Đề tài số 5 TÍNH CHẤT hạt của ÁNH SÁNG và ỨNG DỤNG

Chúng chỉ xuất hiện ở dạng một hạt chuyển động.Photon được coi là hạt cơ bản mặc dù không có khối lượng - Photon không mang điện - Photon có tính ổn định và không thể tự phân rã - Photon

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG

-* -Đề tài số 5: TÍNH CHẤT HẠT CỦA ÁNH SÁNG

VÀ ỨNG DỤNG

GVHD: Trần Văn Lượng

Nhóm sinh viên thực hiện:

Chấm điểm thuyết trình bài tập lớn Vật lí 2:

Điểm nộp và gửi

bài đúng hạn

(tối đa 2 điểm)

Điểm trình bày

và nội dung đề tài (tối đa 5 điểm)

Điểm thuyết trình

và trả lời câu hỏi trước lớp (tối đa 3 điểm)

Tổng điểm

Tp HCM, tháng 12 năm 2020

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

Danh sách bảng biểu iii

Danh sách hình ảnh iv

CHƯƠNG 1 Lý thuyết tổng quan về tính chất hạt ánh sáng 1

1.1 Định nghĩa và một số tính chất 1

1.2 Photon 1

1.2.1 Định nghĩa 1

1.2.2 Tính chất 1

1.3 Thuyết lượng tử ánh sáng 1

CHƯƠNG 2 Các hiệu ứng đặc trưng cho tính chất hạt của ánh sáng 2

2.1 Hiệu ứng quang điện (Photoelectric effect) 2

2.1.1 Định nghĩa 2

2.1.2 Công thức Einstein 2

2.1.3 Các định luật quang điện 2

2.2 Tán xạ Comptom (Compton scattering) 3

2.2.1 Định nghĩa 3

2.2.2 Tán xạ Comptom 4

2.2.3 Tán xạ Compton ngược 4

2.3 Hiệu ứng phát quang 5

2.3.1 Mô hình nguyên tử Bohr 5

2.3.2 Mô hình nguyên tử hiện đại theo cơ học lượng tử 6

2.3.3 Hiệu ứng phát quang 6

CHƯƠNG 3 Một số ứng dụng và hiện tượng trong thực tế 8

3.1 Pin quang điện 8

3.1.1 Định nghĩa: 8

3.1.2 Cấu tạo: 8

3.1.3 Nguyên lý hoạt động 8

3.1.4 Một số ứng dụng của pin quang điện 8

3.2 Hiện tượng quang - phát quang 9

3.2.1 Ứng dụng 9

3.3 Tán xạ Compton 10

3.3.1 Trong nghiên cứu: Tạo ra nguồn tia X 10

3.3.2 Xác định độ dày vật liệu 11

3.3.3 Trong vật lí thiên văn: Quan sát và phát hiện lỗ đen 12

TÀI LIỆU THAM KHẢO 13

Danh sách bảng biểu

Bảng 2.1 Hiệu ứng lân quang và huỳnh quang 7 Bảng 3.1 Bảng năng lượng chùm tia X tương ứng với năng lượng chùm electron 10

Danh sách hình ảnh

Hình 2.1 Mô phỏng hiệu ứng quang điện 2

Hình 2.3 Điều kiện xảy ra hiệu ứng quang điện 3

Hình 2.2 Dòng quang điện bão hòa và cường độ sáng 3

Hình 2.4 Tán xạ Comtomp 4

Hình 2.5 Kết quả thí nghiệm của Comtomp 4

Hình 2.6 Quang phổ vạch của nguyên tử Hidro 6

Hình 2.7 Giản đồ Jablonski 7

Hình 2.8 Phát quang nhờ phản ứng hóa học 7

Hình 3.1 Sơ đồ cấu tạo pin quang điện 8

Hình 3.2 Ứng dụng của hiệu ứng phát quang trong chiếu sáng lối đi 9

Hình 3.3 Sơ đồ cấu tạo bóng đèn huỳnh quang 9

Hình 3.4 Máy tạo nguồn X-ray của tập đoạn Lyncean Technology 10

Hình 3.5 Bộ phận chính của máy 10

Hình 3.6 Các bộ phận chính của thiết bị đo 11

Hình 3.7 Nguồn phóng xạ Cs137 11

Hình 3.8 Nguồn phóng xạ Co60 12

Hình 3.9 Đầu dò chùm tán xạ 12

CHƯƠNG 1 LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ TÍNH CHẤT HẠT ÁNH SÁNG 1.1 Định nghĩa và một số tính chất

Trong thực tế, ánh sáng hay ánh sáng khả kiến là những bức xạ điện từ có thể được nhìn thấy bởi mắt thường của con người Ánh sáng khả kiến nằm trong khoảng bước sóng từ 400 – 700 nanometers

Trong vật lý, ánh sáng là sóng điện từ ở bất kì bước sóng nào, bất kể có nhìn thấy được hay không Các tia gamma, X-rays, sóng hồng ngoại, tia cực tím đều là ánh sáng

Vận tốc ánh sáng trong môi trường chân không được tính toán khoảng: c = 299792458 m/s

và là vận tốc lớn nhất có thể đạt trong tự nhiên theo tiên đề Einstein

1.2 Photon

1.2.1 Định nghĩa

Photon là một hạt cơ bản, đồng thời là hạt lượng tử của trường điện từ, và mọi dạng bức xạ điện từ khác Photon là hạt cơ bản của mọi loại ánh sáng

Photon luôn chuyển động, trong chân không, vận tốc photon được quan sát: c = 299792458 m/s

1.2.2 Tính chất

- Photon không có khối lượng và năng lượng nghỉ Chúng chỉ xuất hiện ở dạng một hạt chuyển động.Photon được coi là hạt cơ bản mặc dù không có khối lượng

- Photon không mang điện

- Photon có tính ổn định và không thể tự phân rã

- Photon có spin ± 1, và là hạt boson

- Năng lượng, động lượng, moment động lượng của của photon phụ thuộc vào tần số

- Các hạt photon có thể tương tác với nhau và với các hạt cơ bản khác

- Photon có thể bị phá hủy hoặc tạo ra trong hiện tượng tự nhiên

- Trong chân không, vận tốc photon là vận tốc ánh sáng

1.3 Thuyết lượng tử ánh sáng

Theo lý thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein, năng lượng của photon bằng tích của tần số nhân với hằng số Planck Ánh sáng là dòng dịch chuyển của các photon, cường độ ánh sáng phụ thuộc vào số lượng hạt photon

� = ℎ� = ℎ�

� Trong đó:

là hằng số Planck

là vận tốc ánh sáng trong chân không f: tần số của ánh sáng

: bước sóng của ánh sáng

CHƯƠNG 2 CÁC HIỆU ỨNG ĐẶC TRƯNG CHO TÍNH CHẤT HẠT CỦA ÁNH SÁNG

2.1 Hiệu ứng quang điện (Photoelectric effect)

2.1.1 Định nghĩa

Hiệu ứng quang điện là hiện tượng điện – lượng tử, trong đó các electron được thoát ra khỏi nguyên tử hay vật chất sau khi hấp thụ một photon mang năng lượng đủ lớn

Hiệu ứng quang điện còn được gọi là hiệu ứng Hertz, do nhà khoa học Heinrich Hertz tìm ra

2.1.2 Công thức Einstein

Electron hấp thụ năng lượng của photon, năng lượng này dùng để:

- Cung cấp một công thoát ��để electron thắng được lực liên kết

- Cung cấp động năng ban đầu cho electron ����

� = ��+ ����

ℎ�

� =

ℎ�

�0+

1

2��

2

2.1.3 Các định luật quang điện

Dòng quang điện bão hòa tỉ lệ với cường độ chùm sáng chiếu đến

Giải thích:

- I là cường độ chùm sáng

- N0là số photon được chiếu đến bề mặt kim loại trong một đơn vị thời gian

- Gọi N là số photon được hấp thụ trong một đơn vị thời gian => N là số hạt electron bứt ra khỏi Cathode trong một đơn vị thời gian

- Ibhlà cường độ dòng bão hòa

- Ta có: � ~ �0~ �

 ��ℎ = ��

� ~ �

Hình 2.1 Mô phỏng hiệu ứng quang điện

a Mỗi kim loại tồn tại một tần số cực tiểu ���� , nếu chùm sáng có tần sổ � < ���� hiệu ứng quang điện sẽ không xảy ra

Giải thích:

� = ��+ ����

Khi �≤ �� , ����= 0 => Vận tốc thoát của electron bằng không => Không xảy ra hiệu ứng quang điện

b Động năng cực đại ���� của electron bứt ra khởi Cathode phụ thuộc tuyến tính vào tần số � của chùm sáng và không phụ thuộc vào cường độ của chùm sáng chiếu tới Giải thích:

� = ��+ ����

Vậy: ����~ � ~ �

2.2 Tán xạ Comptom (Compton scattering)

2.2.1 Định nghĩa

Tán xạ Comptom, được tìm ra bởi Arthur Holly Compton, là sự va chạm giữa photon và một hạt mang điện, thường là electron Nếu kết quả là sự suy giảm năng lượng (tăng bước sóng) của photon, đó là hiệu ứng Compton, một phần năng lượng của photon được truyền cho hạt tích điện

Sự thay đổi bước sóng trong va chạm được gọi là dịch chuyển Compton

Hiệu ứng Compton cũng là 1 minh chứng rõ nhất cho tính chất hạt của ánh sáng

Hình 2.3 Dòng quang điện bão hòa và cường độ sáng

Hình 2.2 Điều kiện xảy ra hiệu ứng quang điện

2.2.2 Tán xạ Comptom

 Giải thích theo va chạm

- Động lượng của photon:

� = ℎ�

� =

ℎ

�

- Liên hệ động lượng – năng lượng:

�2= �02�2+ �2�4

- Bảo toàn động lượng:

��

󰇍󰇍 = �󰇍󰇍󰇍 + �� 󰇍󰇍󰇍�

- Bảo toàn năng lượng:

ℎ�

�� + �0�

2= ℎ�

��+

�0�2

1 −� 2

�2

- Kết hợp định luật bảo toàn năng lượng và định luật bảo toàn động lượng, thu được hệ thức Comptom:

∆� = ℎ

��(1 − cos � )

 Kết quả thí nghiệm của Compton

2.2.3 Tán xạ Compton ngược

Tán xạ Comptom ngược là sự va chạm giữa một photon năng lượng thấp và một electron mang năng lượng cao Kết quả của sự va chạm là photon nhận thêm năng lượng và electron mất năng lượng

Hình 2.4 Tán xạ Comtomp

Hình 2.5 Kết quả thí nghiệm của Comtomp

Hệ thức Comtomp ngược:

��= �� ��(1 + � )�

�� 1 + ������ + ��(1 − ����) Trong đó:

��là năng lượng đầu của chùm photon trước khi va chạm

��là năng lượng của chùm photon sau khi va chạm

2.3 Hiệu ứng phát quang

2.3.1 Mô hình nguyên tử Bohr

a Tiên đề Bohr

Electron quay xung quanh hạt nhân không phải trên những quỹ đạo bất kì mà trên những quỹ đạo tròn, đồng tâm có bán kính nhất định gọi là những quỹ đạo bền (hay quỹ đạo cho phép) Khi quay trên những quỹ đạo bền này, electron không phát ra năng lượng điện từ

Năng lượng (E) chỉ được phát ra hay hấp thụ khi electron chuyển từ quỹ đạo bền này sáng quỹ đạo bền khác và bằng hiệu số năng lượng ở trạng thái đầu và trạng thái sau

b Lượng tử hóa moment động lượng

� = ��� = � ℎ

2�

Trong đó:

�và � khối lượng và tốc độ của electron

ℎhằng số Planck

� = 1, 2, 3, … số lượng tử

c Bước sóng của các vạch quang phổ

Bằng việc kết hợp các định luật động lực học cổ điển, bảo toàn năng lượng, và sự lượng tử hóa moment động lượng, bước sóng của các vạch quang phổ được xác định bởi biểu thức:

� = ��

4 8�0�ℎ3

1

�02−

1

�2 Trong đó:

� – Bước sóng của bức xạ điện từ phát ra

�− khối lượng của electron

� - điện tích electron

�0– hằng số điện môi của chân không

ℎ - hằng số Planck

�– tốc độ ánh sáng trong chân không

d Vạch quang phổ của nguyên tử Hidro

2.3.2 Mô hình nguyên tử hiện đại theo cơ học lượng tử

Do những mâu thuẫn nội tại, không thể giải thích thỏa đáng hàng loạt vấn đề, và không cho

ra kết quả phù hợp khi áp dụng cho các mô hình nguyên tử có nhiều electron, lý thuyết Bohr mặc dù đạt được nhiều thành tựu đáng kể nhưng vẫn chưa thỏa mãn được giới khoa học

Bằng việc giả thiết mọi vật đều có lưỡng tính sóng hạt và tuân theo hệ thức � = ℎ

� De Broglie đã đặt nền móng cho cơ học lượng tử

Cơ học lượng tử thành lý thuyết hoàn chỉnh và giải thích được cấu tạo nguyên tử khi xuất hiện phương trình Schrödinger

2.3.3 Hiệu ứng phát quang

Hiệu ứng phát quang là thuật ngữ chung dùng để mô tả quá trình một vật liệu hấp thụ năng lượng từ nguồn bên ngoài sau đó phát xạ lại nguồn năng lượng đó bằng các bức xa điện từ Nguồn năng lượng này có thể đến từ phản ứng hóa học, các tác động vật lý…

Hiệu ứng phát quang được chia thành 2 loại chính

a Hiện tượng quang hóa – Photoluminescence

Hình 2.6 Quang phổ vạch của nguyên tử Hidro

Bảng 2.1 Hiệu ứng lân quang và huỳnh quang Hiện tượng huỳnh quang - Fluorescence Hiện tượng lân quang - Phosphorescence

Sự phát quang của vật chất khi hấp thụ ánh sáng hay một bức xạ điện từ

Với vật liệu huỳnh quang, sóng điện từ

được hấp thụ và phát xạ lại sau khi hấp xạ

bực xạ điện từ và biến mất ngay lập tức khi

bức xạ điện từ biến mất ( từ 10-10đến 10-7

giây)

Với vật liệu lân quang, nguồn năng lượng được hấp thụ từ bức xạ điện từ có thể được giữ lại và phát xạ trong khoảng thời gian khá dài ( từ 10-5đến hơn 103giây)

Snlà trạng thái kích thích điện tử đơn thứ n của phân tử (Spin của phân thử bằng 0)

Tntrạng thái kích thích điện tử bội ba thứ n của phân tử (Phân tử có thể có Spin -1, 0, 1) Energy levels: Các mức năng lượng Các vạch đậm thể hiện năng lượng thấp nhất trong một trạng thái của electron, các vạch nhạt thể hiện mức năng lượng cao hơn

Absorption: Sự hấp thụ

Internal Conversion: Sự chuyển dịch nội tại – Electron chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác nhưng không phát ra bức xạ điện từ

Vibrational relaxation: Sự chuyển từ đổi từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái năng lượng thấp trong cùng một trạng thái electron

Intersystem crossing: Sự chuyển dịch không tạo ra bức xạ điện từ giữa 2 trạng thái electron cùng số Spin

b Phát quang nhờ hóa chất – Chemiluminescence

Phát quang nhờ hóa chất là hiện tượng mà ánh sáng được phát ra nhờ vào nguồn năng lượng sinh ra trong các phản ứng hóa học

Hình 2.7 Giản đồ Jablonski

CHƯƠNG 3 MỘT SỐ ỨNG DỤNG VÀ HIỆN TƯỢNG TRONG THỰC TẾ 3.1 Pin quang điện

3.1.1 Định nghĩa:

Pin quang điện là nguồn điện trong đó quang năng chuyển hóa thành điện năng Pin quang điện gồm hai lớp bán dẫn tiếp xúc nhau: một bán dẫn loại p (gồm đa số là lỗ trống mang điện tích dương)

và một lớp bán dẫn n (gồm đa số là electrôn dẫn mang điện tích âm) Giữa lớp p và lớp n hình thành một lớp đặc biệt gọi là lớp chặn, có tác dụng ngăn không cho electrôn di chuyển từ lớp bán dẫn n sang lớp bán dẫn p Pin quang điện hoạt động dựa trên hiện tượng quang điện trong của các chất bán dẫn: german, silic, selen

3.1.2 Cấu tạo:

3.1.3 Nguyên lý hoạt động

- Ánh sáng có bước sóng thích hợp rọi vào điện cực dương + (trong suốt) vào lớp bán dẫn loai p

- Tại lớp p, xảy ra hiện tượng quang điện trong tạo thành lỗ trống và electron quang điện

- Điện trường lớp tiếp xúc p - n đẩy lỗ trống về lớp p và đẩy electron dẫn về lớp n, khiến lớp bán dẫn p trở nên nhiễm điện dương còn lớp n thừa electrôn trở nên nhiễm điện âm

- Lớp kim loại mỏng ở phía trên lớp p (vừa cho phép ánh sáng đi qua, vừa có tác dụng dẫn điện) nối với một điện cực Điện cực này là điện cực dương

- Ở phía dưới lớp n là một đế bằng kim loại đóng vai trò của điện cực âm

- Nối hai điện cực của pin quang điện với một mạch ngoài thì trong mạch ngoài có dòng điện một chiều chạy từ cực dương sang cực âm

3.1.4 Một số ứng dụng của pin quang điện

- Chế tạo pin năng lượng mặt trời, máy nước nóng năng lượng mặt trời, các phương tiện sử dụng pin năng lượng mặt trời trong đường bộ, đường sắt, đường thủy và đường hàng không, quần áo năng lượng mặt trời, …

- Máy đo ánh sáng/màu sắc như lux kế, cảm biến bật/tắt đèn đường

- Chế tạo pin dùng trên tàu vũ trụ

Hình 3.1 Sơ đồ cấu tạo pin quang điện

3.2 Hiện tượng quang - phát quang

3.2.1 Ứng dụng

Một số loại sơn xanh, đỏ, vàng lục quyét trên các biển báo giao thông hoặc ở đầu các cọc chỉ giới đường là các chất lân quang có thời gian kéo dài khoảng vài phần mười giây Ngoài ra còn có rất nhiều đồ trang trí nội thất sử dụng chất lân quang

Hỗn hợp xi-măng trộn chất lân quang có thể hấp thụ ánh sáng mặt trời ban ngày rồi chiếu sáng vào ban đêm hoặc những ngày thời tiết u ám và phát sáng liên tục trong 12 giờ đồng hồ, giúp tiết kiệm điện năng

Hình 3.2 Ứng dụng của hiệu ứng phát quang trong chiếu sáng lối đi Bóng đèn huỳnh quang: nguyên lí làm việc: Khi đóng điện, hiện tượng phóng điện giữa hai điện cực làm phát ra tia tử ngoại (tia cực tím) Tia tử ngoại tác dụng vào lớp bột huỳnh quang làm đèn phát sáng

Hình 3.3 Sơ đồ cấu tạo bóng đèn huỳnh quang

3.3 Tán xạ Compton

3.3.1 Trong nghiên cứu: Tạo ra nguồn tia X

Bằng việc thực hiện hiệu ứng tán xạ Compton ngược, người ta đã tạo được nguồn chiếu tia

X Chùm tia X được tạo ra có năng lượng từ 10 KeV tới vài trăm KeV

a Nguyên lí hoạt động - cơ sở lí thuyết

Các electron được gia tốc trong buồng gia tốc hạt để đại mức năng lượng cực lớn, các electron sau khi gia tốc sẽ được bắn vào 1 chùm photon năng lượng thấp (thường là từ tia Laser), hiệu ứng tán xạ Compton ngược xảy ra, các photon tán xạ ngược mang năng lượng cao, tạo ra chùm tia X

b Cấu tạo, các bộ phận chính

- Buồng electron: nơi trữ các dòng electron

- Buồng gia tốc hạt: dòng electron được lấy ra và vận chuyển đến buồng gia tốc hạt Tại đây, các electron sẽ được gia tốc để đạt tới năng lượng cần thiết Có thể điều chỉnh mức năng lượng cần đạt tới của các electron

Bảng 3.1 Bảng năng lượng chùm tia X tương ứng với năng lượng chùm electron

Hình 3.4 Máy tạo nguồn X-ray của tập đoạn Lyncean Technology

Hình 3.5 Bộ phận chính của máy

c Ứng dụng của tia X

Việc tạo ra nguồn tia X đã được ứng dụng rất nhiều như:

- Kiểm tra an ninh tại các cửa khẩu, sân bay: kiểm tra hành lí, đồ dùng của mọi người

- Ứng dụng chẩn đoán hình ảnh trong Y tế: chụp X - quang, …

- Các thí nghiệm liên quan đến tia X trong các Phòng thí nghiệm

3.3.2 Xác định độ dày vật liệu

a Cơ sơ lí thuyết - Nguyên lí hoạt động

Bằng việc sử dụng tán xạ Compton, một chùm tia gamma sẽ được chiếu tới vật liệu và bị tán

xạ, lệch 1 góc θ so với phương ban đầu Đo cường độ chùm tán xạ sẽ cho ta biết độ dày của vật liệu

b Cấu tạo, các bộ phận

- Nguồn phóng xạ thường là đồng vị phóng xạ của Co60 hoặc Cs137

- Nguồn phóng xạ dạng trụ có đường kính 4-5mm, được bọc thép bên ngoài

- Đầu dò:

Một mô hình đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) được xây dựng dựa trên mẫu đầu dò

Hình 3.6 Các bộ phận chính của thiết bị đo

Hình 3.7 Nguồn phóng xạ Cs137