Bức xạ tử ngoại

6. Cấu trúc khóa luận

3.4Bức 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.

[2]. Đuaraxêvích, Nghiên cứu cứu bản chất ánh sáng trong sách giáo khoa

vật lý phổ thông, NXB Giáo dục, 1961.

[3]. Huỳnh Huệ, Quang học, NXB Giáo dục, 1992.

[4]. Đặng Thị Mai, Quang học, NXB Giáo dục, 1999.

[5]. Vatlyvietnam.org.

Tóm tắt KL

MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài

Quang lý là một trong những nội dung quan trọng trong vật lí. Nó chứa đựng mọi kiến thức về bản chất của ánh sáng, tác dụng của ánh sáng và ứng dụng của quang lý trong đời sống và trong kĩ thuật.

Vật lý hiện đại trưởng thành lên nhờ sự nghiên cứu về cấu tạo của các nguyên tử của các chất và sự nghiên cứu về ánh sáng. Ánh sáng được tìm hiểu về mọi mặt như: sự giao thoa, sự truyền ánh sáng, bản chất điện từ hay những dạng khác nhau của bức xạ điện từ. Sự phát xạ của ánh sáng được ứng dụng rộng rãi như: trong các dụng cụ quang điện, sự thắp sáng bằng huỳnh quang, ứng dụng của quang học trong kĩ thuật đo lường, ….. Mặt khác, trên thực tế ta còn gặp rất nhiều ứng dụng khác về sự phát xạ nhờ ánh sáng. Vì vậy việc “nghiên cứu về sự phát xạ và bản chất ánh sáng” là vấn đề cần thiết.

Xuất phát từ quan điểm trên và sự yêu thích môn quang học của bản

thân, là những lí do khiến tôi chọn đề tài nghiện cứu là: “Nghiên cứu sự phát

xạ và bản chất ánh sáng” nhằm nâng cao sự hiểu biết của riêng tôi, đồng thời có thể làm tài liệu tham khảo cho các bạn sinh viên khác.

- Nghiên cứu một số vấn đề thuộc quang lý.

3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu là ánh sáng.

- Phạm vi nghiên cứu: sự phát xạ và bản chất của ánh sáng.

4. Nhiệm vụ nghiên cứu

- Tìm hiểu bản chất ánh sáng.

- Tìm hiểu sự bức xạ điện từ.

5. Phƣơng pháp nghiên cứu

- Đọc và tra cứu tài liệu để xây dựng cơ sở lý thuyết.

- Phương pháp vật lí lý thuyết.

6. Cấu trúc khóa luận

Khóa luận gồm có ba chương:

Chương 1. Một số khái niệm của quang lý. Chương 2. Bản chất ánh sáng.

Chương 3. Các dạng khác nhau của bức xạ điện từ.

NỘI DUNG

CHƢƠNG 1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CỦA QUANG LÝ

1.1 Khái niệm về vận tốc ánh sáng

Vận tốc ánh sáng là một trong những hằng số cơ bản trong vật lý. Vận tốc ánh sáng có thể đo được bằng phương pháp trực tiếp và gián tiếp.

Hình 1.1: Để giải thích khái niệm vận tốc sóng A và B là các sóng đơn sắc; C là nhóm sóng.

Trên hình 1 biểu diễn hai sóng đơn sắc (sóng hình sin) A và B có tần số dao động khác nhau và sóng tổng hợp C. Nếu các sóng thành phần chuyển

động trong chân không với vận tốc  nào đó, thì một điểm bất kỳ của sóng

tổng hợp (nhóm sóng) chuyển động cùng với vận tốc đó. Tuy nhiên trong môi trường tán sắc, các sóng đơn sắc truyền với vận tốc khác nhau 1 và 2, vì vậy sóng tổng hợp, chẳng hạn điểm có biên độ cực đại dịch chuyển với vận tốc khác vận tốc 1 và 2. Vị trí của biên độ cực đại trong sóng tổng hợp luôn luôn dịch chuyển phụ thuộc vào vị trí tương hỗ của các sóng đơn sắc. Vận tốc truyền pha của các sóng đơn sắc được gọi là vận tốc pha; còn vận tốc truyền một điểm của nhóm các sóng đơn sắc, gần nhau về tần số gọi là vận tốc nhóm. Năng lượng ánh sáng truyền đi với vận tốc nhóm.

1.2 Sự giao thoa. Nguyên lý chồng chất

Sự giao thoa xảy ra khi hai hay một số sóng kết hợp gặp nhau. Hiện