CHƯƠNG 2: THUYẾT LƯỢNG TỬ doc

Có thể dùng năng lượng cơ học khi cọ sát các vật để tạo ánh sáng, có thể dùng năng lượng của dòng điện để phát sóng điện từ.. Khi các nguyên tử, phân tử của vật chất chuyển từ trạng thái

CHƯƠNG 2 : THUYẾT LƯỢNG TỬ

II THUYẾT LƯỢNG TỬ

1 Nội dung thuyết lượng tử của Planck

2 Nội dung thuyết lượng tử của Einstein

3 Ðịnh nghĩa cường độ sáng

III HIỆU ỨNG QUANG ÐIỆN

1 Thí nghiệm

2 Các định luật quang điện

3 Giải thích các định luật quang điện

I BỨC XẠ CỦA VẬT ÐEN (BLACKBODY-RADIATION)

1 Bức xạ (Radiation)

TOP

Bức xạ là hiện tượng mà một vật thể nào đó phát ra các sóng điện từ và sóng điện từ đó lan truyền trong không gian Qúa trình phát và lan truyền sóng điện từ là qúa trình lan truyền năng lượng, như vậy các vật phát sóng điện từ phải chuyển đổi một dạng năng lượng nào đó thành năng lượng sóng Con người có thể làm cho các vật thể phát sóng điện từ bằng cách cung cấp năng lượng cho nó Năng lượng có thể cung cấp cho vật bằng tác dụng hoá học thí dụ như phản ứng cháy của phốt-pho trong không khí sẽ phát sáng

Có thể dùng năng lượng cơ học khi cọ sát các vật để tạo ánh sáng, có thể dùng năng lượng của dòng điện để phát sóng điện từ Nói chung phương pháp giản đơn nhất là truyền nhiệt trực tiếp cho vật

Bức xạ nhiệt (Heat radiation) Bức xạ nhiệt là một qúa trình mà hệ biến đổi nhiệt năng nhận được từ môi trường thành nội năng của hệ vật; Bức xạ nhiệt là dạng bức

xạ phổ biến nhất tạo ra do các nguyên tử, phân tử của vật chất bị kích thích bởi tác dụng nhiệt của các nguồn ngoài Khi các nguyên tử, phân tử của vật chất chuyển từ trạng thái kích thích trở về trạng thái cơ bản lúc đầu, nó sẽ phát ra sóng điện từ (có thể dưới dạng ánh sáng) Người ta dùng khái niệm bức xạ nhiệt là để phân biệt với bức xạ điện từ do điện trường và từ trường biến thiên tạo ra

Sự hấp thụ (ABSORPTION) bên cạnh quá trình bức xạ, vật thể có khả năng thu nhận ngay chính năng lượng của sóng điện từ do một hệ khác truyền qua nó Qúa trình đó gọi là quá trình hấp thu sóng điện từ mà thường được gọi tắc là hấp thụ Khi vật phát ra bức xạ thì năng lượng của nó giảm và kéo theo là nhiệt độ của nó cũng giảm Ngược lại, khi vật hấp thụ bức xạ thì năng lượng của nó tăng và nhiệt độ của nó cũng tăng lên

Cân bằng nhiệt khi phần năng lượng của vật mất đi do bức xạ được bù lại bằng đúng phần năng lượng vật hấp thụ thì vật ở trạng thái cân bằng nhiệt lúc đó nhiệt độ của

vật sẽ không thay đổi theo thời gian

2 Ðặc điểm của sự bức xạ

TOPNhư đã phân tích ở chương 1, năng lượng truyền đi bằng bức xạ không cần thông qua một môi trường trung gian (ether chẳng hạn) mặc dù bức xạ có thể được chụp lại khi

nó đi qua nhiều môi trường khác nhau Sự khác biệt duy nhất giữa các loại bức xạ là cường độ bức xạ ứng với mỗi tần số hoặc bước sóng khác nhau là khác nhau Người ta phân loại bức xạ phát ra thông qua vùng bước sóng mà bức xạ đó phát ra

Năng lượng vật chất mất đi trong một đơn vị thời gian do vật bức xạ được gọi là công suất bức xạ Công suất bức xạ tùy thuộc vào nhiệt độ tuyệt đối của vật bức xạ Nhiệt độ tuyệt đối của vật càng thấp thì công suất bức xạ của vật cũng thấp và ngược lại nhiệt độ

càng cao thì công suất bức xạ của vật càng cao

3 Ðịnh lý Stefan-Boltzmann về bức xạ (Stefan- Boltzmann s law of

Năm 1879, Josef Stefan qua nhiều thí nghiệm về bức xạ nhiệt, kết hợp với những

cơ sở lý thuyết do Ludwig Boltzmann đưa ra sau đó ít lâu, đã tổng kết thành định lý Stefan- Boltzmann: Công suất bứïc xạ nhiệt của một vật thì tỷ lệ với lũy thừa bậc bốn của nhiệt độ tuyệt đối của vật bức xạ và diện tích bề mặt vật bức xạ

Bởi vì mọi vật đều phát ra các bức xạ nhiệt vào môi trường xung quanh cho nên

nó cũng đồng thời hấp thu bức xạ nhiệt từ các vật khác xung quanh nó; Thế nên công suất bức xạ nhiệt biến đổi trên một vật đặt trong môi trường sẽ là:

4.Vật đen (Black-body)

TOPVật đen là một vật có hệ số đặc trưng cho bức xạ hoặc hấp thụ bằng một

Một vật nhận thêm nhiệt thì không những nó bức xạ mạnh hơn mà màu sắc của nó cũng thay đổi rõ rệt, Ví dụ một thanh kim loại mỏng được đung nóng lâu sẽ chuyển từ

màu xám thành màu đỏ và dần dần thành màu cam

5 Ðịnh luật Wien TOP

II THUYẾT LƯỢNG TỬ CỦA PLANCK ( PLANCKS QUANTUM

THEORY)

1 Nội dung thuyết lượng tử Planck TOP

Những nguyên tử hay phân tử vật chất hấp thụ hay bức xạ năng lượng thành từng phần riêng biệt, gián đoạn, mỗi phần mang một năng lượng hoàn toàn xác định có độ lớn

2 Nội dung thuyết lượng tử của Einstein

TOPÐối với ánh sáng, một lượng tử năng lượng còn được gọi là một Phôtôn, Phôtôn không tồn tại ở trạng thái đứng yên, nó chuyển động với vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng, vì thế xung lượng và năng lượng của Phôtôn tuân theo công thức xung lượng và năng lượng tương đối là:

Ngoài ra, theo quan điểm của Einstein, một tia sáng khi chạm vào một vật hấp thụ ánh sáng thì số lượng phôtôn đến sẽ giảm đi, cho nên cường độ ánh sáng sẽ giảm vì có một số phôtôn đã tách khỏi tia sáng (Hình 2.2) Sự hấp thụ ánh sáng hoàn toàn khi mà toàn bộ số lượng phôtôn tới đều tách ra khỏi tia sáng

Từ bài toán trên ta thấy, với một nguồn sáng yếu và một khoảng cách quan sát tương đối xa trong một vùng có bước sóng hẹp thì số lượng phôtôn đi qua mắt trong một giây vào khoảng 35000 hạt Kết qủa nầy trùng với thực nghiệm khi dùng một máy đếm phôtôn có bước sóng xác định do Phillip Lenard thực hiện Như vậy có thể nói là Phôtôn

phát xạ với mật độ đồng đều theo mọi phương

III HIỆU ỨNG QUANG ÐIỆN (THE PHOTOELECTRIC EFFECT)

1.Thí nghiệm:

TOPKhi chiếu sáng bằng ánh sáng có bước sóng thích hợp hoặc chiếu bằng tia cực tím lên trên bề mặt một kim loại, người ta thấy các electron bị bức xạ ra khỏi bề mặt của nó (Hình 2.4)

2 Các định luật quang điện

TOPNgười ta chứng minh được rằng tần số của bức xạ chiếu tới phải có tần số lớn hơn tần số giới hạn (hay là có bước sóng kích thích nhỏ hơn một bước sóng giới hạn)

Ðối với mọi kim loại khác nhau giá trị giới hạn của tần số hoặc bước sóng sẽ khác nhau

Lenard qua nhiều thí nghiệm chứng tỏ rằng số lượng electron bị bức xạ tăng lên đồng thời theo sự tăng lên của cường độ chùm ánh sáng tới

Năng lượng (động năng ban đầu) của các electron thì không phụ thuộc cường độ chùm sáng tới

Những định luật vừa nêu trên thì ngược lại với thuyết điện động lực học cổ điển

vì quá trình truyền sóng là qúa trình truyền năng lượng nên ánh sáng có cường độ mạnh thì sẽ có năng lượng lớn Các electron hấp thu năng lượng lớn thì động năng của nó sau khi bức khỏi kim loại càng lớn Ngoài ra lý thuyết cổ điển đã tiên đoán rằng dù năng lượng tới có công suất yếu đi nữa thì cũng có một số electron hấp thu vừa đủ năng lượng cần thiết mà thoát ra bề mặt kim loại Sẽ không có giới hạn nào cả cho hiệu ứng quang điện Như thế Hiệu ứng quang điện cần được giải thích như thế nào?

3 Giải thích các định luật quang điện của Einstein bằng thuyết

Trước tiên chúng ta giả sử rằng năng lượng nhỏ nhất gọi là công thoát A đủ để cho một electron ở sát mặt ngoài kim loại thoát ra khỏi kim loại (giá trị A là hoàn toàn xác định với mọi kim loại Giá trị của nó biến động từ 1.0 đến 10.0 eV)

4.Ứng dụng

TOPHiệu ứng quang điện được ứng dụng để chế tạo tế bào quang điện (thiết bị cho dòng điện đi qua khi có ánh sáng thích hợp chiếu tới) Tế bào quang điện được dùng chế tạo Rơle quang điện ứng dụng trong các thiết bị tự động hóa và thiết bị đếm bằng xung ánh sáng

Pin quang điện: Ðó là một hệ gồm hai mẫu bán dẫn loại P và một lọai N được ghép sát nhau sau, khi có sự khuếch tán điện tử và lổ trống lớp ghép nối xuất hiện điện trường phụ hướng từ lớp N (có nhiều lổ trống khuếch tán qua) sang lớp P (có nhiều điện

tử khuếch sang) không cho dòng điện đi qua khối N-P Khi có ánh sáng chiếu tới mẫu N các electron nhận được năng lượng và bức xạ điện tử liên tục tạo thành các electron tự

do Khi nối cực P và N qua một thiết bị tiêu thụ điện sẽ có một dòng điện qua dây dẫn từ

P sang N (hình 2.6) Các e đi từ N qua R đến P để trung hoà với các lổ trống

Người ta sử dụng Pin quang điện để biến đổi năng lượng ánh sáng mặt trời thành điện năng (Solar cell) Nếu dùng pin quang điện bằng chất bán dẫn Silic, hiệu suất của nó

có thể đạt đến 14-15% Người ta tính được trên diện tích 1m2 của pin quang điện được ánh sáng chiếu tới ta có thể nhận được một công suất điện là 100 W và như vậy với diện tích của một mái nhà trung bình ta có đủ điện năng để thỏa mãn mọi tiện nghi cho một gia đình Tuy nhiên, về giá thành của các Pin quang điện hiện nay còn tương đối khá đắc

so với các nguồn năng lượng khác

IV NHIỆT DUNG RIÊNG CỦA VẬT RẮN (SPECIFIC HEAT OF

Khi tinh thể ở nhiệt độ rất thấp, mỗi nguyên tử đểu ở trạng thái cơ bản (năng lượng tối thiểu), mỗi nguyên tử chỉ hấp thụ một phôtôn năng lượng có giá trị h( và không hấp thụ nhiều hơn h( Vì hấp thụ nhiệt nên nhiệt độ của tinh thể sẽ tăng lên đến khi KT lớn hơn h( thì lúc đó mỗi nguyên tử sẽ hấp thụ nhiều phôtôn hơn lúc đầu (nh() và nhiệt dung riêng khi đó tiến tới gía trị cổ điển ( 3R = hằng số cho mỗi mol) Từ nhiệt độ đó thì nhiệt dung riêng sẽ là hằng số

V TIA X ( X RAYS )

1 Thí nghiệm Roentgen TOP

Về sau, các nhà khoa học xác nhận bức xạ được phát ra từ thí nghiệm trên là một loại sóng điện từ có bước sóng ngắn hơn cả bước sóng tia tử ngoại ( gía trị từ 10-8 m đến 10-12 m) Các nhà khoa học gọi nó là tia X hay tia Roentgen để ghi nhận công trình khám phá của Roentgen

2 Cơ chế tạo thành tia Roentgen

TOPTia X được tạo ra là do các electron chuyển động có động năng lớn khi đập vào đối âm cực của một kim loại có khối lượng riêng lớn, nó dễ xuyên sâu vào những lớp bên trong của vỏ nguyên tử Ðiều nầy không thể thực hiện đối với những kim loại nhẹ, electron tới tương tác với hạt nhân và các electron ở lớp vỏ của nguyên tử Sự tương tác nầy làm xuất hiện dao động của hạt các hạt mang điện trong nguyên tử Dao động của hạt các hạt mang điện trong nguyên tử tạo ra điện trường biến thiên, từ đó sinh ra sóng điện từ lan truyền trong không gian Sóng nầy có tinh chất giống sóng ánh sáng (một chùm tia sáng của dòng hạt Phôtôn) vì thế mà ta gọi sóng đó là tia Roentgen

Chính nhờ phát minh ống phóng điện và môi trường tạo ra tia X với bước sóng được điều chế mà Wilhelm Konrad Roentgen đã lãnh giải thưởng Nobel về vật lý năm 1895, người

ta nhanh chóng ứng dụng tia roentgen để chuẩn đóan xương bằng phương pháp chụp X

quang Tuy nhiên, việc chụp X quang làm tổn hại nhiều hồng huyết cầu nên ứng dụng

nầy trong một thời gian dài bị hạn chế sử dụng

VI TÁN XẠ COMPTON (COMPTON SCATTERING) TOP

Tán xạ của hạt là gì: Người ta định nghĩa tán xạ của hạt Photon là sự thay đổi đường đi của chùm tia Phôtôn khi gặp phải một môi trường có sự không đồng nhất về chiết suất với những khoảng cách mà chiết suất thay đổi gần bằng độ dài bước sóng photon (Hình 2.9)

Thực ra sự tán xạ là sự lan truyền của sóng trong những môi trường có hằng số điện và hằng số từ thay đổi hỗn loạn, rất phức tạp nếu sử dụng các hệ phương trình Maxwell để giải và tìm chiết suất hiệu dụng của môi trường

Sự tán xạ có thể xem đơn giản như sự va chạm đàn hồi của các qủa bóng trong một môi trường Khi xem xét sự va chạm đó, định luật về sự bảo toàn năng lượng và xung lượng vẫn được áp dụng

Ví dụ ta có một lượng tử năng lượng của tia X, va chạm vào một electron đứng nghỉ Một phần năng lượng và xung lượng của tia X chuyển vào cho electron và sau khi tán xạ thì lượng tử năng lượng tán xạ (hạt hình thành sau tán xạ) có năng lượng và xung lượng nhỏ hơn của lượng tử năng lượng ban đầu (tiaX) Vì năng lượng của lượng tử tán

xạ nhỏ hơn năng lượng của lượng tử ban đầu nên tần số của lượng tử tán xạ nhỏ hơn tần

số của lượng tử ban đầu và khi đó bước sóng của lượng tử tán xạ lại lớn hơn bước sóng của lượng tử ban đầu

Cơ Chế Tán Xạ Compton:

Trong tán xạ Compton, năng lượng của lượng tử tia X đã chuyển hóa một phần thành năng lượng của electron Electron dao động phát ra sóng điện từ, sóng điện từ chuyển một phần năng lượng cho một lượng tử, vì thế lượng tử bức xạ có bước sóng nhỏ hơn lượng tử ban đầu

Như đã trình bày, khi tia X va chạm, một phần năng lượng tia X chuyển hóa cho electron Năng lượng nầy phụ thuộc vào góc tán xạ tức là phương của lượng tử năng lượng tán xạ so với phương ban đầu:

Giá trị này là rất nhỏ so với bước sóng của ánh sáng khả kiến vì thế nếu dùng ánh sáng làm thí nghiệm Compton ta sẽ không thấy sự biến đổi của độ dài sóng Tức là không quan sát được hiệu ứng Compton

Hiệu ứng Compton đã thực sự thuyết phục các nhà vật lý rằng sóng điện từ thực

sự thể hiện một tính chất giống như một chùm hạt chuyển động với vận tốc ánh sáng Hay nói khác đi Sóng và hạt là hai thuộc tính cùng tồn tại trong các quá trình biến đổi năng lượng

VII PHỔ NGUYÊN TỬ VÀ MẪU NGUYÊN TỬ CỦA BOHR

1 Mẫu nguyên tử Rutherford: TOP

Con người khơng nhìn thấy được nguyên tử nhưng cĩ thể kích thích nĩ để nĩ phát sáng Aïnh sáng đĩ mang những thơng tin rất tốt giúp ta hiểu được cấu tạo của nguyên tử

và đồng thời nĩ cũng mang đến sự bế tắc của vật lý cổ điển

Nhược điểm của thuyết này là khi giải thích nguyên tử phát sáng thì các electron của nguyên tử đĩ phải chuyển động quanh hạt nhân với gia tốc hướng tâm khác khơng để

cĩ thể sinh ra sĩng điện từ Sĩng điện từ lan truyền thì phải mất năng lượng nên điện tử

sẽ quay chậm lại và tất yếu sẽ lao vào hạt nhân Mộüt điện tử, hai điện tử và cuối cùng là tồn bộ điện tử sẽ lao vào hạt nhân để trung hồ với proton và nguyên tử sẽ mất đi Ðiều nầy trái với thực tế là các nguyên tử vẫn tồn tại

2 Quang phổ nguyên tử TOP

Từ lâu người ta đã biết mỗi nguyên tử của các chất khi bị đun nĩng đến một nhiệt

độ nào đĩ (được kích thích) sẽ phát ra ánh sáng Dùng lăng kính để phân tích ánh sáng đĩ

(sự tán sắc ánh sáng) ta thu được hình ảnh một dãy những vạch màu trong đó có các bước sóng khác nhau Hình ảnh đó gọi là quang phổ của nguyên tử

Ðặc điểm của quang phổ nguyên tử là :

1- Mỗi nguyên tử phát ra các vạch màu khác nhau

2- CÁC VẠCH MÀU NẰM GIÁN ĐOẠN KHÔNG LIÊN TỤC ỨNG VỚI TỪNG BƯỚC SÓNG CỤ THỂ

3- Các vạch màu có một độ rộng khác nhau và khá nhỏ, ứng với các bước sóng khác nhau

Ví dụ : quang phổ Hydrogen (trên Hình 2.11 )

Theo quan điểm cổ điển, nguyên tử quay quanh hạt nhân phát ra ánh sáng phải có tần số (hoặc bước sóng) thay đổi liên tục vì năng lượng của nguyên tử thay đổi liên tục Vậy quang phổ nguyên tử phải là quang phổ liên tục Nhưng thực tế quang phổ nguyên tử lại là quang phổ gián đoạn

Như thế, chính do những quan sát quang về phổ nguyên tử, người ta đã đưa Vật lý

cổ điển vào con đường bế tắc Cần có những lý thuyết mới để giải thích cho các thí nghiệm về nguyên tử

3 Nguyên tử Borh (Borh Modal)

TOPNăm 1913 Borh nêu ra giả thuyết về nguyên tử như sau:

1- Ðiện tử luôn chuyển động trên những đường đặc biệt gọi là quỹ đạo dừng Trạng thái của nguyên tử có electron chuyển động ở các quỹ đạo dừng gọi là trạng thái dừng Khi ở trạng thái dừng nguyên tử không bức xa.û

2- Trong tất cả những quỹ đạo dừng có thể có thì điện tử chỉ ở những qũy đạo dừng nào mà độ lớn momen xung lượng bằng một số nguyên lần hằng số Planck

Vậy ta thấy, mômen xung lượng của electron nhận những giá trị gián đoạn và năng lượng của electron tại từng quỹ đạo đó cũng có giá trị gián đoạn Ta gọi sự gián đọan của một đại lượng nào đó là sự lượng tử hóa

3-Khi nhận năng lượng kích thích, electron chuyển từ quỹ đạo dửng có năng lượng nhỏ sang quỹ đạo dừng có năng lượng lớn hơn Trạng thái nầy không bền nên electron lại có khuynh hướng chuyển về quỹ đạo dửng có năng lượng nhỏ và phần năng lượng thừa được bức xạ với dạng ánh sáng:

Mỗi electron có nhiều quỹ đạo dừng khác nhau nên có nhiều bước chuyển năng lượng Tương ứng với 2 cặp quỹ đạo dừng bất kỳ cho sự di chuyển của electron là một bước sóng điện từ (trong đó có thể là bước sóng ở vùng khả kiến)

Ðối với nguyên tử Hydrogen bán kính các qũy đạo dừng tăng tỷ lệ với bình phương các số nguyên Các qũy đạo dừng nầy được đặt tên như sau: