Sự phân rã phóng xạ của hạt nhân nguyên tử

6. Cấu trúc khóa luận

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 tượng giao thoa xảy ra đối với các sóng có bản chất vật lý bất kì, tuân theo điều kiện nhất định là các sóng phải kết hợp. Ý nghĩa của hiện tượng giao thoa đối với vật lý có thể được đánh giá theo hai quan điểm.

Thứ nhất, sự truyền thẳng, sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng trong các chất được mô tả theo nguyên lý Huyghen – Fresnel là sự giao thoa của sóng thứ cấp.

Thứ hai, sự giao thoa là biểu hiện của nguyên lý chồng chất.

Nguyên lý chồng chất đúng đối với các trường hợp được mô tả bởi các phương trình tuyến tính, đặc biệt đối với trường điện từ là các phương trình Maxwell. Nguyên lý chồng chất cho phép xem một dao động phức tạp như tổng hợp các dao động tử điều hòa, xem một xung phức tạp (chẳng hạn xung ánh sáng) như tổng hợp vô hạn các sóng đơn sắc.

1.3 Tính đơn sắc

Bức xạ đơn sắc là những dao động sin kéo dài vô hạn. Những bức xạ của các nguyên tử và phân tử lại xảy ra trong một khoảng thời gian giới nội.

Nguyên nhân gây ra sự không đơn sắc của bức xạ là do trong nguồn sáng chứa một số rất lớn vật phát xạ và chúng ở trong trạng thái chuyển động nhiệt.

1.4 Tính kết hợp

Nguồn sáng kết hợp là những nguồn sáng thực hiện những dao động có tần số như nhau và có hiệu số pha không đổi theo thời gian.

Nếu hai nguồn dao động chuyển đi các đoàn sóng có tần số như nhau tiếp theo nhau thì để thu được trường hợp giao thoa các nhóm sóng từ cả hai nguồn phải chồng lên nhau (hình 1.2) và nhóm sóng này tiếp theo nhóm sóng kia sau những khoảng thời gian bằng nhau.

Hình 1.2: Điều kiện để thu ảnh giao thoa

Khi nói tới sự hình thành các cực đại và cực tiểu về cường độ trong hình ảnh giao thoa, một số điểm của không gian phải thỏa mãn hệ thức:

2 1 2 1

2

x  x n 

(1.1)

2 1

2 2

x  x n

. (1.2)

Trong đó: x2 x1 là hiệu số quang trình của hai sóng và n là số nguyên nhưng không thể lấy bất cứ giá trị nào.

Hiệu quang trình lớn nhất được xác định từ các lý luận sau: Trong điều kiện về cực đại:

2 1

x  x n. (1.3)

Đại lượng n không thể vượt quá chiều dài L. Bởi vì,

n v  , (1.4)

trong đó  là thời gian kéo dài của sự phát xạ bởi nguyên tử thì

2 1 c x x v v c v        . (1.5)

Do đó, hiệu quang trình lớn nhất còn có thể xảy ra giao thoa phụ thuộc vào thời gian kéo dài của sự phát xạ bởi nguyên tử.

Như vậy các sóng kết hợp là các sóng có cùng tần số và có hiệu số pha không đổi theo thời gian.

1.5 Bức xạ cảm ứng. Máy phát lƣợng tử quang học

Bức xạ cảm ứng là bức xạ của vật được tạo nên do trường điện từ ngoài truyền qua nó. Bức xạ cảm ứng của mỗi nguyên tử (phân tử) có hàng loạt tính chất đặc biệt. Tần số và pha của nó cũng giống như tần số và pha của trường điện từ kích thích nguyên tử (hình 1.3). Vì vậy mọi vật phát xạ cơ bản phát ra bức xạ kết hợp.

Hình 1.3: Sự hấp thụ và phát xạ ánh sáng bởi nguyên tử a) Hấp thụ; b) Phát xạ tự phát; c) Phát xạ cưỡng bức.

Khi không có trường điện từ ngoài, đại bộ phận nguyên tử (hay phân tử) của vật có nội năng cực tiểu. Điều đó có nghĩa là chúng ở mức năng lượng thấp nhất 1 (cơ bản) ( hình 1.4).

Hình 1.4: Sự định xứ bình thường (a) và đảo (b) của các nguyên tử

Các nguyên tử thường tự phát chuyển ngược lại từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản, bằng cách phát ra phôton có tần số:

2 1 E E v h   . (1.6)

Người ta đã chế tạo được các máy phát và máy khuếch đại lượng tử.

Trên hình 1.5 diễn tả nguyên tắc khuếch đại ánh sáng. Sự đinh xứ đảo của các nguyên tử trong lade ba mức được trình bày trên hình 1.6.

Hình 1.6: Sơ đồ các mức năng lượng của laze ba mức

1.6 Các loại giao thoa. Thăng giáng lƣợng tử

Hiện tượng giao thoa có thể quan sát được ở những thí nghiệm khác nhau: nhờ gương hay lưỡng lăng kính Fresnel cũng như nhờ các bản thủy tinh mặt song song hay hình nêm.

Khi nghiên cứu hiện tượng giao thoa ánh sáng cần phải nghiên cứu cả về thăng giáng lượng tử.

Với vật lí tất cả các đại lượng thống kê là mật độ, áp suất, nhiệt độ, cường độ dòng điện, mật độ bức xạ, v.v.... đều chịu sự sai lệch ngẫu nhiên của một đại lượng vật lí khỏi giá trị trung bình của nó (sự thăng giáng).

Sự thăng giáng của các đại lượng thống kê là hiện tượng chung. Thăng giáng lượng tử là một trong những trường hợp riêng của sự thăng giáng.

Ta đã biết ba thí nghiệm của Vavilôp về thăng giáng lượng tử. Dưới đây sẽ mô tả những thí nghiệm này.

1.6.1 Quan sát bằng mắt những hiện tƣợng thăng giáng

Từ nguồn sáng 1 (hình1.7) ánh sáng được chiếu vào kính lọc sắc xanh lá cây 2 và ống chuẩn trực 3 đi vào mắt của người quan sát 4. Trước nguồn

sáng có đặt một đĩa 5, trên đó có khoét một lỗ tròn và quay được nhờ động cơ điện 6 với tần số quay là 1 vg/s.

Hình 1.7: Sơ đồ thiết bị để đo thăng giáng lượng tử

Ở bên cạnh ta đặt một nguồn sáng khác 7 được che bởi kính lọc sắc đỏ và mắt nhìn trên đó. Trong suốt thời gian làm thí nghiệm nhãn cầu của mặt không được dịch chuyển. Ánh sáng màu xanh lá cây đi qua lỗ của đĩa và rơi vào vùng biên trên võng mô của mắt.

Khi quay đĩa 5, người quan sát thấy đều đặn ánh sáng xanh lá cây dưới dạng những chớp sáng. Tuy nhiên khi ánh sáng từ nguồn 1 bị làm yếu đi thì những chớp sáng này không đều. Từ đó ta suy ra rằng, khi cường độ ánh sáng yếu (khi dòng ánh sáng yếu) ta nhận thấy có sự thăng giáng lượng tử.

Sự thăng giáng mật độ photon trong chùm ánh sáng luôn luôn xảy ra, nhưng do mắt ta chỉ phát hiện được nó khi dòng ánh sáng có cường độ yếu. Như thế ánh sáng có cấu trúc hạt vi mô.

1.6.2 Sự thăng giáng của những chùm tia kết hợp

Trong thiết bị trên giữa ống chuẩn trực 3 và đĩa quay 5 ta đặt một lưỡng lăng kính Fresnel để tạo ra chùm tia sáng kết hợp. Với mỗi vòng quay của đĩa người quan sát thấy đều đặn những chớp sáng của hai vết màu xanh lá cây. Nhưng tại ngưỡng nhìn thấy, hai vết sáng màu xanh lá cây này không phải

1.6.3 Sự thăng giáng trong trƣờng giao thoa

Trong thí nghiệm đầu tiên đã mô tả ở trên, nhưng được tiến hành với hai khe Young. Người quan sát có thể nhìn thấy một vân sáng và một vân tối khác. Hình ảnh này vẫn giữ khi cường độ ánh sáng lớn. Nếu nguồn sáng được che một cách tuần hoàn bởi đĩa quay thì vết sáng cũng xuất hiện một cách đều đặn và tuần hoàn, còn vết tối bao giờ cũng là tối. Nếu làm cho cường độ ánh sáng yếu đi đến ngưỡng nhìn thấy, thì vết tối vẫn là tối, còn vết sáng xuất hiện không đều đặn, không đúng nhịp với sự ngắt quãng ánh sáng.

Điều đó có thể giải thích rằng ánh sáng là một dòng photon (lượng tử ánh sáng) mà số lượng tử photon trong một đơn vị thể tích dần dần bị thay

đổi. Tại ngưỡng nhìn thấy lượng photon n có thể bé hơn ngưỡng n0. Khi đó

vết sáng giao thoa sẽ không nhìn thấy và đối với người quan sát nó hình như là tối. Khi nn0 lại nhìn thấy vết sáng.

Như vậy hình ảnh giao thoa được bảo toàn vì vết tối bao giờ cũng tối, và được giải thích bằng tính chất sóng của ánh sáng; còn sự không đều đặn của vết sáng là do tính chất lượng tử của ánh sáng và được giải thích bằng sự thăng giáng.

1.7.1 Sự nhiễu xạ

Hiện tượng nhiễu xạ nói lên giới hạn ứng dụng định luật truyền thẳng của ánh sáng.

Người ta phân biệt hai loại hiện tượng nhiễu xạ: nhiễu xạ Fresnel và nhiễu xạ Fraunhofer.

Trong nhiễu xạ Fraunhofer ta quan sát được hiện tượng trong các tia sáng song song, hình ảnh nhiễu xạ được tạo nên ở vô cực. Muốn quan sát nó ở gần sau vật cản ta đặt một thấu kính. Thấu kính sẽ hội tụ tất cả những tia sáng có phương làm với phương của quang trục chính những góc khác nhau, nên