QUANG LƯỢNG tử (bức xạ NHIỆT) (lý SINH SLIDE) (chữ biến dạng do slide dùng font VNI times, tải về xem bình thường)

1.1.1 -Định nghĩa : Sự phát xạ sóng điện từ của các nguyên tử, phân tử bởi tác dụng của nhiệt độ gọi là Bức xạ nhiệt.. - Đặc điểm: Nếu phần năng lượng của vật phát xạ Wbx bằng với năng l

Chương

QUANG LƯỢNG TỬ

I BỨC XẠ NHIỆT

1 Đại cương về bức xạ nhiệt

1.1.1 -Định nghĩa : Sự phát xạ (sóng điện từ) của

các nguyên tử, phân tử bởi tác dụng của

nhiệt độ gọi là Bức xạ nhiệt

- Đặc điểm: Nếu phần năng lượng của vật

phát xạ Wbx bằng với năng lượng mà vật hấp thu được Wht thì nhiệt độ của vật sẽ không

thay đổi Ta gọi là quá trình bức xạ nhiệt cân bằng : Wbx = Wht

1.1.2 Các đại lượng đặc trưng bức xạ nhiệt cân

bằng

a Năng suất bức xạ toàn phần RT – Năng suất

bức xạ đơn sắc rT (rνT):

- Năng suất bức xạ tòa phần RT: là tổng năng

lượng của mọi bức xa ïcó bước sóng (ν) do 1 đơn vị diện tích vật được nung nóng lên nhiệt độ T phát ra trong 1 đơn vị thời gian

• Năng suất bức xạ đơn sắc r T (r νT ):Các bức xạ đơn sắc do vật phát ra có bước sóng ( ν) thay đổi từ 0  ∞ Phần năng lượng do 1 đơn vị diện tích vật phát ra trong 1 đơn vị thời gian ở nhiệt độ T tương ứng với bức xạ đơn sắc có bước sóng (ν ) gọi là năng suất bức xạ đơn sắc.

•

•

• Tỷ số giữa phần năng lượng do 1 đơn vị diện tích vật hấp thu trong 1 đơn vị thời gian với phần năng lượng chiếu tới tương ứng với bức xạ đơn sắc có bước sóng(ν) tại nhiệt độ T gọi là hệ số hấp thu đơn sắc của vật a T.

•

•

dW

dW d

• Các yếu tố ảnh hưởng đến R T , rT , a T , aT :

• + Bản chất của vật bức xạ

• + Bước sóng  (ν ) chùm ánh sáng

• + Nhiệt độ của vật bức xạ.

• c Vật đen tuyệt đối : là vật hâùp thu toàn bộ năng lượng của các bức xạ chiếu tới Tức là vật có hệ số hấp thu toàn phần aT = 1

• 1.1.3 Đường đặc trưng phổ phát xạ của vật đen tuyệt đối.

• Dựa vào các kết quả đo được trong thực nghiệm ta vẽ được

đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của hệ số bức xạ đơn sắc rT

của vật đen tuyệt đối theo bước sĩng  (ν ) ở nhiệt độ T nhất định

Đường cong này gọi là đường đặc trưng phổ phát xạ cũa vật đen tuyệt đối Đường đặc trưng phổ phát xạ của vật đen tuyệt đối ở

các nhiệt độ T khác nhau được biểu diễn trên hình vẽ.Ta cĩ nhận xét như sau:

• Dạng đường cong khơng thay đổi theo nhiệt độ , cĩ một cực trị

tương ứng rmax (hay )và max

• Khi nhiệt độ tăng thì cực đại phát xạ lùi về vùng bước sĩng ngắn hơn : T1<T2<T3 thì max1 > max 2 > max3.

• Nhiệt độ tăng thì năng suất phát xạ tăng: T3 > T2 >T1 thì

3 max 2

max 1

max  

2 Các định luật về bức xạ nhiệt cân bằng

• 2.1 Định luật Kirchhoff.

• Tỷ số giữa năng suất (hệ số) phát xạ đơn sắc và

hệ số hấp thu đơn sắc của một vật bất kỳ ở trạng thái bức xạ nhiệt cân bằng không phụ thuộc vào bản chất của vật đó, mà chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ T của nó và bước sóng  của chùm bức xạ.

• - Nêú là vật đen tuyệt đối và thì :

• Vậy hàm số phổ biến chính là năng suất phát

xạ đơn sắc của vật đen tuyệt đối ở cùng nhiệt độ T

• Hệ quả : - Vật nào hấp thu mạnh thì cũng phát xạ

mạnh, hay mọi vật chỉ phát ra những bức xạ mà nó có khả năng hấp thu.

• - Ở cùng một điều kiện vật đen tuyệt đối a T = 1

là vật bức xạ mạnh nhất.

T T

T T

T

T T

T

a

r a

r a

1

T T

• 2.2 Định luật Stefan – Boltzmann

• Năng suất bức xạ toàn phần của

một vật tỷ lệ với lũy thừa bậc 4

nhiệt độ của vật

• Bước sóng tương ứng với năng suất

bức xạ mạnh nhất ( cực đại) max tỷ lệ nghịch với nhiệt độ của vật.

2898 ,



b

3 Thuyết lượng tử năng lượng Planck –

Công thức Planck về bức xạ nhiệt.

• Thuyết lượng tử năng lượng Planck (1900):

• Vật chất hấp thu hay bức xạ năng lượng

một cách gián đoạn theo từng lượng nhỏ

nhất gọi là lượng tử năng lượng Mỗi lượng tử có năng lượng tỷ lệ với tần số ν hay

tỷ lệ nghịch với bước sóng  của bức xạ đơn sắc tương ứng :

•

• c = 3 108 m/s vận tốc ánh sáng trong chân

không

h = 6,625 10-34J.s hằng số Planck

• Công thức Planck về bức xạ nhiệt

2 1

.

2

5

2 2

h

T

e

hc e

II HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN

2.1 Hiện tượng quang điện:

• Do Hertz phát hiện 1887

• Stoletov và Hallwash 1888

– Hiệu ứng quang điện ngoài: Hiện tượng các electron (điện tử)bị bức ra khỏi bề mặt kim loại khi được chiếu xạ bởi bước sóng có

bức xạ  (hay tần số ) thích hợp

– Hiệu ứng quang điện trong  xảy ra với chất bán dẫn Khi được chiếu bởi ánh sáng có bước sóng thích hợp, electron liên kết yếu

trở thành electron tự do chuyển động trong

chất bán dẫn  độ dẫn điện tăng lên

– Các electron bị bật ra khỏi bề mặt kim loại gọi là electron quang điện = Quang electron

– Thí nghiệm của Stoletov – Đường đặc trưng

Vôn – Ampe

• 2.2 Các định luật quang điện:

• Định luật về giới hạn Quang điện:

• Hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi:   0;    0

 (): bước sóng ánh sanùg kích thích.

 0( 0 ): gọi là ngưỡng quang điện của Kim Loại.

• Định luật về dòng quang điện bảo hòa:

• Cường độ dòng quang điện bảo hòa tỷ lệ với

cường độ ánh sáng kích thích.

• Ibh ~ IAS

• Định luật về động năng cực đại ban đầu:

• Động năng cực đại ban đầu của quang electron chỉ phụ thuộc vào tần số của ánh sáng và bản chất của kim loại mà không phụ thuộc vào cường độ

ánh sáng chiếu tới.

• Công thoát :

• Công của hiệu điện thế cản : e.Uc= Điện thế cản Uc là điện thế U AK ngăn tồn bộ electron từ Katot về Anod (Iqđ = 0)

1

A h

0

0 0



 hc h

2

2

1

v m

2.3 Thuyết lượng tử ánh sáng: Einstein đưa ra vào

năm 1905

• *Aùnh sáng là chùm phô tôn= lượng tử ánh sáng

Mỗi phô tôn mang năng lượng xác định.

h = 6,625.10-34J.s C =3.108m/s : vận tốc ánh sáng

trong chân không.

• *Trong chân không mọi phô tôn đều truyền đi với 1

vận tốc c.

• *Cường độ của chùm tia sáng tỷ lệ với số phô

tôn có trong chùm sáng đó.

• *Các nguyên - phân tử chỉ hấp thu một số nguyên

lần phô tôn.

• Đặc trưng của phô tôn Năng lượng:

m

p  

2 2

0

1

c

m m





2 0

• III HIỆU ỨNG COMPTON

• Năm 1922 Arthur H Compton khi cho chùm bức

xạ có tần số tới tán xạ trên 1 hạt tích điện

(electron) ta thu được chùm ánh sáng tán xạ có tần số

< của bức xạ tới, trái với lý thuyết tán xạ

sóng điện từ

Độ biến đổi bước sóng :

• là khối lượng tĩnh cùa vi hạt (electron)

• gọi là bước sóng compton

sin

2 )

cos 1

(

2 0

2 0

h c

Chương : SỰ TƯƠNG TÁC CỦA ÁNH SÁNG

VỚI MÔI TRƯỜNG VẬT CHẤT

• I SỰ HẤP THU ÁNH SÁNG:

• I.1 Sự hấp thu lọc lựa ánh

sáng:

• I.1.1 Hiện tượng hấp thu ánh

sáng:

– Hiện tượng ánh sáng khi truyền qua

môi trường vật chất thì một phần

năng lượng chùm tia bị môi trường lưu giữ gọi là Sự hấp thu.

– Sự hấp thu ánh sáng phụ thuộc vào bản chất của môi trường và bước

sóng  của ánh sáng chiếu tới  Sự hấp thu có tính lọc lựa.

• I.1.2 Cơ chế sự hấp thu lọc lựa:

• Năng lượng nguyên phân tử bao gồm:

• We năng lượng vỏ điện tử

• Wddđ năng lượng dao động

• Wq năng lượng quay

• W = We +Wdd +Wq We +Wdd

• We >>Wdd >>Wq

• -Năng lượng nguyên phân tử bị lượng tử hóa

nó chỉ nhận những giá trị gián đoạn xác định

 Phổ năng lượng của mỗi loại nguyên phân tử là hoàn toàn xác định ( số mức năng lượng,

số phân mức, khoảng cách giữa các mức)

• Bình thường các nguyên phân tử ở trạng thái

cơ bản S0(singlet )

• Khi hấp thu năng lượng(phô tôn… ) các nguyên phân tử sẽ chuyển lên mức năng lượng cao

hơn: mức kích thích

• Khi hấp thu năng lượng(phô tôn… ) các nguyên

phân tử sẽ chuyển lên mức năng lượng cao hơn: mức kích thích.

– *Chỉ có những phô tôn có năng lượng vừa

đúng hiệu 2 mức năng lượng và thỏa mản quy tắc chọn lọc về chuyển mức năng lượng mới

được hấp thu

•

• *Sự chuyển mức chỉ có xác suất lớn với những dịch chuyển cùng loại SingleSingle;

TripletTriplet  Sự hấp thu cộng hưởng.

- Với nguyên tử (hoặc ion tương ứng) số mức năng lượng ít và khá tách biệt  Phổ vạch đặc trưng.

• - Với phân tử: số mức và phân mức năng

lượng nhiều và khá sát nhau, tạo thành đám hấp thu  Phổ đám hoặc phổ liên tục nếu mật độ

W

h  1  2   2  1 

1

; 0

• I.2 Định luật Bouger-Lambert-Beer về sự hấp thu ánh sáng:

• I.2.1 Thiết lập:

• Nếu môi trường là dung dịch thì di còn phụ thuộc vào nồng độ

C chất tan trong dung dịch:

• -di ~ k.i.C.dx

• -di = k.i.c.dx

• Hệ số tỷ lệ k gọi là hệ số tắt; phụ thuộc bản chất môi

trường và bước sóng anùh sáng .

•

• Độ giảm cường độ do toàn bộ lớp môi trường có bề dày l:

•

•

• Chuyển sang dạng cơ số 10 ta có :

• Biểu thức định luật Bouger – Lambert – Beer về sự hấp thu

• a = 0,43k gọi là hệ số tắt hay hệ số hấp thu.

kCdx i

di





C l

k I

I dx

C

k i

di l

I

I

ln

.

.

0 0

I

I 0 10 . .



• I.2.2 Các đại lượng đặc trưng :

• *Độ truyền qua = Độ thấu quang T

• Độ truyền bách phân:

• * Độ hấp thu A (Asorbance).

• Độ tắt E (Extintion)

Mật độ quang: D (Dencity oftic)

• A = acl biểu thức định luật

* Đường cong phổ hấp thu:

T  

acl I

I A

T

D E

l c a A

l c

A    

• I.2.3 Hấp thụ của một hỗn hợp:

•

• - Độ hấp thu của một hỗn hợp bằng tổng độ

hấp thu của các thành phần có trong hỗn hợp

đó.

• - Độ truyền qua của hỗn hợp bằng tích số các độ truyền của các thành phần có trong hỗn hợp

• I.3 Ứng dụng hiện tượng hấp thu ánh sáng :

• a- Màu sắc của các vật :

• b- Định tính :

• c- Định lượng :

-Trường hợp máy quang phổ chuẩn ( & A ).

- Trường hợp máy quang phổ chưa đươc chuẩn hóa ( & A)

• Aùp dụng phương pháp xây dựng đường cong chuẩn :

.

3 2 1

3 2

1

T T T T

A A

A A

• II HUỲNH QUANG VÀ LÂN QUANG

• ( Fluorescence & Phosphorescence )

• 2.1.Đại cương về hiện tượng huỳnh quang

• 2.1.1 Định nghĩa: Sự phát xạ bức xạ sóng

điện từ dưới tác dụng của ánh sáng gọi là quang phát quang

• -Định nghĩa của Vavilốp : Quang phát quang tại nhiệt độ T nào đó là sự phát bức xạ còn dư ngoài bức xạ nhiệt ở nhiệt độ đó và kéo dài hơn một chu kỳ dao động

• 2.1.2 Phân loại :

• + Huỳnh quang (Fluorescence)

• + Lân quang (Phosphorescence)

• + Sự phụ thuộc thời gian kéo dài

sự phát quang vào nhiệt độ

kích thích

• t : Thời gian kéo dài sự phát quang

• LQ: t = s và phụ thuộc

vào nhiệt độ T Khi T tăng thì thời

gian kéo dài sự phát quang giảm

• HQ :t không phụ thuộc nhiệt độ

• 4.1.2 Cơ chế hiện tượng lân quang và

huỳnh quang

• Năng lượng của các nguyên phân tử nhận những giá trị gián đoạn bao gồm :

•

• Mức kích thích Singlet S*:  Đối song.

• Mức kích thích Triplet T:  Song song Chuyển mức trạng thái kích thích

• Sự phân bố electron ở trạng thái kích thích :

•

• Các dạng chuyển năng lượng kích thích

• -Sự chuyển sang nhiệt năng không bức xạ :

• -Dẫn truyền năng lượng giữa các phân tử

• -Sử dụng trong các phản ứng quang hoá

• -Sự dịch chuyển bức xạ : lân quang và huỳnh quang

kT

W

e N N





 0

0 1

S S

T



2.1.3 Các chất huỳnh quang & lân

quang Chất Huỳnh quang :Thường ở trạng thái lỏng & khí

Chất Lân quang : Thường ở trạn

- Huydro cacbon thơm và dẫn chất

- Axít amin thơm : Thyrosin ,

phenylamin

- Protein , AND

- Phần lớn vitamin

- Hóc môn

• 2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự huỳnh quang

• 2.2.1 Bước sóng ánh sáng

• - Đường cong phổ huỳnh quang : Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc cường độ phát quang I vào bước sóng

ánh sáng kích thích I KT hoặc cường độ ánh sáng

• Định luật Lepsin : Nếu phổ năng lượng các mức cơ

bản và mức kích thích đều gồm số phân mức

giống nhau, thì phổ huỳnh quang và phổ háp thu

của 1 chất sẽ đối xứng và cắt nhau tại 1 điểm ứng với tần số 0 Nếu tần số ứng với cực đại phổ

hấp thu và phổ huỳnh quang là HT; HQ thì theo Lepsin:

•





) (

HT

HQ HT

• - Hiệu suất phát quang lượng tử

•

•

• - Hiệu suất phát quang

•

• Định luật Vavilốp : Hiệu suất phát

quang lượng tử không phụ thuộc vào bước sóng hay tần số của ánh

hâp photon

sơ ng

Tơ

quang phát

photon sơ

HQ

W

W H

2.2.2 Nồng độ chất phát quang C

* Các dung dịch chất phát quang nồng độ C càng cao cường độ phát quang càng mạnh Nó là hệ quả của định luật Lambert Beer.

IHQ = a.c.l

Với a = 2,3 I0H 

l c l

c I e I

I 0 10 . . 0.  2,3. .





 c l  I c l I

I  0 1  ( 1  2 , 3   )  2 , 3 0

l c H

I

IHQ  2 , 3 0 

• 2.2.3 Các yếu tố ảnh hường khác

• - pH

• - Tạp chất

• - Nhiệt độ

• 2.2.4 Sự tắt phát quang

• Các chất không còn phát quang do tác dụng của 1 yếu tố nào đó gọi là sự tắt phát

quang: PH, chất lạ, nhiệt độ …

• Đáng chú ý là sự tắt phát quang do nồng

độ chất huỳnh quang gây ra

• Cường độ phát huỳnh quang tăng khi cường

độ chất huỳnh quang tăng.Song khi C vượt quá

1 giá trị giới hạn Co nào đó thì sẽ làm cường độ phát huỳnh quang giảm đột ngột tới 0

=> Hiện tượng tắt phát quang do nồng độ

2.4.3 Ứng dụng Huỳnh quang – lân

quang

a) Định tính b) Định lượng

Độ nhạy 10-9 - 10-12

• III SỰ TÁN XẠ ÁNH SÁNG

• 3.1 Sự tán xạ do môi trường vẫn

(tán xạ Tyndale – Rayleigh)

• 5.1.1 Hiện tượng tán xạ

• - Tán xạ ánh sáng là sự phản xạ ánh sángï theo nhiều phương

• - Đ/k : + môi trường dị thể

• + Đường kính trung bình các phần tử

tán xạ : Với ánh sáng khả kiến :

• - Đặc điểm : tx = tới

• - Sự tán xạ ánh sáng của môi trường vẫn đục phụ thuộc bản chất của môi trường tán xạ, phương tán xa,bước

sóng và cường độ ánh sáng tới I0

3.1.2 Định luật về sự tán xạ –

• I0: Cường độ ánh sáng tới

• Khuyếch đục : Nephelemetrie

• Hấp đục : Tibidimetrie

• Hệ số hấp đucï

3 4





3.2 Tán xạ phân tử – Raman

Do Manden Stam & Raman nghiên cứu

3.2.1 Hiện tượng tán xạ phân tử :

Dùng ánh sáng kích thích có cường độ mạnh ( đèn Hg) chiếu qua môi trường quang phổ tán xạ ta nhận thấy ngoài vạch tương ứng với

bức xạ tối còn xuất hiện hai vạch yếu hơn ở

2 bên – Hiệu tần số giữa vạch chính và vạch phụ chỉ phụ thuộc vào bản chất môi trường tán xạ mà không phụ thuộc vào tần số

chiếu tới và nó xấp xỉ tần số hấp thu

hồng ngoại của môi trường tán xạ

+ Hai vạch phụ đối nhau qua vạch chính : vạch

Stockes và phản Stockes

+ Cường độ vạch dương nhỏ hơn vạch âm 3-10 lần, và tăng khi nhiệt độ môi trường tăng

• Định luật Rayleigh cho Tán xạ phân tử – Raman

•

• : Khối lượng riêng

• n: chiết xuất môi trường

• T: Nhiệt độ

• Io: Cường độ chùm ánh sáng chiếu tới

• I : Cường độ ánh sáng tán xạ

  : Góc tán xạ

  : Bước sóng ánh sáng chiếu tới







2 2

2 4

3.2.2 Thuyết lượng tử về tán xạ

- Va chạm đàn hồi năng lượng Photon và phân tử bảo toàn

- Va chạm không đàn hồi :

+ Photôn cung cấp năng lượng cho phân tử ánh sáng tán xạ có năng lượng nhỏ hơn

ánh sáng tới 1 lượng Cho vạch phụ Stockes

+ Photôn nhận năng lượng của phân tử -> ánh sáng tán xạ có năng lượng lớn hơn

ánh sáng tới 1 lượng Wù

Cho vạch phụ phản Stockes

3.2.3 Ứng dụng phổ Raman

txh

• LÝ SINH THỊ GIÁC

• 6.2.1 Mắt :

• + Mắt = hệ quang học + cơ quan cảm thụ trong

võng mạc

• quá trình thị giác gồm :

• Quá trình vật lý :Khúc xạ ; hấp thụ ánh sáng

• Quá trình quang hoá

• 6.2.2 Cấu trúc cơ quan thụ cảm thị giác và cơ chế tiếp nhận thị giác

• a tế bào thụ cảm thị giác gồm :

• + Tế bào que : gần 130 triệu nhạy cảm với thị

giác đơn sắc ( trắng , đen, xám ) độ sáng

• + Tế bào nón : gần 7 triệu, nhạy cảm với thị

giác màu sắc phân biệt màu sắc

• * Sắc tố : - Có 4 loại sắc tố cảm sáng

• Rodopxin + Phorphiapxin

• Iodopxin + Xianopxin

• Trong võng mạc mắt người có hai sắc tố :

• +Trong tế bào que: Rodopxin

• + Trong tế bào nón : Iodopxin