Chương 7 Quang học lượng tử

GIÁO TRÌNH VẬT LÝ 2 Bản chất của bức xạ điện từ! Vật lý 2 \ Chương 7 – Quang học lượng tử  Bức xạ điện từ là một dạng sóng, hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ, phân cực, … đã chứng tỏ điều đó. Những hiện tượng đó là cơ sở để chúng ta khẳng định ánh sáng nói chung là một sóng điện từ, nó thể hiện bản chất sóng.  Vào cuối thế kỷ XIX, đầu thế kỷ XX con người đã phát hiện ra nhiều hiện tượng vật lý liên quan đến bản chất của các bức xạ điện từ, ví dụ như quá trình bức xạ nhiệt, hiện tượng quang điện, hiệu ứng Compton, …  Điều bất ngờ là những hiện tượng mới trên không thể giải thích bằng lý thuyết sóng! Vậy, bản chất thực của các bức xạ điện từ là gì? Bức xạ nhiệt Vật lý 2 \ Chương 7 – Quang học lượng tử  Thực tế cho thấy, một vật có nhiệt độ luôn phát ra các bức xạ điện từ, nhiệt độ càng cao thì càng phát mạnh những bức xạ điện từ có bước sóng ngắn. Quang phổ thu được của quá trình này là quang phổ liên tục. Bức xạ nhiệt Vật lý 2 \ Chương 7 – Quang học lượng tử  Theo mẫu BOHR, khi nguyên tử chuyển từ trạng thái dừng có mức năng lượng cao về trạng thái dừng có mức năng lượng thấp hơn sẽ phát ra một bức xạ điện từ.  Năng lượng mà vật nhận vào dưới dạng nhiệt (tương tác trong quá trình chuyển động nhiệt) thì quá trình bức xạ này được gọi là bức xạ vì nhiệt, hay gọi tắt là bức xạ nhiệt.  Bức xạ nhiệt luôn tự tiến đến một trạng thái cân bằng, khi đó nhiệt độ của vật bức xạ không thay đổi (khi đó được gọi là quá trình bức xạ nhiệt cân bằng). Em En Các đại lượng đặc trưng Vật lý 2 \ Chương 7 – Quang học lượng tử  Công suất phát xạ toàn phần: tổng năng lượng mà vật phát ra dưới dạng bức xạ điện từ (tính với tất cả các tần số mà vật có thể phát ra) trongmột đơn vị thời gian.   dW P W dt  Năng suất phát xạ toàn phần: tổng năng lượng mà vật phát ra dưới dạng bức xạ điện từ (tính với tất cả các tần số mà vật có thể phát ra) trong một đơn vị thời gian từ một đơn vị diện tích bề mặt (còn được gọi làmật độ công suất).          2 dW W R T dt.dS m  P R T .S Các đại lượng đặc trưng Vật lý 2 \ Chương 7 – Quang học lượng tử  Năng suất phát xạ đơn sắc: tổng năng lượng mà vật phát ra dưới dạng bức xạ điện từ ở tần số f (chỉ tính với những bức xạ điện từ có tần số f) trong một đơn vị thời gian từ một đơn vị diện tích bề mặt.      dW f r f,T dt.dS  Ta có mối liên hệ:        0 R T r f,T df Các đại lượng đặc trưng Vật lý 2 \ Chương 7 – Quang học lượng tử  Hệ số hấp thụ đơn sắc: tỉ lệ phần trăm năng lượng hấp thụ so với năng lượng chiếu tới đối với các bức xạ điện từ ở tần số f (chỉ tính với những bức xạ điện từ có tần số f).        ht dW f a f,T dW f  Một vật có hệ số hấp thụ đơn sắc bằng 1 đối với mọi tần số và mọi nhiệt độ được gọi là vật đen tuyệt đối.    a f,T 1 ( f,T) Định luật Kirchhoff Vật lý 2 \ Chương 7 – Quang học lượng tử  Phát biểu: Tỉ số giữa năng suất phát xạ đơn sắc và hệ số hấp thụ đơn sắc của cùng một vật ở một nhiệt độ nhất định là một hàm số phụ thuộc vào tần số bức xạ f và nhiệt độ T của vật, không phụ thuộc vào bản chất của vật.            1 2 1 2 r f,T r f,T ... g f,T a f,T a f,T Hàm số g(f,T) được gọi là hàm phổ biến. Đối với vật đen tuyệt đối nó chính là năng suất phát xạ đơn sắc. Bức xạ của vật đen tuyệt đối Vật lý 2 \ Chương 7 – Quang học lượng tử  Bằng thực nghiệm, các nhà khoa học đã nghiên cứu bức xạ của vật đen tuyệt đối. g(f,T) f T1 T2 21 TT  O Các định luật thực về bức xạ nhiệt Vật lý 2 \ Chương 7 – Quang học lượng tử  Định luật Stefan - Boltzmann: Năng suất phát xạ toàn phần của vật đen tuyệt đối tỉ lệ với lũy thừa bậc 4 của nhiệt độ tuyệt đối của vật.     4R T T  Định luật Wien: Trong bức xạ của vật đen tuyệt đối, bước sóng của chùm bức xạ mang nhiều năng lượng nhất tỉ lệ nghịch với nhiệt độ tuyệt đối của vật.   m b T       8 2 4 W 5,67.10 m K   3b 2,898.10 m.K Hàm phổ biến của R-J Vật lý 2 \ Chương 7 – Quang học lượng tử  Dựa vào thuyết sóng ánh sáng, Rayleigh và Jeans đã xây dựng được hàm phổ biến:      2 B2 2 f g f,T k T c Hàm phổ biến trên không mô tả được đúng thực nghiệm, thậm chí còn cho một số kết quả tính toán vô lí.  Như vậy ta đưa đến kết luận: thuyết sóng về ánh sáng không phù hợp để giải thích cũng như tính toán trong hiện tượng này (và một vài hiện tượng khác liên quan đến bức xạ). Hàm phổ biến của Planck Vật lý 2 \ Chương 7 – Quang học lượng tử  Năm 1900, Planck đã đưa ra những quan điểm mới về bức xạ và hấp thụ năng lượng của vật chất đối với các bức xạ điện từ từ đó xây dựng được hàm phổ biến:      B 2 2 hf k T 2 f hf g f,T c e 1 Hàm phổ biến của Planck giải thích thành công hiện tượng bức xạ nhiệt. Từ đó khẳng định tính đúng đắn và các quan điểm mới của Planck. Thuyết lượng tử của Planck Vật lý 2 \ Chương 7 – Quang học lượng tử  Các phân tử, nguyên tử vật chất hấp thụ hay bức xạ năng lượng của các bức xạ điện từ không liên tục mà thành từng phần gián đoạn, mỗi phần nhỏ đó được gọi là một lượng tử năng lượng.  Đối với bức xạ điện từ xác định thì lượng tử năng lượng của nó có giá trị:     hc hf   34h 6,625.10 Js Hiệu ứng quang điện Vật lý 2 \ Chương 7 – Quang học lượng tử  Năm 1887, nhà bác học Hertz (Heinrich Rudolf Hertz, 1857 – 1894, nhà Vật lý học người Đức) đã phát hiện ra một hiện tượng nhờ thực nghiệm: Khi chiếu bức xạ điện từ vào bề mặt một kim loại thì các electron trong kim loại bị bật ra ngoài. Đó chính là hiệu ứng quang điện.  Bằng thực nghiệm, Hert và Stoletov đã tìm ra được các định luật quang điện.  Thuyết sóng về ánh sáng không thể giải thích được hiệu ứng quang điện. Thuyết photon của Einstein Vật lý 2 \ Chương 7 – Quang học lượng tử  Bức xạ điện từ được cấu tạo bởi vô số các hạt gọi là lượng tử ánh sáng hay photon.  Với một ánh sáng có tần số và bước sóng xác định thì photon có năng lượng:     hc hf   34h 6,625.10 Js  Photon truyền đi với vận tốc là c trongmọimôi trường.  Cường độ chùm bức xạ tỉ lệ với mật độ photon  Vật chất hấp thụ hay bức xạ các bức xạ điện từ chính là hấp thụ hay bức xạ các photon. Hiệu ứng Compton Vật lý 2 \ Chương 7 – Quang học lượng tử  Năm 1892 Compton đã làm thí nghiệm bắn một chùm tia X vào một số tính thể, kết quả cho thấy sau khi đi qua chùm tia X bị tán xạ, xuất hiện những tia có bước sóng lớn hơn tia tới. '   2 C 2 sin 2           12 C 2,426.10 m  Hiệu ứng Compton Vật lý 2 \ Chương 7 – Quang học lượng tử  e ’ p  ' p  e p  ' e 2 2 0 p 0 p p hf m c hf ' mc           12 C 0 h 2,426.10 m m c   