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 dT.
 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, 426.1012 (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.