Bài giảng 3: Sự phát quang - Sơ lược về laze

Đề thi và đáp án được tài trợ bởi: Thành Công Study – www.thanhcongstudy.edu.vn. Địa chỉ: 6A1, Tiểu khu Ngọc Khánh, Ngọc Khánh, Ba Đình, Hà Nội. Để đăng ký học, quý phụ huynh và học sinh gọi điện tới: 0977.333.961 hoặc gửi email tới hòm thư: thanhcongstudy@gmail.com. Trân trọng! BÀI GIẢNG 3 SỰ PHÁT QUANG. SƠ LƯỢC VỀ LAZE Biên tập : Nguyễn Việt Anh A. LÝ THUYẾT I. Hiện tượng phát quang 1. Sự phát quang * Sự phát quang là một dạng phát ánh sáng rất phổ biến trong tự nhiên. Có một số chất (ở thể rắn,lỏng hoặc khí) khi hấp thụ năng lượng dưới một dạng nào đó, thì khả năng phát ra các bức xạ từ trong miền ánh sáng nhìn thấy. Các hiện tượng đó được gọi là sự phát quang. Sự phát sáng của đom đóm, Sự phát sáng của phôtpho bị ôxi hoá trong không khí, Sự phát sáng củamột số chất hơi và chất rắn khi được chiếu sáng bằng tia tử ngoại là nhữnh ví dụ điển hình về sự phát quang. * Sự phát quang có nhiều đặc điểm khác biệt với các hiện tượng phát ánh sáng khác, trong số đó phải kể đến hai đặc điểm quan trọng: -Một là, bức xạ phát quang là bức xạ riêngcủa vật : mỗi chất phát quang có một quang phổ đặc trưng cho nó. - Hai là, sau khi ngừng kích thích, sự phát quang của một số chất còn tiếp tục kéo dài thêm một khoảng thời gian nào đó, rồi mới ngừng hẳn . Khoảng thời gian từ lúc ngưng kích thích cho đến lúc ngừng phát quang gọi là thời gian phát quang mà thời gian phát quang có thể kéo dài đến 10-10s đến vài ng 2. Các dạng quang phát quang : Lân quang và huỳnh quang Một số chất có khả năng hấp thụ ánh sáng kích thích có bước sóng này để phát ra ánh sáng có bước sóng khác. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng quang phát quang. Người ta thấy có hai loại quang phát quang, tuỳ theo thời gian phát quang : đó là huỳnh quang và lâm quang. * Huỳnh quang là sự phát quang có thời gian phát ngắn ( 10 -8s) nghĩa là ánh sáng phát quang hầu như tắt ngay sau khi tắt ánh sáng kích thích. Nó thường xảy ra với chất lỏng và chất khí. * Lâm quang là phát quang có thời gian phát quang dài( 10-8s trở lên ) ; nó thương xảy ra với chất rắn. Các chất rắn phát quang loại này gọi là chất lâm quang. 3. Định luật Xtốc về sự phát quang Ánh sáng phát quang có bươc sóng / dài hơn bước sóng của ánh sáng kích thích : / > Đề thi và đáp án được tài trợ bởi: Thành Công Study – www.thanhcongstudy.edu.vn. Địa chỉ: 6A1, Tiểu khu Ngọc Khánh, Ngọc Khánh, Ba Đình, Hà Nội. Để đăng ký học, quý phụ huynh và học sinh gọi điện tới: 0977.333.961 hoặc gửi email tới hòm thư: thanhcongstudy@gmail.com. Trân trọng! 4. Ứng dụng Các loại hiện tượng phát quangcó dất nhiều ứng dụng trong khoa học, kĩ thuật và đời sống như sử dụng trong các đèn ống để thắp sáng, trong các màn hình của dao động động kí điện tử, của ti vi, máy tính, sử dụng sơn phát quang quét trên các biển báo giao thông. II. Sơ lược về Laze 1. Tính chất của Laze - Năm 1958 các nhà bác học Nga và Mĩ, nghiên cứu độc lập với nhau, đã chế tạo thành công laze đầu tiên. Đó là một một loại nguồn sáng mới , phát ra chùm sáng gọin là tia laze, có đặc điểm khác hẳn với các chùm sáng thông thường: - Tia laze có tính đơn sắc rất cao. Độ sai lệch tương đối f f  của tần số ánh sáng do laze phát ra có thể chỉ bằng10-15. - Tia laze là chùm sáng kết hợp (các Phôtôn trong chùm có cùng tần số và cùng pha). - Tia laze là chùm sáng song song ( có tính định hướng cao). - Tia laze có cường độ lớn. Chẳng hạn, Tia laze rubi (hồng ngọc)có cường độ tới 106w/cm2. Như vậy có thể xem laze là một nguồn sáng phát ra chùm sáng song song, kết hợp, có tính đơn sắc rất cao. Nguyên tắc phát quang của laze dựa trên việc ứng dụng hiện tượng phát xạ cảm ứng (xem bài đọc thêm). 2. Các loại Laze - Laze được chế tạo đầu tiên là laze hồng ngọc (zubi). Ngày nay, người ta đã chế tạo được hàng chục loại laze rắn khác nhau, trong số đó có những loại công suất lớn như laze thuỷ tinh pha nêođin có thể đạt công suất 20 tỉ oát mỗi xung. Ngoài laze rắn còn có laze khí ( laze He-Ne, CO2, Ar, N2....). Đặc biệt, phải kể đến các loại laze ban dẫn là loại được dùng phổ biến nhất hiện nay. 3. Một số ứng dụng của Laze - Tia laze có ưu thế đặc biệt trong thông tin liên lạc vô tuyến (như truyền thông tin bằng cáp quang, vô tuyến định vị, điều khiển con tàu vũ trụ,). - Tia laze được dùng như dao động mổ trong phẫu thuật mắt, để chữa các bệnh ngoài da (nhờ tác dụng nhiệt). - Tia laze được dùng trong các đầu đọc đĩa CD bút trỏ bảng - Ngoài ra, Tia laze còn được dùng để khoa, cắt, tôi chính xác các vật liệu trong công nghiệp. Đề thi và đáp án được tài trợ bởi: Thành Công Study – www.thanhcongstudy.edu.vn. Địa chỉ: 6A1, Tiểu khu Ngọc Khánh, Ngọc Khánh, Ba Đình, Hà Nội. Để đăng ký học, quý phụ huynh và học sinh gọi điện tới: 0977.333.961 hoặc gửi email tới hòm thư: thanhcongstudy@gmail.com. Trân trọng! B. BÀI TẬP VỀ LAZE Bài 1. Người ta dùng một laze hoạt động dưới chế độ liên tục để khoan một tấm thép. Công suất chùm là P = 10W. Đường kính của chùm sáng là d = 1mm, bề dày tấm thép là e = 2mm. Nhiệt độ ban đầu là t1 = 30 0C. Khối lượng riêng của thép là: D = 7800kg/m3; nhiệt dung riêng của thép là: c = 448J/kg.độ; Nhiệt nóng chảy của thép: L = 270KJ/Kg; điểm nóng chảy của thép là T = 15350C. Thời gian tối thiểu để khoan là: A. 1,16s; B. 2,12s; C. 2,15s; D. 2,275s. Giải 1: Laze sẽ khoan cắt lỗ như hình bên. Ta có phương trình cân bằng nhiệt: P.t = mc(t2- t1) + m.L (1) Thể tích thép cần nung chảy hình trụ: V= 2 . 4 d e Khối lượng của thép cần hoá lỏng: m = D.V =D. 2 . 4 d e (2) Thế (2) vào (1) : P.t =D. 2 . 4 d e c ( t2 - t1) + D. 2 . 4 d e .L Thế số: P.t = 6 3107800. . 2.10 .[448.(1535 30) 270000] 4      =39.10-7x 944240 =11,56902804 = t = 11,569/10 =1,1569s 1,16s Đáp án A Giải 2: Gọi t là thời gian khoan thép. Nhiệt lượng Laze cung cấp trong thời gian này:  JtPtQ 10 Khối lượng của thép cần hoá lỏng: gkgeD d SeDm   3,1210.3,12 4 6 2   (d là đường kính của lỗ khoan). Nhiệt lượng cần để đưa khối thép này từ 300C lên 15350 là:     JttmcQ c 293,8301535.448.10.3,12 6 01   Nhiệt lượng cần sau đó để nung chảy khối thép: JLmQ 321,32  Theo định luật bảo toàn năng lượng: 321,3293,81021  tQQQ  st 16,1 ĐÁP ÁN A Bài 2: Người ta dùng một loại laze có công suất P = 12 W để làm dao mổ. Tia laze chiếu vào chỗ mổ sẽ làm nước ở phần mô chỗ đó bốc hơi và mô bị cắt. Nhiệt dung riêng của nước là 4186 J/kg.độ. Nhiệt hóa hơi của nước là L = 2260 kJ/kg, nhiệt độ cơ thể là 37oC, khối lượng riêng của nước 1000 d e Đề thi và đáp án được tài trợ bởi: Thành Công Study – www.thanhcongstudy.edu.vn. Địa chỉ: 6A1, Tiểu khu Ngọc Khánh, Ngọc Khánh, Ba Đình, Hà Nội. Để đăng ký học, quý phụ huynh và học sinh gọi điện tới: 0977.333.961 hoặc gửi email tới hòm thư: thanhcongstudy@gmail.com. Trân trọng! kg/m 3. Thể tích nước mà tia laze làm bốc hơi trong 1s là A. 4,557 mm 3 . B. 7,455 mm 3 . C. 4,755 mm 3 D. 5,745 mm 3 . Giải 1: m là khối lượng nước bốc hơi ta có : P t = m(ct + L) => m = Ltc Pt  . Tao có: V = D m = )( LtcD Pt  Thế số :V = )10.226063.4186(10 1.12 33  = 4,75488.10 -9 m 3 = . 4,755 mm 3 .Chon C Giải 2: Ta có Q = Pt = c.m(100 0 – 370) + L.m => 12 = 4186.63.m + 2260.103.m => m = 4,755.10-6 kg V = m/D = 4,755.10 -9 m 3 . Chon C Bài 3: Người ta dùng một loại laze CO2 có công suất P = 10W để làm dao mổ. Tia laze chiếu vào chỗ mổ sẽ làm cho nước ở phần mô chỗ đó bốc hơi và mô bị cắt. Nhiệt dung riêng của nước: c = 4,18KJ/kg.độ; nhiệt hoá hơi của nước: L = 2260kJ/kg, nhiệt độ cơ thể là 370C. Thể tích nước mà tia laze làm bốc hơi trong 1s là: A 2,892 mm 2 . B. 3,963mm 3 C. 4,01mm 2 ; D. 2,55mm 2 Giải: Năng lượng mà tia lazer cung cấp trong 1s là: A=P.t=10.1=10J Năng lượng này làm nước trong cơ thể tăng từ 370 lên đến 1000, và làm bốc hơi nước trong cơ thể Gọi V là thể tích nước bị hóa hơi: A=mc(t’-t)+L.m = V.Dc(t’-t)+V.D.L 339 963,310.963.3 2260000.100063.4180.1000 10 .)'( mmm LDttDc A V       Bài 4 Người ta dùng một loại laze CO2 có công suất P = 10W để làm dao mổ. Tia laze chiếu vào chỗ mổ sẽ làm cho nước ở phần mô chỗ đó bốc hơi và mô bị cắt. Chùm laze có bán kính r = 0,1mm và di chuyển với vận tốc v = 0,5cm/s trên bề mặt của mô mềm. Nhiệt dung riêng của nước: c = 4,18KJ/kg.độ; nhiệt hoá hơi của nước: L = 2260J/kg, nhiệt độ cơ thể là 370C. Chiều sâu cực đại của vết cắt là: A. 1mm B. 2mm C. 3mm D. 4mm Giải: Xét trong 1s: ta được thể tích nước bốc hơi Năng lượng mà tia lazer cung cấp trong 1s là : A=P.t=10.1=10J Năng lượng này làm nước trong cơ thể tăng từ 370 lên đến 1000, và làm bốc hơi nước trong cơ thể Gọi V là thể tích nước bị hóa hơi ta có: A=mc(t’-t)+L.m = V.Dc(t’-t)+V.D.L Đề thi và đáp án được tài trợ bởi: Thành Công Study – www.thanhcongstudy.edu.vn. Địa chỉ: 6A1, Tiểu khu Ngọc Khánh, Ngọc Khánh, Ba Đình, Hà Nội. Để đăng ký học, quý phụ huynh và học sinh gọi điện tới: 0977.333.961 hoặc gửi email tới hòm thư: thanhcongstudy@gmail.com. Trân trọng! 339 963,310.963.3 2260000.100063.4180.1000 10 .)'( mmm LDttDc A V       Trong 1s này lazer chuyển động trên bề mặt môt 1 đoan đường là d=v.t=0,5.1=0,5cm=5mm Diện tích bề mặt lazer quét trên mặt mô là : S=d.r =5.0,1=0,5mm2 Mặt khác thể tích nước mất đi cũng là thể tích mô bị mất nên ta có S.h=V nên h=V/s=3,963 : 0,5=7,926 mm ( không có đáp án) Chú ý : Nếu cho bán kính chùm laer là 0,1mm thì có lẻ chính xác hơn vì khi đó ta tính được chiều sâu là 3,963mm4mm trùng với 1 trong 4 đáp án. Cần xem lại đề bài Bài 5: Để đo khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trăng người ta dùng một laze phát ra những xung ánh sáng có bước sóng 0,52 µm, chiếu về phía Mặt Trăng và đo khoảng thời gian giữa thời điểm xung được phát ra và thời điểm một máy thu đặt ở Trái Đất nhận được xung phản xạ.Thời gian kéo dài của một xung là ז = 100ns. Khoảng thời gian giữa thời điểm phát và nhận xung là 2,667s = 8/3s. Năng lượng của mỗi xung ánh sáng là Wo = 10 kJ a) Tính khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trăng lúc đo. b) Tính công suất của chùm laze c) Tính số phôtôn chứa trong mỗi xung ánh sáng. d) Tính độ dài của mỗi xung ánh sáng. Lấy c = 3.108 m/s; h = 6,625.10-34 J.s Hướng dẫn giải : a) Gọi L là khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trăng; c = 3.108 m/s là tốc độ ánh sáng; t là thời gian để ánh sáng đi về giữa Trái Đất và Mặt Trăng.Ta có: 2L = ct = 8 83.10 .8 4.10 2 2.3 ct L m   = 400000 km b) Công suất của chùm laze : MWW ns kJW P 10000010.1 10.100 10.10 100 10 11 9 3 0   c) Số phôtôn được phát ra trong mỗi xung ánh sáng: 22 834 63 00 10.62,2 10.3.10.625,6 10.52,0.10.10    hc W hf W N  (hạt) d) Gọi I là độ dài của một xung ánh sáng, ta có: l = c. =3.108.100.10-9= 30 m Bài 6: Người ta chiếu một chùm tia laze hẹp có công suất 2mW và bước sóng λ = 0,7µm vào một chất bán dẫn Si thì hiện tượng quang điện trong sẽ xảy ra. Biết rằng cứ 5 hạt phôtôn bay vào thì có 1 hạt phôtôn bị electron hấp thụ và sau khi hấp thụ phôtôn thì electron này được giải phóng khỏi liên kết. Số hạt tải điện sinh ra khi chiếu tia laze trong 4s là A. 7,044.10 15 . B. 1,127.10 16 . C. 5,635.10 16 . D. 2,254.10 16 . Giải: Đề thi và đáp án được tài trợ bởi: Thành Công Study – www.thanhcongstudy.edu.vn. Địa chỉ: 6A1, Tiểu khu Ngọc Khánh, Ngọc Khánh, Ba Đình, Hà Nội. Để đăng ký học, quý phụ huynh và học sinh gọi điện tới: 0977.333.961 hoặc gửi email tới hòm thư: thanhcongstudy@gmail.com. Trân trọng! Số hạt phôtôn khi chiếu laze trong một giây là: N0 = ch PP . .   Vậy số hạt phôtôn khi chiếu laze trong 4giây là: N = 4. N0 = 4. ch PP . . .4    Vì rằng cứ 5 hạt phôtôn bay vào thì có 1 hạt phôtôn bị electron hấp thụ nên có 4 hạt phôtôn bay ra Nên hiệu suất là H = 4/5 Số hạt tải điện sinh ra khi chiếu tia laze trong 4s là N’ = N 5 4 834 63 10.3.625,6.5 10.7,0.10.2.16 .5 ..16 5 4 . . . .4    ch P ch P  Vậy số hạt N’ 0,2254. 1017 = 2,254. 1016 Đáp án D