giáo trình vật lý lượng tử

Phổ bức xạ nhiệtỞ một nhiệt độ nhất định, vật có thể phát ra nhiều loại bức xạ khác nhau, tương ứng với các bước sóng khác nhau.. Sự cân bằng nhiệtTrong trạng thái cân bằng nhiệt, lượng

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

VẬT LÝ A3:

VẬT LÝ LƯỢNG TỬ

Trang 2

MÔ HÌNH VẬT LÝ

Hiện tượng vật lý

Áp dụng lý thuyết cũ

Th ất

bại

Tìm kiếm lý thuyết mới

Thàn

h cơng

Mở rộng lý thuyết

Xây dựng cơng cụ mới

MỘT LÝ THUYẾT MỚI

Trang 3

Vào cuối thế kỷ 19 nhiều sự kiện thực nghiệm đã khẳng định tính chất sóng của ánh sáng Nhưng cũng chính trong thời gian đó đã xuất hiện những trường hợp mà người ta không thể giải thích được nếu chỉ dựa trên giả thuyết sóng.

1 Bức xạ của vật đen tuyệt đối

Trang 4

Max Planck:

đã phải đề xuất ra một

giả thuyết mới, mà sau

này người ta coi nó là

cơ sở của lý thuyết

lượng tử Giả thuyết

này cho thấy ánh sáng

ngoài tính chất sóng

Trang 5

Chương 1: Tính chất hạt của ánh sáng

Chương 2: Lưỡng tính sóng hạt của vật chất

Chương 3: Phương trình Schroedinger

Chương 4: Nguyên tử

Trang 6

1.1 Bức xạ nhiệt của vật đen

1.2 Các định luật phát xạ của VĐTĐ

1.3 Thuyết lượng tử Planck

và thuyết photon Einstein

1.4 Hiệu ứng quang điện

1.5 Hiệu ứng Compton

Chương 1: Tính chất hạt của ánh sáng

Trang 8

1.1.1 Bức xạ

Bức xạ là hiện tượng một vật thể nào đó do kích thích hoặc cưỡng bức phát ra các sóng điện từ

Quá trình phát và lan truyền sóng điện từ là

quá trình lan truyền năng lượng.

Các vật phát sóng điện từ phải chuyển đổi một năng lượng nào đó thành năng lượng sóng

Trang 9

1.1.1 Bức xạ

Có nhiều cách làm cho vật thể phát sóng điện từ :

Tác dụng hoá học (phản ứng đốt cháy phốt pho sẽ phát sáng).

Tác dụng nhiệt ( dây tóc bóng neon cháy sáng).

Trang 10

Vậy hiện tượng vật thể phát ra sóng điện từ do chuyển động nhiệt

được gọi là hiện tượng bức xạ nhiệt.

Trang 11

1.1.3 Phổ bức xạ nhiệt

Ở một nhiệt độ nhất định, vật có thể phát ra nhiều loại bức xạ khác nhau, tương ứng với các bước sóng khác nhau

Người ta thường quan tâm đến sự phân bố của năng lượng phát

ra theo bước sóng: xem năng lượng phát ra ứng với bước sóng nào đó là bằng bao nhiêu.

Trang 12

1.1.4 Sự cân bằng nhiệt

Xét một ly nước được đặt trong không khí:

Nước và không khí luôn luôn có sự trao đổi năng lượng

Nước nóng hơn không khí, năng lượng do nó phát ra lớn hơn năng lượng nó thu vào, nước lạnh dần đi

Trạng thái cân bằng nhiệt, là trạng thái đạt được khi nhiệt

độ của nước cân bằng với nhiệt độ không khí

Trang 13

1.1.4 Sự cân bằng nhiệt

Trong trạng thái cân bằng nhiệt, lượng năng lượng mà vật hấp thụ và phát ra dưới dạng bức xạ nhiệt trong một đơn vị thời gian là bằng nhau

Năng lượng do vật phát ra bằng năng lượng do nó thu vào, nên

vật nào có khả năng hấp thụ càng mạnh thì khả năng phát ra bức xạ cũng mạnh

Trang 14

1.1.5 Hệ số hấp thụ đơn sắc

Hệ số hấp thụ: đó là tỉ số giữa phần năng lượng hấp thụ được trên tổng số năng lượng đến đập vào vật.

Nếu ta chỉ tính tỉ số này riêng cho một loại bức xạ có bước sóng

λ thì tỉ số đó được gọi là hệ số hấp thụ đơn sắc và ký hiệu là a(λ).

a(λ) phụ thuộc vào bước sóng λ đang xét, nhiệt độ của vật, vật liệu cấu tạo nên vật cũng như tính chất của bề mặt vật (trơn hay nhám)

Các vật có màu đen hấp thụ và phát bức xạ mạnh hơn các vật màu trắng

Trang 15

1.1.6 Vật đen tuyệt đối

Vật đen tuyệt đối (VĐTĐ) là một vật lý tưởng, có khả năng hấp thụ mọi bức xạ điện từ chiếu vào nó, nghĩa là nó có hệ số hấp

Khi ở cân bằng nhiệt, VĐTĐ là vật phát ra bức xạ mạnh nhất.

Phổ bức xạ nhiệt của VĐTĐ chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ mà không phụ thuộc vật liệu làm nên nó.

Trang 16

Xét mẫu vật đen có tính chất đặc trưng

của vật đen tuyệt đối:

Bình kín, rỗng có một lỗ trống nhỏ

Phía trong thành bình có phủ lớp mồ

hóng đen để tăng năng suất hấp thu

tại thành bình.

Mọi bức xạ đi qua lỗ hổng vào bình

hầu như đều bị giữ lại trong bình.

1.1 Bức xạ nhiệt của vật đen1.1.6 Vật đen tuyệt đối

Trang 17

1.2.1 Năng suất bức xạ đơn sắc của VĐTĐ

1.2.2 Định luật Stefan-Boltzmann

1.2.3 Định luật Wien

Trang 18

Năng suất phát xạ đơn sắc:

Trên bề mặt VĐTĐ, ở nhiệt độ T, lấy một diện tích dS (cm 2 ).

Xét các sóng điện từ phát ra từ diện tích đó và có bước sóng nằm trong (λ , λ+ dλ ) (µm)

Năng lượng do các sóng điện này mang đi trong 1s là dW(watt) Khi đó tỉ số :

Trang 19

(λ,λ+dλ ) trong một đơn vị diện tích bề mặt vật

là năng suất phát xạ toàn phần ứng với nhiệt độ T.

Trang 20

Độ lớn của I(T) tỉ lệ với diện tích nằm dưới đường cong R T (λ).

Nếu vật có diện tích bề mặt là S, năng lượng do toàn bộ bề mặt

Đại lượng này có đơn vị là Watt và được gọi là công suất phát xạ của vật

Trang 21

Thực nghiệm của Lummer và Pringsheim

1889-1890

30 40 50 60

70 1.0 2.0 3.0 4.0

Rayleigh-Jeans 1600K

1800K 2000K 2200K

Khi T càng cao, diện tích của

miền nằm dưới đường cong

càng lớn.

Trang 22

Năng suất phát xạ toàn phần

của VĐTĐ ở trạng thái cân bằng

nhiệt ứng với nhiệt độ tuyệt đối T tỉ

lệ với lũy thừa bậc bốn của nhiệt

Trang 23

Khi nhiệt độ thay đổi, bước sóng

λmax ứng với sự phát xạ cực đại

cũng thay đổi nhưng tích số của

nhiệt độ tuyệt đối T và λmax tương

ứng là không đổi.

b = λ max .T = 2,898.10 -3 m.K :

1.2 Các định luật phát xạ của VĐTĐ 1.2.3 Định luật Wien

Trang 24

1.2.4 Giải thích kết quả thực nghiệm – Công thức RJ- Sự khủng hoảng ở vùng tử ngoại

R T (λ) = số lượng bức xạ phát ra từ lỗ ×

E

4

2 c Số lượng bức xạ phát ra từ lỗ = π

Trang 25

1.2.4 Sự khủng hoảng ở vùng tử ngoại

R T ( λ ) π c k T

λ

Rayleigh – Jeans

tăng rất nhanh khi λ giảm.

40 50 60

70 1.0 2.0 3.0 4.0

Rayleigh-Jeans 1600K 2000K

Trang 26

1.2.4 Sự khủng hoảng ở vùng tử ngoại

Năng suất phát xạ toàn phần của một vật ở một nhiệt T nhất định bằng vô cùng Điều này không đúng Vì vật lý cổ điển quan niệm vật chất hấp thụ hay phát xạ năng lượng bức xạ một cách liên tục.

Bế tắc này đã tồn tại trong một thời gian dài cuối thế kỷ 19 và được gọi là sự khủng hoảng ở vùng tử ngoại

Để giải quyết những bế tắc trên, Planck đã phủ nhận quan điểm

Trang 27

1.3 Thuyết lượng tử Planck & Thuyết photon Einstein

1.3.1 Thuyết lượng tử năng lượng Planck

1.3.2 Công thức Planck

1.3.3 Thuyết photon của Einstein

1.3.4 Động lực học photon

Trang 28

1.3.1 Thuyết lượng tử năng lượng Planck

Các nguyên tử, phân tử phát xạ hay hấp thụ năng lượng của bức xạ điện từ một cách gián đoạn, nghĩa là phần năng lượng phát xạ hay hấp thụ luôn là bội số nguyên của một lượng năng lượng nhỏ xác định gọi là lượng tử năng lượng.

h: hằng số Planck

Trang 29

kT E

E E

) /

exp(

) /

Trang 30

1.3.2 Công thức Planck

Công thức Planck cho phép ta vẽ được đường đặc trưng phổ bức xạ của vật đen tuyệt đối phù hợp với kết quả thực nghiệm ở mọi vùng nhiệt độ và mọi vùng bước sóng khác nhau.

Trang 31

Năm 1905, Einstein dựa trên thuyết lượng tử năng lượng của Planck đã đưa ra thuyết lượng tử ánh sáng hay thuyết photon

Thuyết lượng tử của Planck đã nêu lên quan điểm hiện đại về năng lượng, năng lượng bị lượng tử hóa Nhưng thuyết này chưa nêu lên được bản chất gián đoạn của bức xạ điện từ

Trang 32

Nội dung thuyết phôtôn của Einstein:

Bức xạ điện từ gồm vô số những hạt rất nhỏ gọi là lượng tử ánh sáng hay các phôtôn.

Với mỗi bức xạ điện từ đơn sắc nhất định, các phôtôn đều giống nhau và mang một năng lượng bằng ε = hν = hc/λ

Trong mọi môi trường và cả chân không, các phôtôn được truyền đi với cùng vận tốc c = 3.10 8 m/s

Khi một vật phát xạ hay hấp thụ bức xạ điện từ có nghĩa là vật đó phát xạ hay hấp thụ các photon

Trang 33

Năng lượng của phôtôn:

Khối lượng của photon:

Theo thuyết tương đối:

0 2 2

m m

v 1 c

ε = hν

Trang 34

Tử số cũng phải = 0

hay khối lượng nghỉ

Trang 35

1.4.1 Thí nghiệm Herzt

1.4.2 Giải thích hiệu ứng quang

điện trên cơ sở thuyết photon

ánh sáng

Trang 36

Cực còn lại gọi là cực góp (A).

V = ϕ A - ϕ B giữa 2 cực có thể

thay đổi được

Trang 37

V > 0

Khi không có ánh sáng

chiếu vào, trong mạch không

có dòng điện.

Khi chiếu ánh sáng có tần

số thích hợp vào quang catod

1.4.1 Thí nghiệm

Trang 38

Đo sự biến thiên của

cường độ dòng quang điện

theo hiệu điện thế V, ta

được đường cong a.

1.4.1 Thí nghiệm

Tăng gấp đôi cường độ

ánh sáng và lặp lại thí

nghiệm Ta được đường

cong b.

V thay đổi

Trang 39

Khi V tăng thì I tăng.

gọi là dòng bão hòa

V > 0 => kéo electron phát ra từ

quang catod về cực góp => V càng lớn

thì electron tụ tập ở cực góp càng nhiều

và dòng quang điện càng lớn.

Khi mọi quang electron phát ra đều

1.4 Hiệu ứng quang điện 1.4.1 Thí nghiệm

Nhận xét

Trang 40

Khi cường độ ánh sáng tăng gấp đôi

thì I 0,b = 2I 0,a

I 0 tỉ lệ cường độ ánh sáng tới hay số

quang electron phát ra tỉ lệ cường độ

ánh sáng tới.

V=0 vẫn có dòng điện.

triệt tiêu V o được gọi là thế hãm

Nhận xét

Trang 41

Tính K max từ V 0

Năng lượng đầu:

Thế năng: W t = -eϕ B = 0

Năng lượng sau

Thế năng: W t = -e(-V 0 ) = eV 0

K + 0 = 0 + eV K = eV

Trang 42

Động năng ban đầu cực đại

của electron K max là một hàm

tuyến tính của tần số ánh sáng.

Khi V 0 =0 thì có ν 0 gọi là tần

số ngưỡng

Khi ánh sáng đến có tần số

nhỏ hơn tần số ngưỡng, hiệu

ứng quang điện không xảy ra.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Trang 43

1.4 Hiệu ứng quang điện 1.4.2 Giải thích hiệu ứng quang điện

Theo thuyết ánh

sáng, động năng một

electron bị bứt khỏi

bề mặt kim loại

Electron có công

thoát bé nhất W sẽ

Trang 44

1.4 Hiệu ứng quang điện 1.4.2 Giải thích hiệu ứng quang điện

Vấn đề cường độ

Cường độ ánh sáng tăng 2 lần

Số photon tăng 2 lần

Số quang electron và I 0 tăng 2 lần

Nhưng khi đó năng lượng của mỗi photon không tăng, do đó

Trang 45

1.4.2 Giải thích hiệu ứng quang điện

thích sự tồn tại của tần số ngưỡng νo

Trang 46

1.4.2 Giải thích hiệu ứng quang điện

Do năng lượng của ánh sáng được tập trung thành từng chùm nhỏ, nên khi hấp thụ một photon có năng lượng lớn hơn công thoát, electron có khả năng bật ra tức thì khỏi mặt kim loại.

Vấn đề thời gian

Trang 47

1.5.1 Thí nghiệm Compton

1.5.2 Giải thích của Compton

Trang 48

Một chùm tia X đơn sắc tán xạ trên một bia bằng carbon

1.5 Hiệu ứng Compton 1.5.1 Thí nghiệm Compton

Bia

Nguồn tia X

Trang 49

Sóng tới: λ

Sóng tán xạ: λ'.

Hiệu số ∆λ được gọi là dịch

chuyển Compton.

∆λ không phụ thuộc vào

1.5 Hiệu ứng Compton 1.5.1 Thí nghiệm Compton

Trang 50

Giả thiết rằng tia X gồm các dòng hạt photon có năng lượng

và xung lượng xác định

Sự tán xạ của tia X trong bia là sự va chạm đàn hồi giữa hai hạt là photon và electron, các electron ban đầu đứng yên và gần như hoàn toàn tự do.

Sau va chạm, photon bị lệch hướng và mất một phần năng lượng => ν bị giảm thành ν', tương ứng với bước sóng λ'

1.5 Hiệu ứng Compton 1.5.2 Giải thích của Compton

Trang 51

1.5 Hiệu ứng Compton 1.5.2 Giải thích của Compton

Trang 52

Sự dịch chuyển

Compton ∆λ chỉ

phụ thuộc vào

góc tán xạ và

không phụ thuộc

bước sóng tới.

Trang 53

Kết luận

(hiệu ứng quang điện) và vùng tia X (hiệu ứng Compton) cho thấy ánh sáng đều thể hiện bản chất hạt.

Nhưng ánh sáng cũng thể hiện tính chất sóng qua các hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ Như vậy có thể nói ánh sáng vừa có tính chất sóng,vừa có tính chất hạt

Tính chất hạt của ánh sáng thể hiện càng rõ khi bước sóng của nó càng bé Khi đó hiện tượng nhiễu xạ càng khó quan sát và định

Trang 54

Trang 55

Định dạng
Số trang	55
Dung lượng	1,03 MB