Hiện tượng các electron bị bức ra khỏi các vật dưới tác dụng của ánh sáng được gọi là hiện tượng quang điện.
3.4.1. Thí nghiệm.
Hình 3.4.
Nếu đổi chiều điện trường thì trong mạch cũng không có dòng điện mặc dù đang rọi ánh sáng. Như vậy dòng điện xuất hiện trong mạch khi rọi ánh vào bản K tích điện âm là do một số electron bức ra khỏi K và bị hút về cực dương A đóng kín mạch. Dòng điện đó gọi là dòng quang điện, còn các electron bức ra khỏi bản K được gọi là quang electron. Stoletov làm lại thí nghiệm này trong chân không theo sơ đồ như hình 3.5. Hai cực anod và catod được đặt trong bình chân không có cửa sổ thạch anh F, hiệu điện thế giữa hai cực thay đổi nhờ biến trở R (con chạy c).
3.4.2. Đường đặc trưng V-A (Volt-Ampere).
Dòng quang điện được xác định bởi số quang electron đến được anod trong một đơn vị thời gian. Giữ quang thông chiếu vào catod không đổi; thay đổi U nhờ R. Đo dòng quang điện tương ứng ta dựng đường cong biểu diễn i = f(u). Nếu thay đổi quang thông nhưng tần số ánh sáng vẫn giữ không đổi ta sẽ được các đường đặc trưng V - A tương ứng 1 < 2
Từ đường đặc trưng V-A ta thấy rằng khi hiệu điện thế U = 0 vẫn có dòng điện và nó chỉ bằng không khi U có giá trị âm Uh (Uh : hiệu điện thế hãm phụ thuộc vào bản chất kim loại và tần số hay bước sóng ánh sáng tới). Sự tồn tại của dòng quang điện ở đây chứng tỏ rằng các quang electron bức khỏi K có một động năng ban đầu khác không. Nhờ đó mà electron có thể thực hiện công chống điện trường hãm giữa hai điện cực đến được anod: nếu gọi vmax là vận tốc ban đầu cực đại của quang electron ta có:
2 max 2 max 2 1 eU mv (3.17) K A E G Hiện tượng quang điện do Hertz khám phá năm
1887 và được Alekxandr Grigorits Stoletov nghiên cứu chi tiết 1888. Sơ đồ thí nghiệm của Stoletov hình 3.4.
Cực dương được nối với một điện kế nhạy G vào lưới đồng A. Cực âm của pin thì nối với bản kẽm K đặt song song với A cách nhau khoảng vài mm. Khi chưa rọi ánh sáng vào K điện kế G chỉ số “không” trong mạch không có dòng điện. Khi rọi ánh sáng K trong mạch xuất hiện dòng điện, kim điện kế G bị lệch.
F K A i 2 ibh 1 V c A R Uh 0 Ubh u E Hình 3.5 Hình 3.6
Khi tăng U theo chiều dương, dòng quang điện tăng dần vì rằng số quang electron đế anod càng tăng. Khi U đạt Ubh , tất cả các electron bức ra khỏi catod, nên dù tiếp tục tăng U, dòng quang điện vẫn không đổi. Giá trị lớn nhất của dòng quang điện là ibh ứng với Ubh gọi là dòng quang điện bảo hòa.
ibh = ne (3.18) (n số quang electron bức ra khỏi catod trong một giây)
3.4.3. Các định luật.
a. Định luật về dòng bão hòa.
Khi tần số ánh sáng tới catod không đổi, cường độ dòng quang điện bão hòa tỷ lệ thuận với quang thông (cường độ sáng) mà catod nhận được.
ibh = k (3.19) k: hệ số tỉ lệ phụ thuộc vào chất làm catod.
Định luật này còn phát biểu cách khác: ibh = ne = k e k n const e k : n (3.20)
Số quang electron bức ra khỏi catod trong một đơn vị thời gian tỷ lệ với quang thông mà catod nhận được.
b. Định luật về động năng ban đầu cực đại.
Vận tốc ban đầu (động năng ban đầu / động năng cực đại) của quang electron tỷ lệ với tần số ánh sáng và không phụ thuộc vào quang thông ánh sáng tới.
c. Định luật về giới hạn đỏ (giới hạn quang điện).
Gọi 0 là bước sóng lớn nhất có thể gây ra hiệu ứng quang điện, còn gọi là bước sóng giới hạn, phụ thuộc vào bản chất kim lọai dùng làm catod.
d. Giải thích.
Các định luật quang điện có thể được giải thích bằng thuyết photon, dựa vào công thức Einstein. 2 max 2 1 mv A h (3.21) 3.4.3. Ứng dụng.
Hiện tượng quang điện ngoài được ứng dụng để chế tạo các tế bào quang điện, ống nhân quang điện.
3.4.3.1. Tế bào quang điện: Bóng bằng thủy tinh hay thạch anh đã hút chân không. Một phần mặt trong của nó phủ một lớp kim lọai nhạy sáng (cêsi, natri, bạc,..) để dùng làm âm cực K (catod). Chính giữa là vòng dây kim lọai dùng làm dương cực A (anod). A và K được mắc vào mạch nguồn điện một chiều. Thế hiệu đủ lớn để tạo được dòng quang điện bão hòa. Khi rọi ánh sáng thích hợp electron bứt ra khỏi catod chuyển động đến anod dưới tác dụng của điện trường giữa hai cực và xuất hiện dòng quang điện bão hòa trong mạch (có thể lên tới 150 A/lm).
Có thể tăng độ nhạy tế bào lên nhiều lần bằng cách cho khí trơ (argon - áp suất 0.01 – 0.1 mmHg) vào bóng, gọi là tế bào quang điện chứa khí (độ nhạy có thể 1000 A/lm) đó là do electron được tăng tốc trong điện trường có động năng đủ lớn ion hóa nguyên tử argon. Các electron được giải phóng khỏi argon khi ion hóa cùng với electron bứt ra khỏi catod dưới tác dụng của ánh sáng tạo nên dòng quang điện.
3.4.3.2. Ống nhân quang điện: Dòng quang điện có thể được khuếch đại bằng chính dụng cụ chân không đó là ống nhân quang điện, dựa vào sự phát xạ electron thứ cấp. Ống nhân quang điện trong đó có quang catod K, các emittơ K1, K2, K3, … Ánh sáng rọi vào K rứt electron ra khỏi nó. Chúng được tăng tốc trong điện trừơng đủ lớn rứt các electron thứ cấp từ K1, các electron thứ cấp này được tăng tốc đến đập vào K2 lại rứt electron thứ cấp từ K3, …Số electron thứ cấp tăng theo cấp số nhân. Độ nhạy có thể đạt tới 5.105 lm A/ K1 K3 A K K2 Hình 3.7 3.5. Hiệu ứng Compton. 3.5.1. Hiệu ứng Compton.
Tính chất lượng tử ánh sáng còn được biểu hiện rõ rệt ở hiện tượng mà Compton đã phát hiện vào năm 1923 khi quan sát sự tán xạ của tia X đơn sắc trên tinh thể graphit.
F1 F2 e’ C D ’ P Hình 3.8
Thí nghiệm chứng tỏ rằng, tia X tán xạ có bước sóng ’ lớn hơn bước sóng của tia X tới, hơn nửa độ dịch chuyển của bước sóng
2 sin 2 o 2 (3.22) Với 12 10 . 43 . 2
o m bước sóng Compton, đo bằng thực nghiệm.
3.5.2. Giải thích.
Hiện tượng Compton không thể giải thích theo thuyết sóng nhưng có thể được giải thích dễ dàng theo thuyết photon. Nghĩa là nếu coi tia X là dòng photon có năng lượng W = h và động lượng
c h
p trong trường hợp quang điện ta đã giả thiết rằng khi photon tương tác với electron nó truyền hoàn toàn năng lượng h cho electron và photon biến mất .
Hiệu ứng Compton xảy ra khi photon tương tác với electron tự do hay liên kết yếu trong nguyên tử. Khi tương tác è chỉ nhận được một phần năng lượng của photon và bị bắn đi, người ta gọi đó là electron giật lùi, như vậy năng lượng photon giảm đi cho nên bước sóng tăng lên. Phương chuyển động của photon cũng thay đổi do đó đồng thời xảy ra hiện tượng tán xạ của photon và bước sóng của nó thay đổi.
Giả thiết một photon tia X va chạm đàn hồi vào một electron tự do đứng yên tại M.
P M
Q Hình 3.9
Trước khi va chạm, năng lượng photon h và động lượng
c h
năng lượng electron moc2 và động lượng 0
Sơ đồ thí nghiệm được biểu diễn hình 3.8. Một chùm tia X đơn sắc có bước sóng phát ra từ ống C phát tia X, đi qua hai khe hẹp F1,F2 đục hai lá chì dày đặt nối tiếp nhau. Chùm tia hẹp đi khỏi hai khe được coi là song song rọi vào chất tán xạ K (graphit, parafin, … ) chứa những nguyên tử nhẹ. Một phần chùm tia X đi qua K, phần còn lại bị tán xạ bởi K. Phần tia bị tán xạ đi vào máy quang phổ gồm một tinh thể D và kính ảnh P. Máy quang phổ dùng để đo bước sóng tia X tán xạ .
Sau khi va chạm photon bị tán xạ theo phương MP, còn electron theo phương MQ với vận tốc v. Do đó electron có năng lượng mc2 , động lượng mv, còn năng lượng photon tán xạ h và động lượng
c h
. Theo định luật bảo toàn:
Năng lượng: 2 2 mc h c m h o (3.23) Động lượng: mv c h c h (3.24) Bình phương hai phương trình, lấy phương trình (3.23) trừ phương trình (3.24) và chú ý: 2 2 0 1 c v m m ta được: moc2 h 1 cos (3.25) 2 sin 2 2 2 c m h o (3.26) 2 sin 2 2 c m h o (3.27)
nghĩa là sau khi tán xạ bước sóng tia X tăng.
Như vậy bước sóng Compton 12
10 . 4 , 2 c m h o o m.
Bài tập chương 3. QUANG LƯỢNG TỬ
1. PHÂN TÍCH NHỮNG CÂU PHÁT BIỂU ĐÚNG /SAI
1. Hàm Kirchhoff là năng suất phát xạ của vật đen tuyệt đối.
2. Độ trưng năng lượng của vật đen tuyệt đối tỉ lệ với lũy thừa bậc 4 của nhiệt độ tuyệt đối của nó
3. Thất bại này của Rayliegh - Jeans chứng tỏ dựa vào quan điểm vật lý cổ điển để nghiên cứu bức xạ là không đúng.
4. Hiệu ứng Compton xảy ra khi photon tương tác với electron tự do hay liên kết yếu trong nguyên tử
2. CÂU HỎI ĐIỀN THÊM
1. Nếu năng lượng cung cấp dưới dạng nhiệt thì bức xạ điện từ phát ra gọi là ……
2. Các chất phát quang hấp thụ năng lượng tới nó và sau đó nó tự phát sáng. điện từ phát ra gọi là………
3. Nếu vật hấp thụ tất cả các bức xạ tới nó ở mọi nhiệt độ thì gọi là…………. 4. Thuyết Planck đã đặt nền tảng………
5. Hiện tượng các electron bị bức ra khỏi các vật dưới tác dụng của ………được gọi là hiện tượng quang điện.
7. Tính chất lượng tử ánh sáng còn được biểu hiện………
3. CÂU HỎI ÔN TẬP
1. Vật lý học cuối thế kỷ XIX có một vấn đề được gọi là “Sự khủng hoảng ở miền tử ngọai”. Chị / anh hãy cho biết nội dung và cách giải quyết vấn đề này như thế nào?.
2. Vật đen tuyết đối là gì?. Định luật Kirchhoff?
3. So sánh hiệu ứng quang điện và hiệu ứng Compton: - Tác giả
- Năm
- NộI dung
- Những điểm giống nhau - Những điểm khác nhau
4. TRẮC NGHIỆM 1. Bức xạ nhiệt là một qúa trình:
a) Cung cấp năng lượng cho vật bằng tác dụng hoá học.
b) Biến đổi năng lượng nhận mà hệ nhận được từ môi trường thành nội năng của hệ. c) Hệ vật nào đó biến đổi nội năng để phát ra các sóng điện từ.
d) Bao gồm cả câu a và câu c. e) Bao gồm cả câu b và câu c
2. Trong định lý Stefan- Boltzmann:
a) Công suất bứïc xạ nhiệt của một vật thì tỷ lệ với lũy thừa bậc bốn của nhiệt độ tuyệt đối của vật bức xạ.
b) Công suất bứïc xạ nhiệt của một vật thì tỷ lệ với diện tích bề mặt vật bức xạ. c) Công suất bứïc xạ nhiệt của một vật thì tỷ lệ với hệ số Stefan-Boltzmann . d) Công suất bứïc xạ nhiệt của một vật thì tỷ lệ với độ phát xạ của vật. e) Tất cả các ý trên
3. Vật đen tuyệt đối là: a) Vật có màu rất đen.
b) Một thanh kim loại mỏng được đun nóng lâu.
c) Vật có hệ số đặc trưng cho bức xạ hoặc hấp thụ bằng một d) Vật có nhiệt độ tuyệt đối là rất lớn .
e) Vật bức xạ mạnh như mặt trời. 4. Theo định luật Wien:
a) Một vật khi bức xạ nhiệt, phát ra nhiều bước sóng khác nhau. b) Mỗi bước sóng được bức xạ từ vật có công suất bức xạ khác nhau.
c) Bức xạ nào có công suất bức xạ cực đại sẽ liên quan trực tiếp đến nhiệt độ tuyết đối của vật bức xạ.
d) Vật đang bức xạ năng lượng nhưng cũng đồng thời nó cũng hấp thu năng lượng từ môi trường.
e) Bức xạ có công suất bức xạ cực đại có liên quan đến hằng số Planck. 5. Ðịnh nghĩa cường độ sáng:
a) Số phôtôn ánh sáng đi đến một đơn vị diện tích.
b) Số phôtôn ánh sáng đi qua một vật trong một đơn vị thời gian.
d) Số phôtôn ánh sáng đi đến một đơn vị thể tích trong một đơn vị thời gian.
6. Xung lượng và năng lượng của Phôtôn tuân theo công thức xung lượng và năng lượng tương đối bởi vì:
a) Phôtôn có khối lượng qúa nhỏ.
b) Phôtôn không tồn tại khi nó đứng yên. c) Phôtôn không có điện tích.
d) Phôtôn chuyển động gần vận tốc ánh sáng 7. Theo định luật quang điện của Einstein :
a) Phôtôn đập vào bề mặt kim loại sẽ làm bật ra các electron tự do.
b) Có một bước sóng giới hạn cho mỗi kim loại để có hiện tượng quang điện xảy ra c) Ðộng năng ban đầu của các electron thì phụ thuộc số lượng Phôtôn ánh sáng chiếu vào trong một giây.
d) Phải cần có thời gian đủ lớn để electron hấp thu năng lượng ánh sáng và phát ra dòng quang điện.
8. Theo định luật quang điện ta có thể kết luận: a) Ánh sáng có lưỡng tính sóng hạt.
b) Ánh sáng là chùm hạt mang năng lượng gọi là Phôtôn. c) Ánh sáng là một dạng sóng điện từ.
d) Ánh sáng có vận tốc giống nhau trong mọi hệ qui chiếu quán tính. e) Các câu trên đều sai.
9. Chỉ ra một phát biểu sai về tia X: a) Tia X có thể xuyên qua thủy tinh.
b) Tia X có thể làm phát quang một số chất.
c) Tia X không bị lệch khi đi qua điện trường và từ trường mạnh. d) Tia X có thể được nhìn thấy như ánh sáng khả kiến.
e) Tia X phát ra từ kim loại có nguyên tử lớn như bạch kim.
10. Năng lượng của một hạt phôtôn sau khi tán xạ với electron là: a) Luôn nhỏ hơn năng lượng của nó trước khi tán xạ.
b) Luôn lớn hơn năng lượng của nó trước khi tán xạ. c) Bị lượng tử hoá.
d) Không phụ thuộc vào góc tán xạ của phôtôn tới. e) Không phụ thuộc vào hạt bia mà nó tán xạ vào.
11. Bước sóng của phôtôn sau khi tán xạ với một prôtôn là: a) Không thay đổi.
b) Ðổi thành một bước sóng đơn sắc khác vì nó tán xạ theo một phương duy nhất. c) Ðổi thành nhiều bước sóng đơn sắc khác nhau bởi vì nó tán xạ theo mọi phương với những xác suất khác nhau.
d) Có gía trị tăng lên vì năng lượng của phôtôn tăng lên. f) Tất cả các câu trên đều đúng.
Chương 4. CƠ HỌC LƢỢNG TỬ
4.1. Tính sóng hạt của photon. 4.2. Tính sóng hạt của vật thể vi mô - Giả thuyết De Broglie. 4.2. Tính sóng hạt của vật thể vi mô - Giả thuyết De Broglie. 4.3. Hệ thức Heisenberg. 4.3.1. Hệ thức Heisenberg. 4.3.2. Ý nghĩa của hệ thức Heisenberg. 4.3.3. Hệ thức bất định đối với năng lượng. 4.4. Hàm sóng – ý nghĩa xác suất của hàm sóng. 4.4.1. Hàm sóng. 4.4.2. Ý nghĩa xác suất của hàm sóng. 4.5. Phương trình Schrodinger – Vi hạt trong hố thế một chiều –
Dao tử điều hòa - Hiệu ứng đường hầm. 4.5.1. Phương trình Schrodinger. 4.5.2. Vi hạt trong hố thế một chiều. 4.5.3. Hiệu ứng đường hầm. 4.5.4. Dao tử điều hòa. 4.6. Bài tập.
! Cơ học lượng tử là gì ?
- Quantum mechanics (trước đây có tác giả gọi cơ học nguyên lượng)
* Cơ học lượng tử là một trong những lý thuyết cơ bản của vật lý học. Cơ học
lượng tử là phần mở rộng và bổ sung của cơ học Newton (còn gọi là cơ học cổ điển). Nó là cơ sở của rất nhiều các chuyên ngành khác của vật lý và hóa học như vật lý chất rắn, hóa lượng tử, vật lý hạt. Khái niệm lượng tử để chỉ một số đại lượng vật lý như năng lượng không liên tục mà rời rạc. Energy quantum
* Cơ học lượng tử là một lý thuyết về cơ học, một nhánh của vật lý nghiên cứu