THUYẾT LƯỢNG TỬ PLANCK
III.2 Thuyết lượng tử Planck (1900)
Ở chương I c h ú n g t a đ ã đề cập tới cấu trú c n g u y ên tử bao gồm h ạ t n h â n và lớp vỏ n g u y ên tử . Đối với hóa học th ì lớp vỏ giữ m ộ t vị tr í q u a n trọ n g vì m ọi b iế n đổi củ a lớp vỏ n g u y ên tử có liê n q u a n c h ặ t chẽ đ ến các tín h c h ấ t h ó a học của n g u y ên tử. Sự n g h iê n cứu về q u a n g p h ổ sẽ g iúp t a h iể u được cấu trú c của lớp vỏ này.
111.2.1 Đ ạ i cương về quang p h ổ
111.2.1.1 K h á i q u á t chung
Nếu cho m ột chùm á n h sáng m ặt trời qua 1 lăng kín h th ì ta sẽ th u được những tia có m ầu sắc khác n h au ứng với những bước sóng xác địn h (xem h ìn h 3.2)
Các bưóc sóng X qu an sá t được ứng vối 7 mầu: đỏ, da cam, vàng, lục, lam , chàm , tím nằm trong dải sóng từ 8000Â - 4000Â.
N ếu xem xét kỹ, người ta còn n h ậ n th ấy có những tia không nh ìn được nằm ngoài dải sóng kể trên. Vật lý quang phổ đã chỉ rõ vùng (dải) quang phô của các bức xạ điện từ như sau:
Tiay Tia X Tử ngoại Vùng trông thấy Vùng hồng ngoại Vi sóng Tivi Radio Hình 3.2 Sơ đổ quang phổ của ánh sáng mặt trời
uv vis IR
1 0 2Ẳ 1Ă -100Ă 4000Ẩ -8000Ẳ
Hinh 3.3a Dải bức xạ điện từ
III.2 .1 .2 Q u a n g p h ổ liên tụ c
V ùng q u a n g p h ổ n h ìn th ấ y chỉ là v ù n g hẹp tro n g q u an g p h ổ củ a các bức x ạ đ iệ n từ. N h ư vậy q u a n g phổ th u được bao gồm m ột giải liề n n h a u c ủ a m ọi bước sóng th u ộ c các vùn g trô n g th ấ y , hồn g ngoại, tử ngoại. Đó ch ín h là q u a n g p h ổ liên tục. Có th ể nói các c h ấ t r ắ n v à lỏng k h i được đốt nóng đ ến trạ n g th á i nóng đỏ đều p h á t r a q u a n g p hổ liê n tục.
III.2.1.3 Q u a n g p h ổ vạch
a
b
Hình 3.3b Quang phổ vạch của Na (a) và K(b).
T hự c n g h iệ m chỉ r a rằ n g n g u y ên tử N a k h i đốt nóng cho ta v ạ ch D (vạch vàng) ứ n g với X = 5893Â (a). Hơi kim loại K tạo r a
3 vạch: 2 v ạch đỏ và 1 v ạch tím (b).
N h ư v ậy n h ữ n g n g u y ê n tử tự do ở tr ạ n g th á i k h í hay hơi đốt nóng hoặc p h ó n g đ iện q ụ a sẽ p h á t ra q u an g phổ gồm m ột sô' vạch, mỗi v ạ ch có m ộ t bước sóng xác định. Đó là q u an g ph ổ vạch. N g uyên tử c ủ a m ỗi n g u y ên tô" cho m ột q u an g p hổ vạch đặc trư n g . Q u a n g p h ổ liên tụ c và q u a n g p hổ vạch được p h á t ra từ các c h ấ t gọi là q u a n g p h ổ p h á t xạ.
III.2.1.4 Q u a n g p h ổ h ấ p th ụ
N goài q u a n g p h ổ p h á t x ạ v ừ a n êu trê n , còn tồ n tạ i loại q u a n g p h ổ h ấ p th ụ . Các vạch p h ổ n ày x u ấ t h iệ n tr ê n n ền của p h ổ liên tụ c tạ i đ ú n g vị t r í m à trư ốc đó các vạch bức xạ do hơi của c h ấ t n g h iê n cứu p h á t xạ. H iện tượng n ày được giải th íc h th e o đ ịn h lu ậ t Kirchoff. Ví dụ, k h i bị k ích th íc h hơi của ngu y ên tử hid ro sẽ p h á t ra các vạch H a, Hp, HY, H ơ... (xem h ìn h 3.4a)
34
N ếu á n h sán g trắ n g từ m ột nguồn cho quang phổ liên tục tru y ề n q ua hơi hidrô chúng sẽ h ấp th ụ những bức xạ tạ i các bước sóng trê n tương ứng với các vạch tối. Đó chính là quang phổ h ấp th ụ của hidrô (xem h ìn h 3.4b)
6563,1 4861,3 4340,5 4101,7 Ẳ
a) H„ Hị, H, H„
b)
Hình 3.4. Phổ phát xạ (a) và phổ hấp thụ (b) của hidro thuộc dãy Balmer
III.2.2. Thuyết lượng tử Planck
Vào n h ữ n g năm đầu th ế kỉ 20 với h àn g loạt các p h á t m inh q u an trọ n g lần lượt được xác lập. Trong những p h á t m inh này nếu dùng các đ ịnh lu ậ t cổ điển (Cơ học Newton) th ì không giải th íc h nổi. N ăm 1900 Planck n h à bác học người Đức đã đưa ra một th u y ế t mới: Khi một dao động tử dao động với tầ n số v thì n ă n g lượng giải phóng ra hay h ấp th ụ vào không p h ải là những đại lượng liên tục m à theo từ n g đơn vị gián đoạn, từ n g lượng nhỏ nguyên vẹn và được gọi là lượng tử năn g lượng hay phôton.
Lượng tử n ăn g lượng tỉ lệ với tầ n sô' dao động V và được xác đ ịnh theo hệ thức:
E = hv = h —
Ằ
h - h ằ n g số P la n c k 6 ,6 2 ,10~34 J .s
N h ư th ế , ngoài tín h c h ấ t sóng là h iể n n h iê n , á n h sán g còn th ể h iệ n b ả n c h ấ t h ạ t. Vì vậy người ta còn nói á n h sá n g h ay bức x ạ nói c h u n g th ể h iệ n tín h sóng h ạ t.
D ựa vào th u y ế t lượng tử của P lanck, N. B ohr đã đề ra các tiê n đề v à xây d ự ng m ẫ u n g u y ên tử. T ừ m ẫu ngu y ên tử này B o h r đ ã tín h được b á n k ín h quĩ đạo, n ă n g lượng cũ n g n h ư giải th íc h th à n h công q u a n g ph ổ vạch của ngu y ên tử hiđrô. Các kết q u ả r ú t ra từ m ẫ u n g u y ên tử B ohr sau n ày đã được lí th u y ế t cơ học lượng tử k h ẳ n g đ ịn h tín h đ ú n g đắn của nó.
III.2.3. Hiệu ứng quang điện
K hi c h iếu m ột ch ù m sá n g đơn sắc (bức xạ tới) vào bề m ặ t k im loại th ì từ đó có các q u a n g electron th o á t ra . D ựa vào sô liệu th ự c n g h iệm th u được, người ta n h ậ n thấy:
- N ă n g lượng của các q u a n g electron th o á t r a không p h ụ th u ộ c vào cường độ bức xạ tới, m à chỉ p h ụ thuộc vào tầ n sô V c ủ a bức xạ tới.
hv
Hình 3.5 Hiệu ứng quang điện
- Các q u ang electron chỉ được p h á t ra khi nào tầ n sô' V của bức xạ tói đ ạ t hoặc quá giới h ạ n qui định cho từ ng kim loại (công thoát). Giới h ạ n này được gọi là ngưỡng quang điện.
Các thuộc tín h được rú t ra từ hiệu ứng quang điện chỉ có th ể giải thích được khi th ừ a n h ận bức xạ là một dòng photon (hạt).
Q uả vậy, khi photon đập vào bề m ặ t kim loại th ì năng lượng của nó được tách ra làm h ai phần. Một p h ần dùng để tách qu an g electron ra khỏi bề m ặ t kim loại. P h ần còn lại chuyển th à n h động năn g cho quang electron chuyển động.
Dựa vào phương trìn h Planck (3.1) ta có th ể viết:
hv = E° + l/2 m v 2 hay l / 2 m v 2 - h ( v - v 0) (3.2) Rõ rà n g từ phương trìn h n ày các thuộc tín h nêu trê n đã được giải thích.