LUẬN văn sư PHẠM vật lý THIẾT kế tài LIỆU học tập PHẦN LƯỢNG tử ÁNH SÁNG THEO cấu TRÚC KHỐI KIẾN THỨC

2.2.Năng suất bức xạ toàn phần Độ trưng năng lượng toàn phần Là đại lượng có trị số bằng năng lượng phát ra từ một đơn vị diện tích mặt ngoài của vật theo mọi phương trong một đơn vị t

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

KHOA SƯ PHẠM

BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

THIẾT KẾ TÀI LIỆU HỌC TẬP PHẦN LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG THEO CẤU TRÚC KHỐI KIẾN THỨC

MSSV: 1060117 LỚP SP VẬT LÝ 02 K32

Cần Thơ, tháng 05/2010

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

L ỜI CẢM ƠN

Trước tiên tôi xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Hữu Khanh đã nhận và tận tình hướng dẫn đề tài Luận văn tốt

nghiệp để tôi có thể hoàn thành khóa học ở trường Trong thời

gian thực hiện đề tài tôi đã học hỏi được rất nhiều kinh nghiệm

quý báo từ Thầy và thông qua quá trình thực hiện bản thân

cũng đã tích lũy được nhiều kiến thức mới

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô trong Bộ Môn

Sư Phạm Vật Lý Trường Đại Học Cần Thơ những người đã

truyền thụ kiến thức quý báo cho tôi trong suốt bốn năm học tại

trường và các bạn cùng lớp những người đã cùng tôi học tập,

nghiên cứu, đã đóng góp ý kiến và những kinh nghiệm để tôi

có thể thực hiện tốt đề tài này

M ỤC LỤC

Ph ần MỞ ĐẦU Trang 4

1 Lý do chọn đề tài 4

1.1.Sơ lược về tình hình học tập của sinh viên hiện nay 4

1.2.Đặc điểm các loại tài liệu học tập hiện nay 4

1.3.Lý do chọn đề tài 4

2 Mục đích của đề tài 5

3 Các phương pháp và phương tiện thực hiện 5

4 Các bước thực hiện 5

5 Phạm vi và giới hạn của đề tài 5

6 Tính mới mẽ và giá trị của đề tài 5

Ph ần NỘI DUNG 6

1 Đặc điểm của đề tài 6

2 Cấu trúc của đề tài 6

3 Giao diện của tài liệu (File Flash) 7

A – Lý thuyết 8

I Bức xạ nhiệt 8

1 Định nghĩa 8

2 Năng suất phát xạ - Năng suất hấp thụ 8

3 Định luật Kirchhoff 9

4 Bức xạ của vật đen tuyệt đối 10

5 Bức xạ của vật thực 14

6 Phương pháp đo nhiệt độ 16

II Các hiệu ứng lượng tử 18

1.Thuyết lượng tử ánh sáng 18

2 Hiệu ứng quang điện 18

2.1.Thí nghiệm của Stoletov 18

2.2.Các định luật quang điện 19

2.3.Giải thích các định luật quang điện 21

2.4.Ứng dụng hiệu ứng quang điện 23

3 Hiệu ứng Compton 25

3.1.Hiệu ứng Compton 25

3.2.Bản chất lưỡng tính sóng - hạt của ánh sáng 27

III Sự phát quang – Tác dụng hóc học của ánh sáng 29

1 Sự phát quang 29

1.1.Hiện tượng phát quang 29

1.2.Định nghĩa về sự phát quang 29

1.3.Các dạng phát quang 30

1.4.Định luật phát quang 30

2 Tác dụng hóc học của ánh sáng 33

2.1.Phản ứng quang hóa 33

2.2.Các định luật quang hóa 34

IV Máy phát lượng tử (Laser) 36

1 Nguyên lý chúng 36

2 Mô hình cấu tạo 37

3 Nguyên tắc hoạt động 38

4 Tính chất của Laser 39

5 Ứng dụng của laser 40

B – Câu hỏi ôn tập 42

C - Bài tập áp dụng 43

D - Bài tập luyện tập 51

E - Bài tập trắc nghiệm 55

Ph ần K ẾT LU ẬN 64

Tài Liệu Tham Khảo 65

Ph ần MỞ ĐẦU

1.Lý do ch ọn đề tài

1.1 Sơ lược về tình hình tự học của sinh viên hiện nay

Hiện nay nhiều trường đại học và cao đẳng trên toàn quốc đã, đang và sẽ chuyển sang chế độ tín chỉ hóa Với việc thực hiên chế độ tín chỉ hóa này đòi hỏi sinh viên tự học

là chính, thời gian trên giảng đường của họ sẽ rút ngắn lại đáng kể có thể chỉ bằng một nửa so với trước kia

Thời gian học tập trên lớp cúa sinh viên thì bị rút ngắn, trong khi đó lượng kiến thức vẫn không đổi Tài liệu học tập chính của sinh viên chỉ là giáo trình do trường cung cấp Tuy nhiên giáo trình thì chưa đủ phục vụ tốt cho môn học, do đó sinh viên cần phải tham khảo thêm các nguồn tài liệu khác

1.2 Đặc điểm các tài liệu học tập của sinh viên hiện nay

Hiện nay có rất nhiều loại tài liệu học tập sinh viên có thể tham khảo: Sách giáo khoa, báo, tạp chí, giáo trình, website…Tuy các tài liệu này rất phong phú về nội dung nhưng đôi khi nó làm cho người đọc cảm thấy khó khăn vì những đặc điểm riêng của nó:

+ Sách giáo khoa: nội dung của nó thì phong phú về nội dung nhưng chỉ là các kiến thức cơ bản

+ Báo, tạp chí: đây là loại tài liệu phát hành theo định kỳ ưu điểm của nó là người

đọc có thể tìm thấy chúng ở nhiều nơi tuy nhiên về mặt kiến thức chuyên ngành nó cung cấp cho người đọc là rất hạn chế đôi khi chỉ mang tính chất giới thiệu mà không đi sâu vào bản chất

+ Giáo trình: là một loại tài liệu rất phổ biến ở các trường đại học, cao đẳng hiện

nay đặc điểm của loại tài liệu này là kiến thức được trình bày rất rộng, ít có các bài tập để sinh viên tham khảo

+ Các website: đây là nơi mà sinh viên thường tham khảo trong qua trình học tập

nó chứa đựng một lượng kiến thức rất to lớn tuy nhiên để tìm được một trang web theo mong muốn thì không dễ dàng chút nào, đôi khi để tìm được đầy đủ các nội dung cần thiết thì phải tham khảo 2, 3 trang web hoặc nhiều hơn nữa điều này làm cho các bạn sinh viên mất rất nhiều thời gian, công sức và cả tiền bạc

Nói tóm lại, các loại tài liệu học tập đã nêu trên về phương diện nào đó đều có những ưu điểm và khuyết điểm riêng Vì thế các nguồn tài liệu này vẫn chưa đáp ứng đầy

đủ nhu cầu học tập của sinh viên

1.3 Lý do chọn đề tài

Từ những lý do trên nên em quyết định chọn đề tài " Thiết kế tài liệu học tập

phần Lượng tử ánh sáng theo cấu trúc khối kiến thức" nhằm bổ sung thêm một loại tài liệu học tập mới phục vụ nhu cầu học tập của sinh viên chuyên ngành Vật lý

Đưa tài liệu lên Website và hoạt động có hiệu quả

3.Các ph ương pháp và phương tiện thực hiện đề tài

+ Phương pháp nghên cứu tài liệu: Phân tích và tổng hợp tài liệu về các định hướng trong quá trình dạy học

+ Phương tiện thực hiện: các nguồn tài liệu có liên quan, phần mềm Macromedia flash 8

4.Các b ước thực hiện

+ Nhận đề tài và phân tích mục đích đề ra

+ Tiến thành thu thập các nguồn tài liệu theo mục đích đã đề ra

+ Tổng hợp lại các nguồn tài liệu và tiến hành viết bài

+ Nộp về giáo viên hướng dẫn chỉnh sửa

+ Hoàn chỉnh đề tài

5 Ph ạm vi và giới hạn của đề tài

Nội dung đề tài chỉ thực hiện trong phần Tính chất lượng tử của ánh sáng của môn Quang Học

6 Tính m ới mẽ và giá trị của đề tài

Đề tài sử dụng phần mềm Macromedia flash 8 để truyền tải nội dung và thiết kế các thí nghiệm ảo, giúp người đọc hiểu được vấn đề một cách trực quan hơn

Ph ần NỘI DUNG

1 Đặc điểm của đề tài

Đề tài được thiết kế gồm 5 phần: Nội dung, câu hỏi ôn tập, bài tập áp dụng, bài tập tham khảo, bài tập kiểm tra

Nội dung: chứa đựng nội dung lý thuyết kèm theo đó là các thí nghiệm ảo sẽ giúp

cho sinh viên vừa tham khảo lý thuyết vừa xem được các thí nghiệm, làm cho việc học thêm trực quan hơn

Câu hỏi ôn tập: là những câu hỏi giúp cho sinh viên ôn lại các kiến thức kèm theo

đó là những câu hỏi vận dụng kiến thức vào thực tế

Bài tập áp dụng: là những bài tập có kèm theo lời giải để giúp cho sinh viên làm

cơ sở để giải các bài tập khác

Bài tập tham khảo: phần này chúa đựng các bài tập, không có lời giải nhưng có

kèm theo đáp án giúp người làm có thể kiểm tra lại kết quả

Trắc nghiệm: nó sẽ giúp cho sinh viên kiểm tra lại các kiến thức mình đã nắm và cần phải thay đổi điểu chỉnh ở những điểm nào

2.C ấu trúc đề tài

3 Giao di ện của tài liệu (File Flash)

Giao Diện Của Trang Chủ

Giao diện trang Hiệu ứng quang điện

- Sự giảm nội năng

- Trạng thái bức xạ của hệ thay đổi liên tục

- Một vật nung nóng đến một nhiệt độ đủ cao thì sẽ phát sáng tức là phát ra ánh sáng khả kiến Nhưng nếu nhiệt độ thấp hơn, vật vẫn phát ra bức xạ, bức xạ này có bước sóng nằm trong vùng hồng ngoại Loại bức xạ phát ra trong trường hợp này gọi là bức xạ nhiệt

Sự bức xạ nhiệt của vật sẽ không thay đổi nếu năng lượng mất đi vì bức xạ được bù lại do cung cấp nhiệt

- Bức xạ nhiệt có thể đạt đến sự cân bằng nhiệt động Khi đó nhiệt độ sẽ đặc trưng cho trạng thái

2.N ăng suất phát xạ - Năng suất hấp thụ

2.1.Công suất bức xạ

Là một đại lượng đặc trưng cho sự bức xạ của một vật, tức là phần năng lượng ứng với mọi bước sóng mà vật phát ra theo mọi phương trong một đơn vị thời gian

2.2.Năng suất bức xạ toàn phần ( Độ trưng năng lượng toàn phần)

Là đại lượng có trị số bằng năng lượng phát ra từ một đơn vị diện tích mặt ngoài của vật theo mọi phương trong một đơn vị thời gian, ứng với mọi bước sóng

R e

⇒Công suất bức xạ (dòng quang năng) ứng với bước sóng từ λ→λ+dλ do dS phát ra:dEλ =dR e.dS=rλ.dλ.dS

dE a

'

= gọi là năng suất hấp thụ của vật

Sự hấp thụ bức xạ của vật mang tính lọc lựa Hay aλ = f(λ,T)

+ aλ = 1 vật hấp thụ hoàn toàn dòng quang năng

+ aλ <1 ⇒ dEλ' <dEλ vật hấp thụ một phần

3 Định luật Kirchhoff

Nội dung của định luật Kirchhoff là tìm ra mối liên hệ giữa năng suất phát xạ đơn sắc và năng suất hấp thụ (rλvà aλ) của một vật

Bình D trong là chân không ở nhiệt độ T = hằng số

Các vật sẽ đạt trạng thái cân bằng nhiệt (T)

Xét vật A:

Công suất bức xạ của vật A trong [λ;λ+dλ]

dS d r

dEλ = λ. λ.Công suất bức xạ trong [λ;λ+dλ] từ bên ngoài truyền đến diện tích dS:

( )d dS K

dEλ' = T,λ . λ.Với K(T,λ) là hằng số biểu diễn mật độ công suất bức xạ của chân không

phụ thuộc T và λ, không phụ thuộc vào bản chất vật Công suất hấp thụ vật A:

dS d K a dE a

dEλ'' = λ. λ' = λ . λ.Theo nguyên lý cân bằng nhiệt (T = hằng số)

rλ. λ = λ . λ.

⇔

K a

K a

r a

r a

r

C B

'

λ λ λ

λ λ

4.B ức xạ của vật đen tuyệt đối

4.1.Vật đen tuyệt đối

Là vật có khả năng hấp thụ hoàn toàn các bức xạ có bước sóng bất kỳ, ở mọi nhiệt

ρ biểu thị cho năng suất phát xạ của vật đen tuyệt đối

Ở nhiệt độ cho trước, mọi vật đen tuyệt đối có cùng phân số năng lượng theo bước sóng hay độ trưng của chúng biến thiên như nhau theo nhiệt độ T

Thực tế không có vật nào mà hệ số phản xạ bằng không, tức là không có vật đen tuyệt đối Tuy nhiên định luật Kirchhoff cho ta khả năng thực hiện nhân tạo vật đen tuyệt đối

Bình B kín có dạng bất kỳ, không trong suốt, thành được sơn đen có lỗ C kích thước nhỏ Chùm bức xạ hẹp qua lỗ C vào bình B sẽ bị thành bình hấp thụ một phần, một phần phản xạ, tán xạ đến các điểm khác và cứ như thế Vì lỗ C rất nhỏ, chùm bức xạ sau nhiều lần phản xạ và tán xạ sẽ đi ra lỗ C có cường độ rất yếu so với cường độ lúc đi vào, cho nên có thể coi năng suất hấp thụ của bình B : aλ = 1

4.2.Khảo sát sự bức xạ của vật đen tuyệt đối bằng thực nghiệm

Hình 3-Thí nghi ệm xác định hàm f ( Tλ, )

Sơ đồ thí nghiệm hình 3 gồm có:

- Bình B được nung nóng ở nhiệt độ T, dùng làm vật đen tuyệt đối

- Thấu kính L1 tạo chùm tia hội tụ tại S

- Thấu kính L2 tạo chùm tia song song truyền đến cách tử nhiễu xạ R

- Cách tử nhiễu xạ R tạo ra vân sáng đơn sắc trên màn E

- Pin nhiệt điện G đo công suất của dòng quang năng đối với từng bước sóng theo

ToK Kết quả thí nghiệm cho ta đồ thị hàm ρλ,T theo λ ở các nhiệt độ khác nhau

Hình 4- Đường cong thực nghiệmρλ,T theo λ

*Nh ận xét:

+ Năng suất phát xạ đơn sắc của vật đen tuyệt đối tăng theo nhiệt độ

+ Với nhiệt độ T xác định thì năng suất phát xạ đơn sắc ρλ,T của vật đen tuyệt đối

sẽ có một cực đại ứng với một bước sóng λmax hoàn toàn xác định

+ Cực đại của năng suất phát xạ dịch chuyển về phía sóng ngắn, khi nhiệt độ tăng Cho nên màu của ánh sáng phát ra thay đổi theo T

ρ

120

0

• Ở nhiệt độ thấp, cực đại của năng suất phát xạ nằm trong vùng sóng dài, không gây cảm giác sáng trên mắt

• Khoảng 600oC vật phát ra ánh sáng đỏ vùng sóng dài ở miền nhìn thấy

• Nếu nhiệt độ tăng nữa thì ánh sáng càng ngày càng trắng đi

• Các nguồn thông thường như: đèn điện, dây tóc, đèn dầu có T < 3000oK, nên bức xạ hồng ngoại nhiều hơn ánh sáng nhìn thấy

+ Năng suất phát xạ toàn phần của vật đen tuyệt đối hay độ trưng năng lượng

được biểu thị qua biểu thức: =∫∞

0 , λ

R T T

4.3.Phân bố độ trưng của vật đen tuyệt đối

Đối với vật đen tuyệt đối, ở nhiệt độ xác định chúng có cùng sự phân bố năng lượng bức xạ theo bước sóng

Trong lý thuyết, nếu ta tìm được biểu thức của hàm số ρλ = f ( Tλ, ) và trong thực nghiệm chỉ làm với vật đen tuyệt đối để xác nhận hàm số trên thì ta có thể tính được sự phân bố năng lượng đối với bước sóng của một vật bất kỳ Vậy, làm thế nào để xây dựng hàm ρλ = f ( Tλ, ) bằng lý thuyết

4.3.1.Công thức Rayleight – Jeans

Vào cuối thế kỷ 19 nhiều nhà vật lý như Rayleight, Jeans, Wein và Planck đã tìm cách xây dựng hàm f ( Tλ, ) này

Dựa vào biểu thức phân bố đều năng lượng theo bậc tự do, do tính chuyển động hổn loạn của phân tử thì mỗi bậc tự do của phân tử ứng với cùng một năng lượng trung bình KT

K 1 , 38 10 −23 /0

(1) gọi là công thức Rayleight – Jeans

Công thức này khá phù hợp với thực nghiệm với nhiệt độ cao và bức sóng dài Nếu nhiệt độ thấp, bước sóng ngắn thì không phù hợp với thực nghiệm

Từ (1) ta tính được năng suất phát xạ toàn phần của vật đen tuyệt đối

2 d C KT

R T T

λ

πλ

Đây là một điều mâu thuẫn với kết quả thực nghiệm Người ta gọi là sự khủng hoảng ở vùng tử ngoại

4.3.2.Công thức Planck

Planck bác bỏ các quan điểm cổ điển, ông sử dụng hoàn toàn những quan niệm về tính hấp thụ hay bức xạ của năng lượng bao giờ cũng là bội số nguyên của một năng lượng nguyên tố, gọi là lượng tử năng lượng

Từ các giả thuyết trên, Planck đã tìm được công thức xác định phát xạ đơn sắc của vật đen tuyệt đối:

1 5

(3) gọi là công thức Planck

4.4.Các hệ quả của công thức Planck

Công thức Planck đã diễn tả đúng đắn quy luật bức xạ của vật đen tuyệt đối Từ thực nghiệm chúng ta sẽ rút ra các định luật bức xạ của vật đen tuyệt đối

4.4.1.Định luật Steeffan – Boltzmann

Năng suất phát xạ toàn phần

R

T K hC T

T

Đặt biến mới

T K

hC X

1

.

2

X T

e

dx X T h C

48 , 6 15 1

π

X e

dx X

2 .15 5,7.10 .

2

K m

W h

C

K ππσ

Gọi là hằng số Stêfan – Boltzmann

(4) chính là định luật Stêfan – Boltzmann

“Độ trưng năng lượng toàn phần tỷ lệ với lũy thừa 4 của nhiệt độ tuyệt đối với vật đen tuyệt đối”

4.4.2.Định luật Wein

Công thức Planck:

1 5

hC λ λ

πρ

1 6

2

λλ

λπ

λ

KT

hC e

e e

hC d

T K hC T

K hC T

K hC

0

) 1 (

⇔

T K

hC e

hC T

K hC

λ

λ λ

Đặt

T K

hC X

λ

= , thay vào ta được:

0 )

1 (

K

hC X

965 , 4

“Gía trị bước sóng λmax nơi mà năng suất phát xạ ρλ,T đạt tới cực đại biến thiên tỷ

lệ nghịch với nhiệt độ tuyệt đối của vật phát xạ”

5.1.Bức xạ của vật không đen

Vật không đen là vật có năng suất hấp thụ aλ < 1 Theo định luật Kirchhoff

K T f a

r

=

= (λ, )

λ λ

Nếu là vật đen tuyệt đối thì hàm f ( Tλ, ) được thay thế bởi hàm ρλ ở nhiệt độ T

λ λ λ

λ K.a a .ρ

Vì aλ <1 ⇒rλ <ρλ

Tức là năng suất phát xạ của vật không đen nhỏ hơn năng suất phát xạ của vật đen tuyệt đối ở cùng một nhiệt độ Đối với vật không đen, năng suất hấp thụ phụ thuộc vào bước sóng nghĩa là sự bức xạ và hấp thụ của các vật này mang tính lọc lựa

Hình 5- Đường cong thực nghiệm của năng suất phát xạ của vật không đen

và v ật đen tuyệt đối ở cùng nhiệt độ T = 2100 o K c ủa Volfram

Đường I đối với vật đen tuyệt đối

Đường II đối với Volfram

Đường không liền nét cho ta năng suất hấp thụ của Volfram

- Tính chất phải giống vật đen tuyệt đối ở 6000oK để năng suất phát xạ lớn

- Ở nhiệt độ 6000oK, muốn năng suất phát xạ trong miền khả kiến thì vật đen phải

có quang lượng khoảng 84 lumen/W (quang lượng chính là đương lượng quang thông của 1w)

5.2.2.Hồ quang điện

Ánh sáng hồ quang có vùng sáng nhất ở hố cực dương, nhiệt độ 4000oK Ngoài hốc dương, cực âm và hơi tạo ra giữa các điện cực bị nung nóng cũng phát sáng, quang lượng của hồ quang không quá 25 lumen/w

5.2.3.Nhứng đèn phát sáng do sự phóng điện qua các chất khí ở áp suất thấp

Mặt trong của đèn được phủ lớp mỏng khí được phát sáng, ánh sáng phải ở vùng khả kiến Chất này được kích thích bởi bức xạ tử ngoại và ta cần lựa chọn chất phủ thích hợp để thu được ánh sáng phát ra có thành phần gần như ánh sáng trắng Loại đèn có cấu tạo và hoạt động như trên được gọi là đèn huỳnh quang Ưu điểm của loại đèn này là độ chói nhỏ hơn đèn nung nóng, hiệu suất cao

6 Ph ương pháp đo nhiệt độ

Để đo nhiệt độ của bức xạ vật đen tuyệt đối ta dựa vào các định luật bức xạ Phương pháp xác định nhiệt độ như kể trên ta còn gọi là phương pháp hỏa kế quang học

Vì rằng trong các biểu thức của định luật đều có chứa yếu tố của nhiệt độ tuyệt đối

Mặc dù trong thực tế không có vật đen tuyệt đối nhưng có nhiều vật mà tính chất của nó gần giống với tính chất của vật đen tuyệt đối

Có 3 phương pháp xác định nhiệt độ của vật đen tuyệt đối

6.1.Phương pháp dựa trên định luật phân bố độ trưng theo bước sóng

Phương pháp này gọi là phương pháp thiên văn vì rằng phương pháp này đo nhiệt

độ cao của các vật ở rất xa

Với một nhiệt độ xác định ta được một đường cong phân bố độ trưng theo bước sóng, từ đường cong này ta xác định bước sóng λmax tại đó năng suất phát xạ có giá trị cực đại Theo định luật Wein:

) (

;

2898

max max

, 0

2898

=

=

6.2.Phương pháp độ chói

Đây là phương pháp đo nhiệt độ của những vật có nhiệt độ không cao lắm

Vật bức xạ đơn tính thì độ chói nhỏ hơn độ trưng π lần Đối với vật đen tuyệt đối ta cũng

có công thức sau đây:

6.3.Phương pháp bức xạ

Đây là phương pháp xác định các vật có nhiệt độ khá cao Đo độ chói năng

lượng toàn phần Be , từ đó suy ra nhiệt độ của vật

4

1

T R

S: ngu ồn bức xạ cần đo nhiệt độ

a,b: pin nhi ệt điện; G: điện kế; L: thấu kính hội tụ

Nếu kích thước ảnh của S không lớn so vơi pin nhiệt điện thì nhiệt độ pin nhiệt điện tỷ lệ độ chói của ảnh, do đó tỷ lệ với độ chói của nguồn, nên số chỉ của điện kế G tỷ

lệ độ chói của nguồn tức tỷ lệ lũy thừa bậc 4 của nhiệt độ, nguồn máy được chia theo vật đen tuyệt đối mẫu

c h hf

E= = được gọi là lượng tử ánh sáng hay còn gọi là photon

Năng lượng của hạt photon:

V(m/s) là vận tốc truyền của ánh sáng trong môi trường

C = 3.108(m/s) là vận tốc truyền của ánh sáng trong chân không

mo là khối lượng nghỉ của photon

Để E không tiến tới ∞ thì mo = 0

Động lượng của photon: mC

hf

P= =

⇒

2.Hi ệu ứng quang điện

Đây là một hiện tượng vật lý rất quan trọng, đánh dấu một bước phát triển trong việc tìm hiểu về bản chất của ánh sáng Năm 1887 Hertz là người phát hiện đầu tiên sau

đó được Stoletov nghiên cứu một cách hệ thống bằng thực nghiệm vào năm 1888

2.1.Thí nghiệm của Stoletov

Hình 8 S ơ đồ thí nghiệm của Stoletov

- Bình chân không bên trong có hai điện cực anod và katod mắc vào nguồn điện một chiều Trên bình có một cửa sổ F bằng thạch anh, cho ánh sáng từ ngoài truyền qua

dễ dàng

- Hai điện kế: ampe kế A dùng để kiểm tra dòng điện trong mạch, vôn kế V dùng

để xác định hiệu điện thế giữa anod và katod (UAK)

- Bộ nguồn điện một chiều với 2 con chạy C và D nhằm thay đổi hiệu điện thế UAK

cả về độ lớn lẫn chiều tức là UAK > 0 hoặc UAK < 0

*Th ực nghiệm cho thấy:

- Nếu không chiếu bức xạ vào katod thì trong mạch không xuất hiện dòng điện vì ampe kế chỉ số 0

- Nếu chiếu bức xạ thích hợp vào katod thì trong mạch xuất hiện dòng điện, kim ampe kế chỉ vạch khác 0 Điều này cho thấy chính bức xạ chiếu vào katod đã làm cho một

số điện tích tách ra khỏi katod, dưới tác dụng của điện trường đã làm cho các điện tích này dịch chuyển về anod tạo ra dong điện ma ta gọi là dòng quang điện

Lựa chọn dòng quang điện chiếu vào katod, thay đổi cường độ của chùm bức xạ, thay đổi hiện điện thế UAK, đo cường độ dòng quang điện, Stoletov đã rút ra một số kết luận sau:

+ Ánh sáng tử ngoại dễ gây ra hiện tượng quang điện hơn ánh sáng khả kiến + Cường độ dòng quang điện thay đổi theo cường độ dòng ánh sáng chiếu vào katod

+ Hiện tượng quang điện xảy ra tức thời

+ Điện tích tách ra khỏi katod chính là electron

Cho đến năm 1898 Lenard và Thomson đã xác định tỉ số e/m = 1,766.1011 c/kg trong hiệu ứng quang điện

2.2.Các định luật quang điện

2.2.1.Đường đặc trưng Vôn – Ampe

Khi rọi vào katod một chùm sáng đơn sắc thích hợp có cường độ không đổi, trong mạch xuất hiện dòng quang điện Bây giờ nếu ta thay đổi hiệu điện thế UAK thì cường độ dòng quang điện trong mạch cũng thay đổi theo Sự thay đổi cường độ dòng quang điện theo hiệu điện thế UAK được biểu diễn bằng một đường cong mà ta gọi là đường đặc trưng vôn – ampe

)

(U f

I qd =

Hình 9- Đường đặc trưng vôn – ampe

Ta thấy rằng khi ta tăng UAK thì cường độ dòng quang điện tăng theo

+ U h≤U AK≤U othì Iqd thay đổi theo UAK

2.2.2.Định luật về cường độ dòng quang điện bảo hòa

“Cường độ của dòng quang điện bảo hòa tỉ lệ với cường độ chùm ánh sáng chiếu vào katod”

Điều này cho thấy rằng cường độ dòng quang điện bão hòa lại liên quan và được xác định bởi số electron bức ra khỏi katod trong một đơn vị thời gian, cho nên ta có thể phát biểu định luật này theo cách thứ hai như sau: “ Số electron bức ra khỏi katod trong

một đơn vị thời gian tỉ lệ với cường độ của chùm ánh sáng chiếu vào katod”

2.2.3.Định luật về vận tốc ban đầu cực đại của quang electron (Động năng)

Từ đường đặc trưng vôn – ampe ở Hình 9 cho thấy UAK = 0, thì I qd ≠ 0 điều này chứng tỏ electron quang điện đã có một vận tốc ban đầu tương ứng vơi một động năng đủ lớn để có thể dịch chuyển về anod tạo ra dòng quang điện trong trường hợp UAK < 0 tức là trong bình chân không giữa anod và katod có một điện trường cản Điện trường cản này

đủ sức để ngăn cản không cho một electron nào dịch chuyển về anod khi hiệu điện thế

Mặc khác Uh lại phụ thuộc vào bản chất của katod và ánh sáng chiếu vào cho nên

từ đây ta có thể phát biểu định luật như sau: “Vận tốc ban đầu (động năng ban đầu) cực đại của các quang electron không phụ thuộc vào cường độ của dòng ánh sáng chiếu vào

mà chỉ phụ thuộc vào tần số (bước sóng) của ánh sáng đó mà thôi”

2.2.4.Định luật về giới hạn của hiệu ứng quang điện

“Mỗi kim loại sẽ có một tần số fo xác định hay λ đặc trưng cho kim loại đó Miền otương quan điện chỉ xảy ra khi ánh sáng chiếu vào kim loại phải có tần số f, lớn hơn tần

số fo (hay bước sóng λ nhỏ hơn bước sóng λ ) o

o

o hay f

f > λ<λ

fo hay λ được gọi là giới hạn của hiệu ứng quang điện o

2.3.Giải thích các định luật quang điện

2.3.1.Thuyết sóng ánh sáng đối với các định luật quang điện

Các electron quang điện được tách ra khỏi bản kim loại có một động năng ban đầu

có thể được giải thích bằng quan điểm của thuyết sóng như sau:

- Sóng điện tư truyền tới vật chứa electron làm cho các electron này bị dao động cưởng bức với biên độ dao động tỉ lệ với biên độ của sóng ánh sáng truyền tới vật Khi các electron thắng được lực liên kết để thoát ra khỏi vật kèm theo một năng lượng còn lại

mà nó nhận được đó là động năng Phần động năng ban đầu của các quang electron lại có

độ lớn hoàn toàn phụ thuộc vào cường độ của dòng ánh sáng truyền tới vật, điều này mâu thuẫn với thực nghiệm

- Theo thuyết sóng thì với bất kỳ kim loại nào cũng đều có thể gây ra hiện tượng quang điện mà không cần lựa chọn dòng ánh sáng chiếu vào Nghĩa là thuyết sóng ánh sáng không có khái niệm giới hạn quang điện, miễn sao dòng ánh sáng chiếu vào vật phải

có cường độ đủ mạnh thì có thể gây ra hiện tượng quang điện

- Mặc khác, khi sóng truyền đi thì năng lượng của sóng được phân bố đều trên mặt sóng một cách liên tục Mỗi một quang electron có thể nhận được một phần nhỏ năng lượng mà sóng truyền tới vật, cho nên để bức được ra khỏi vật các quang electron cần phải trải qua một khoảng thời gian để tích trữ năng lượng cho đến khi đủ sẽ tự thoát ra khỏi vật Điều này không phù hợp với thực nghiệm

2.3.2.Ứng dụng thuyết lượng tử của Planck

Để giải thích các định luật quang điện Năm 1905 Albert Einstein đã phát triển thuyết lượng tử của Planck, ông cho rằng: “ Năng lượng của ánh sáng cũng bị hấp thụ thành từng phần riêng biệt E = hf cũng giống như khi bức xạ và ông cũng cho rằng khi vật

hấp thụ được một năng lượng E = hf thì sẽ có một quang electron bị bật ra khỏi vật ”

Năng lượng E = hf dùng để:

- Sinh công thoát Ao để tách electron ra khỏi vật

- Truyền cho electron một động năng ban đầu cực đại 2

max

2 /

1 mV o

2 max

2

1

o

o mV A

c h hf

E= = = +

Biểu thức (2) được gọi là phương trình hay công thức Einstein

Từ công thức này ta thấy việc giải thích các định luật quang điện sẽ phù hợp với thực nghiệm

+ Công thức (2) cho thấy vận tốc (động năng) ban đầu cực đại của các quang electron không phụ thuộc vào cường độ dòng ánh sáng chiếu vào mà chỉ phụ thuộc vào tần số (bước sóng) của ánh sáng chiếu vào

+ Để có hiện tượng quang điện theo công thưc (2) thì:

o A c h hf

o A

f ≥Hoặc λ≤λo

o

o

f ,λ được gọi là giới hạn quang điện

+ Cường độ dòng quang điện bão hòa được xác định

t

ne t

q

I qd = =Trong đó n/t là số electron được bật ra khỏi vật trong một đơn vị thời gian

A

K

A

V

2.4.Ứng dụng hiệu ứng quang điện

2.4.1.Tế bào quang điện

Tế bào quang điện là một bóng thủy tinh chân không, bên trong

gồm hai điện cực, katod được dùng vật liệu tương ứng vùng quang phổ

và nguồn bức xạ chiếu vào thích hợp

Khi chiếu ánh sáng vào katod trong mạch sinh ra dòng điện, độ

nhạy của tế bào chân không đạt đến 15µA/lumen

Để tăng độ nhạy của tế bào, người ta thường bơm khí trơ ở áp suất thấp Nguyên nhân các quang điện tử có thể ion hóa những nguyên tử của khí do đó điện tử mới được tạo thêm Đối với loại tế bào này, thì cường độ dòng quang điện bảo hòa không tỷ lệ với cường độ dòng ánh sáng chiếu vào tế bào quang điện

Các tế bào quang điện hoạt động theo nguyên tắc trên đó là hiện tượng quang điện bên ngoài, còn loại tế bào hoạt động dựa trên hiệu ứng bên trong Hiệu ứng này điện tử được giải phóng trở thành điện tử tự do nhưng còn nằm bên trong tinh thể hay trong chất bán dẫn Những tế bào hoạt động theo kiểu này gọi là tế bào quang điện rắn

Đây là một số tế bào quang điện đồng oxyt (Cu2O)

Khi chiếu chùm bức xạ thích hợp xuyên qua lá vàng B, các quang electron trong lớp Cu2O bị tách ra trở thành các điện tử tự do Giữa lớp ngăn Cu và Cu2O có tính chỉnh lưu nghĩa là lớp ngăn chỉ cho các electron đi theo chiều từ Cu2O đến Cu Kết quả các electron được giải phóng dưới tác dụng của ánh sáng chiếu vào, chỉ có thể chuyển đông qua lớp này theo một chiều và gây trong mạch một dòng điện

Tế bào quang điện rắn là loại tế bào chuyển trực tiếp năng lượng của ánh sáng thành năng lượng điện

2.4.2.Ống nhân quang điện

Để khuếch đại doing quang điện, người ta chế tạo ống nhân quang điện theo qui tắc sau: ngoài cực âm K và cực dương A, còn có các điện cực trung gian K1, K2, K3, … gọi là các cực phát

K3

K2

K1

Những tấm pin Mặt Trời

Cấu tạo của pin Mặt Trời

Hiệu điện thế giữa K1, K2, K3, …A so với K tăng dần theo cấp số cộng Hiệu điện thế giữa hai cực liên tiếp thường vào khoảng 100 đến 200V

Giả sử một lượng tử ánh sáng hf rọi vào âm cực K làm bức một electron Electron này được tăng tốc trong điện trường giữa K với K1, khi đến K1 nó đã có động năng đủ lớn để làm bật một electron ra khỏi K1 Đây là hiện tượng phát xạ electron thứ cấp Các electron thứ cấp này lại được tăng tốc trong điện trường giữa K1 và K2, làm K2 bật ra một

số electron thứ cấp lớn hơn Cứ như vậy mà số electron thứ cấp được tăng lên gần như theo cấp số nhân Kết quả là từ một electron ban đầu ở K, ta có thể nhận hàng triệu electron thứ cấp ở cực dường A Do đó ống nhân quang điện có tác dụng khuếch đại dòng quang điện, những ống nhân quang điện hiện đại có từ 15 đến 20 điện cực sẽ có hệ số khuếch đại từ 106 đến 107

Ống nhân quang điện hoạt động hầu như không có quán tính, nên chúng được dùng trong các thiết bị báo hiệu bằng ánh sáng, các rờle quang điện, các máy thu bức xạ trong vật lý hạt nhân và nghiên cứu quang phổ

2.4.3.Hiệu ứng quang điện trong – Pin Mặt Trời

Khi rọi ánh sáng vào một chất bán dẫn, các electron bị bức ra không thoát ra ngoài

mà vẫn nằm trong chất bán dẫn, đồng thời với electron bị bức ra còn xuất hiện “lỗ trống” Khi đó khối bán dẫn xét toàn bộ vân trung hòa điện nhưng mật độ các hạt tải điện và độ linh động của chúng đã thay đổi Như vậy dưới tác dụng của ánh sáng, tính dẫn điện của chất bán dẫn bị thay đổi: độ dẫn điện tăng và điện trở giảm Hiện tượng đó gọi là hiệu ứng quang điện trong (hay hiện tượng quang dẫn)

Pin Mặt trời là một nguồn điện chạy bằng năng

lượng ánh sáng Nó biến đổi trực tiếp quang năng thành

điện năng Hoạt động của pin dựa trên hiện tượng quang

điện trong của một số chất bán dẫn như đồng ôxít, sêlen,

silic

*Cấu tạo và hoạt động

Pin có một tấm bán dẫn loại n, bên trên có phủ một lớp mỏng bán dẫn loại p Có thể tạo ra lớp này bằng cách cấy một tạp chất thích hợp vào lớp bề mặt của tấm bán dẫn loại n Trên cùng

là một lớp kim loại rất mỏng Dưới cùng là một đế kim loại Các kim loại

này đóng vai trò là các điện cực trơ

Giữa bán dẫn loại n và bán dẫn loại p hình thành lớp tiếp xúc p-n Lớp này ngăn không cho electron khuếch tán từ n sang p và lổ trống khuếch tán từ p sang n.Vì vậy người ta gọi lớp tiếp xúc này là lớp chặn

Khi chiếu ánh sáng có bước sóng ngắn hơn giới hạn quang điện vào lớp kim loại mỏng ở trên cùng thì ánh sáng sẽ đi xuyên qua lớp này vào lớp loại p, gây ra hiện tượng quang điện trong và giải phóng ra các cặp electron và lỗ trống Electron dễ dàng qua lớp chặn xuống bán dẫn loại n Còn lỗ trống bị giữ lại trong lớp p.Kết quả là điện cực kim loại mỏng ở trên sẽ nhiễm điện dương và trở thành điện cực dương của pin, còn đế kim loại ở dưới sẽ nhiễm điện âm và trở thành điện cực âm của pin

Nếu nối hai điện cực bằng một dây dẫn thông qua một ampe kế thì ta sẽ thấy có dòng quang điện chạy từ cực dương sang cực âm Suất điện động của pin quang điện nằm trong khoảng từ 0,5V đến 0,8V

3.Hi ệu ứng Compton

3.1.Hiệu ứng Compton

Hiện tượng tán xạ có thể xem là một sự biến đổi sóng điện từ sơ cấp ra sóng điện

từ thứ cấp qua dao động của các electron trong vật tán xạ

Compton cho rằng sự tán xạ ánh sáng chính là hiện tượng trong đó xảy ra quá trình tương tác giữa photon và electron Sự tương tác này hoàn toàn theo định luật bảo toàn năng lượng và động lượng

Khi photon và electron tương tác với nhau, kết quả làm cho electron thu được phần năng lượng E, động lượng →P=m V→ và bay theo phương hợp với phương cũ một góc ϕ

gọi là góc tán xạ Kết quả năng lượng, động lượng của photon giảm đi, tần số photon giảm đi và biến thành photon khác có năng lượng '

E Hiện tượng tán xạ làm giảm tần số của photon tới gọi là hiệu ứng compton

Đối với quang hiệu ứng, photon hoàn toàn bị hấp thụ năng lượng bởi các electron liên kết Đây cũng là quá trình xảy ra giữa sự tương tác của photon và electron nhưng hiệu ứng compton thì tương tác giữa photon và electron tự do hoặc electron liên kết, khi đó photon chỉ mất một phần năng lượng

Hình 10-Hi ệu ứng Compton

mv

pht

Pv'

ψϕ

pht P

v E=hf

Xét động lượng và năng lượng của photon tia X:

- Trước tương tác:

hf E C

hf

P ph = ; =

- Sau tương tác:

' '

m C

1

.

→

→

=m V

P e .Định luật bảo toàn năng lượng cho ta:

2 '

.C hf m C m

hf + o = +

2 '

.

PP P

P V

Trong đó:

C

hf P C

hf

=

=Thay vào (2) ta được:

ϕ

cos '.

2 ) ' ( ) ( )

2

ff h hf

hf mV

Bình phương (1) ta được:

) ' (

2 ' 2 ) ' ( ) (

2

hf hf C m C m ff h hf

hf C

ϕ

4 2

ff h hf

hf C

Lấy (3) trừ (4) ta được:

) ' (

2 )

cos 1 ( ' 2 ) 1

4 2

hf hf C m C m ff

h C

Mặt khác: m =m 1−β2 ⇒m2 =m2 ( 1 −β2 )

o o

Thay vào ta được:

) ' (

2 )

cos 1 ( '

4

hf hf C m C m ff

h C

) ' ( )

cos 1 (

) ' (

2 ) cos 1 ( ' 2

2

2 2

ff

f f C m h

hf hf C m ff

f

C f

C ff

C f f C

) ' ( ) cos 1 (

0

ϕ

Mặt khác:

' '

;

; 2 sin 2 cos

f

C f

h

0243 , 0 ) ( 10 243 , 0 10 3 10 1 , 9

10 625 ,

8 31

λλ

Kết quả này đã được comtonp kiểm chứng qua thí nghiệm sau đây:

Hình 11

3.2.Bản chất lưỡng tính sóng - hạt của ánh sáng

Hiệu ứng comtonp, hiệu ứng quang điện đã được giải thích đúng đắn bằng thuyết lượng tử ánh sáng dựa trên cơ sở thuyết lượng tử năng lượng của Planck Gía trị của thuyết này đã thể hiện tính chất “hạt” của ánh sáng mà thực nghiệm đã kiểm nghiệm và được khái quát hóa bằng các định luật Tuy nhiện một số hiện tượng quang học như giao thoa, nhiễu xạ, phân cực lại xác định tính chất sóng của ánh sáng Vậy ánh sáng là “sóng” hay “hạt”, đây là câu hỏi mà ngày nay bằng những thực nghiệm cùng với những lý thuyết

đúng đắn về ánh sáng đã trả lời một cách khoa học đó là tính chất “ sóng – hạt” của ánh sáng, một thực tế khách quan Có điều ở mỗi một hiện tượng quang học, ánh sáng bộc lộ

ở tính chất nào chủ yếu, mức độ thể hiện rõ rệt hơn Đây là sự thống nhất biện chứng của tính mâu thuẫn này Sự mâu thuẫn trên của ánh sáng biểu hiện một quy luật nhất định: khi bước sóng giảm tức tần số tăng tính chất lượng tử của ánh sáng bộc lộ rõ nét nhưng khi bước sóng dài thì tính chất sóng biểu hiện mạnh hơn

Như vậy, theo thang sóng điện từ, nếu theo chiều từ sóng dài đến sóng ngắn thì ánh sáng thể hiện tính chất lượng tử hơn Nhưng giữa chúng có sự quan hệ tương hổ nhau, bằng phương pháp thống kê, kết quả thu được kết luận sau:

Bình thường biên độ sóng ánh sáng tại một điểm nào đó trong không gian chính là thước đo xác suất để các photon rơi vào điểm đó Như vậy, tính chất sóng – hạt là một thể thống nhất, chúng bổ sung cho nhau Ánh sáng có tính chất hạt được đặc trưng bởi năng lượng, động lượng và khối lượng của bức xạ được định xứ trong các hạt riêng lẻ photon, còn tính chất sóng là do các qui luật thống kê phân bố các photon trong không gian tức là qui luật xác định xác suất tìm thấy photon tại những điểm khác nhau trong không gian

Tích chất sóng – hạt của ánh sáng:

S ự khúc xạ của hạt và sóng H ạt và sóng phản xạ bởi gương

Nhi ễu xạ của hạt và sóng Hạt và sóng đi qua các kính phân cực đặt vuông góc

III S ự phát quang – Tác dụng hóc học của ánh sáng

1.S ự phát quang

1.1.Hiện tượng phát quang

Hiện tượng phát ra sóng điện từ (ở vùng ánh sáng nhìn thấy hoặc vùng hồng ngoại gần) của các vật (ở thể rắn, lỏng, khí hoặc hơi) khi hấp thụ năng lượng dưới một dạng nào

đó

Tùy theo dạng kích thích ta sẽ được dạng phát quang tương ứng

1.1.1.Sự phát quang của hơi

Dạng kích thích là nguồn bức xạ điện từ Dùng đèn Natri chiếu vào hơi Natri được

nung nóng, khi đó hơi Natri trong bình phát sáng màu vàng

1.1.2.Phát quang của chất lỏng

- Dưới tác dụng của anh sáng, dung dịch diệp lục sẽ phát ra ánh sáng màu xanh

- Kinil-sulfat (Axid sulfuric) sẽ phát ra ánh sáng màu lam

Ánh sáng kích thích là ánh sáng của đèn nóng sáng công suất 500W hay hồ quang điện

1.1.3.Sự phát quang của vật rắn

- Sulfat Kẽm (ZnS) phát ra màu lục

- Cadmi sulfat (Cd+S) phát ra ánh sáng đỏ

- (ZnS+CdS) phát ra ánh sáng cam

Từ các thí nghiệm phát quang, ta rút ra ba kết luận sau:

• Không phải các chất đều có khả năng phát quang

• Muốn cho một chất nào đó phát quang thì phải truyền cho nó một năng lượng xác định

• Thành phần ánh sáng phát quang (quang phổ phát quang) phụ thuộc vào bản chất của chất phát quang, không phụ thuộc vào thành phần quang phổ của ánh sáng kích thích

và cũng không nhận năng lượng từ các phân tử kế nó và sau khi ngừng phát quang hệ sẽ chuyển về trạng thái cân bằng và chỉ còn lại bức xạ nhiệt

- Thời gian phát quang hay là thời gian phát quang dư là một đại lượng đặc trừng quan trọng của dạng phát quang Sau khi ngừng kích thích, vật còn kéo dài thời gian phát

quang Tùy theo chất phát quang mà thời gian phát quang có thể kéo dài thêm từ 10-11s đến vài ngày

Đây là dấu hiệu để phân biệt hiện tượng phát quang với các hiện tượng quang học khác như phát xạ, tán xạ Cũng dựa vào yếu tố này mà Vavilov đã so sánh thời gian phát quang dư với chu kỳ dao động sáng để đi đến một định nghĩa chỉ sự phát quang như sau:

“Sự phát quang của một vật là sự phát bức xạ thừa (dư) ngoài bức xạ nhiệt do chất

đó phát ra và có thời gian phát quang lớn hơn nhiều so với chu kỳ dao động sáng (10-14 –

10-15s)

1.3.Các dạng phát quang

Có thể có nhiều dấu hiệu đặc biệt khác nhau của sự phát quang của các chất mà người ta phân loại hay phân biệt các dạng phát quang khác nhau Một trong các đặc điểm

đó là thời gian phát quang dư và phương pháp kích thích cho các vật phát quang

1.3.1.Dựa vào thời gian phát quang dư

Những chất phát quang nào có thời gian phát quang dư ∆t:

1.3.2.Dựa vào các phương pháp kích thích

- Dùng bức xạ quang học kích thích ta gọi là quang phát quang

- Dùng điện trường kích thích cho sự phát quang ta gọi là điện phát quang

- Catod phát quang là dùng chùm electron đập vào chất phát quang

- Dùng năng lượng từ các phân từ hóa học để kích thích cho vật phát quang ta gọi

Theo định luật Stokes thì λ>λo

Đây là định luật đã được Stokes nghiên cứu về hiện tượng phát quang của các phân

tử vào năm 1852

Thí dụ: chiếu ánh sáng tử ngoại λo < 0 , 4µm Vào Cađimi sulfur (CdS) thì nó phát

ra ánh sáng màu đỏ λđ >λo

1.4.2.Định luật Stokes – Lommen

Định luật Stokes đã cho biết bước sóng của ánh sáng phát quang và bước sóng kích thích cho vật phát quang Tuy nhiên, trong thực nghiệm người ta vẫn thấy bước sóng phát quang lại có bước sóng ngắn hơn bước sóng kích thích Lommen đã rút ra một kết luận tổng quát hơn được gọi là định luật Stokes – Lommen: “Toàn bộ phổ phát quang và cực đại của nó bào giờ cũng dịch chuyển về phía sóng dài so với phổ hấp thụ và cực đại của nó” Như vậy phần phổ phát quang có bước sóng ngắn hơn so với bước sóng của ánh sáng kích thích được gọi là đối Stokes (anti – Stokes) Thực nghiệm đã chứng tỏ rằng ở nhiệt

độ thấp cường độ bức xạ đối Stokes rất nhỏ so với cường đo bức xạ Stokes

Ph ần giao nhau là bước sóng đối Stikes

1.4.3.Giải thích các định luật

Thuyết photon sẽ giúp ta giải thích các định luật phát quang như sau:

1 1 1

λ

c h hf

E = = là năng lượng photon bị phân tử chất phát quang hấp thụ

21 2 2

λ

c h hf

E = = là năng lượng photon phát ra bởi phân tử

Năng lượng photon bị chất phát quang hấp thụ đã được chuyển hóa một phần dưới dạng năng lượng photon phát quang, một phần còn lại sẽ chuyển thành nội năng của vật (động năng chuyển động hỗn loạn của các phân tử)

Theo định luật bảo toàn năng lượng:

2 1

2 1

E E E

E E E

=

+ Nếu ∆E≠0 ⇒λ1<λ2, định luật Stokes nghiệm đúng

+ Nếu ∆E=0 ⇒λ1=λ2, đây là phát xạ cộng hưởng

Thí dụ như sự phát quang của hơi Natri được chiếu bằng điện Natri

+ Nếu các phân tử ở trạng thái kích thích (nhiệt độ cao), khi hấp thụ năng lượng photon, các phân tử chuyển lên mức kích thích có năng lượng cao hơn Khi chuyển về trạng thái cơ bản phát ra một photon có năng lượng lớn hơn năng lượng photon hấp thụ

2 1 2

1.4.4.Hiệu suất phát quang

Theo định nghĩa hiệu suất: = 1 < 1

o

H

εε

o o o

E n

E n H

E n E

n

1 1

1 1 1

;

λλ

c h E

c h E

o

Và

o n

n

B= 1 được gọi là hiệu suất lượng tử của sự phát quang

1.4.5.Ứng dụng của hiện tượng phát quang

Các chất phát quang được dùng trong các dụng cụ thường là các tinh thể, đối với tinh thể lý tưởng không phát quang Muốn tinh thể phát quang thì mạng tinh thể của nó phải có chỗ mỏng về mặt cấu trúc, hoặc chất phát quang mà tinh thể của nó có chứa tạp chất, hoặc ta dựa vào mạng tinh thể những tạp chất dùng làm chất kích hoạt Nó xác định thành phần quang phổ của bức xạ phát quang và thời gian phát quang dư

*Ứng dụng của quang phát quang

Phương pháp phân tích ánh sáng phát quang theo bước sóng và cường độ của ánh sáng phát quang cho phép ta đoán nhận các chất khác nhau có trong hỗn hợp và đồng thời

có thể xác định được nồng độ của chúng

S ơ đồ dụng cụ phân tích phát quang

Phép phân tích phát quang cho ta xác định nồng độ chất rất thấp (ở 10-13% dung dịch fluorecera trong nước) Ưu điểm nhanh, không phá hủy mẫu, ứng dụng rộng rãi trong các ngành khoa học và các lĩnh vực như: công nghệ hóa học, thực phẩm, sinh vật học, y học, địa chất,…

Dò tìm chỗ hỏng: ta có thể phát hiện các vết nứt nhỏ trong các sản phẩm băng kim loại dựa vào sự phát quang Nhúng toàn bộ phận các vật cần kiểm tra vào dung dich phát quang, dụng dịch sẽ bám vào các chỗ nứt nếu có, sau đó lau thật sạch dung dịch, dùng tia

tử ngoại chiếu vào vật, vật sẽ phát hiện được chỗ nứt do có ánh sáng phát quang