao hơn.

2.3.3 Tính năng lƣợng của nguyên tử ở trạng thái dừng.

Năng lượng của nguyên tử ở các trạng thái dừng khác nhau có thể được tính theo công thức. 1 1 2 n E E E n   . (2.18)

Trong đó E1là năng lượng ion hóa của nguyên tử, còn n là số lượng tử đặc

trưng cho “số thứ tự ” của trạng thái kích thích của nguyên tử. Có thể tính các mức năng lượng của nguyên tử hiđrô nếu biết năng lượng ion hóa của nguyên tử hiđrô gần bằng 13,6eV .

Đối với trạng thái bình thường của nguyên tử, nghĩa là n1,

0 13,6

13,6 0

1

E   

Đối với các trạng thái kích thích: 2 n , 1 13,62 13,6 10,2 ( ) , 2 E    eV 3 n , 2 13,6 13,62 12,1 ( ) , 3 E    eV 4 n , 3 13,62 13,6 12,75 ( ) , 4 E    eV 5 n , 4 13,6 13,62 13,1 ( ) , 5 E    eV

n , 5 13,6

13,6 13,6 ( )

E    eV

 .

Nếu lấy năng lượng ion hóa của nguyên tử hiđrô bằng không (n )

thì mức năng lượng của nguyên tử này sẽ nằm dưới dạng ion hóa một lượng được xác định bởi công thức:

En 13,62 n

 . (2.19)

2.4 Các định đề Bo – Cơ cấu lƣợng tử về sự phát xạ ánh sáng

Các định đề lượng tử của Bo được trình bày như sau:

a) Electron chỉ có thể quay xung quanh hạt nhân của nguyên tử theo những quỹ đạo dừng nào đó (cho phép), khi đó nguyên tử không phát xạ (điều kiện các quỹ đạo dừng).

b) Các quỹ đạo dừng có bán kính mà mômen động lượng của electron

mvr (mômen xung lượng) lấy các giá trị là bội số của lượng

2 h  , nghĩa là: , 2 n n h mv r n   (2.20) ở đây: m,vn, rn là khối lượng, vận tốc và bán kính quỹ đạo của

electron, nlà số nguyên và được gọi là lượng tử số, còn hlà hằng số Planck

(lượng tử tác dụng). Quỹ đạo nằm gần hạt nhân nhất ứng vói lượng tử n1,

còn các quỹ đạo xa hạt nhân hơn - ứng với các lượng tử số n2,3,4,... c) Mỗi quỹ đạo của electron tương ứng với một năng lượng xác định của nguyên tử. Đối với mỗi nguyên tử cho trước nếu electron chuyển động theo quỹ đạo có bán kính bé nhất thì nguyên tử có năng lượng thấp nhất trong tất cả các mức năng lượng có thể có đối với nguyên tử. Trạng thái như thế của nguyên tử được gọi là trạng thái bình thường (hay trạng thái cơ bản). Nếu electron quay theo những quỹ đạo cho phép khác thì nguyên tử ở những trạng thái kích thích.

Nếu tăng bán kính quỹ đạo của electron thì năng lượng toàn phần của nguyên tử cũng tăng lên. Nếu ban đầu electron chuyển động theo quỹ đạo với

lượng tử số n2, ứng với năng lượng E2, và sau đó electron bắt đầu chuyển

động với lượng tử số n1và nguyên tử ở trong trạng thái năng lượng E1< E2. Trong sự chuyển mức năng lượng electron nguyên tử sẽ phát năng lượng:

2 1 . EE E hv (2.21) Từ đó có thể xác định tần số bức xạ: v E2 E1 E . h h    (2.22) Vì vậy, khi electron chuyển từ một quỹ đạo nào đó đến một quỹ đạo khác gần hạt nhân hơn, nguyên tử sẽ phát ra lượng tử năng lượng có tần số tương ứng.

EE1E0. (2.23)

Điều kiện để kích thích nguyên tử là nguyên tử phải hấp thụ một lượng năng lượng.

Trong đó E1 là năng lượng ở trạng thái kích thích nào đó, còn E0 là năng lượng của nguyên tử ở trựng thái bình thường.

Điều kiện để nguyên tử trở về trạng thái bình thường là nguyên tử phải phát ra một lượng năng lượng:

EEi E0hv0. (2.24)

Trong trường hợp tổng quát, độ lớn của lượng tử năng lượng được xác định bằng công thức:

 hv. (2.25)

trong đó:  là độ lớn của lượng tử năng lượng, còn 34

6,6.10 .

h  J slà hằng số Planck. Ở đây lượng tử năng lượng được phát ra dưới dạng bức xạ.

lượng bởi nguyên tử, về năng lượng trong thế giới vi mô là một đại lượng lượng tử hóa.

2.5 Kết luận chƣơng 2

 Bản chất của ánh sáng – tính chất sóng hạt của ánh sáng.

 Cách xác định mức năng lượng gián đoạn của nguyên tử.

CHƢƠNG 3. CÁC DẠNG KHÁC NHAU CỦA BỨC XẠ ĐIỆN TỪ

3.1 Sóng tần số thấp và sóng vô tuyến 3.1.1 Dao động điện tần số thấp 3.1.1 Dao động điện tần số thấp

Những dao động điện chậm được tạo nên trong những mạch dao động điện có điện dung và độ cảm ứng lớn.

Những dao động điện tần số thấp được tạo nên bởi các máy phát trong mạch điện thành phố (50 hz), bởi các máy phát điện tần số cao (máy công nghiệp) (đến 200 hz), cũng như trong các mạch điện thoại (5000 hz). Những bước sóng điện từ tương ứng được phát ra bởi các dụng cụ này là 6000 km, 1500 km và 60 km. những sóng điện từ dài hơn 10km được gọi là sóng điện từ tần số thấp (sóng thấp tần). Sóng tần số thấp được phát ra bởi các máy điện và các mạch dao động.

3.1.2 Sóng vô tuyến

Các dao động điện tần số vô tuyến được kích thích trong các mạch dao động chủ yếu nhờ các đèn điện tử chân không và các dụng cụ bán dẫn. Toàn bộ dải tần số vô tuyến của bức xạ điện từ được chia ra thành sóng dài, sóng trung, sóng ngắn, sóng mét, sóng đêcimét, sóng centimet, sóng milimet, và cuối cùng là sóng micrômet (đến 0,1 mm) của tần số siêu cao.

Khi nghiên cứu giải sóng điện từ này, ta nêu lên một bản tổng kết có tính lịch sử các phương pháp kích thích và thu các sóng điện từ do Hec, Lebedev, Gơlagôlêva – Ackađiêva và Lêvitska xây dựng; ta sẽ nêu ra một số những phương pháp hiện đại về phát và thu các sóng điện từ của dải tần số vô tuyến.

Hec là người đầu tiên thu được sóng điện từ có bước sóng  60 cm mà Maxwell đã tiên đoán. Hec đã dùng máy rung (Vibratơ) hở và cái cộng hưởng dưới dạng lưỡng cực, các dạng dao động được phát hiện bằng tia lửa

Vibratơ thu được nhận biết nhờ sự phát sáng của ống khí phóng điện, cũng như nhờ côberơ, pin nhiệt điện, bôlômét, máy thu bằng tinh thể, mắc trong mạch của dụng cụ đo điện. Hec đã làm thí nghiệm về sự truyền sóng, sự phản xạ, khúc xạ và phân cực của các sóng điện từ.

Lebedev là người đầu tiên trong lịch sử khoa học đã thu được sóng điện từ có bước sóng dài 6 mm và sau đó 3 mm. Vật phát xạ gồm hai ống hình trụ bằng platin dài 1,3 mm và dày 0,5 mm, được hàn trong ống thủy tinh. Vibratơ thu cũng là hai ống hình trụ mỗi ống dài 3mm. Bộ phận pháy hiện là một pin nhiệt điện có vòng bằng sắt và côngstantan ở chỗ tiếp xúc. Các vòng được nối với vibratơ thu và được đặt trong khoảng giữa các ống hình trụ. Các ống này tiếp xúc với các dây dẫn đàn hồi nối với điện kế: khoảng cách giữa lưỡng cực phát và lưỡng cực thu là 10 cm.

Lebedev đã làm thí nghiệm phân cực, giao thoa, phản xạ, khúc xạ. Kích thước dụng cụ không lớn đã cho phép ông làm thí nghiệm với sóng điện từ trong các môi trường tinh thể. Từ những thí nghiệm ông rút ra kết luận rằng, chúng “....đủ để minh họa quan điểm của Maxwell về sự lan truyền của các dao động điện từ trong các môi trường tinh thể, mà Maxwell đã đưa ra từ năm