8. CẤU TRÚC LUẬN VĂN
2.3.2. Những đơn vị kiến thức cơ bản trong chương “Lượng tử ánh sáng”
2.3.2.1. Các khái niệm cơ bản, định nghĩa, định luật, thuyết của chương. [5]
- Định nghĩa: Hiện tượng quang điện (ngoài) là hiện tượng ánh sáng
làm bật các electron ra khỏi mặt kim loại.
- Định luật về giới hạn quang điện:Đối với mỗi kim loại, ánh sáng kích
thích phải có bước sóng λ ngắn hơn hay bằng giới hạn quang điện λ0 của kim
loại đó, mới gây ra được hiện tượng quang điện.
- Giả thuyết Plăng: Lượng năng lượng mà mỗi lần nguyên tử hay phân
tử hấp thụ hay phát xạ có giá trị hoàn toàn xác định và bằng hf; trong đó f là tần số của ánh sáng bị hấp thụ hay được phát xạ; còn h là một hằng số. Lượng tử năng lượng: ε= hf trong đó h = 6,625.10−34J.s
- Thuyết lượng tử ánh sáng:
+ Ánh sáng được tạo thành bởi các hạt gọi là photon.
+ Với mỗi ánh sáng đơn sắc có tần số f, các phôtôn đều giống nhau,
mỗi phôtôn mang năng lượng bằng hf.
+ Trong chân không, phôtôn bay với tốc độ c = 3.108 m/s dọc theo
các tia sáng.
+ Mỗi lần một nguyên tử hay phân tử phát xạ hoặc hấp thụ ánh sáng thì chúng phát ra hay hấp thụ một phôtôn.
+ Phôtôn chỉ tồn tại trong trạng thái chuyển động. Không có phôtôn đứng yên.
- Năng lượng: ε = hf
ε(J) hoặc ε (eV): năng lượng của phôtôn f (Hz, s-1): tần số của phôtôn
λ (m): bước sóng trong chân không
h = 6,625.10-34 J.s: hằng số Plăng
- Công thức Anh - xtanh về hiện tượng quang điện (ngoài): ε = hf = 2 mv A λ c h 2 max 0 + =
A: Công thoát êlectron khỏi mặt kim loại
v0 max: tốc độ ban đầu cực đại của quang êlectron
f, λ: tần số và bước sóng của phôtôn ánh sáng kích thích
Với: (bước sóng trong chân không)
c: Tốc độ ánh sáng (phôtôn) trong chân không
h = 6,625.10-34 J.s hằng số Plăng
- Tia X (Tia Rơn - ghen)
+ Chùm êlectron được gia tốc trong điện trường mạnh, có động năng rất lớn tới đập vào tấm kim loại (có nguyên tử lượng lớn) làm phát ra tia X.
+ Khi toàn bộ động năng của một êlectron chuyển thành năng lượng của một phôtôn tia X thì phôtôn tia X có năng lượng cực đại (tần số cực đại) và bước sóng cực tiểu
(Wđ)e = (εX)max = hfmax = min λ hc ⇒ λ (Whc)e d min =
+ Coi êlectron thoát khỏi catôt có tốc độ ban đầu v0 = 0, thì khi đập vào đối catôt có động năng (Wđ)e = e.UAK = eU
Với U là điện áp giữa anôt và catôt của ống phát tia X, nên λ eUhc
min =
- Lưỡng tính sóng - hạt của ánh sáng
Có nhiều hiện tượng quang học chứng tỏ rằng ánh sáng có tính chất sóng, lại cũng có nhiều hiện tượng quang học khác chứng tỏ ánh sáng có tính chất hạt. Điều đó cho thấy ánh sáng vừa có tính chất sóng, vừa có tính chất hạt: ánh sáng có lưỡng tính sóng - hạt.
Chú ý rằng dù tính chất nào của ánh sáng thể hiện ra thì ánh sáng vẫn có bản chất là sóng điện từ.
- Chất quang dẫn
Một số chất bán dẫn như Ge, Si, PbS, PbSe, PbTe, CdS, CdSe, CdTe … có tính chất đặc biệt sau đây: Chúng là chất dẫn điện kém khi không bị chiếu sáng và trở thành chất dẫn điện tốt khi bị chiếu ánh sáng thích hợp. Các chất này gọi là chất quang dẫn.
- Hiện tượng quang điện trong
+ Hiện tượng ánh sáng giải phóng các êlectron liên kết để cho chúng trở thành các êlectron dẫn đồng thời tạo ra các lỗ trống cùng tham gia vào quá trình dẫn điện, gọi là hiện tượng quang điện trong.
+ Điều kiện để có hiện tượng quang điện trong: λ≤ λ0
Với λ là bước sóng ánh sáng chiếu vào bán dẫn; λ0 là bước sóng giới hạn quang điện trong của bán dẫn.
+ Hiện tượng quang dẫn: là hiện tượng giảm mạnh điện trở suất (tăng độ dẫn điện) của bán dẫn khi có sánh sáng thích hợp chiếu vào bán dẫn.
- Quang điện trở
Quang điện trở là một điện trở làm bằng chất quang dẫn. Nó có cấu tạo gồm một sợi dây bằng chất quang dẫn gắn trên một đế cách điện.
Điện trở của quang điện trở có thể thay đổi từ vài mêgagôm khi không được chiếu sáng xuống đến vài chục ôm khi được chiếu ánh sáng thích hợp.
- Khái niệm về sự phát quang
Một số chất có khả năng hấp thụ ánh sáng có bước sóng này để phát ra ánh sáng có bước sóng khác. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng quang - phát quang. Chất có khả năng phát quang là chất phát quang.
- Huỳnh quang và lân quang
Sự phát quang của các chất lỏng và khí có đặc điểm là ánh sáng phát quang bị tắt rất nhanh sau khi tắt ánh sáng kích thích. Sự phát quang này gọi là hiện tượng huỳnh quang.
Sự phát quang của nhiều chất rắn lại có đặc điểm là ánh sáng phát quang có thể kéo dài một khoảng thời gian nào đó khi tắt ánh sáng kích thích. Sự phát quang này gọi là hiện tượng lân quang. Các chất rắn phát quang này gọi là các chất lân quang.
2.3.2.2. Mẫu nguyên tử Bo - Quang phổ nguyên tử hiđrô [15]
1- Mẫu nguyên tử Bo
a) Quỹ đạo dừng
Êlectron trong nguyên tử hiđrô chuyển động quanh hạt nhân trên các quỹ đạo có bán kính xác định gọi là quỹ đạo dừng.
rn = n2.r0
n = 1, 2, 3, ….
r0 = 5,3.10-11m: bán kính Bo, bán kính quỹ đạo dừng thứ nhất.
rn: bán kính quỹ đạo dừng thứ n.
b- Trạng thái dừng
- Nguyên tử chỉ tồn tại trong một số trạng thái có năng lượng xác định (En) gọi là các trạng thái dừng.
- Khi ở trạng thái dừng, nguyên tử không bức xạ năng lượng.
c- Bức xạ và hấp thụ năng lượng
+ Khi nguyên tử chuyển từ trạng thái dừng có năng lượng En sang
trạng thái dừng có năng lượng Em nhỏ hơn thì nguyên tử bức xạ ra một
phôtôn có năng lượng đúng bằng hiệu En - Em. h = 6,625.10-34 J.s hf = En - Em f: tần số phôtôn bức xạ En> Em (m, n nguyên dương) Hay h m E n E λ c f = = −
+ Ngược lại, nếu nguyên tử đang ở trạng thái dừng có năng lượng Em
mà hấp thụ được một phôtôn có năng lượng hf đúng bằng hiệu En - Em thì
nguyên tử chuyển lên trạng thái dừng có năng lượng En lớn hơn. ( hf=En-Em).
d- Năng lượng nguyên tử hiđrô ở trạng thái dừng
n= 1, 2, 3 …
E0 = 13,6eV năng lượng ion hoá
2- Quang phổ vạch phát xạ của nguyên tử hiđrô
+ Khi nguyên tử bức xạ ra các phôtôn làm xuất hiện các vạch quang phổ. + Trong quang phổ của nguyên tử hiđrô lại gồm các dãy: dãy Lai - man thuộc vùng tử ngoại, dãy Ban - me thuộc vùng thấy được (phần tử ngoại nhiều hơn), dãy Pa - sen thuộc vùng hồng ngoại.
+ Dãy Laiman: Khi êlectron chuyển từ quỹ đạo ngoài (xa hạt nhân)
về quỹ đạo K (gần hạt nhân nhất) ⇔ Nguyên tử chuyển từ trạng thái có
năng lượng cao về trạng thái cơ bản.
+ Dãy Banme: khi êlectron chuyển từ quỹ đạo ngoài về quỹ đạo L ⇔
Nguyên tử chuyển từ trạng thái năng lượng cao về trạng thái có năng lượng EL ⇔ E2.
+ Dãy Pasen: Khi
êlectron chuyển từ các quỹ đạo
xa về quỹ đạo M ⇔ nguyên tử
từ trạng thái dừng có năng lượng cao về trạng thái dừng có năng lượng EM ⇔ E3.
+ Sơ đồ biểu diễn sự hình thành các dãy.
2.3.2.3. Sơ lược về laze
- Laze.
Laiman Banme Pasen K L M N O P n=1 n=2 n=4 n=5 n=6 n=3 HH Hγ Hδ 2 0 n E n E =−
Laze là từ phiên âm của tiếng Anh LASER. Thuật ngữ LASER được ghép bằng những chữ cái đứng đầu cụm từ Light Amplifier by Stimulated Emission of Radiation. Chúng có nghĩa là: Máy khuếch đại ánh sáng bằng sự phát xạ cảm ứng.
Có thể nói: Laze là một nguồn sáng phát ra một chùm ánh sáng cường độ lớn dựa trên việc ứng dụng hiện tượng phát xạ cảm ứng.
Chùm bức xạ phát ra cũng được gọi là chùm tia laze. Tia laze có các đặc điểm: Có tính đơn sắc, tính định hướng, tính kết hợp rất cao và cường độ lớn.
- Một vài ứng dụng của laze
Laze được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực:
- Trong y học, lợi dụng khả năng có thể tập trung năng lượng của chùm tia laze vào một vùng rất nhỏ, người ta đã dùng tia laze như một dao mổ trong các phẫu thuật tinh vi như mắt, mạch máu … Ngoài ra, người ta cũng sử dụng tác dụng nhiệt của tia laze để chữa một số bệnh như các bệnh ngoài da …
- Trong thông tin liên lạc, do có tính định hướng và tần số rất cao nên tia laze có ưu thế đặc biệt trong liên lạc vô tuyến (vô tuyến định vị, liên lạc vệ tinh, điều khiển các con tàu vũ trụ …). Do có tính kết hợp và cường độ cao nên các tia laze được sử dụng rất tốt trong việc truyền tin bằng cáp quang.
- Trong công nghiệp, vì tia laze có cường độ lớn và tính định hướng cao nên nó được dùng trong các công việc như cắt, khoan, tôi... chính xác trên nhiều chất liệu như kim loại, compôzit, … Người ta có thể khoan được những lỗ có đường kính rất nhỏ và rất sâu mà không thể thực hiện được bằng các phương pháp cơ học.
- Trong trắc địa, laze được dùng trong các công việc như đo khoảng cách, tam giác đạc, ngắm đường thẳng, …
- Laze còn được dùng trong các đầu đọc đĩa CD trong các bút bi chỉ bảng, bản đồ, trong các thí nghiệm quang học ở trường phổ thông … Các laze này thuộc loại laze bán dẫn.