Nghiên cứu sự phát xạ và bản chất của ánh sáng Khoá luận tốt nghiệp

Vận tốc ánh sáng có liên quan với nhiều hằng số cơ bản khác của vật lý, và có mặt trong các định luật vật lý và các hệ thức chủ yếu: chiết suất của một chất được biểu diễn theo nó n =S,

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

KHOA VẬT LÝ

NGUYEN THI HUE

NGHIEN CUU SU PHAT XA VA BAN CHAT

ANH SANG

TOM TAT KHOA LUAN TOT NGHIEP DAI HOC

HA NOI, 2012

LỜI CÁM ƠN

Để hoàn thành khóa luận này, tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ nhiệt

tình của các thầy cô

Đầu tiên tôi muốn gửi lời cảm ơn tới ThS Phan Thị Thanh Hng là người đã chỉ dẫn tận tình, tạo điều kiện tố nhất giúp đỡ tôi hoàn thành khóa luận này

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong khoa Vật lý Trường ĐHSP Hà Nội 2 những người đã giúp đỡ đề tôi hoàn thành khóa luận này

Trong quá trình hoàn thành khóa luận, tôi không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong được sự góp ý kiến của các thầy cô để khóa luận được đầy đủ hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 5 năm 2012

Sinh viên

Nguyễn Thị Huế

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan khóa luận được hoàn thành là kết quá nghiên cứu của riêng tôi, kết quả nghiên cứu không sao chép, không trùng lặp với các kết quả nghiên cứu trước

Nêu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm!

Hà Nội, tháng 5 năm 2012

Sinh viên

Nguyễn Thị Huế

1 Lý do Chon G6 tai c ceeccccccscsecssessssesssseessseessessssecsssesssseessseessseesseessseeesseeees

2 Mục đích nghiên CỨU + + +EESEsEeESEeEekekekekrkrkrkrkrkrree

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu . -ccc+ccsc+c++

4 Nhiệm vụ nghiÊn CỨU - ó- + E1 v93 xe

5 Phương pháp nghiÊn CỨU - s55 + +E+vEeeseeeereerse

6 Cấu trúc khóa luận -+22+©vvvvvveeeeeerritrtrrttttiiirrrrrrie

1.6.2 Sự thăng giáng của những chùm tia kết hợp - 16 1.6.3 Sự thăng giáng trong trường giao thoa « c<s+ 16 1.7 Sự nhiễu xạ Điều kiện để quan sát nhiễu xạ -.2 +¿ 17

1.7.1 Sự nhiễu Xạ - 22 SE SE+EEE SE EEEEEEEEEEEEEEEEErkrrr 17

1.7.2 Điều kiện để quan sát nhiễu xạ 2- 2 ¿©xz+xeezrs 19 1.8 Kết luận chương Ì ©<+©+£+EEE£+EEEeSEEEeSEEErEEkrrrrkrrrrkerrek 20 Chương 2 Bản chất ánh sáng 2-2222 SE EEEEEEEEErrkrerkeee 21 2.1 Ban chat điện từ của ánh sáng

Hình ảnh cổ điển của sự phát xạ ¿-225cccceccckecrrkrrrrerrrex 21 2.2 Các mức năng lượng gián đoạn của nguyên tử . - ‹ 23 2.2.1 Thí nghiệm Phrang và Hec «+ + sxsxexrereeeree 23 2.2.2 Thí nghiệm xác định mức năng lượng gián đoạn

l0 :8011/)0001 2222 25 2.3 Giản đồ các mức năng lượng ¿©sc + xxccxkcrrkerrkrrreerree 26 2.3.1 Thiết lập công thức năng lượng toàn phần của nguyên tử 27 2.3.2 Nguyên tắc xây dựng giản đồ mức năng lượng của nguyên tử 28 2.3.3 Tính năng lượng của nguyên tử ở trạng thái bình thường 30

2.4 Các định đề Bo Cơ cấu lượng tử về sự phát xạ ánh sáng 31

2.5 Kết luận chương 2 -2-©2£+2++e+EEECEEEECEEEEEEEEEEEEEEEEEErrrkkrrrrrree 33 Chương 3 Các dạng khác nhau của bức xạ điện từ - 34 3.1 Sóng tần số thấp và sóng vô tuyến . -¿ +-©+c+ccxccrxcrrs 34

3.1.1 Dao động điện tần số thấp “TH HT HH TH TH TH re 34

3.1.2 Sóng vô tuyến :- +22 E22 E211 Eeerteee 34 3.2 Bức xạ hồng ngoại -22- 22222 2E AE 711711171 EXE Extrktrkrrerrec 35 3.3 Bức xạ thấy đưỢC s-©+<+2x2ExE1E1E271E171E271E1TXE1TxeTktkerrkrrree 36

3.5 Bức xạ của các máy phát lượng tử quang học ‹-+ 38 3.6 Bức xạ Rơnghen - 6 1k1 SH HH HH nhi 39 3.6.1 Ống điện tử Rơnghen 2-22-2222 ESEEEeEEkrrkeerreee 39 3.6.2 BÊ{a(rÔN 6 TT TH HH TH TT TH HT HH HH Hư 40 3.6.3 Sự phát sinh ra bức xạ Rơnghen sec 41

3.7 Buc Xa Gamma, .ccccssccesscessccesccestcessecesecessecsseceseceseeceaeceseesseceseess 42

3.7.1 Sự bắn phá liti bằng proton -©s©cc+cxcvcrevrxeerreee 42 3.7.2 Su phan rã phóng xạ của hạt nhân nguyên tử - 43

3.7.3 Sự hãm các electron được tăng tOC ceeccecceseesecssesecsecerseeeeeseeeveaee 43 3.7.4 Sự biến đổi cặp electron — pôzitron thành bức xạ 43

3.8 Kết luận chương 3 -2-©s++k+EEE9EEE121E221112112211211E1211 11 1xx 45

$0 0a 43+<đAggAB., H , 46

TÀI LIỆU THAM KHẢO .-22-©22£2EE2£+2EEEEtEEEEErrrEkerrrrrkerrree 47

MO DAU

1 Li do chon dé tai

Quang lý là một trong những nội dung quan trọng trong vật lí Nó chứa đựng mọi kiến thức về bản chất của ánh sáng, tác dụng của ánh sáng và ứng dụng của quang lý trong đời sống và trong kĩ thuật

Vật lý hiện đại trưởng thành lên nhờ sự nghiên cứu về cầu tạo của các

nguyên tử của các chất và sự nghiên cứu về ánh sáng Ánh sáng được tìm hiểu

về mọi mặt như: sự giao thoa, sự truyền ánh sáng, bản chất điện từ hay những

dạng khác nhau của bức xạ điện từ Sự phát xạ của ánh sáng được ứng dụng rộng rãi như: trong các dụng cụ quang điện, sự thắp sáng bằng huỳnh quang, ứng đụng của quang học trong kĩ thuật đo lường, Mặt khác, trên thực tế ta còn gặp rất nhiều ứng dụng khác về sự phát xạ nhờ ánh sáng Vì vậy việc

“nghiên cứu về sự phát xạ và bản chất ánh sáng” là van dé cần thiết

Xuất phát từ quan điểm trên và sự yêu thích môn quang học của bản

thân, là những lí do khiến tôi chọn đề tài nghiện cứu là: “Nghiên cứu sự phát

xạ và bản chất ánh sáng ” nhằm nâng cao sự hiểu biết của riêng tôi, đồng thời

có thể làm tài liệu tham khảo cho các bạn sinh viên khác

2 Mục đích nghiên cứu

- _ Nghiên cứu một số vấn đề thuộc quang lý

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- _ Đối tượng nghiên cứu là ánh sáng

- Phạm vi nghiên cứu: sự phát xạ và bản chất của ánh sáng

4 Nhiệm vụ nghiên cứu

- _ Tìm hiểu bản chat ánh sáng

- _ Tìm hiểu sự bức xạ điện từ

5 Phương pháp nghiên cứu

- Doc va tra cứu tài liệu để xây dựng cơ sở lý thuyết

- _ Phương pháp vật lí lý thuyết.

6 Cấu trúc khóa luận

Khóa luận gồm có ba chương:

Chương 1 Một số khái niệm của quang lý

Chương 2 Bản chất ánh sáng

Chương 3 Các dạng khác nhau của bức xạ điện từ.

cứu đại lượng này Trước hết là quang học và điện động lực Vận tốc ánh sáng

là một trong những khái niệm cơ bản trong thuyết của Maxwell về trường điện từ, trong thuyết lượng tử, thuyết tương đối Giá trị giới nội của vận tốc ánh sáng xác định lý thuyết tác dụng gần, thuyết này có ý nghĩa quan trọng đối với thế giới quan vật lí học hiện đại

Vận tốc ánh sáng có liên quan với nhiều hằng số cơ bản khác của vật

lý, và có mặt trong các định luật vật lý và các hệ thức chủ yếu: chiết suất của

một chất được biểu diễn theo nó (n =S), năng lượng (e=h*), khối lượng

giữa các hăng số điện và từ (£¿⁄ =~y) và các hệ thức khác Vận tôc ánh sáng

c

xác định hệ thức giữa các đơn vị điện từ và đơn vị tĩnh điện của các đại lượng

vật lí Một trong những vấn đề này cũng như cách xác định vận tốc ánh sáng

bằng thực nghiệm được trình bày trong một số sách và có một ý nghĩa quan

trọng đối với việc học vật lí

Vận tốc ánh sáng có thể đo được bằng phương pháp trực tiếp và gián tiếp Các thí nghiệm Rome, Fidô, Michelson là những phương pháp trực tiếp; các thí nghiệm Bơrađơlê, Cônrausơ và Vêbe thuộc về phương pháp đo gián tiếp Tất cả các phương pháp đo vận tốc ánh sáng trực tiếp trên mặt đất cũng như phương pháp thiên văn của Rome đều dựa vào sự ngắt quãng chùm tia sáng Khi mở “cái chắn ánh sáng” (tên chung của dụng cụ cho ánh sáng truyền qua một cách tuần hoàn) một chùm tỉa sáng hẹp truyền qua từ nguồn đến gương và quay trở lại, còn khi đóng “cái chắn ánh sáng” chùm tia sáng bị ngắt quãng Do đó các phép đo được tiến hành với các sóng có bắt đầu và kết thúc, nghĩa là với các đoàn sóng Như ta đã biết đoàn sóng có thể xem như một tập hợp các sóng đơn sắc Trong miền tán sắc thường, một điểm bắt kì của nhóm các sóng đơn sắc (hay là xung lượng) dịch chuyên chậm hơn điểm cua moi một sóng đơn sắc trong nhóm này

Hình 1.1: Để giải thích khái niệm vận tốc sóng

A và B là các sóng đơn sắc; C là nhóm sóng

10

Trên hình I biểu diễn hai sóng đơn sắc (sóng hinh sin) A và B có tần

số dao động khác nhau và sóng tổng hợp C Nếu các sóng thành phần chuyên động trong chân không với vận tốc 0 nào đó, thì một điểm bất kỳ của sóng tổng hợp (nhóm sóng) chuyền động cùng với vận tốc đó Tuy nhiên trong môi trường tán sắc, các sóng đơn sắc truyền với vận tốc khác nhau D, Va D,, Vi vậy sóng tông hợp, chăng hạn điểm có biên độ cực đại dịch chuyền với vận

tốc khác vận tốc 0, và 0, VỊ trí của biên độ cực đại trong sóng tong hợp luôn luôn dịch chuyển phụ thuộc vào vị trí tương hỗ của các sóng đơn sắc Vận tốc truyền pha của các sóng đơn sắc được gọi là vận tốc pha; còn vận tốc truyền

một điểm của nhóm các sóng đơn sắc, gần nhau về tần số gọi là vận tốc nhóm Năng lượng ánh sáng truyền đi với vận tốc nhóm

Vận tốc pha và vận tốc nhóm trong chân không là như nhau, còn trong môi trường tán sắc là khác nhau Trong miền tán sắc nào đó chiết suất có thể

bé hơn đơn vị; nghĩa là n =" < 1 Điều đó có nghĩa là vận tốc pha D >e Tuy nhiên vận tốc nhóm — vận tốc truyền năng lượng ánh sáng — trong trường họp này không lớn hơn vận tốc ánh sáng trong chân không

1.2 Sự giao thoa Nguyên lý chồng chất

Sự giao thoa xảy ra khi hai hay một số sóng kết hợp gặp nhau Hiện tượng giao thoa xảy ra đối với các sóng có bản chất vật lý bất kì, tuân theo điều kiện nhất định là các sóng phải kết hợp Ý nghĩa của hiện tượng giao thoa đối với vật lý có thể được đánh giá theo hai quan điểm

Thứ nhất, sự truyền thăng, sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng trong các chất được mô tả theo nguyên lý Huyghen — Fresnel là sự giao thoa của sóng thứ cấp Nghiên cứu các hiện tượng giao thoa cho ta phương pháp đơn giản để tính toán sự truyền ánh sáng

11

Thứ hai, sự giao thoa là biểu hiện của nguyên lý chồng chất Theo nguyên lý này nếu một hệ phi tuyến (môi trường) chịu hai (hay một số) tác dung, thì các kết quả sẽ chồng chất lên nhau (các biên độ - tổng hợp theo hình học) Hệ (hay môi trường) là tuyến tính nếu các tính chất của nó không phụ

thuộc vào sự biến thiên trạng thái của hệ

Nguyên lý chồng chất đúng đối với các trường hợp được mô tả bởi các phương trình tuyến tính, đặc biệt đối với trường điện từ là các phương trình Maxwell Thí dụ, hai sóng điện từ đi qua cùng một điểm của không gian và sau đó mỗi sóng tiếp tục truyền đi như không có sóng kia Tại điểm gặp nhau các cường độ điện trường —E, và E, của cả hai sóng được tổng hợp vector với nhau Khi đó các vector không tương tác với nhau, chăng hạn trong trường hợp khi E, =—E,, các sóng không triệt tiêu lẫn nhau, mặc dù tại điểm gặp nhau các sóng dao động làm tắt lẫn nhau Thật vậy, sau khi gặp các sóng điện từ truyền đi độc lập với nhau Nguyên lý chồng chất cho phép xem một dao động phức tạp như tống hợp các dao động tử điều hòa, xem một xung phức tạp (chẳng hạn xung ánh sáng) như tổng hợp vô hạn các sóng đơn sắc Đối với các hệ tuyến tính nguyên lý này là nguyên lý cơ bản và tổng quát trong vật lý

1.3 Tính đơn sắc

Nhờ các máy quang phố (máy đơn sắc) có thể tách một chùm tia hẹp của quang phố Khe càng hẹp và năng suất phân giải của máy càng lớn thì phần tách ra của quang phổ càng hẹp, nhưng vì các phương tiện đã biết không thể tạo nên khe hẹp vô hạn và không thể có năng suất phân giải của máy vô hạn, cho nên không thể tách được bức xạ đơn sắc Các vạch quang phô cũng chiếm một khoảng tần số tương đối rộng

Ta có thể hiểu bức xạ đơn sắc là những dao động sin kéo dài vô hạn

Những bức xạ của các nguyên tử và phân tử lại xảy ra trong một khoảng thời

12

gian giới nội Bức xạ như thế, ngay cả có biên độ và tần số không đổi nhưng

bị giới hạn trong thời gian cũng sẽ không đơn sắc Như ta đã biết, có thé biểu diễn bức xạ này đưới dạng một tập hợp các dao động sin (đơn sắc) kéo dài vô

hạn với những tần số là bội số của một tần số nào đó

Nguyên nhân gây ra sự không đơn sắc của bức xạ là do trong nguồn sáng chứa một số rất lớn vật phát xạ và chúng ở trong trạng thái chuyển động nhiệt Bức xạ tới đập vào lăng kính hay cách tử nhiễu xạ là do những nguyên

tử khác nhau của vật phát xạ Sự biến thiên năng lượng của những nguyên tử khác nhau trong một lần phát xạ có thể là không giống nhau Vì vậy bức xạ toàn phần có thành phần phức tạp Nhưng, nếu như ngay cá tần số bức xạ của các nguyên tử trong vật như nhau thì người quan sát vẫn thu được bức xạ có tần số khác nhau

Đó là vì hiệu ứng Dople, do có sự chuyên động hỗn loạn của các hạt

mà vận tốc của một số vật phát xạ này hướng về người quan sát, còn của số

kia — theo chiều ngược lại Cuối cùng vận tốc chuyên động nhiệt của các hạt được phân bố theo định luật Maxwell

độ Hiệu số các biên độ phải sao cho theo cường độ dao động có thể phân biệt

được các cực đại với các cực tiểu Nếu không thì hình ảnh giao thoa bị mờ

Trong những nguồn kết hợp khi có tần số như nhau, hiệu số pha có thể

có các giá trị không chỉ từ 0 đến 2z mà cả đến 2nz, trong dé n là số nguyên Trường hợp sau này thực tế xảy ra khi nguồn dao động chuyển đi

13

đoàn sóng (nhóm sóng) sau vài chu kỳ + kể từ khi nguồn thứ nhất bắt đầu dao động Nếu hai nguồn dao động chuyển đi các đoàn sóng có tần số như nhau tiếp theo nhau thì để thu được trường hợp giao thoa các nhóm sóng từ cả hai nguồn phải chồng lên nhau (hình 1.2) và nhóm sóng này tiếp theo nhóm sóng kia sau những khoảng thời gian bằng nhau Chỉ trong những điều kiện này hình ảnh giao thoa mới được bền vững

Để thu được hình ảnh giao thoa hiệu số pha tại mỗi điểm phải không biến đối theo thời gian, nhưng tại những điểm khác nhau độ dịch chuyển pha nói chung có thể không như nhau Nó có giá trị như nhau tại tất cả các điểm cực đại hay cực tiểu sóng của cùng một vân giao thoa Nếu như các nguồn sáng là không kết hợp thì tại một điểm cho trước mà sóng đạt đến, hiệu số pha

sẽ bị thay đổi một cách nhanh chóng và mắt không thể theo dõi được sự đổi

chỗ của các vân giao thoa, do đó chúng ta chỉ nhận biết được cường độ trung bình của các dao động trong miền được quan sát

Các nguyên tử và phân tử của các chất là các nguồn sáng Trong các vật phát sáng, chẳng hạn dưới tác dụng của sự phóng điện trong các khí kém hay

do sự hấp thụ photon, các nguyên tử của vật chuyền từ trạng thái bình thường

14

lên trạng thái kích thích Khi các nguyên tử chuyển ngược lại sẽ phát ra photon Tại một thời điểm bất kỳ một số nguyên tử chuyển lên trạng thái kích thích còn số kia ở trạng thái bình thường Quá trình phát xạ của nguyên tử kéo dài trong một khoảng thời gian ngắn do đó tạo thành đoàn sóng có độ dài nào

đó Hãy xét thí dụ sau đây:

Giả sử một nguyên tử phát ra ánh sáng vàng với bước sóng 4 = 600 œm

Tan sé dao động sẽ được xác định như sau:

Có thể tính được dễ dàng cả độ dài của đoàn sóng:

L=vA L=5.10"s'.600.10°m=3m

Nếu những đoàn sóng như thế tiếp đuôi nhau cái này sau cái kia, thi các lần phát xạ của chúng độc lập với nhau vì vậy các pha ban đầu thay đổi một cách tùy ý, có nghĩa là những sóng này không kết hợp

Muốn tạo ra được hai sóng kết hợp có thể tách bức xạ từ cùng một nguyên tử phát ra thành từ hai chùm bằng cách cho phản xạ hay khúc xạ

Để tạo được hình ảnh giao thoa hiệu quang trình của hai sóng phải không lớn hơn một giá trị nào đó Chang hạn nếu độ đài của đoàn sóng ánh sáng vàng L=3zn, thì cả hai đoàn sóng (1; và II;) không thể giao thoa với

nhau được Vì vậy khi nói tới sự hình thành các cực đại và cực tiểu về cường

độ trong hình ảnh giao thoa, một số điểm của không gian phải thỏa mãn hệ

thức:

15

Hiệu quang trình lớn nhất được xác định từ các lý luận sau:

Trong điều kiện về cực đại:

Như vậy các sóng kết hợp là các sóng có cùng tần số và có hiệu số pha không

đổi theo thời gian

1.5 Bức xạ cảm ứng Máy phát lượng tử quang học

Cùng với việc chế tạo ra các máy lượng tử quang học — các lade, đã

xuất hiện những khả năng mới để thực hiện sự kết hợp và điều khiến nó Bức xạ cảm ứng (bức xạ cưỡng bức) là bức xạ của vật (của hệ lượng tử

gồm nguyên tử và phân tử) được tạo nên do trường điện từ ngoài truyền qua

nó Bức xạ cảm ứng của mỗi nguyên tử (phân tử) có hàng loạt tính chất đặc biệt Tần số và pha của nó cũng giống như tần số và pha của trường điện từ

kích thích nguyên tử (hình 1.3) Vì vậy mọi vật phát xạ cơ bản phát ra bức xạ

16

kết hợp Trong những nguồn sáng khác, chẳng han, trong các nguồn nhiệt, các nguyên tử và phân tử phát ra bức xạ không kết hợp

2 —e-e—— 2- ee eee

Hình 1.4: Sự định xứ bình thuong (a) va dao (b) cua các nguyên tử

Mức năng lượng này của nguyên tử bằng Eạ Khi chiếu sáng vật (khi có tác dụng của điện từ trường ngoài), khi cho dòng electron hay dòng các hạt sinh ra do sự phân rã của các chất đồng vị tác dụng vào vật, các nguyên tử sẽ

bị kích thích Phần lớn năng lượng bị hấp thụ được dùng để chuyển các nguyên tử lên trạng thái kích thích nghĩa là lên mức năng lượng 2 Năng lượng của chúng ở trạng thái này bằng E; Các nguyên tử thường tự phát

17

chuyên ngược lại từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản, bằng cách phát

ra photon có tần số:

Photon này mang đi năng lượng hấp thụ lúc trước Tuy nhiên có những chất trong đó các nguyên tử bị giữ ở trạng thái kích thích Khi đó hệ bị kích thích ở trạng thái tương đối bền vững, trong một thời gian tương đối lâu Trạng thái như thế của hệ bị kích thích được gọi là trạng thái nửa bên

Khi chiếu một chất bằng đòng ánh sáng mạnh, có thể đưa lên trạng thái nửa bền một số nguyên tử lớn hơn nhiều so với số nguyên tử ở mức năng lượng cơ bản Trong trường hợp này mật độ định xứ các nguyên tử ở hai mức

năng lượng là đảo lại mật độ định xứ ở trạng thái bình thường (hình 1.4)

Trong trường hợp này người ta nói xảy ra sự định sứ đảo của các nguyên tử Lần đầu tiên (vào năm 1939) nhà bác học Xô Viết Fabrican đã nêu lên rằng: có khả năng tạo được một môi trường trong đó tỉ số giữa số nguyên tử ở trạng thái kích thích cao hơn với số nguyên tử ở trạng thái kích thích thấp hơn, lớn hơn đơn vị

Người ta đã chế tạo được các máy phát và máy khuếch đại lượng tử

Hình1.5: Nguyên tắc khuếch đại ánh sáng

Trên hình 1.5 diễn tả nguyên tắc khuếch đại ánh sáng Sự đinh xứ đảo của các nguyên tử trong lade ba mức được trình bày trên hình 1.6 Khi chiếu

18

sáng một vật (chẳng hạn như rubin, hơi xêdi ) các nguyên tử chuyển từ trạng thái bình thường I lên trạng thái kích thích ứng với mức năng lượng 3 Sau đó một số nguyên tử từ mức năng lượng 3 chuyên về mức nửa bền 2 mà không phát xạ

sự chuyên có phát xạ

Hình 1.6: Sơ đô các mức năng lượng của laze ba mức

Khi chiếu ánh sáng yếu vào một vật có sự định xứ đảo của các mức năng lượng (môi trường “hoạt động”) thì các nguyên tử sẽ chuyển cưỡng bức

từ mức năng lượng 2 về mức cơ bản 1 Khi đó mức 2 “bị trống chỗ” Các nguyên tử sẽ chuyển về cùng một mức — mức năng lượng thứ nhất (cơ bản) Như đã nói ở trên những nguyên tử (phân tử) này phát ra bức xạ kết hợp Như vậy trong trường hợp này các nguyên tử (phân tử) là những nguồn kết hợp và phát ra sóng kết hợp

1.6 Các loại giao thoa Thăng giáng lượng tử

Hiện tượng giao thoa có thể quan sát được ở những thí nghiệm khác nhau: nhờ gương hay lưỡng lăng kính Fresnel cũng như nhờ các bản thủy tinh mặt song song hay hình nêm Trong trường hợp thứ nhất, các tỉa truyền đến từ một trong những nguyên tử (hay phân tử) chăng hạn là kết hợp và vì vậy chúng giao thoa với nhau không phụ thuộc vào bức xạ truyền đến từ các nguyên tử khác Đó là thuộc về mỗi một vật phát xạ cơ bản Tổng hợp lại

19

chúng cho ta một hình ảnh giao thoa bền vững thấy được Trong trường hợp thứ hai xảy ra “sự phân tích” mỗi một chùm tia trong các chùm tia sáng thành hai chùm kết hợp, sau đó chúng giao thoa với nhau

Loại giao thoa thứ nhất được gọi là giao thoa Fresnel, còn loại giao thoa thứ hai là loại Newton Đối với loại giao thoa Fresnel cần phải dùng nguồn sáng có kích thước bé (chẳng hạn, một khe sáng hẹp), còn đối với giao thoa Newton — nguồn sáng có kích thước lớn (chẳng hạn, một khe sáng rộng) Trong trường hợp thứ nhất hình ảnh giao thoa sẽ biến mắt khi nguồn sáng có kích thước lớn (chăng hạn, ánh sáng tán xạ của bầu trời), trong trường hợp

thứ hai hình ảnh giao thoa cũng sẽ biến mắt khi bề dày của bản lớn Cách giải

thích hiện tượng giao thoa loại Newton phức tap hon giao thoa Fresnel Nó đòi hỏi phải tính đến sự mắt nửa sóng khi phản xạ, phải khảo sát về vân cùng

độ nghiêng và cùng độ dày

Khi nghiên cứu hiện tượng giao thoa ánh sáng cần phải nghiên cứu cả

về thăng giáng lượng tử

Với vật lí tất cả các đại lượng thống kê là mật độ, áp suất, nhiệt độ,

cường độ dòng điện, mật độ bức xạ, v.v đều chịu sự sai lệch ngẫu nhiên của

một đại lượng vật lí khỏi giá trị trung bình của nó (sự thăng giáng)

Sự thăng giáng của các đại lượng thống kê là hiện tượng chung Thăng giáng lượng tử là một trong những trường hợp riêng của sự thăng giáng

Ta đã biết ba thí nghiệm của Vavilôp về thăng giáng lượng tử Dưới đây sẽ mô tả những thí nghiệm này

1.6.1 Quan sát bằng mắt những hiện tượng thăng giáng

Từ nguồn sáng I (hình1.7) ánh sáng được chiếu vào kính lọc sắc xanh

lá cây 2 và ống chuẩn trực 3 (bộ phận quang học để tạo các tia song song) đi vào mắt của người quan sát 4 Trước nguồn sáng có đặt một đĩa 5, trên đó có khoét một lỗ tròn và quay được nhờ động cơ điện 6 với tần số quay là 1 vg/s

20

Lỗ trên đĩa làm cho ánh sáng từ nguồn đến người quan sát đi qua trong khoảng thời gian 0,1s và ánh sáng đi qua trong khoảng 0,9s

3

Hình 1.7: Sơ đồ thiết bị dé do thang gidng luong tr

Ở bên cạnh ta đặt một nguồn sáng khác 7 được che bởi kính lọc sắc đỏ

và mắt nhìn trên đó Trong suốt thời gian làm thí nghiệm nhãn cầu của mặt không được dịch chuyển Ánh sáng màu xanh lá cây đi qua lỗ của đĩa và rơi vào vùng biên trên võng mô của mắt

Khi quay đĩa 5, cứ mỗi một vòng của đĩa người quan sát thấy đều đặn ánh sáng xanh lá cây (đưới dạng những chớp sáng của vết có màu xanh lá cây) Tuy nhiên khi ánh sáng từ nguồn 1 bị làm yếu đi đến ngưỡng nhìn thấy nhờ một bộ phận đặc biệt, thì những chớp sáng này không đều, nghĩa là ta nhận thấy những khoảng trống rõ rệt Từ đó ta suy ra rằng, khi cường độ ánh sáng yếu (khi dòng ánh sáng yếu) ta nhận thấy có sự thăng giáng lượng tử Giả sử ngưỡng nhìn thấy tương ứng với lượng photon là nụ Nếu thêm vào đó lượng photon đi qua lỗ trên đĩa ø, >n,, thì người quan sát nhìn thấy chớp sáng Khi n, =n, c6 nhitng sy hut xay ra Cuối cùng, khi n, <n, nghĩa là ánh sáng càng bị làm yếu đi, thấp hơn ngưỡng nhìn thấy, thì các chớp sáng xuât hiện càng thưa dân và cuôi cùng biên mật

21

Sự thăng giáng mật độ photon trong chùm ánh sáng luôn luôn xảy ra, nhưng do mắt ta chỉ phát hiện được nó khi dòng ánh sáng có cường độ yếu Như thế ánh sáng có cấu trúc hạt vi mô

1.6.2 Sự thăng giáng của những chùm tia kết hợp

Trong thiết bị trên giữa ống chuẩn trực 3 và đĩa quay 5 ta đặt một lưỡng lăng kinh Fresnel dé tao ra chùm tia sáng kết hợp Với mỗi vòng quay của đĩa người quan sát thấy đều đặn những chớp sáng của hai vết màu xanh lá cây Nhưng tại ngưỡng nhìn thấy, hai vết sáng màu xanh lá cây này không phải bao giờ cũng xuất hiện đồng thời, có những lần hụt đối với mỗi vết, mà hụt một cách lung tung

1.6.3 Sự thăng giáng trong trường giao thoa

Trong thí nghiệm đầu tiên đã mô tả ở trên, nhưng được tiến hành với

hai khe Young, nhờ thấu kính hình ảnh giao thoa được tạo thành trên võng mô

của mắt người quan sát Giữa hai khe và thấu kính ta đặt một màn có hai lỗ tròn sao cho những lỗ này rơi vào hai vân giao thoa kề nhau nằm ngang — một vân là vân sáng, còn vân kia là vân tối Như vậy người quan sát có thể nhìn thấy một vân sáng và một vân tối khác Hình ảnh này vẫn giữ khi cường độ ánh sáng lớn Nếu nguồn sáng được che một cách tuần hoàn bởi đĩa quay thì vết sáng cũng xuất hiện một cách đều đặn và tuần hoàn, còn vết tối bao giờ cũng là tối Nếu làm cho cường độ ánh sáng yếu đi đến ngưỡng nhìn thấy, thì vết tối vẫn là tối, còn vết sáng xuất hiện không đều đặn, không đúng nhịp với

sự ngắt quãng ánh sáng

Điều đó có thế giải thích rằng ánh sáng là một dòng photon (lượng tử ánh sáng) mà số lượng tử photon trong một đơn vị thể tích dần dần bị thay đổi Tại ngưỡng nhìn thấy lượng photon n có thể bé hơn ngưỡng nạ Khi đó

22

vết sáng giao thoa sẽ không nhìn thấy và đối với người quan sát nó hình như

là tối Khi n > n, lại nhìn thấy vết sáng

Như vậy hình ảnh giao thoa được bảo toàn vì vết tối bao giờ cũng tối,

và được giải thích bằng tính chất sóng của ánh sáng: còn sự không đều đặn của vết sáng là do tính chất lượng tử của ánh sáng và được giải thích bằng sự thăng giáng

Thí nghiệm đầu tiên trong ba thí nghiệm đã nói trên chứng minh sự tồn tại của các thăng giáng lượng tử và vẫn giữ nguyên ý nghĩa về tính chất sóng của ánh sáng Thí nghiệm thứ hai chứng tỏ rằng có sự thăng giáng lượng tử trong các chùm tia kết hợp Thí nghiệm thứ ba chứng tỏ lưỡng tính sóng hạt của quá trình

Sự tồn tại của các thăng giáng lượng tử xác nhận rằng mật độ của dòng photon thay đôi một cách ngẫu nhiên, chịu sự thăng giáng

1.7 Sự nhiễu xạ Điều kiện để quan sát nhiễu xạ

1.7.1 Sự nhiễu xạ

Hiện tượng nhiễu xạ nói lên giới hạn ứng dụng định luật truyền thẳng

của ánh sáng Nguyên lý Huyghen mô tả “sự vòng quanh” của ánh sáng trong miền bóng tối hình học Tuy nhiên dựa vào nguyên lý này không thể xác định được giá trị biên độ dao động theo những phương khác nhau (có nghĩa là cả

năng lượng, vì năng lượng tỉ lệ với bình phương biên độ) Để xác định sự

phân bồ năng lượng trong miền bóng tối hình học và trong những miền có độ dọi đều theo các định luật quang học, nguyên lý Huyghen phải được bổ sung thêm những quan niệm của Fresnel về sự kết hợp và sự giao thoa của các sóng thứ cấp

Muốn xác định biên độ và pha dao động tại một điểm nào đó, theo

nguyên lý Fresnel cần phải xác định biên độ và pha dao động của tất cả các nguyên tố trên mặt sóng đạt tới điểm này, và lấy tổng của chúng (các biên độ được tổng hợp theo hình học) Nhu vay nguyén ly Huyghen — Fresnel cho

23

phép giải thích sự phân bố năng lượng trong hình ảnh nhiễu xạ nhờ sự giao thoa

Người ta phân biệt hai nhiễu xạ: nhiễu xạ Fresnel và nhiễu xạ Fraunhofer Trong nhiễu xạ Fresnel các tia sáng không song song Trong nhiễu xạ Fraunhofer ta quan sát được hiện tượng trong các tia sáng song song Trong hiện tượng này các tia sáng song song tới đập vào vật cản không trong suốt (hay lỗ) và sau các vật cản này (hay sau lỗ) chúng lại song song,

nghĩa là hình ảnh nhiễu xạ được tạo nên ở vô cực

Muốn quan sát nó ở gần sau vật cản ta đặt một thấu kính Thấu kính sẽ

hội tụ tất cả những tia sáng có phương làm với phương của quang trục chính những góc khác nhau, nên màn quan sát đặt tại tiêu diện của thấu kính (hình 1.8)

Hinh1.8: Nhiéu xa Fraunhofer Trong các máy cách tử nhiễu xạ có dùng thấu kính (nhiễu xa Fraunhofer) Thấu kính được dùng để phân loại các chùm tỉa sáng song song

24

Nó dùng làm “máy tách” các chùm tia song song Vì vậy khi nghiên cứu cách

tử nhiễu xạ cần chỉ rõ rằng thấu kính không làm tăng thêm một hiệu quang trình nào giữa các tia Khi quan sát bằng mắt thì hệ quang học của mắt đóng

vai trò của thấu kính, còn võng mô của mắt là màn quan sát, trên đó hình ảnh

nhiễu xạ được tạo nên

1.7.2 Điều kiện để quan sát nhiễu xạ

Trong thực tế khi nghiên cứu sự nhiễu xạ người ta cho rằng nếu bề rộng của khe hay của màn D có thể so sánh được với bước sóng, thì hiện tượng nhiễu xạ xuất hiện Nếu như Ð >>, thì không có hiện tượng nhiễu xạ và khi

đó các định luật quang học được thực hiện

Nhưng sự nhiễu xạ luôn luôn xảy ra khi có vật cản trên đường truyền của ánh sáng, không phụ thuộc vào kích thước của vật cản Tuy nhiên hiệu

ung nhiéu xa quan sát được lại phụ thuộc vào hệ thức của ba đại lượng : kích

thước của vật cản D, khoảng cách của nó tới chỗ quan sát R và bước sóng ánh

JRA

sáng ; nghĩa là phụ thuộc vào hệ thức của ba đại lượng Dp”

Ta hãy xét một số trường hợp sau:

Thứ nhất, tại bờ mép của một khe có bề rộng D bắt kì bao giờ cũng xảy

ra nhiễu xạ Với khe rộng, thỏa mãn hệ thức >> VRA , hinh anh nhiéu xa

chiếm một phần khe hẹp trên màn đối diện với chỗ trống trong vật cản (khe) Hình ảnh đó gồm những cực đại và cực tiểu nhiễu xạ Trong miền bóng tối hình học cường độ sáng giảm đều

Khi giảm bề rộng của khe hình anh nhiễu xạ trên màn đối diện với khe

sẽ rộng ra Khi D =JRA hình ảnh nhiễu xạ trên màn chiếm toàn bộ miền đối diện với khe

25

Cuối cùng, khi D <<⁄R^, miền được doi sáng trên màn rộng ra rất nhiều — bây giờ ảnh nhiễu xạ chiếm không những cả mặt đối diện với khe, mà còn đi sâu vào miền bóng tối hình học

Thứ hai, có thế giữ cho bề rộng của khe khá lớn và không đổi, và dịch chuyên màn ra xa khe, nghĩa là tăng khoảng cách R Khi khoảng cách R lớn đến mức nào đó, điều kiện lại được thực hiện Khi đó hình ảnh nhiễu xạ bao chùm cả miền không gian trên màn đối diện với khe và phần nào đi vào miền bóng tối hình học

Thứ ba, khi bề rộng D của khe và khoảng cách R từ khe tới màn không đổi, ta có thể thay đổi được bước sóng 4 Cùng với sự giảm 4 hiện tượng nhiễu xạ càng trở nên mờ dần và cuối cùng khi 2 —> 0 ảnh nhiễu xạ biến mat

Lúc đó có thể dự đoán rằng định luật quang học được thực hiện chặt chẽ

Nhưng điều đó không xảy ra Khi giảm dần bước sóng, miền được dọi sáng đều đối diện với khe rộng ra và miền nhiễu xạ ở hai bờ mép thu hẹp lại

1.8 Kết luận chương 1

Trong chương này ta đã nhắc lại một số khái niệm đơn giản mà ta đã làm quen như: vận tốc ánh sáng, tính kết hợp, tính đơn sắc hay một số loại giao thoa

26

sở đúng đắn để xem ánh sáng là một hiện tượng điện từ ”

Tiến hành tính toán vận tốc này trên cơ sở của công thức biểu diễn mối liên hệ giữa vận tốc ánh sáng với hằng số điện môi và độ từ thâm của môi trường, trong đó ánh sáng lan truyền

Theo lý thuyết của trường điện từ thì vận tốc truyền sóng điện từ:

Trong đó z, và ø„ là giá trị tương đối của hằng số điện môi và độ từ thẩm của môi trường, z,và /„ là các hằng số điện và từ Do đó,

Ta chi nêu mà không chứng minh công thức nay

Bây giờ ta phải tính vận tốc ánh sáng

1 Vận tốc ánh sáng trong chân không

Trong hệ đơn vị quốc té (SD:

zạ= 8,859.10'? F/m

và = 1,256.10° H/m

Vì vậy:

———= =2,998.10Ÿm/ s 8,859.107'— F 1,256 10°

2 Vận tốc ánh sáng trong dẫu hỏa

Đối với dầu hỏa độ từ thẩm tương đối ¿ +1, còn hằng số điện môi tương đối z, ~2.1

1 —

Vì vậy: o=-————=c

eee

28

D=2,998.10Ÿm/s J ~ 210.000 km/s

v21

Cách tính toán này chỉ đúng đối với trường hợp khi hằng số điện môi của môi trường không phụ thuộc vào tần số Trong trường hợp tần số cao cách tính này không dùng được cho hàng loạt các chất

Thông thường ta cho rằng các bức xạ quang học là do các vật phát xạ tự nhiên phát ra (phân tử hay nguyên tử), còn sóng vô tuyến là do các thiết bị kỹ thuật vô tuyến đặc biệt Tuy nhiên cách chia như vậy chỉ có tính chất quy ước

Chẳng hạn ta có thể tạo được sóng điện từ siêu cao tần với bước sóng 1000;

bằng phương pháp kỹ thuật vô tuyến nhờ manhêtron Bước sóng này ngắn hơn bước sóng dài nhất của bức xạ hồng ngoại do vật phát xạ phân tử phát ra

hai lần

2.2 Các mức năng lượng gián đoạn của nguyên tử

Khi trình vấn đề về tính gián đoạn của sự biến thiên năng lượng của nguyên tử, ta khảo sát một số thí nghiệm sau:

2.2.1 Thí nghiệm Phrang và Hec

Thí nghiệm này nhằm xác nhận một trong những sự kiện cơ bản là năng lượng của các phân tử và nguyên tử có thê biến thiên không liên tục như đối với các vật vĩ mô, mà thành từng lượng gián đoạn xác định

Hình 2.1: Sơ đồ thí nghiệm Phrang và Hec

29

Nội dung của thí nghiệm như sau:

Trong bình thủy tinh đã được tạo chân không người ta cho vào chất khí cần nghiên cứu, chăng hạn hơi thủy ngân Người ta hàn vào bình catot K, anot

A, và hai lưới C¡ và Cạ (hình 2.1) Catốt được đốt nóng bởi dòng điện từ bộ pin B, giữa catot K và lưới C¡ xuất hiện một hiệu điện thế U' do bộ pin Bị , còn giữa anot A và lưới Ca là hiệu điện thế U” do bộ pin B; Chiều của vector cường độ điện trường giữa catot và C¡ ngược chiều với vector cường độ điện trường giữa anot và lưới C; Trong không gian giữa hai lưới không có điện trường

Elecron được phát ra bay từ catot K, được gia tốc bởi điện trường trong không gian K —C; và có động năng:

đun =eU ,

trong đó: m, e, v là khối lượng, điện tích và vận tốc tương ứng của eletron

Giữa catot và lưới thứ nhất electron không bị va chạm với các nguyên

tử trung hòa của khí Các electron được tăng tốc đi qua lưới C¡, chuyển động trong không gian giữa các lưới C¡ và C; với vận tốc không đổi Sau khi đi qua lưới C; electron rơi vào điện trường và chúng bị điện trường hãm lại Tuy nhiên nhờ động năng vốn có từ trước đủ lớn đề thực hiện một công chống lại trường cản, các electron đến được anot của ống và đi qua điện kế Cường độ dòng điện được tạo nên bởi các dòng electron đi qua điện kế phụ thuộc vào số electron n rơi vào anot của ống trong một giây

Thí nghiệm chứng tỏ rằng sự phụ thuộc của cường độ dòng điện vào điện thế của lưới C¡ (đối với catot K), hay là vào động năng của các electron

mà động năng này phụ thuộc vào điện thế tại lưới

Ta hãy khảo sát quá trình xảy ra trong Ống:

Khi tăng điện thế Ư tại lưới C¡, động năng của electron tăng và cả số

electron n rơi vào anot trong một giây cũng tăng Khi đầu cường độ dòng

30

điện trong mạch tăng lên bởi các electron khi gặp các nguyên tử hơi thủy ngân sẽ va chạm đàn hồi, nghĩa là không truyền năng lượng của mình cho nguyên tử

Khi tăng điện thế tại lưới C¡ đến một giá trị mà động năng của electron bằng 4,5 eV thì sự va chạm của các electron với nguyên tử của hơi thủy ngân trở nên không đàn hồi Ở đây, cường độ dòng điện qua điện kế giảm nhanh, còn dòng điện trong mạch lưới tăng lên Dòng điện đi qua điện kế là đo một phần nhỏ electron không chịu sự va chạm không đàn hồi sinh ra

Nếu tiếp tục tăng điện thế tại lưới động năng của các electron tiếp tục tăng và sự va chạm của các electron với các nguyên tử hơi thủy ngân trở nên đàn hồi Vì vậy cường độ dòng điện qua điện kế tăng lên, nhưng chỉ tăng cho

đến khi điện kế tại lưới C¡ đạt đến một giá trị xác định khác với động năng

của electron

2.2.2 Thí nghiệm xác định các mức năng lượng gián đoạn của nguyên tử

Dụng cụ gồm có một ống phat electron I (hình 2.2) trong do electron

được phát ra từ một sợi đây đốt nóng và chuyên động trong điện trường với hiệu điện thế Ư” Chùm electron sau khi đi qua lỗ A, rơi vào buồng II trong đó

có chứa hơi hay khí cần nghiên cứu Tại đây xảy ra sự va chạm đàn hồi hay không đàn hồi với nguyên tử, tùy thuộc vào độ lớn của động năng của các electron

31

Hình 2.2: Sơ đô thí nghiệm phát hiện sự biến thiên gián đoạn mức năng lượng của các electron khi va chạm không đàn hồi với các nguyên tử của hơi

thủy ngân

Buông II làm bằng chất dẫn điện và được giữ ở vùng một điện thế Vì vậy trong buồng II chuyển động của các electron là chuyên động không có gia tốc Các electron chịu sự va chạm với các nguyên tử của chất khí nghiên cứu bay qua một lỗ hẹp B trong buồng II Lỗ này đặt lệch với lỗ A, vì vậy chỉ có những electron nào va chạm với nguyên tử mới đi qua B Người ta đo năng lượng của các electron trong buồng III

Phép đo chứng tỏ rằng:

-_ Khi va chạm đàn hồi trong buồng II động năng của các electron trong buồng III cũng bằng động năng của electron trong ống phát electron -_ Khi va chạm không đàn hồi với các nguyên tử hơi thủy ngân thì năng

lượng của các electron bị giảm đột ngột một lượng 4,.9eV và những

lượng năng lượng gián đoạn khác

Những sự va chạm của electron với nguyên tử không xảy ra trong ống phát electron và trong buồng đo năng lượng electron, vì các buồng này được giữ ở độ chân không cần thiết

2.3 Giản đồ các mức năng lượng của nguyên tử

Nội năng của nguyên tử và những biến thiên gián đoạn của nó có thể được biểu diễn trên giản đồ Nội năng của nguyên tử là tổng cộng của động năng của electron quay quanh hạt nhân:

trong đó: Z, e, rlà nguyên tử số của nguyên tố, điện tích của electron và

khoảng cách từ electron đến hạt nhân

Năng lượng toàn phần được xác định như sau:

Theo tĩnh điện học thì thế năng tại một điện tích điểm dương tại một

điểm nào đó của điện trường trong chân không, cách điện tích này một khoảng r bằng ¬ Nếu tại điểm này của trường có một electron mà điện tích

r

hướng tâm

33

2.3.2 Nguyên tắc xây dựng giản đồ mức năng lượng của nguyên tử

Trục năng lượng của nguyên tử được biểu diễn bởi nửa đường thăng đứng hướng xuống dưới (hình 2.3) Điểm 0 ở phía trên biểu diễn độ lớn của năng lượng toàn phần của nguyên tử bị ion hóa, còn các điểm khác sắp xếp phía dưới biểu diễn năng lượng toàn phần của nguyên tử ở các trạng thái kích

thích khác nhau

34

7

Hình 2.3: Giản đỗ các mức năng lượng của nguyên tử Hiđrô

(mũi tên chỉ sự chuyển electron)

Từ các điểm này ta sẽ vẽ các đường thắng nằm ngang biếu diễn các mức năng lượng của nguyên tử Phía bên phải của hình ghi các giá trị khác

nhau của lượng tử số bắt đầu từ thứ nhất (n=1), tương ứng với cực tiểu của

năng lượng toàn phần của nguyên tử (ở trạng thái bình thường) Giản đồ như vậy được gọi là gián đồ mức năng lượng của nguyên tử

35

Nguyên tử của mỗi chất có một tập hợp các mức năng lượng gián đoạn

và năng lượng ion hóa xác định của mình Hiệu số năng lượng giữa hai mức

kể nhau của cùng một nguyên tử không phải là như nhau

Trong một số hình khác ta có thể gặp thang năng lượng có chiều ngược lại với hình 2.3 Mũi tên hướng lên trên chỉ chiều tăng năng lượng khi dịch chuyền nguyên tử lên mức năng lượng cao hơn

2.3.3 Tính năng lượng của nguyên tử ở trạng thái dừng

Năng lượng của nguyên tử ở các trạng thái đừng khác nhau có thê được tính theo công thức

1 n=2, E, =13,6- 5 =10.2 eV),

n=3, E, =13,6— 12:8 ~12,1 (eV),

n=5, E,=13,6— 139 ~ 13,1 (eV),

36

2.4 Các định đề Bo - Cơ cấu lượng tử về sự phát xạ ánh sáng

Các định đề lượng tử của Bo được trình bày như sau:

a) Electron chỉ có thể quay xung quanh hạt nhân của nguyên tử theo những quỹ đạo đừng nào đó (cho phép), khi đó nguyên tử không phát xạ (điều kiện các quỹ đạo dừng)

b) Các quỹ đạo dừng có bán kính mà mômen động lượng của electron

(lượng tử tác dụng) Quỹ đạo nằm gần hạt nhân nhất ung voi lượng tử ñ =l,

còn các quỹ đạo xa hạt nhân hơn - ứng với các lượng tử số ø = 2,3,4 e) Mỗi quỹ đạo của electron tương ứng với một năng lượng xác định của nguyên tử Đối với mỗi nguyên tử cho trước nếu electron chuyên động theo quỹ đạo có bán kính bé nhất thì nguyên tử có năng lượng thấp nhất trong tất cả các mức năng lượng có thể có đối với nguyên tử Trạng thái như thế của nguyên tử được gọi là trạng thái bình thường (hay trạng thái cơ bản) Nếu electron quay theo những quỹ đạo cho phép khác thì nguyên tử ở những trạng thái kích thích

37

Nếu tăng bán kính quỹ đạo của electron thì năng lượng toàn phần của nguyên tử cũng tăng lên Nếu ban đầu electron chuyên động theo quỹ đạo với lượng tử số ø=2, ứng với năng lượng E¿, và sau đó electron bắt đầu chuyển động với lượng tử số ø = l và nguyên tử ở trong trạng thái năng lượng E¡< E¿ Trong sự chuyền mức năng lượng electron nguyên tử sẽ phát năng lượng:

trong đó: £ là độ lớn của lượng tử năng lượng, còn =6,6.10”7.slà

hằng số Planck Ở đây lượng tử năng lượng được phát ra dưới dạng bức xạ Như vậy việc nghiên cứu thí nghiệm của Phrang và Hec và các định đề

của Bo dẫn đến quan niệm về cơ chế lượng tử của sự hấp thụ và phát xạ năng

38