Tính chất lượng tử của ánh sáng và ứng dụng (2017)

Vìvậy, việc tìm hiểu về t nh chất sóng cũng như t nh chất lượng tử của ánh sángvà các ứng dụng của nó trong cuộc sống là đề tài có ý nghĩa khoa học và thựctiễn.. Xuất phát từ quan điểm t

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới cô giáo TS Phan Thị Thanh Hồng, người đã hướng dẫn em nhiệt tình và hiệu quả trong suốt thời

gian hoàn thành và thực hiện đề tài này

Qua đây, em cũng gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo trong Khoa Vật lý

đã trang bị cho em hệ thống kiến thức trong suốt thời gian học tập vừa qua để

em có thể hoàn thành tốt khóa luận này

Hà Nội, tháng 4 năm 2017

Sinh viên

Đinh Thị Tú Anh

ỜI C M Đ N

Khóa luận tốt nghiệp này là kết quả nghiên cứu của bản thân em qua quátrình học tập và nghiên cứu, bên cạnh đó em được sự quan tâm và tạo điềukiện của các thầy cô giáo trong Khoa Vật lý, đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình

của cô giáo TS.Phan Thị Thanh Hồng.

Trong quá trình nghiên cứu hoàn thành bản khóa luận này em có thamkhảo một số tài liệu tham khảo đã ghi trong phần Tài liệu tham khảo

Vì vậy em xin khẳng định kết quả của đề tài “Tính chất lượng tử của ánh sáng và ứng dụng” không có sự trùng lặp với các đề tài khác.

Hà Nội, tháng 4 năm 2017

Sinh viên

Đinh Thị Tú Anh

MỤC ỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đ ch nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

4 Nhiệm vụ nghiên cứu 1

5 Phương pháp nghiên cứu 2

6 Cấu tr c khoá luận 2

CHƯƠNG 1: TÍNH CHẤT LƯỢNG TỬ CỦA ÁNH SÁNG 3

1.1 Thuyết lượng tử của Planck 3

1.2 Hiện tượng quang điện 4

1.2.1 Thí nghiệm Hertz 5

1.2.1.1 Dụng cụ 5

1.2.1.2 Mô tả 5

1.2.1.3 Kết luận 6

1.2.2 Thí nghiệm với tế bào quang điện 6

1.2.2.1 Cấu tạo tế bào quang điện 6

1.2.2.2 Mô tả 7

1.2.2.3 Kết luận 8

1.3 Thuyết lượng tử ánh sáng Photon 8

1.3.1 Thuyết lượng tử năng lượng 8

1.3.1.1 Giả thuyết lượng tử của Planck 8

1.3.1.2 Lượng tử năng lượng 8

1.3.2 Thuyết lượng tử ánh sáng 9

1.4 Hiện tượng quang điện trong Quang phát quang 10

1.4.1 Hiện tượng quang điện trong 10

1.4.2 Quang phát quang 11

1.5 Hiệu ứng Compton 15

1.6 Kết luận chương 1 18

CHƯƠNG 2: MỘT SỐ ỨNG DỤNG VỀ TÍNH CHẤT LƯỢNG TỬ CỦA ÁNH SÁNG 19

2.1 Tế bào quang điện Ống nhân quang điện tử 19

2.1.1 Tế bào quang điện 19

2.1.2 Ống nhân quang điện tử 21

2.2 Các dụng cụ quang điện bán dẫn 22

2.2.1 Quang điện trở 22

2.2.2 Pin quang điện 24

2.3 Laser 27

2.4 Giải một số bài tập về lượng tử ánh sáng 31

2.4.1 T nh năng lượng, động lượng, khối lượng photon 31

2.4.2 Tìm các đại lượng thường gặp (công thoát, giới hạn quang điện, vận tốc ban đầu cực đại, hiệu điện thế hãm, hiệu suất lượng tử…) từ biểu thức tính động năng hay từ phương trình Einstein 32

2.4.3 Bài tập về hiện tượng tán xạ Compton 34

2.5 Kết luận chương 2 35

KẾT LUẬN CHUNG 36

TÀI LIỆU THAM KHẢO 37

t nh chất sóng Các hiện tượng quang điện, phát quang, tán xạ Compton, lànhững bằng chứng thực nghiệm chứng tỏ ánh sáng có t nh chất lượng tử Vìvậy, việc tìm hiểu về t nh chất sóng cũng như t nh chất lượng tử của ánh sáng

và các ứng dụng của nó trong cuộc sống là đề tài có ý nghĩa khoa học và thựctiễn

Xuất phát từ quan điểm trên và niềm yêu th ch quang học của bản thân,

đó ch nh là những l do để tôi tiến hành chọn đề tài nghiên cứu là “Tính chất lượng tử của ánh sáng và ứng dụng” nhằm nâng cao hiểu biết của riêng tôi,

đồng thời có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo cho một số bạn sinh viênkhác

2 Mục đích nghi n cứ

Tìm hiểu về t nh chất lượng tử của ánh sáng và các ứng dụng của nótrong thực tế

3 Đối tượng và phạm vi nghi n cứ

- Đối tượng nghiên cứu: ánh sáng

- Phạm vi nghiên cứu: t nh chất lượng tử của ánh sáng và các ứng dụngcủa nó

4 Nhiệm vụ nghi n cứ

- Tìm, đọc, hiểu các tài liệu viết về t nh chất lượng tử của ánh sáng.

- Tìm hiểu các ứng dụng t nh chất lượng tử của ánh sáng trong thực tế

- Tìm và giải một số bài tập về t nh chất lượng tử của ánh sáng

- Tổng hợp các kiến thức thu được để viết khóa luận

CHƯƠNG 1 TÍNH CHẤT ƯỢNG TỬ CỦ ÁNH SÁNG

1.1 Th yết lượng tử của Planck

Vào cuối t h ế k ỷ 1 9 , t h u y ết đi ệ n t ừ c ủ a Ma x w e l l đ ã trở thành một lýthuyết thống nhất về các hiện tượng điện từ và các quá trình quang học Tuy

N

ă m 18 8 4 , t e f anS v à o l t z mB a n n dựa trên các phép đo ch nh xác đã đi

(1.1)Trong đó là h ằ n g s ố S t e fan – B o l t z m a n n , có giá trị bằng 5,670.10-8

x ạ của một v ật đ e n t u y ệt đ ố i b ằng vô cùng:

Đây là một điều vô lý mà lý thuyết cổ điển không giải th ch được, người

ta còn gọi đây là “sự khủng hoảng ở vùng tử ngoại” hay “tai biến cực tím”.

Để khắc phục điều vô lý trên và thu được sự phù hợp với các kết quảthực nghiệm, n ă m 19 0 0 ,M a x P l a n c k (1858-1947) người Đức (Hình 1.1) đã

đề xuất giả thuyết lượng tử như sau:

Hình 1.1: Max PlanckMọi trạng thái của b ứ c x ạ đ i ện từ đ ơn sắc t ần s ố υ đều chỉ có thể có năng

Nhờ thuyết lượng tử của Planck, người ta có thể t nh được cường độ bức

xạ của một vật đen tuyệt đối theo công thức:

(1.2)Kết quả thu được là một giá trị hữu hạn, vấn đề khó khăn của vật lý cổđiển được khai thông

1.2 Hiện tượng q ang điện

Hiện tượng các electron bật ra khỏi tấm Zn trong th nghiệm Hertzkhông giải th ch được bằng Thuyết sóng ánh sáng

Và Thuyết lượng tử ánh sáng ra đời từ Nhà vật lý thiên tài Einstein Theo

mô hình của Einstein: Photon va chạm với electron trên bề mặt của tấm Zn vàtruyền năng lượng cho electron để bật ra khỏi tấm Zn

1.2.1.3 Kết luận

Khi đươc k ch th ch bằng bức xạ th ch hợp (bước sóng ngắn) vàomột tấm kim loại thì nó làm các electron ở bề mặt tấm kim loại bật ra đó

là hiện tượng quang điện

Các electron bị bật ra khỏi bề mặt kim loại gọi là electron quang điện(Hình 1.4)

Hình 1.4

1.2.2 Thí nghiệm với tế bào quang điện

1.2.2.1 Cấu tạo tế bào quang điện

Hình 1.5

Tế bào quang điện là bình chân không nhỏ có hai điện cực:

+ Anot là vòng dây kim loại

+ Catot bằng kim loại có dạng chỏm cầu

1.2.2.2 Mô tả

Hình 1.6Ánh sáng hồ quang chiếu vào catot được cho qua một k nh lọc để chỉcho qua ánh sáng đơn sắc cần khảo sát (Hình 1.6)

Hiệu điện thế giữa anot và catot có thể thay đổi giá trị và chiều nhờ conchạy T (không vẽ trong hình)

Để phát hiện dòng điện người ta dùng miliampe kế

Thay đổi hiệu điện thế giữa anot và catot người ta vẽ được đường cong

mô tả sự thay đổi cường độ dòng điện trong mạch (dòng quang điện) vào hiệuđiện thế giữa anot và catot được gọi là đường đặc trưng Vôn - Ampe (Hình1.7)

Hình 1.7

Hiện tượng quang điện chứng tỏ ánh sáng có t nh chất hạt (lượng tử).

1.3 Th yết lượng tử ánh sáng Photon

1.3.1 Thuyết lượng tử năng lượng

1.3.1.1 Giả thuyết lượng tử của Planck

Khi nghiên cứu bằng thực nghiệm quang phổ của các nguồn sáng, người

ta thu được những kết quả không thể giải th ch bằng các l thuyết cổ điển Đểgiải quyết những khó khăn này, Planck đã cho rằng vấn đề mấu chốt nằm ởquan niệm không đ ng về sự trao đổi năng lượng giữa các nguyên tử và phântử

Năm 1900, Planck đề ra giả thuyết sau đây: Lượng năng lượng mà mỗi nguyên tử hay phân tử nhận vào hay tỏa ra trong mỗi lần hấp thụ hay bức xạ ánh sáng có giá trị hoàn toàn xác định, không thể chia nhỏ được và bằng hf; trong đó f là tần số của ánh sáng, còn h là một hằng số.

Giả thuyết Planck đã được rất nhiều sự kiện thực nghiệm xác nhận là

đ ng Nó là tiền đề của một thuyết vật l mới: Thuyết lượng tử.

1.3.1.2 Lượng tử năng lượng

Lượng năng lượng nói ở trên gọi là lượng tử năng lượng và được k hiệubằng chữ ε:

ε = hf (1.3)

Trong đó, h gọi là hằng số Planck và được xác định bằng thực nghiệm:

Js

d ụ : Lượng tử năng lượng ứng với ánh sáng t m (λ = 0,4μm) là ε =

năng lượng thành những phần nhỏ hơn được

1.3.2 Thuyết lượng tử ánh sáng

Hình 1.8: Albert EinsteinNăm 1905, dựa vào thuyết lượng tử năng lượng để giải th ch các địnhluật quang điện, Albert Einstein (1879-1955) là nhà vật lý lý thuyết ngườiĐức (Hình 1.8) đã đề ra thuyết lượng tử ánh sáng (còn gọi là thuyết photon).Theo ông:

1 Chùm sáng là một chùm các photon (các lượng tử ánh sáng) Mỗi

photon có năng lượng xác định (f là tần số của ánh sáng có bước sóng

đơn sắc tương ứng) Cường độ của chùm ánh sáng tỉ lệ với số photon phát ratrong một giây

2 Phân tử, nguyên tử, electron… phát xạ hay hấp thụ ánh sáng, cũng cónghĩa là ch ng hấp thụ hay phát xạ photon

Năng lượng của mỗi photon rất nhỏ Một chùm ánh sáng dù yếu cũngchứa rất nhiều photon do rất nhiều nguyên tử phát ra Vì vậy ta thấy chùmsáng như liên tục

Một chùm sáng đơn sắc chứa các photon giống nhau (cùng năng lượng).Cường độ chùm sáng tại một điểm tỉ lệ với số photon trong chùm sáng đi qua

Photon chỉ tồn tại trong trạng thái chuyển động Không có photon đứngyên

Ta có công thức Einstein:

(1.4)

1.4 Hiện tượng q ang điện t ong Quang phát quang

1.4.1 Hiện tượng quang điện trong

Khái niệm

Hiện tượng ánh sáng giải phóng các electron liên kết để ch ng trở thànhcác electron dẫn đồng thời giải phóng các lỗ trống tự do gọi là hiện tượngquang điện trong

Đặc điểm

Để gây được hiện tượng quang điện trong thì ánh sáng k ch th ch phải

trong

Năng lượng cần thiết để giải phóng electron khỏi liên kết trong chất bándẫn thường nhỏ hơn công thoát A của electron từ mặt kim loại nên giới hạnquang điện của các chất bán dẫn thường nằm trong vùng ánh sáng hồng ngoại

Ứng dụng

Ứng dụng trong quang điện trở và pin quang điện

Điều kiện để xảy ra hiện tượng quang điện trong

Năng lượng photon của ánh sáng k ch th ch phải lớn hơn hoặc bằng nănglượng k ch hoạt A (là năng lượng cần thiết để giải phóng electron liên kếtthành các electron dẫn):

Bước sóng λ của ánh sáng k ch th ch phải nhỏ hơn hoặc bằng một bướcsóng giới hạn đối với mỗi chất bán dẫn, bước sóng giới hạn nàyđược gọi là giới hạn quang dẫn.

Nói ngắn gọn: “ Hiện tượng quang điện trong xảy ra khi ”Giới hạn quang dẫn của đa số các chất bán dẫn đều ở trong miền hồngngoại, do đó, chỉ cần dùng ánh sáng k ch th ch là ánh sáng thấy được là đủ đểxảy ra hiện tượng quang dẫn

Theo các nhà khoa học, có khoảng 85.000 loài nấm tồn tại trong thế giới

tự nhiên, nhưng chỉ 65 loài trong số này được cho là có thể phát quang sinhhọc

Hình 1.10Nấm phát quang có thể phát ánh sáng xanh suốt 24 giờ mỗi ngày, nhưngnhìn rõ nhất vào ban đêm (Hình 1.10) Hầu hết các loài nấm này đều phát rathứ ánh sáng xanh lục pha vàng Hiệu ứng phát sáng trong bóng tối là kết quảcủa phản ứng hóa học giữa sắc tố phát sáng luciferin và enzyme luciferase.Phản ứng này cũng có thể xuất hiện ở một số loài động vật như sứa, mực, bọcạp

Một số sinh vật phù du có chứa chất phát quang có khả năng phát sángvào ban đêm, làm rực sáng cả một vùng biển trong đêm (Hình 1.11)

Hình 1.11

Ảnh chụp lại hàng nghìn con đom đóm đang phát sáng (phát quang) trong đêm tại một công viên đom đóm nằm ở tỉnh Hồ Bắc Trung Quốc Người ta ước t nh trong công viên có khoảng 10.000 con đom đóm (Hình 1.12).

Hình 1.12

1.4.2.2 Hiện tượng quang phát quang

fluorescein đựng trong ống nghiệm (ở trạng thái bình thường fluorescein cómàu vàng nhạt) sẽ phát ra ánh sáng màu xanh lục (Hình 1.13)

Hình 1.13Các nhà vật lý gọi hiện tượng trên là hiện tượng quang phát quang

Kết luận: Hiện tượng quang phát quang là hiện tượng chất phát quang cóthể hấp thụ ánh sáng có bước sóng này để phát ra ánh sáng có bước sóng

khác.

Các dạng quang phát quang

Sự phát quang của một số chất khi có ánh sáng th ch hợp (ánh sáng k ch

th ch) chiếu vào nó, gọi là hiện tượng quang phát quang Nếu phân loại theothời gian phát quang người ta thấy có hai loại quang phát quang:

+ Sự huỳnh quang: là sự phát quang có thời gian phát quang ngắn (dưới

lên), nó thường xảy ra đối với chất rắn

Tuy nhiên sự phân loại này cũng chỉ là tương đối, không có ranh rới rõrệt

Đặc điểm nổi bật của các sự quang phát quang là bước sóng λ’ của ánhsáng phát quang bao giờ cũng lớn hơn bước sóng λ của ánh sáng mà chất phátquang hấp thụ : λ' > λ (Định luật Stocke)

Nếu phân loại theo cách k ch th ch người ta chia ra:

+ Quang phát quang, nếu k ch th ch bằng bức xạ quang học (tia tử ngoại,ánh sáng thấy được)

+ Điện phát quang, nếu k ch th ch bằng điện trường

+ Âm cực phát quang, nếu k ch th ch bằng sự va chạm của chùmelectron (sự phát quang của màn dao động k điện tử, màn truyền hình)

+ Hóa phát quang, nếu k ch th ch bằng năng lượng của phản ứng hóa học(sự phát quang của cây mục, của photpho, của một số sinh vật trong nướcbiển)

Ứng dụng

Các hiện tượng phát quang có nhiều ứng dụng trong khoa học, kỹthuật và đời sống như sử dụng trong các đèn ống thắp sáng, trong các mànhình chiếu sáng

1.5 Hiệ ứng Compton

khi b ư ớ c s ó n g t ăng lên (và n ă n g l ư ợ n g giảm xuống), khi những hạt p h o to n

t i a X (hay t a g a m m a ) có năng lượng từ khoảng 0,5 MeV đ ến 3,5 MeV tác

Nội dung

Hình 1.14Dùng g i ả t h u y ết h ạ t p h ot o n á n h s á n g , ta có thể giải th ch hi ệ u ứ n g

q u a n g đi ệ n v à sự tạo thành t a X Sau đó vào năm 1923, A H C o m pt o n

Theo Compton, h ạ t lư ợ n g t ử n ă n g l ư ợ n g của t a X khi va chạm vào các

môi trường có sự không đồng nhất về chiết suất với những khoảng cách mà

t ừ thay đổi hỗn loạn, rất phức tạp nếu sử dụng các h ệ p h ư ơ n g t r ìn hM

a x w e l l để giải và tìm chiết suất hiệu dụng của môi trường Sự tán xạ có

trường Khi xem xét sự va chạm đó, đ ị n h lu ậ t b ả o t o à n n ă n g l ư ợ n g vàxung lượng vẫn được áp dụng

Ví dụ: Ta có một l ư ợ n g t ử n ăng lượng của t i a X, va chạm vào

(hạt hình thành sau tán xạ) có năng lượng và xung lượng nhỏ hơn của lượng

tử năng lượng ban đầu (tia X) Vì năng lượng của lượng tử tán xạ nhỏ hơnnăng lượng của lượng tử ban đầu nên tần số của lượng tử tán xạ nhỏ hơntần số của lượng tử ban đầu và khi đó bước sóng của lượng tử tán xạ lại lớnhơn bước sóng của lượng tử ban đầu

Cơ chế tán xạ Compton

đ i ện t ừ , sóng điện từ chuyển một phần năng lượng cho một l ư ợ n g t ử , vì

Công thức này được xây dựng từ sự bảo toàn năng lượng và xung lượng

của e l e c t r o n , đại lượng được hiểu là bước sóng Compton, nếu thay

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

có thể quan sát được

t ừ t hực sự thể hiện một t nh chất giống như một chùm h ạt chuyển

cùng tồn tại trong các quá trình biến đổi năng lượng