Transcript - Bluebee
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ VẬT LÝ ĐIỆN - QUANG NỘI DUNG Chương 1. Trường tĩnh điện Chương 2. Vật dẫn và Điện môi Chương 3. Dòng điện không đổi Chương 4. Từ trường của dòng điện không đổi Chương 5. Hiện tượng cảm ứng điện từ Chương 6. Tính chất sóng của ánh sáng Chương 7. Tính chất lượng tử của ánh sáng BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ VẬT LÝ ĐIỆN - QUANG NỘI DUNG Chương 1. Trường tĩnh điện Chương 2. Vật dẫn và Điện môi Chương 3. Dòng điện không đổi Chương 4. Từ trường của dòng điện không đổi Chương 5. Hiện tượng cảm ứng điện từ Chương 6. Tính chất sóng của ánh sáng Chương 7. Tính chất lượng tử của ánh sáng BÀI GIẢNG ĐIỆN TỪ VẬT LÝ ĐIỆN QUANG Chương 7. QUANG HỌC LƯỢNG TỬ Chương 7. QUANG HỌC LƯỢNG TỬ NỘI DUNG 7.1. BỨC XẠ NHIỆT 7.2. THUYẾT LƯỢNG TỬ CỦA PLANCK 7.3. HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN 7.4. HIỆU ỨNG COMPTON 7.1. Bức xạ nhiệt 7.1.1. Tương tác của ánh sáng với vật chất: Quan sát vật bằng ánh sáng phản chiếu từ vật, màu sắc của vật phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng phản chiếu. Các mặt có màu tối hấp thụ ánh sáng mạnh hơn các mặt có màu sáng hơn. Tất cả các vật đều phát ra bức xạ điện từ với cường độ phụ thuộc vào nhiệt độ bề mặt Bức xạ nhiệt 7.1. Bức xạ nhiệt 7.1.2. Đặc điểm của bức xạ nhiệt: Trạng thái bức xạ (thành phần phổ và cường độ bức xạ) phụ thuộc vào nhiệt độ của vật. Ở nhiệt độ thấp vật chỉ bức xạ hồng ngoại, nhiệt độ càng cao thành phần phổ bức xạ càng lấn về phía bước sóng ngắn. Bức xạ nhiệt cân bằng: Phần năng lượng phát ra đúng bằng năng lượng vật thu vào bằng hấp thụ bức xạ. Khi đó vật ở trạng thái cân bằng (động) ứng với một nhiệt độ xác định. Nếu hai vật hấp thụ năng lượng khác nhau thì bức xạ cũng khác nhau (nguyên lý Privot) 7.1. Bức xạ nhiệt 7.1.3. Các đại lượng đặc trưng của bức xạ nhiệt: Năng suất phát xạ toàn phần: Ta xét một vật đốt nóng được giữ ở nhiệt độ không đổi T. Giả sử phần diện tích dS của vật đó phát ra trong một đơn vị thời gian một năng lượng bức xạ toàn phần là dT. Định nghĩa: d T RT dS RT (W/m2) là năng lượng bức xạ do một đơn vị diện tích của vật phát ra trong một đơn vị thời gian ở nhiệt độ T. 7.1. Bức xạ nhiệt 7.1.3. Các đại lượng đặc trưng của bức xạ nhiệt: Năng suất phát xạ đơn sắc: Bức xạ toàn phần do vật phát ra gồm nhiều tần số (bước sóng) khác nhau với cường độ khác nhau. Giả sử phần năng lượng của bức xạ phát ra từ tần số ν đến (ν + dν) do một đơn vị diện tích, phát ra trong một đơn vị thời gian dRT. Định nghĩa: r ,T dR T d R T r,T .d 0 7.1. Bức xạ nhiệt 7.1.3. Các đại lượng đặc trưng của bức xạ nhiệt: Hệ số hấp thụ: Giả sử một diện tích nào đấy của vật nhận được công suất bức xạ dW(ν,T) có tần số từ ν đến (ν+ dν), vật hấp thụ một phần năng lượng dWt(ν,T) Định nghĩa hệ số hấp thụ đơn sắc: a ,T dWt (, T) dW(, T) Vật có hệ số hấp thụ a = 1 gọi là vật đen tuyệt đối. 7.1. Bức xạ nhiệt 7.1.4. Định luật Kirchhoff: Tỉ số giữa năng suất phát xạ đơn sắc và hệ số hấp thụ đơn sắc của cùng một vật ở nhiệt độ nhất định là một hàm chỉ phụ thuộc tần số ν và nhiệt độ T mà không phụ thuộc bản chất của vật đó. Hàm phổ biến: r(, T) f (, T) a(, T) Hàm phổ biến chính là năng suất phát xạ đơn sắc của vật đen tuyệt đối. 7.1. Bức xạ nhiệt 7.1.4. Định luật Kirchhoff: Năng suất bức xạ đơn sắc có đỉnh cực đại. Năng suất bức xạ tăng theo nhiệt độ. Tần số đỉnh cực đại tăng khi nhiệt độ tăng (đỉnh dịch về bước sóng ngắn khi nhiệt độ tăng) 7.2. Thuyết lượng tử của Planck 7.2.1. Sự thất bại của thuyết sóng: Trên cơ sở các quan điểm cổ điển về hấp thụ, bức xạ điện từ, Rayleigh – Jeans tìm được hàm phổ biến: 2 f (, T) 2 k BT c 2 kB = 1,38.10-23 (J/K) là hằng số Boltzman. Sự khủng hoảng vùng tử ngoại: R T f (,T).d 0 7.2. Thuyết lượng tử của Planck 7.2.2. Nội dung thuyết lượng tử: Các nguyên tử, phân tử phát xạ hay hấp thụ năng lượng của bức xạ điện từ một cách gián đoạn. Phần năng lượng phát xạ hay hấp thụ luôn là bội số nguyên của một năng lượng nhỏ xác định gọi là lượng tử năng lượng hay quantum năng lượng Đối với bức xạ điện từ tần số ν (bước sóng λ), lượng tử hc năng lượng bằng: h. Hằng số Planck h = 6,625.10-34 (J.s) 7.2. Thuyết lượng tử của Planck 7.2.3. Công thức Planck về hàm phổ biến: Xuất phát từ quan điểm lượng tử năng lượng, Planck tìm được biểu thức của hàm phổ biến: 2 2 h f (, T) 2 c exp( h ) 1 k BT 7.2. Thuyết lượng tử của Planck 7.2.4. Các định luật bức xạ của vật đen tuyệt đối: Định luật Stephan – Boltzman Năng suất phát xạ toàn phần của vật đen tuyệt đối: R T f (,T).d T4 0 Hằng số Stephan – Boltzman: σ = 5,67.10-8 (W/m2K4) Định luật Wien Đỉnh cực đại của hàm phổ biến ứng với bước sóng: max b T Hằng số Wien: b = 2,898.10-3 (m.K) 7.3. Hiệu ứng quang điện 7.3.1. Thuyết photon của Einstein: Bức xạ điện từ được cấu tạo bởi vô số hạt gọi là lượng tử ánh sáng hay photon. Với mỗi bức xạ điện từ đơn sắc nhất định, các photon đều giống nhau và mang năng lượng: ε = hν Các photon truyền đi với tốc độ c = 3.108 (m/s) Khi vật phát xạ hay hấp thụ bức xạ điện từ nghĩa là phát xạ hoặc hấp thụ photon Cường độ của chùm bức xạ tỉ lệ với số photon. 7.3. Hiệu ứng quang điện 7.3.1. Thuyết photon của Einstein: Khối lượng của photon: hc h. mc 2 h h m 2 c c Khối lượng nghỉ của photon: v2 m0 m 1 2 0 c Động lượng của photon: h h p mc c 7.3. Hiệu ứng quang điện 7.3.2. Giải thích hiệu ứng quang điện: Hiệu ứng quang điện trong đó các điện tử được thoát ra khỏi nguyên tử (quang điện trong) hay vật chất (quang điện thường) sau khi hấp thụ năng lượng từ các photon trong ánh sáng làm nguyên tử chuyển sáng trạng thái kích thích làm bắn electron ra ngoài. 7.3. Hiệu ứng quang điện 7.3.2. Giải thích hiệu ứng quang điện: - Ở mỗi tần số bức xạ và mỗi kim loại, cường độ dòng quang điện (cường độ dòng điện tử phát xạ do bức xạ điện từ) tỉ lệ thuận với cường độ chùm sáng tới. - Với mỗi kim loại, tồn tại một tần số tối thiểu của bức xạ điện từ mà ở dưới tần số đó, hiện tượng quang điện không xảy ra. Tần số này được gọi là tần số ngưỡng, hay giới hạn quang điện của kim loại đó. - Ở trên tần số ngưỡng, động năng cực đại của quang điện tử không phụ thuộc vào cường độ chùm sáng tới mà chỉ phụ thuộc vào tần số của bức xạ. - Thời gian từ lúc bức xạ chiếu đến tới các điện tử phát ra là rất ngắn, dưới 10−9 giây. 7.3. Hiệu ứng quang điện 7.3.2. Giải thích hiệu ứng quang điện: Mỗi photon có tần số f, có năng lượng tương ứng: E = hf Năng lượng điện tử hấp thụ được sẽ giúp cho điện tử thoát khỏi liên kết với bề mặt kim loại (vượt qua công thoát ) và cung cấp cho điện tử một động năng ban đầu Eđ = mv2/2 Theo định luật bảo toàn năng lượng: hf = + mv2/2 Hiệu ứng chỉ xảy ra khi: hf = hf0 f f0 7.4. Hiệu ứng Compton 7.4.1. Mô hình bài toán tán xạ photon: Quan điểm sóng cổ điển: Sóng phẳng đơn sắc tác động làm hạt tích điện dao động và sau đó hạt tích điện phát ra sóng điện từ có cùng tần số. Quan điểm của thuyết hạt (hiệu ứng Compton): 7.4. Hiệu ứng Compton 7.4.2. Giải thích hiệu ứng Compton: Giải bài toán va chạm photon - electron: 2 m c 2 e h m c h ' e v2 1 2 c P P ' P e Kết quả: 2 C sin 2 h 2, 426.1012 (m) Bước sóng Compton: C me c 2 Một số bài tập ví dụ Ví dụ 1. Một lò luyện kim, có cửa sổ quan sát kích thước 8x12cm, phát xạ với công suất 9798W. a) Tìm nhiệt độ của lò, cho biết hệ số hấp thụ của lò là 0,9. b) Xác định bước sóng ứng với năng suất phát xạ cực đại của lò. Bước sóng đó thuộc vùng quang phổ nào? Một số bài tập ví dụ Ví dụ 2. Trong hiệu ứng Compton, chùm tia tới có bước sóng λ. Xác định động năng của electron bắn ra đối với chùm tia tán xạ theo góc θ. Tìm động lượng electron đó.