I. Thí nghiệm kiểm chứng sự tồn tại của tia hồng ngoại và tia tử ngoại
Dùng máy quang phổ lăng kính để thu ảnh quang phổ của một nguồn sáng có nhiệt độ rất cao (như hồ quang điện hay ánh sáng Mặt Trởi chẳng hạn) ta thấy trên màn ảnh của máy quang phổ có một dải màu liên tục từ đỏ đến tím. Ở ngoài vùng đỏ và ngoài vùng tím là vùng tối đen.
Dùng một cặp nhiệt điện rất nhạy có một mối hàn (gọi là đầu dò D) đặt vào một lỗ nhỏ (có thể di chuyển theo phương thẳng đứng) trên màn F của buồng tối, mối hàn kia của cặp nhiệt điện được nhúng vào nước đá (hoặc đặt ở nơi có nhiệt độ thấp xác định nào đó).
Di chuyển đầu dò D suốt vùng từ đỏ đến tím ta thấy kim điện kế G luôn bị lệch.(dù có thay đổi ít nhiều). Điều này chứng tỏ "Ánh sáng có tác dụng nhiệt".
Nếu đưa đầu dò D của một cặp nhiệt điện vào vùng tối đen ở phía trên vùng đỏ ta cũng thấy kim điện kế G bị lệch (thậm chí nhiều hơn khi còn ở vùng đỏ), chứng tỏ trong vùng này cũng có một loại "ánh sáng" nào đó mà mắt ta không nhìn thấy được. Ta gọi các bức xạ trong vùng này là các bức xạ hồng ngoại (IR: Infra Red)
Nếu dùng một lớp bột huỳnh quang phủ kín vùng tối ở phía dưới vùng tím thi ta thấy vùng này phát sáng. Điều này chứng tỏ ở ngoài vùng tím có một loại bức xạ không nhìn thấy được nhưng có khả năng làm phát quang. Ta gọi các bức xạ trong vùng này là các bức xạ tử ngoại (UV: Ultra Violet)
II. Tia hồng ngoại
1. Định nghĩa: Tia hồng ngoại là các bức xạ điện từ mà mắt ta không nhìn thấy được (còn gọi là các bức xạ ngoài vùng khả kiến) có bước sóng từ 0,76 đến vài milimét (lớn hơn bước sóng của ánh sáng đỏ và nhỏ hơn bước sóng của sóng vô tuyến cực ngắn).
2. Nguồn phát:
Mặt Trời là một nguồn phát tia hồng ngoại mạnh.
Nói chung, các vật có nhiệt độ lớn hơn 0 độ K đều có phát ra tia hông ngoại.
Đèn dây tóc, bếp gas, lò sưởi là những nguồn phát ra tia hồng ngoại khá mạnh.
Cơ thể con người có nhiệt độ bình thường là 37oC nên là một nguồn phát ra tia hồng ngoại với bước sóng khoảng 9 .
Mắt người không nhìn thấy được tia hồng ngoại, vì thế để có thể xem các vật phát ra tia hồng ngoại như thế nào người ta phải dùng đến kính ảnh (hay phim ảnh) hồng ngoại hoặc các cảm biến hồng ngoại.
Tùy theo chế độ "phiên dịch" mà các bức ảnh hồng ngoại sẽ là ảnh đen trắng hoặc ảnh màu.
Với ảnh hồng ngoại có chế độ "phiên dịch" đen trắng ta sẽ có ảnh như sau:
3. Đặc điểm
Có tác dụng nhiệt mạnh.
Có tác dụng lên phim ảnh.
Có thể gây ra các phản ứng hóa học (Ví dụ như tạo ra phản ứng hóa học trên phim hồng ngoại)
Có thể biến điệu như sóng điện từ cao tần.
4. Ứng dụng
Dùng để sấy, sưởi.
Dùng để chụp ảnh hay quay phim ban đêm.
Dùng để truyền tín hiệu điều khiển trong các bộ điều khiển từ xa (remote).
III. Tia tử ngoại
1. Định nghĩa: Tia tử ngoại là các bức xạ điện từ mà mắt ta không nhìn thấy được (còn gọi là các bức xạ ngoài vùng khả kiến) có bước sóng từ vài nanômét đến 0,38
(lớn hơn bước sóng của tia X - xem bài Tia X - và nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng tím).
2. Nguồn phát:
Mặt Trời là một nguồn phát ra tia tử ngoại mạnh.
Hồ quang điện, đèn hơi thủy ngân là các nguồn phát ra tia tử ngoại khá mạnh.
Nói chung những vật có nhiệt độ trên 2000 oC đều có phát ra tia tử ngoại (ngoài việc có phát ra tia hồng ngoại và ánh sáng thấy được).
Chú ý:
Khi một vật phát ra được tia tử ngoại thì nó đồng thời cũng phát ra tia hồng ngoại và ánh sáng thấy được.
3. Đặc điểm
Bị nước và thủy tinh hấp thụ rất mạnh nhưng lại hầu như trong suốt đối với thạch anh.
Có tác dụng lên phim ảnh.
Có thể gây ra các phản ứng hóa học.
Kích thích phát quang một số chất.
Làm ion hóa không khí.
Có tác dụng sinh học, hủy diệt tế bào.
Nhờ tác dụng phát quang người ta dùng tia tử ngoại làm máy soi tiền.
Trong biểu diễn nghệ thuật người ta sơn lên vật thể các lớp bột phát quang khác nhau, chúng sẽ phát sáng các màu khác nhau khi được chiếu bằng tia tử ngoại.
. 4. Ứng dụng
Dùng để dò tìm vết sướt trên bề mặt sản phẩm.
Dùng để điều trị chứng bệnh còi xương ở trẻ em.
Dùng để tiệt trùng cho thực phẩm.
Dùng làm nguồn sáng cho các máy soi tiền giả.
TIA X
I. Phát hiện ra tia X:
Năm 1895, khi cho một ống tia catốt hoạt động, Rơn-ghen nhận thấy từ vỏ thủy tinh đối diện với catốt có một bức xạ không thấy được phóng ra. Bức xạ này tác dụng lên các tấm kính ảnh vốn được gói kín và được đặt trong hộp kín.
Rơn-ghen gọi loại bức xạ này là tia X. Ngày nay, đôi khi người ta gọi đây là tia Rơn- ghen để tỏ lòng kính trọng ông.
Kết luận rút ra từ các thí nghiệm tiếp theo của Rơn-ghen là:
Mỗi khi một chùm tia catốt - tức là một chùm electron có năng lượng lớn - đập vào một vật rắn thì vật đó phát ra tia X.
II. Cách tạo ra tia X:
Ngày trước, người ta tạo ra tia X bằng ống Rơn-ghen, sau này người ta dùng ống Coolidge (Cu-lit-giơ).
1. Ống Rơn-ghen:
a) Cấu tạo:
Ống Rơn-ghen là một bình cầu (chứa khí áp suất thấp - gọi là khí kém) bên trong có 3 điện cực:
Catốt có dạng chõm cầu có tác dụng làm các electron bật ra tập trung tại tâm của bình cầu.
Anốt là điện cực dương ở phía đối diện với catốt ở thành bình bên kia.
Đối catốt là một điện cực (thường được nối với anốt). Ở bề mặt của đối catốt là một kim loại có nguyên tử lượng lớn và khó nóng chảy.
b) Hoạt động:
Đặt vào giữa anốt và catốt một hiệu điện thế không đổi (khoảng vài chục kV) thì electron bứt ra từ catốt được tăng tốc rất mạnh. Khi đập vào đối âm cực, các electron bị đột ngột hãm lại và làm phát ra tia X. Người ta gọi tia X là bức xạ hãm.
HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN - THUYẾT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG I.Hiện tượng quang điện
I. Thí nghiệm Hertz về hiện tượng quang điện
Đặt một tấm kẽm đã được tích điện âm lên trên một điện nghiệm (tấm kẽm nối với điện cực của điện nghiệm) thì thấy hai lá kim loại của điện nghiệm xòe ra.
Chiếu một chùm ánh sáng hồ quang vào tấm kẽm thì thấy hai lá kim loại của điện nghiệm cụp lại chứng tỏ tấm kẽm bị mất điện tích âm nghĩa là êlectrôn đã bị bật ra khỏi tấm kẽm.
Hiện tượng trên không xảy ra nếu
ban đầu ta tích điện dương cho tấm kẽm hoặc
chắn chùm ánh sáng hồ quang bằng một tấm thủy tinh.
Lý do mà hiện tượng không xảy ra là:
Nếu ban đầu tích điện dương (đủ lớn) cho tấm kẽm thì tấm kẽm này đang thiếu electrôn. Khi chiếu chùm ánh sáng hồ quang vào tấm kẽm thì cũng có electrôn bị bật ra nhưng sẽ ngay lập tức bị tấm kẽm hút trở lại (Theo định luật Coulomb:
"Hai điện tích trái dấu hút nhau"). Do đó điện tích của tấm kẽm không đổi. Hai lá kim loại của điện nghiệm vẫn tiếp tục xòe ra.
Tia tử ngoại trong chùm hồ quang bị thủy tinh hấp thụ mạnh nên chùm ánh sáng đến được tấm kẽm chỉ là các bức xạ đơn sắc có bước sóng dài (các tia tử ngoại có bước sóng dài, ánh sáng thấy được, tia hồng ngoại). Điều này giúp khẳng định rằng hiện tượng electrôn bị bật ra khỏi tấm kẽm chỉ xảy ra với các bức xạ tử ngoại có bước sóng ngắn mà thôi.
Từ thí nghiệm trên ta có thể rút ra kết luận sau:
Hiện tượng ánh sáng làm bật các electrôn ra khỏi bề mặt kim loại gọi là hiện tượng quang điện (ngoài).
Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra với một số bức xạ đơn sắc nào đó.
II. Định luật về giới hạn quang điện (Định luật quang điện thứ nhất)
Đối với mỗi kim loại, ánh sáng kích thích phải có bước sóng nhỏ hơn hoặc bằng giới hạn quang điện của kim loại đó thì mới gây ra được hiện tượng quang điện.
Nói ngắn gọn: " Hiện tượng quang điện xảy ra .
Giới hạn quang điện của các kim loại thông thường (như: bạc, đồng, kẽm, nhôm) ở trong miền tử ngoại.
Giới hạn quang điện của các kim loại kiềm, kềm thổ (như: canxi, natri, xêsi, kali) ở trong miền ánh sáng thấy được.
III. Thuyết lượng tử ánh sáng 1. Giả thuyết Plăng
Lượng năng lượng mà mỗi lần nguyên tử hoặc phân tử hấp thụ hoặc bức xạ có một giá trị hoàn toàn xác định và bằnghf, trong đó h = 6,625.10 - 34 J.s là hằng số Plăng, f là tần số của ánh sáng ứng với bức xạ đang xét (Hz).
2. Thuyết lượng tử ánh sáng
a) Ánh sáng được tạo thành bởi các hạt gọi là phôtôn.
b) Trong chùm ánh sáng đơn sắc có tần số f thì mỗi phôtôn có một năng lượng không đổi là trong đó c là vận tốc ánh sáng trong chân không, là bước sóng trong chân không của ánh sáng đang xét.
c) Trong chân không, phôtôn bay với tốc độ c = 3.108 m/s dọc theo tia sáng.
d) Mỗi lần nguyên tử hay phân tử phát xạ hoặc hấp thụ thì chúng phát xạ và hấp thụ một phôtôn.
e) Phôtôn chỉ tồn tại trong trạng thái chuyển động, không có phôtôn đứng yên.
3. Giải thích định luật về giới hạn quang điện bằng thuyết lượng tử ánh sáng Theo Anhxtanh, mỗi lần nguyên tử hay phân tử ở bề mặt kim loại hấp thụ một phôtôn thì nó dùng năng lượng này vào hai việc:
Cung cấp một một năng lượng A để bứt electrôn ra khỏi liên kết với hạt nhân nguyên tử. Năng lượng này được gọi là công thoát.
Phần năng lượng còn lại biến thành động năng của electrôn khi bứt khỏi kim loại.
Như vậy, theo định luật bảo toàn năng lượng thì Vì nên
Đặt là giới hạn quang điện của kim loại đang xét.
Ta suy được điều kiện để xảy ra hiện tượng quang điện là Như vậy công thức tính công thoát của kim loại là
IV. Lưỡng tính sóng - hạt của ánh sáng
Từ thí nghiệm về nhiễu xạ ánh sáng và giao thoa ánh sáng ta thấy ánh sáng có tính chất sóng.
Từ thí nghiệm về hiện tượng quang điện ta thấy ánh sáng có tính chất hạt (tính chất lượng tử)
Do vậy ta nói: "Ánh sáng có lưỡng tính sóng - hạt"
Chú ý: Dù ánh sáng thể hiện ra là sóng hay là hạt thì ánh sáng vẫn có bản chất điện từ.
V. Phần thêm cho chương trình nâng cao:
1. Tế bào quang điện:
a) Cấu tạo:
Tế bào quang điện là một bình cầu bằng thạch anh, trong bình là chân không.
Tế bào quang điện gồm có hai điện cực:
Anốt A là một vòng dây kim loại đặt ở tâm bình cầu.
Catốt K là một chõm cầu bằng kim loại.
b) Hoạt động:
Đặt một hiệu điện thế UAK vào hai điện cực của tế bào quang điện.
UAK có thể thay đổi giá trị (âm, dương hoặc bằng 0) tùy theo vị trí của con chạy C.
Chiếu ánh sáng đơn sắc vào catốt của tế bào quang điện và điều chỉnh giá trị của UAK người ta thu được đường biểu diễn sau đây (gọi là đường đặc trưng vôn - ampe của tế bào quang điện)
Đường đặc trưng vôn - ampe này (và một số thí nghiệm cụ thể khác) cho phép kết luận:
Đối với mỗi kim loại làm catốt thì cường độ dòng quang điện bão hòa tỉ lệ thuận với cường độ của chùm ánh sáng kích thích (Định luật quang điện thứ hai)
Động năng ban đầu cực đại của electrôn quang điện (bằng tích e|Uh| ) không phụ thuộc vào cường độ của chùm ánh sáng kích thích mà chỉ phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng kích thích và vào bản chất của kim loại dùng làm catốt (Định luật quang điện thứ ba)
2. Các công thức trong các bài toàn dùng tế bào quang điện
a) Công thức Anhxtanh về hiện tượng quang điện:
b) Công thức tính động năng ban đầu cực đại của quang
electrôn: trong đó Uhlà hiệu điện thế hãm (hiệu điện thế UAK vừa đủ để làm triệt tiêu dòng quang điện, Uh có giá trị âm).
Chú ý: Đôi khi người ta cũng định nghĩa hiệu điện thế hãm Uh là một số dương sao cho khi giảm hiệu điện thế UAK đến giá trị UAK = - Uh thì cường độ dòng quang điện vừa đủ triệt tiêu. Khi đó trong công thức tính động năng ban đầu cực đại ở trên ta không cần dùng dấu | | (dấu trị tuyệt đối).
c) Công thức tính công suất của nguồn sáng: trong đó np là số phôtôn do nguồn sáng phát ra trong mỗi giây, là bước sóng trong chân không của ánh sáng đơn sắc do nguồn sáng phát ra.
d) Công thức tính cường độ dòng quang điênj bão hòa: Ibh = ne.e trong đó ne là số electrôn quang điện đến được anốt của tế bào quang điện mỗi giây, e = 1,6.10 - 19 C là điện tích nguyên tố dương.
e) Công thức tính hiệu suất lượng tử của tế bào quang điện: .100%