Bản chất và cơ chế điện tử học lượng tử của hiện tượng mắt nhìn thấy Bức xạ Điện từ và các nàu sắc khác nhau của BXĐT Bức xạ điện từ hay sóng điện từ là sự kết hợp nhân vector của dao độ
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BÀI TIỂU LUẬN MÔN: ĐIỆN TỬ HỌC LƯỢNG TỬ ỨNG DỤNG
Giảng viên hướng dẫn : GS.TSKH Nguyễn Văn Trị Học viên thực hiện : Vũ Văn Dần
Hưng yên, tháng 3 năm 2013
Trang 2NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
Trang 3ĐỀ TÀI : ĐỀ TIỂU LUẬN 15
Bản chất và Cơ chế Điện tử học Lượng tử của Ánh sang và Màu sắc
I Bản chất và cơ chế điện tử học lượng tử của hiện tượng mắt nhìn thấy
Bức xạ Điện từ và các nàu sắc khác nhau của BXĐT
II Ngưỡng nhận ánh sang vàng của võng mạc là 1,7.10-18 W Hỏi khi đó
có bao nhiêu photon tới võng mạc trong 1 sec? cho biết ánh sang vàng
có bước song trung bình bằng 575 nm.
Trang 4I Bản chất và cơ chế điện tử học lượng tử của hiện tượng mắt nhìn
thấy Bức xạ Điện từ và các nàu sắc khác nhau của BXĐT
Bức xạ điện từ (hay sóng điện từ) là sự kết hợp (nhân vector) của dao động điện trường và từ trường vuông góc với nhau, lan truyền trong không gian như sóng Sóng điện từ cũng bị lượng tử hoá thành những "đợt sóng" có tính chất như các hạt chuyển động gọi là photon
Hình 1: Sóng điện từ (BXDT)
Hình 2:Sóng điện từ lan truyền theo Z Một trường hợp đặc biệt của sóng điện từ lan truyền theo phương Z, gọi là sóng phẳng điều hòa với thành phần điện trường chỉ dao đông theo phương Y,
, Còn từ trường dao động điều hòa theo phương X,
Qua nhiều năm nghiên cứu liên tục về ánh sáng và trong thế kỷ 16, 17 đã có những lý thuyết mâu thuẫn coi ánh sáng có tính chất sóng hay hạt Ánh sáng lần đầu tiên được liên kết với điện từ vào năm 1845 khi Michael Faraday nhận thấy ánh sáng phản ứng với từ trường Phát hiện đầu tiên về tính chất sóng điện từ của ánh sáng là vào năm 1800, khi William Herschel phát hiện ra ánh sáng hồng ngoại Ông đã nghiên cứu nhiệt độ màu sắc khác nhau bằng cách di chuyển một nhiệt kế qua ánh sáng bị chia qua một lăng kính Ông nhận thấy rằng nhiệt độ cao nhất là khi vượt quá màu đỏ Ông đưa ra giả thuyết có 'ánh sáng' mà mắt người không thể nhìn thấy Năm
Trang 51801, Johann Ritternghiên cứu ở phía đầu kia của quang phổ và thấy rằng có 'các tia hóa học' cũng có hành vi tương tự, nhưng xa hơn nữa, tia sáng có thể nhìn thấy màu cực tím Sau đó họ đổi tên thành bức xạ cực tím Trong thập niên 1860 James Maxwell nghiên cứu trường điện từ và phát hiện chúng truyền ở gần vận tốc ánh sáng Ông đã đưa ra 4 phương trình vi phân để giải thích mối tương quan này Những phương trình này dự đoán nhiều tần số của sóng điện từ truyền với vận tốc ánh sáng
Để chứng minh các phương trình của Maxwell, năm 1886 Heinrich Hertz đã chế tạo một cỗ máy để tạo và phát hiện sóng vô tuyến Ông có thể quan sát thấy chúng truyền
ở vận tốc ánh sáng và có thể bị phản xạ và khúc xạ Trong một thí nghiệm sau đó, ông
đã tạo ra và đo được vi sóng Những sóng mới này đã mở đường cho các phát minh như điện báo không dây và vô tuyến Năm 1895 Wilhelm Röntgen phát hiện một loại bức xạ mới khi đang làm một thí nghiệm Ông gọi đó tia X và nhận thấy chúng có thể truyền xuyên qua cơ thể người, nhưng lại bị các vật chất đặc phản xạ, ví dụ như xương Sau này tia X được ứng dụng rất nhiều trong lĩnh vực y học Phần cuối cùng của phổ điện từ được điền đầy với việc phát hiện ra tia gamma Năm 1900 Paul Villard nghiên cứu phóng xạ Đầu tiên ông nghĩ rằng chúng là các hạt tương tự như các hạt alpha và beta Tuy nhiên, năm 1910 Ernest Rutherford đo bước sóng của chúng
và thấy rằng chúng là sóng điện từ
Khi lan truyền, sóng điện từ mang theo năng lượng, động lượng và thông tin Sóng điện từ với bước sóng nằm trong khoảng 400 nm và 700 nm có thể được quan sát bằngmắt người và gọi là ánh sáng
Mọi vật thể đều phát ra bức xạ điện từ, do dao động nhiệt của các phân tử hay nguyên tử hoặc các hạt cấu tạo nên chúng, với năng lượng bức xạ và phân bố cường độ bức xạ theo tần số phụ thuộc vào ở nhiệt độ của vật thể, gần giống bức xạ vật đen Sự bức xạ này lấy đi nhiệt năng của vật thể Các vật thể cũng có thể hấp thụ bức xạ phát
ra từ vật thể khác; và quá trình phát ra và hấp thụ bức xạ là một trong các quá trình trao đổi nhiệt
Hình 3: Phổ tần số của BXĐT
Trang 6Hình 4: Biểu đồ phổ điện từ, chỉ ra các thuộc tính khác nhau theo tần số và bước sóng Sóng điện từ thường được mô tả bởi ba tính chất vật lý bất kỳ sau: tần
số f, bước sóngλ, hoặc năng lượngphoton E Dải tần số từ 2,4×1023 Hz (1 GeV tia gamma) xuống tần số plasma cục bộ của môi trường giữa các nguyên tử bị ion hóa (~1 kHz) Bước sóng tỉ lệ nghịch với tần số, do đó tia gamma có bước sóng rất ngắn là phân số của kích thước nguyên tử, trong khi các bước sóng có thể dài bằng vũ trụ Năng lượng photon tỉ lệ thuận với tần số sóng, do đó tia gamma có năng lượng cao nhất (khoảng một tỉ electronvolt) và sóng vô tuyến có năng lượng rất thấp (khoảng một femtô electronvolt) Các mối quan hệ được minh họa bằng các phương trình sau:
Trong đó:
c = 299.792.458 m/s là vận tốc ánh sáng trong chân không
h = 6,62606896(33)×10−34 J s = 4,13566733(10)×10−15 eV s là hằng số Planck Bất cứ khi nào sóng điện từ tồn tại trong một môi trường vật chất, thì bước sóng của chúng sẽ giảm Bước sóng của bức xạ điện từ, không bị ảnh hưởng bởi môi trường
mà chúng truyền qua, thường được trích dẫn về mặt bước sóng chân không, mặc dù
điều này không phải lực nào cũng quy định rõ ràng
Nói chung, bức xạ điện từ được phân loại thành các bước sóng với: sóng vô tuyến, vi ba, bức xạ terahertz (hay dưới mm), hồng ngoại, vùng ánh sáng nhìn thấy, cực tím, tia X và tia gamma Việc bức xạ EM phụ thuộc vào bước sóng của nó Khi bức xạ EM tương tác với một nguyên tử và phân tử, hành vi của nó cũng phụ thuộc vào năng lượng trên mỗi lượng tử (photon) mà nó mang theo
Quang phổ có thể phát hiện một vùng lớn phổ EM hơn dải ánh sáng nhìn thấy từ
400 nm đến 700 nm Một phòng thí nghiệm quang phổ thông thường có thể phát hiện bước sóng từ 2 nm tới 2500 nm Thông tin chi tiết về tính chất vật lý của đối tượng, khí hay thậm chí ngôi sao cũng có thể thu được nhờ loại thiết bị này Kính quang phổ
Trang 7được dùng rộng rãi trong vật lý học thiên thể Ví dụ, rất nhiều nguyên tử hydro phát ra một photon sóng vô tuyến có bước sóng 21,12 cm Ngoài ra, tần số 30 Hz và thấp hơn
có thể tạo ra và rất quan trọng trong nghiên cứu các sao tinh vân nhất định và tần số cao như 2,9×1027 Hz đã được phát hiện từ các nguồn vật lý thiên văn
Ánh sáng khả kiến biểu hiện những tính chất sóng kinh điển, nhưng đồng thời cũng bộc lộ những tính chất có xu hướng hạt, thể hiện rõ ràng qua những thực thể có năng lượng và xung lượng (nhưng không có khối lượng), và được gọi là photon Nguyên tử
là nguồn phát ra mọi bức xạ điện từ, dù là loại nhìn thấy hay không nhìn thấy Các dạng bức xạ năng lượng cao, như sóng gamma và tia X, sinh ra do những sự kiện xảy
ra làm phá vỡ trạng thái cân bằng hạt nhân của nguyên tử Bức xạ có năng lượng thấp, như ánh sáng cực tím, khả kiến và hồng ngoại, cũng như sóng vô tuyến và vi ba, phát
ra từ những đám mây electron bao quanh hạt nhân hoặc do tương tác của một nguyên
tử với nguyên tử khác Những dạng bức xạ này xảy ra do thực tế các electron chuyển động trong những quỹ đạo xung quanh hạt nhân nguyên tử sắp xếp vào những mức năng lượng khác nhau trong hàm phân bố xác suất của chúng Nhiều electron có thể hấp thụ thêm năng lượng từ nguồn bức xạ điện từ bên ngoài , kết quả là chúng nhảy lên mức năng lượng cao hơn vốn dĩ không bền
Cuối cùng, electron “bị kích thích” giải phóng năng lượng thừa bằng cách phát ra bức xạ điện từ có năng lượng thấp hơn, và đồng thời rơi trở lại mức năng lượng bền trước đó của nó Năng lượng của bức xạ phát ra bằng với năng lượng ban đầu electron hấp thụ trừ đi lượng nhỏ năng lượng bị thất thoát qua một số quá trình thứ cấp
Các mức năng lượng bức xạ điện từ có thể thay đổi đáng kể phụ thuộc vào năng lượng của nguồn electron hoặc hạt nhân Ví dụ, các sóng vô tuyến có năng lượng thấp hơn nhiều so với sóng vi ba, tia hồng ngoại, hoặc ánh sáng khả kiến, và tất cả các sóng này lại chứa ít năng lượng hơn ánh sáng tử ngoại, tia X và sóng gamma Như một quy luật, các năng lượng bức xạ điện từ cao liên quan đến các bước sóng ngắn nhiều hơn các dạng bức xạ có năng lượng thấp Mối liên hệ giữa năng lượng của một sóng điện
từ và tần số của nó được cho bởi phương trình:
E = hn = hc/λ Trong đó: E là năng lượng (kJ/mol), h là hằng số Planck, và các biến khác đã được định nghĩa ở phần trên Theo phương trình này, năng lượng của sóng điện từ tỉ lệ trực tiếp với tần số của nó và tỉ lệ nghịch với bước sóng Như vậy, khi tần số tăng (với
sự giảm bước sóng tương ứng), thì năng lượng sóng điện từ tăng, và ngược lại Các đặc trưng chọn lọc của các loại bức xạ điện từ khác nhau, như được định rõ bởi bước sóng, tần số và các mức năng lượng của nó, sẽ lần lượt được trình bày trong phần sau đây
Mặc dù bức xạ điện từ thường được mô tả bằng bước sóng và tần số của dạng sóng, nhưng những tính chất đặc trưng khác cũng quan trọng khi xem xét cách thức sóng truyền trong không gian Hình 4 biểu diễn các dạng sóng khác nhau tiêu biểu cho các trạng thái phổ biến thường được dùng để mô tả mức độ đồng đều của bức xạ điện
từ Do ánh sáng khả kiến là loại bức xạ được nói tới nhiều nhất, nên các ví dụ minh họa trong hình 4 miêu tả các bước sóng trong vùng phổ này Ví dụ, ánh sáng đơn sắc gồm các sóng có cùng bước sóng và tần số, hay ở cấp độ vĩ mô, có cùng màu trong ánh sáng khả kiến Trái lại, ánh sáng khả kiến đa sắc thường xuất hiện dưới dạng ánh
Trang 8sáng trắng do sự đóng góp của hỗn hợp tất cả hay đa số các bước sóng nằm trong vùng phổ từ 400 đến 700 nanomet
Hình 5: Dạng sóng của các trạng thái bức xạ điện từ
Khi ánh sáng không phân cực (hình 5), các vectơ điện trường dao động trong mọi mặt phẳng nằm vuông góc với hướng truyền sóng Ánh sáng phản xạ từ một bề mặt phẳng tại góc tới hạn, hoặc truyền qua các bộ lọc phân cực, sẽ định hướng theo mặt phẳng phân cực, với tất cả các vectơ điện trường dao động trong một mặt phẳng vuông góc với hướng truyền sóng Ánh sáng phát ra từ Mặt Trời, và đa số các nguồn phát ánh sáng khả kiến phổ biến như bóng đèn nóng sáng hoặc huỳnh quang, là không phân cực, còn ánh sáng nhìn qua các thấu kính phân cực của kính râm bị phân cực theo chiều đứng Trong một số trường hợp, ánh sáng có thể bị phân cực elip hoặc phân cực tròn khi truyền qua những chất có nhiều hơn một chiết suất (các chất khúc xạ kép)
Đa số các nguồn sáng tự nhiên và nhân tạo phát ra ánh sáng không kết hợp, thể hiện nhiều mối quan hệ pha giữa các bước sóng có mặt trong quang phổ (hình 5) Trong trường hợp này, các đỉnh và lõm của các trạng thái dao động trong từng sóng không đồng bộ với nhau trong không gian hoặc thời gian Ánh sáng kết hợp gồm các bước sóng đồng pha với nhau, và hành xử theo kiểu rất khác với ánh sáng không kết hợp đối với các tính chất quang học và tương tác với vật chất Mặt đầu sóng do ánh sáng kết hợp tạo ra có các dao động đỉện và từ cùng pha, có góc phân kì thấp, và thường gồm ánh sáng đơn sắc hoặc các bước sóng có độ phân bố hẹp Laser là nguồn phổ biến phát ra ánh sáng kết hợp
Những sóng ánh sáng có đường đi đồng trục, tương đối không phân kì khi truyền trong không gian được gọi là chuẩn trực Dạng có tổ chức này của ánh sáng không trải ra, hay không phân kì, một mức độ đáng kể trên những khoảng cách tương đối xa Ánh sáng chuẩn trực tạo ra chùm tia rất sít sao, nhưng không cần thiết phải có dải bước sóng hẹp (không cần phải đơn sắc), một mối quan hệ pha chung, hoặc một trạng thái phân cực đã được định rõ Mặt đầu sóng của ánh sáng chuẩn trực là mặt phẳng và vuông góc với trục truyền Trái lại, ánh sáng phân kì, hay không chuẩn trực, lại trải ra một mức độ rộng khi truyền trong không gian, và phải cho đi qua một thấu kính hoặc một lỗ nhỏ mới làm cho nó chuẩn trực, hoặc hội tụ
Trang 9
-Bản chất của màu sắc và ánh sáng, sự cảm nhận màu sắc của mắt người
Ánh sáng khả kiến là một hiện tượng phức tạp được giải thích kinh điển bằng một mô hình đơn giản dựa trên các tia truyền và mặt đầu sóng, khái niệm được nêu ra lần đầu tiên vào cuối những năm 1600 bởi nhà vật lí người Hà Lan Christiaan Huygens Bức xạ điện từ, một gia đình rộng lớn hơn của những hiện tượng kiểu sóng
mà ánh sáng khả kiến thuộc về nó (cũng còn gọi là năng lượng bức xạ), là phương tiện truyền năng lượng chủ yếu trong vũ trụ mênh mông Cơ chế mà ánh sáng khả kiến được phát ra hoặc bị hấp thụ bởi các chất, và cách thức nó tác động lại dưới những điều kiện khác nhau khi truyền trong không gian và trong khí quyển, hình thành nên cơ
sở cho sự tồn tại của màu sắc trong vũ trụ
Dưới những điều kiện bình thường, khi truyền trong một môi trường đồng tính, như không khí hoặc chân không, ánh sáng truyền theo đường thẳng cho đến khi nó tương tác với môi trường hoặc vật liệu khác khiến nó đổi hướng, qua sự khúc xạ (bẻ cong) hoặc phản xạ Cường độ ánh sáng cũng giảm do sự hấp thụ bởi môi trường Nếu sóng ánh sáng truyền qua một khe hẹp hoặc lỗ nhỏ, thì chúng có thể bị nhiễu xạ hoặc phân tán (tán xạ) tạo nên hình ảnh nhiễu xạ đặc trưng Phù hợp với định luật nghịch đảo bình phương nổi tiếng, cường độ (hay độ chói) của bức xạ điện từ tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách mà chúng truyền đi Như vậy, sau khi ánh sáng truyền đi hai lần một khoảng cách cho trước, thì cường độ của nó giảm đi bốn lần
Hình 6: Sự hấp thụ và phát xạ Ánh sáng khả kiến biểu hiện những tính chất sóng kinh điển, nhưng đồng thời cũng bộc lộ những tính chất có xu hướng hạt, thể hiện rõ ràng qua những thực thể có năng lượng và xung lượng (nhưng không có khối lượng), và được gọi là photon Nguyên tử là nguồn phát ra mọi bức xạ điện từ, dù là loại nhìn thấy hay không nhìn thấy Các dạng bức xạ năng lượng cao, như sóng gamma và tia X, sinh ra do những sự kiện xảy ra làm phá vỡ trạng thái cân bằng hạt nhân của nguyên tử Bức xạ có năng lượng thấp, như ánh sáng cực tím, khả kiến và hồng ngoại, cũng như sóng vô tuyến và
vi ba, phát ra từ những đám mây electron bao quanh hạt nhân hoặc do tương tác của một nguyên tử với nguyên tử khác Những dạng bức xạ này xảy ra do thực tế các electron chuyển động trong những quỹ đạo xung quanh hạt nhân nguyên tử sắp xếp vào những mức năng lượng khác nhau trong hàm phân bố xác suất của chúng Nhiều electron có thể hấp thụ thêm năng lượng từ nguồn bức xạ điện từ bên ngoài (xem hình 6), kết quả là chúng nhảy lên mức năng lượng cao hơn vốn dĩ không bền
Trang 10Hình 7: Sự nhảy mức không bền của các electron Cuối cùng, electron “bị kích thích” giải phóng năng lượng thừa bằng cách phát
ra bức xạ điện từ có năng lượng thấp hơn, và đồng thời rơi trở lại mức năng lượng bền trước đó của nó Năng lượng của bức xạ phát ra bằng với năng lượng ban đầu electron hấp thụ trừ đi lượng nhỏ năng lượng bị thất thoát qua một số quá trình thứ cấp
Hình 8: Dải tần số của ánh sáng nhìn thấy và các màu sắc cơ bản
Màu sắc là cảm giác mang đến cho hệ thần kinh của người từ sự kết hợp tín hiệu của ba loại tế bào cảm thụ màu ở mắt người Cảm giác này cũng bị ảnh hưởng
