Bức xạ hồng ngoại

6. Cấu trúc khóa luận

3.2 Bức xạ hồng ngoại

Việc hình thành những quan niệm về bức xạ hồng ngoại được thực hiện qua ba giai đoạn.

Giai đoạn thứ nhất.

Ta làm thí nghiệm để chứng minh rằng, vật bị đốt nóng (bàn là điện, bếp điện, mỏ hàn hay lò sưởi) nhưng chưa phát sáng sẽ cho ta bức xạ mà ta có thể nhận biết được nhờ pin nhiệt điện, tế bào quang điện bằng sunfua bạc, quang điện trở bằng sunfua chì hay sunfua cadmi. Khi làm thí nghiệm, những

Cơ chế của sự tạo thành bức xạ hồng ngoại:

Trong vật được nung nóng năng lượng của chuyển động nhiệt sẽ biến thành nội năng khi các hạt va chạm với nhau. Khi đó năng lượng tăng chủ yếu là năng lượng của chuyển động quay và chuyển động dao động, nghĩa là các hạt bị kích thích. Các nguyên tử và phân tử bị kích thích phát ra năng lượng dưới dạng sóng điện từ và chúng chuyển về trạng thái bình thường. Muốn cho vật tiếp tục phát xạ với cường độ như trước, cần phải cung cấp năng lượng cho nó từ một nguồn bên ngoài, ví dụ như nung nóng bằng truyền nhiệt. Khi đó các nguyên tử và phân tử sau khi hấp thụ năng lượng của chuyển động nhiệt lại chuyển về trạng thái kích thích, sau đó chuyển về trạng thái bình thường và phát ra sóng điện từ v.v.... Nếu giảm cường độ năng lượng của vật vì bức xạ sóng điện từ trong đơn vị thời gian bằng năng lượng hấp thụ được từ ngoài cũng trong thời gian đó, thì nhiệt độ của vật giữ không thay đổi. Bức xạ nói trên được gọi là bức xạ nhiệt và bản chất của nó là sóng điện từ. Bức xạ này xảy ra ở mọi nhiệt độ của vật khác độ không tuyệt đối.

Giai đoạn thứ hai:

Ta khảo sát một số tính chất của bức xạ hồng ngoại. Giai đoạn thứ ba:

Sau khi nghiên cứu quang phổ nhìn thấy ta lại làm thí nghiệm để phát hiện bức xạ hồng ngoại ngoài giới hạn nhìn thấy của quang phổ này.

3.3 Bức xạ thấy đƣợc.

Trong thực tế ta có thể quan sát được ánh sáng phát ra từ các ống phóng điện (ống đèn quảng cáo) chứa đày các khí nêon, hơi natri, acgon, qua các kính lọc sắc đỏ, vàng và xanh da trời được đặt trên một khung bìa cứng. Các kính lọc sáng có thể làm bằng xêlôphan màu. Mỗi lần quan sát chỉ có một kính lọc sắc là sáng nhất. Ánh sáng sáng nhất của nêon quan sát được qua kính lọc sáng đỏ, của natri – qua kính lọc sáng vàng, của ácgon – qua kính lọc

màu nhất định. Ánh sáng này do các nguyên tử và phân tử của chất khí ấy phát ra. Các thí nghiệm với lăng kính sẽ cho những số liệu chính xác hơn về các thành phần bức xạ của chất khí.

Ta có thể giải thích rằng các vật rắn và chất lỏng đốt nóng và chất khí ở áp suất cao sẽ cho phổ liên tục. Ta có thể làm thí nghiệm chứng minh phổ liên tục thu được từ hồ quang có điện cực than, trước hết với lăng kính thủy tinh sau đó với lăng kính bằng nước. Rõ rệt hơn với lăng kính kép bằng hai chất khác nhau. Một chùm tia sáng hẹo hướng vào cạnh của một lăng kính kép, được tách ra làm hai chùm tia tán sắc. Trên hai màn quang phổ liên tục có bề rộng khác nhau được tạo thành.

Trong thực tế, có rất nhiều thí nghiệm, có nhiều cách để thấy được bức xạ nhưng ta cần phải chú ý điều sau đây: thứ tự sắp xếp các màu trong phổ liên tục là nhất định; sự chuyển tiếp từ màu này sang màu kia là dần dần; bề rộng của các dải đơn sắc (một màu) không giống nhau, bề rộng tương đối của chúng phụ thuộc vào chất làm lăng kính.

3.4 Bức xạ tử ngoại.

Bức xạ tử ngoại có trong thành phần của ánh sáng Mặt trời, của ánh sáng hồ quang có điện cực than hay điện cực kim loại. Bức xạ tử ngoại cần được phát ra từ các đèn khí phóng điện đặc biệt. Một số trong những loại đèn

đó là PK4, đèn hyđrô, đèn diệt trùng, đèn xênon, đèn huỳnh quang, đèn

chụp ảnh “chớp sáng”.

Có thể phát hiện bức xạ tử ngoại nhờ tế bào quang điện, đèn nhân quang điện, các chất phát quang.

Một số tính chất và những ứng dụng kỹ thuật của bức xạ tử ngoại:

Nó gây ra hiện tượng huỳnh quang (dùng trong các đèn huỳnh quang, trong phân tích huỳnh quang và kĩ thuật đo khuyết tật), hiệu ứng quang điện (được dùng trong công nghiệp điện tử và tư động), phản ứng quang hóa (được

động vật), gây ra tác dụng diệt vi trùng (dùng để diệt vi trùng trong không khí tại các gian xưởng và trong thực hành y học), gây ra ban đỏ (dùng để phòng bệnh và chữa bệnh) ,...

Ôzon trong khí quyển hấp thụ bức xạ tử ngoại ( 300nm) do đó bảo

vệ được cơ thể sống khỏi tác dụng mạnh của bức xạ tử ngoại.

Khi làm việc với các máy móc cho bức xạ tử ngoại (hàn và gia công kim loại bằng tia điện, làm thí nghiệm trong trường học với hồ quang điện) cần phải giữ gìn mắt tránh tác dụng có hại của bức xạ này.

3.5 Bức xạ của các máy phát lƣợng tử quang học.

Có các loại vật phát xạ sau đây: các nguồn bức xạ nhiệt và huỳnh quang, các máy phát lượng tử quang học và các máy phát ánh sáng paramêtric. Sự hoạt động của chúng dựa trên những nguyên tắc vật lý khác nhau.

Trong các nguồn nhiệt sự kích thích nguyên tử và phân tử xảy ra là do sự va chạm của chúng trong quá trình chuyển động hỗn loạn. Khi hạt chuyển động về trạng thái ban đầu thì phát ra ánh sáng.

Trong trường hợp của nguồn huỳnh quang một phần các nguyên tử và phân tử được kích thích từ một nguồn năng lượng bên ngoài. Các hạt bị kích thích sau đó sẽ phát sáng và kéo dài sự phát sáng một thời gian rõ rệt.

Trong các máy lượng tử xảy ra sự phát xạ cưỡng bức là do có sự định xứ đảo của các nguyên tử ở các mức năng lượng.

Trong các máy phát paramêtric sóng ánh sáng được tạo nên do các hiện tượng paramêtric trong môi trường phi tuyến.

Các lĩnh vực có thể có của các máy phát lượng tử quang học: để liên lạc nhiều đường, liên lạc vũ trụ, xác định vị trí của các đối tượng thiên văn, nghiên cứu khoa học (thu platma nhiệt độ cao), dùng trong kĩ thuật gia công vật liệu (khoan lỗ kim loại và hàn), trong y học (chiếu vào các ưng thư, “hàn”

3.6 Bức xạ Rơntgen

Ta hãy khảo sát cấu tạo và hoạt động của các nguồn bức xạ Rơnghen. Ống điện tử rơnghen, bêtatron và cơ chế kích thích bức xạ rơnghen.

3.6.1 Ống điện tử rơnghen

Ống rơnghen là dụng cụ chân không hai cực.

Hình 3.1: Ống Rơnghen. a) Cấu tạo. b) Kí hiệu.

Nguồn êlectron là catot đốt nóng 1.

Dưới tác dụng của điện trường mạnh giữa anot và catot (đưa vào một hiệu điện thế cao) các êlectron có vận tốc lớn và động năng lớn đến đập vào anot.

Khi đập vào anot các êlectron bị hãm lại do đó phát ra bức xạ rơnghen. Thời gian hãm càng bé bước sóng rơnghen càng ngắn nó càng cứng hơn. Tại anot giải phóng ra một lượng nhiệt lớn, vì vậy phải làm lạnh ống rơnghen.

Để minh họa ta dẫn ra đây những số liệu về ống rơnghen và về bức xạ. Hiệu điện thế giữa anôt vào khoảng hàng chục đến hàng trăm kilôvôn, áp

suất trong ống không quá 103 105 N2

m

   ; catôt là sợi dây đốt nóng; vật liệu làm

anôt là W, Mo, Cu, Ni, Fe và các kim loại khác; hệ số tác dụng hữu ích bằng khoảng 1 - 3% ; bức xạ gồm những lượng tử có năng lượng lớn.

Giá trị của lượng tử năng lượng của bức xạ rơnghen rất lớn. Ví dụ:

Phân tử của khí đơn nguyên tử có động năng của chuyển động tịnh tiến. 3

. 2

E KT

Trong đó K là hằng số Boltzmann và T là nhiệt độ tuyệt đối.

Ở 1000C, 3 23

.1,38.10 2

E  J/độ. 373 độ  7,72.10-21 J.

Độ lớn của một lượng tử năng lượng của bức xạ rơnghen cứng là

1,98.10-14J, nghĩa là lớn hơn năng lượng của một phân tử của khí đơn nguyên

tử ở nhiệt độ 1000C hàng 2,6 triệu lần.

3.6.2 Betatron

Cùng với sự phát triển của kĩ thuật thực nghiệm về hạt nhân người ta đã chế tạo ra các máy gia tốc cảm ứng êlectron đó là bêtatrôn. Các máy này cũng

là nguồn bức xạ Rơnghen và bức xạ  .

Hình 3.2: Sơ đồ cấu tạo của bêtatrôn

Betatron gồm một buồng chân không bằng thủy tinh hay bằng sứ dưới

dạng một hình xuyến rỗng và kín 1 (hình 3.2) được đặt trong khoảng trống

giữa các cực của một nam châm điện hai đầu có dạng đặc biệt. Cuộn dây 3 được nuôi bởi dòng xoay chiều có tần số công nghiệp. Trong buồng có bộ

phận phun đó là nguồn phát êlectron. Vai trò của nó cũng giống như súng phóng êlectron trong các ống tia âm cực.

Betatron hoạt động theo nguyên tắc biến thế. Cuộn dây trong nam châm điện đóng vai trò của cuộn sơ cấp, còn cuộn thứ cấp là con đường kín của các êlectron chuyển động trong buồng betatron.

Khi từ thông đi qua mặt, trong đó có buồng hình xuyến, thay đổi theo thời gian, thì theo định luật cảm ứng từ trong buồng sinh ra một điện trường xoáy, chính điện trường này gia tốc chuyển động của êlectron. Sự gia tốc xảy ra trong một phần tư chu kì chừng nào độ cảm ứng từ còn tăng lên. Trong lúc chiều cường độ điện trường giữ không đổi, ta đưa vào một bộ phận phun một

hiệu điện thế xung ngắn (1s) thì lượng êlectron được phun vào buồng. Ở

đây chúng được gia tốc bởi điện trường.

Sự phun êlectron vào trong buồng và sự phát bức xạ rơnghen xảy ra bằng những xung ngắn. Trong betatron vận tốc của êlectron tăng đến gần vận tốc ánh sáng (vận tốc tương đối tính). Khi đó khối lượng của êlectron tăng rất nhiều, khối lượng này tính được theo công thức biểu diễn sự phụ thuộc của khối lượng vào vận tốc.

Những tính chất cơ bản của bức xạ rơnghen: nó có khả năng xuyên sâu lớn và tùy thuộc vào bước sóng, gây ra hiện tượng huỳnh quang được dùng trong việc soi bằng tia rơnghen, tác dụng lên các tế bào sinh vật và vì vậy được dùng để chữa bệnh, tác dụng lên nhũ tương và được dùng để chụp ảnh bằng tia rơnghen.

3.6.3 Sự phát sinh ra bức xạ rơnghen

Cần chú ý đến sự phát sinh ra bức xạ rơnghen hãm. Trong ống rơnghen các êlectron phát xạ được tăng tốc bởi điện trường giữa anot và catot. Nếu

hiệu điện thế tại anot là Ua thì các êlectron đạt được đến anot có động năng

2

1

. 2mvm eUa

(3.1) Hình ảnh sóng (giải thích theo quan điểm sóng). Các êlectron nhanh đập vào anot, sau đó vào điện trường của các hạt nhân nguyên tử. Dưới tác dụng của điện trường đó, các êlectron được gia tốc, do đó phát ra bức xạ điện từ.

Hình ảnh lượng tử: khi các êlectron được tăng tốc bị hãm tại anot theo định luật bảo toàn năng lượng, động năng dự trữ của chúng sẽ biến thành các lượng tử năng lượng của bức xạ rơnghen:

2 1 , 2 m a c mv eU hv h     (3.2) trong đó vlà tần số và  là bước sóng của bức xạ rơnghen (bức xạ hãm). Một phần năng lượng của các êlectron rơi vào anot có thể biến thành nội năng E. Vì vậy để tạo thành bức xạ rơnghen chỉ cần tiêu tốn một năng lượng bằng

a

eU E. Trong trường hợp này tần số của bức xạ rơnghen sẽ được xác định

bằng đẳng thức:

eUa  E hv1 với v1v. (3.3) Mặt khác, bức xạ rơnghen có bước sóng dài hơn được tạo nên khi êlectron nhanh tương tác lần lượt với hai hay một số nguyên tử. Các tần số bé hơn tương ứng với các lượng tử năng lượng được phát ra này.

3.7 Bức xạ gamma.

Các nguồn phát ra bức xạ gamma là các hạt nhân nguyên tử phóng xạ, các phản ứng hạt nhân, các quá trình biến đổi chất thành bức xạ. Sau đây là một số ví dụ cụ thể của sự tạo thành bức xạ  : 3.7.1 Sự bắn phá liti bằng prôton.   7 1 8 3 1 4 17,6 Li P Be  MeV

Năng lượng của các nguyên tử  :  17,6MeV. Bước sóng tương ứng

của nó là 5

7.10 nm

   .

3.7.2 Sự phân rã phóng xạ của hạt nhân nguyên tử.

Trong ta đã biết sự tách rời các tia , ,  trong điện trường hay trong từ trường và trong dãy phân rã phóng xạ một số nguyên tử phóng ra hạt

, số khác là hạt . Những sự biến đổi này thường kèm theo bức xạ  :

  228 224 4 2 0,084 Th Ra He  MeV   228 228 0,03 Ra Ac     MeV

Có thể tính bước sóng của các lượng tử  phát ra trong phân rã  của

228 Th . hc    , 34 8 2 6 19 6,6.10 . .3.10 / 1,5.10 0,084.10 .1,6.10 / J s m s nm eV J eV      

3.7.3 Sự hãm các êlectron đƣợc tăng tốc (chẳng hạn trong bêtatron)

Người ta thừa nhận rằng bức xạ hãm với năng lượng của các lượng tử

bé hơn 100KeV là bức xạ Rơnghen, còn với năng lượng lớn hơn 100KeV

là bức xạ gamma. Không có giới hạn rõ rệt giữa bức xạ rơnghen cứng và bức xạ gamma mềm.

3.7.4 Sự biến đổi cặp êlectron – pôzitrôn thành bức xạ

Sự biến đổi theo sơ đồ:

2 ,

e e  

Khối lượng tĩnh m0 của êlectron và pôzitrôn là như nhau và bằng

31

9,1.10 kg. Khối lượng tổng cộng của chúng là:

Dựa vào định luật liên hệ tương hỗ giữa khối lượng và năng lượng có

thể tính được năng lượng của các lượng tử  được tạo thành.

2 0 2 . E  m c (3.5) 31 8 2 13 2.9,1.10 . (3.10 / ) 1,638.10 E   kg m s   J 13 6 19 1,638.10 1,02.10 1,02 1,6.10 / J eV MeV J eV      .

Năng lượng tương ứng với một lượng tử  là 0,51MeV. Có thể tìm bước sóng ứng với lượng tử này:

, c hc v     (3.6) 34 8 12 6 19 6,6.10 . .3.10 / 2, 4.10 0,51.10 .1,6.10 / J s m s m eV J eV       3 2,4.10 nm  .

Ta có thể giải thích các tính chất của bức xạ  : điện trường và từ

trường không tác dụng lên bức xạ  . Bức xạ  truyền thẳng với vận tốc ánh

sáng và cũng như ánh sáng có bản chất điện từ, có tính chất sóng và hạt; nó nổi bật ở chỗ có khả năng xuyên sâu lớn.

Thí dụ:

1. Cường độ của bức xạ  có năng lượng 2 MeV bị giảm đi 2 lần trong

lớp chì dày 1,3 cm, trong lớp nước dày 14,7 cm hay trong lớp bê tông dày 77 cm.

2. Một lớp nhôm dày 50 cm làm yếu ức xạ  một số lần bằng số lần mà

một lớp nhôm dày 1cm làm yếu bức xạ rơnghen.

Một số lĩnh vực ứng dụng của bức xạ  : máy dò chỗ hỏng và kiểm tra

các quá trình sản xuất, chữa bệnh và chuẩn đoán bệnh ( trong y học ), thăm dò quặng (trong địa chất)...

3.8 Kết luận chƣơng 3

Trong chương này ta thấy được các ứng dụng của các bức xạ điện từ: sự thắp sáng bằng huỳnh quang, ứng dụng của quang học trong kĩ thuật đo lường, một số ứng dụng trong y, …

KẾT LUẬN

Qua quá trình tìm hiểu, luận văn đã bước nào nghiên cứu khái niệm, tính chất cơ bản của ánh sáng và giải thích được cơ cấu của các quá trình gây ra bởi sự tương tác của ánh sáng với vật chất. Qua đây “bức tranh” tổng quát về vật lý phần nào được hiện rõ.

Tuy nhiên do điều kiện nghiên cứu còn nhiều hạn chế, tài liệu tham khảo còn thiếu và thời gian nghiên cứu có hạn nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót. Vậy tôi rất mong được sự góp ý của quý thầy cô và các bạn để luận văn của tôi được hoàn thiện hơn.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. L. U. Rêzincôp, Quang lý trong trường phổ thông, NXB Giáo dục, 1975.