Nghiên cứu phương pháp giảng dạy khái niệm quang phổ cho học sinh lớp 12 THPT

Nghiên cứuquang phổ vạch phát xạ của một chất cụ thể là xác định vị trí, bớc sóng và c-ờng độ của các vạch quang phổ Ta có thể đoán nhận đợc các nguyên tố hóa học có mặt trong chất đócũn

Phần mở đầu

1 Lý do chọn đề tài:

Khái niệm quang phổ là một khái niệm cơ bản của quang học nóichung và của phần quang lý nói riêng Biểu hiện của quang phổ rất phongphú và đa dạng do đó quang phổ có mặt trong nhiều bộ môn quang phổ học

Để làm cơ sở cho việc giảng dạy vật lý của mình sau này, ngay sau khi họcxong chơng trình quang học đại cơng ở trờng đại học tôi đã có ý định đi sâuvào tìm hiểu khái niệm quang phổ và phơng pháp giảng dạy khái niệmquang phổ ở trờng phổ thông

Đợc sự gợi ý, giúp đỡ của giáo viên hớng dẫn, tôi quyết định chọn đềtài “ Nghiên cứu phơng pháp giảng dạy khái niệm quang phổ cho học sinhlớp 12 THPT” để làm đề tài luận văn tốt nghiệp của mình

Do hạn chế về trình độ, về điều kiện tài liệu tham khảo cũng nh thờigian do đó không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong đợc sự góp ý, bổsung của các thầy giáo, cô giáo và các bạn

Luận văn hoàn thành nhờ sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy cô giáo hớngdẫn Nguyễn Cảnh Vạn và sự góp ý bổ sung của thầy, cô giáo trong khoa Vật

lý, thầy cô giáo ở tổ vật lý của trờng THPT Đào Duy Từ- Thành phố ThanhHoá

Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy, cô giáo đã giúp đỡ tôi hoànthành luận văn tốt nghiệp của mình

2 Mục đích của đề tài:

- Tìm hiểu để nắm vững nội dung khái niệm quang phổ

- Nghiên cứu phơng pháp giảng dạy khái niệm quang phổ cho họcsinh lớp 12 THPT

- Thiết kế một số bài học về khái niệm quang phổ

3 Đối tợng nghiên cứu:

- Nghiên cứu khái niệm quang phổ qua các tài liệu: Quang học, quangphổ học

- Nghiên cứu hai chơng, chơng VII ( tính chất sóng của ánh sáng),

ch-ơng VIII (lợng tử ánh sáng) của vật lý lớp 12 THPT

- Nghiên cứu lý luận dạy học, phơng pháp giảng dạy khái niệm vật lý

- Nghiên cứu tình hình học tập và giảng dạy khái niệm quang phổ ở trờngTHPT Đào Duy Từ- Thành Phố Thanh Hoá

4 Giả thuyết khoa học:

Thông qua việc thiết kế các bài học quang phổ, nếu đợc thực thi có thểgiúp học sinh nắm đựơc các tri thức cơ bản về quang phổ Nếu trình bày bài giảngtheo hớng phối hợp linh hoạt các phơng pháp dạy học trong đó chú ý đến việc

khai thác t liệu lịch sử phát triển, triển vọng lớn lao và những vấn đề mới củaquanh phổ học v v thì sẽ kích thích hứng thú học tập, phát triển t duy của họcsinh và do đó nâng cao đợc hiệu quả dạy học

5 Phơng pháp nghiên cứu đề tài:

- Thu thập tài liệu nghiên cứu nhằm mục đích hiểu nội dung khái niệmquang phổ, tìm hiểu cơ sở lý luận cơ sở thực tiễn của đề tài, lập đề cơng chi tiếtcho việc nghiên cứu

- Tiến hành thiết kế một số bài học về quang phổ theo chơng trình vật lý lớp12THPT

- Trong đợt thực tập s phạm tranh thủ học hỏi các giáo viên vật lý phổthông có kinh nghiệm, trao đổi các vấn đề có liên quan đến đề tài

- Hoàn thành đề tài sau khi kết thúc thực tập s phạm đúng thời gian và

kế hoạch đã đề ra

Phần nội dung

Chơng I: Khái niệm quang phổ

Nội dung chơng này nhằm trình bày một số kiến thức cơ bản của kháiniệm quang phổ, máy quang phổ và các loại quang phổ

I) Quang phổ tán sắc- quang phổ nhiễu xạ

1 Khái niệm quang phổ: Quang phổ là dải sáng nhiều màu thu đợc khi phân tích(tán sắc) một chùm ánh sáng trắng thành nhiều chùm đơn sắc bằng một lăng kínhhoặc một cách tử

2 Quang phổ cho bởi một lăng kính (quang phổ tán sắc)

Khái niệm quang phổ tán sắc đợc xây dựng thông qua thí nghiệm về

“hiện tợng tán sắc” của NiuTơn

Vào năm 1672 Niutơn đã nghiên cứu thực hiện thấy rằng một chùm

ánh sáng trắng đi qua lăng kính thuỷ tinh bị phân tích thành một dải nhiềumàu trên màn quan sát đặt sau lăng kính Các màu xắp sếp theo thứ tự: Đỏ,

da cam, vàng, lục, lam, chàm, tím Hiện tợng đó là hiện tợng tán sắc ánhsáng

tách ra thành nhiều chùm sáng có màu sắc khác nhau Niutơn đã đa ra đợc

khái niệm quang phổ của ánh sáng trắng là một dải màu nh màu của cầu

vồng, dải màu này có 7 màu chính: Đỏ, da cam, vàng, lục, lam, chàm, tím

Thực ra trong quang phổ này không phải chỉ có bảy màu mà còn có rất

nhiều màu biến đổi dần từ màu này sang màu khác

3 Quang phổ cho bởi cách từ nhiễu xạ( quang phổ nhiễu xạ)

Từ đồ thị sự phân bố cờng độ ánh sáng

(Hình 2)

Trên hình vẽ ta thấy rằng trên tiêu diện của thấu kính L2 ta quan sát đợc

hàng loạt vân sáng (cực đại chính) ở theo các phơng  thoả mãn điều kiện

sin =k b



với k = 0, 1, 2,

Với b = a+a0 là chu kỳ cách tử hay hằng số cách tử Mặt khác giữa 2 vân

sáng kề nhau lại còn có ( N-2) vân sáng khác ( cực đại phụ), yếu hơn nhiều

và N-1 vân tối (cực tiểu phụ)

Khi số khe N>>1 thực tế ta sẽ quan sát đợc một loạt vạch sáng trênnền tối, càng ra xa vân sáng trung tâm, các vân sáng cũng có cờng độ giảmdần.

Bây giờ giả sử khe S0 phát ra ánh sáng trắng sẽ cho ta một hệ vânriêng, mà vị trí của các vân sáng đợc xác định theo công thức sin =k b

Với k= 2 ta đợc 2 quang phổ bậc 2 nằm đối xứng nhau qua vân sángtrung tâm

Thật vậy đầu đỏ của quang phổ bậc k và đầu tím của quang phổ bậc(k+1) đợc xác định:

sin = k b

76 , 0

sin = k b

38 , 0 ) 1 ( 

Ta thấy 0,76 k> ( k 1)0,38 sẽ trùng lên nhau  1 k tức là từ quang phổbậc 2 trở đi hiện tợng trùng lấn quang phổ càng nhiều Mặt khác quang phổbậc càng cao thì càng rộng, nhng kém sáng hơn

II Máy quang phổ

Nói cách khác nó là dụng cụ để nhận biết các thành phần cấu tạo củamột chùm sáng phức tạp do một nguồn phát ra

b) Cấu tạo của máy quang phổ lăng kính

Máy quang phổ lăng kính gồm có 3 bộ phận chính

+ Bộ phận thứ nhất: ống chuẩn trực: Là bộ phận tạo ra chùm sáng song song

Nó có một khe hẹp S nằm ở tiêu diện của thấu kính hội tụ L1 Chùm sángphát ra từ nguồn S đợc soi vào khe hẹp S qua thấu kính hội tụ L Chùm tia ló

ra sau thấu kính L1 là chùm tia song song

+ Bộ phận thứ 2: Lăng kính p: Là bộ phận có tác dụng làm tán sắc chùm tiasong song ló ra từ thấu kính L1 thành nhiều chùm tia đơn sắc song song.+ Bộ phận thứ 3: Buồng ảnh: Gồm một thấu kính hội tụ L2 và màn quan sát

đặt tại tiêu diện ảnh của thấu kính (L2 đặt chắn chùm tia sáng đã đợc tán sắcqua p) chùm tia sáng ló ra khỏi lăng kính gồm nhiều tia sáng đơn sắc songsong lệch theo các phơng khác nhau, mỗi chùm tia sáng đơn sắc song songcho trên tiêu diện của thấu kính L2 một vạch màu, mỗi vạch màu là một ảnh

đơn sắc của khe S

Tại tiêu điểm của thấu kính L2 có đặt một tấm kính ảnh để chụp ảnhquang phổ, hoặc một tấm kính mờ để quan sát quang phổ

Tuỳ theo cách thu quang phổ mà ta có:

Máy quang phổ chụp ảnh

Máy quang phổ nhìn bằng mắt

Máy quang phổ đơn sắc

Máy quang phổ tự ghi

Giả sử nguồn S phát ra chùm sáng phức tạp gồm nhiều ánh sáng đơn

sắc có bớc sóng khác nhau Lăng kính P sẽ phân tích ánh sáng này thànhnhững chùm tia sáng đơn sắc song song, mỗi chùm ứng với một bớc sóngxác định

Mỗi chùm tia sáng song song này sau khi qua thấu kính L2 sẽ hội tụtại các điểm khác nhau trên tiêu diện của thấu kính L2

Nh vậy trên kính ảnh F ta thu đợc một dãy vạch trong quang phổ theomột bớc sóng tơng ứng Dãy vạch đó đợc gọi là quang phổ vạch

Sự phân bố các vạch trong quang phổ theo một quy luật nhất định

Nh vậy, máy quang phổ dùng để phân tách thành phần quang phổ củanguồn, nó có ứng dụng rất rộng rãi

Mỗi quang phổ vạch đặc trng cho một nguyên tố hóa học Nghiên cứuquang phổ vạch phát xạ của một chất cụ thể là xác định vị trí, bớc sóng và c-ờng độ của các vạch quang phổ

Ta có thể đoán nhận đợc các nguyên tố hóa học có mặt trong chất đócũng nh hàm lợng của chúng

Phép phân tích quang phổ phát xạ đợc dùng rộng rãi trong các nghànhluyện kim, địa chất, chế tạo cơ khí để nghiên cứu thành phần cấu tạo củanguyên liệu và thành phẩm

III) Các loại quang phổ

1 Quang phổ phát xạ

Quang phổ phát xạ là quang phổ do các vật phát sáng phát ra

Quang phổ phát xạ chia làm 3 loại

Quang phổ liên tụcQuang phổ vạchQuang phổ đáma) Quang phổ liên tục: Quang phổ liên tục chỉ gồm một dải sáng, trên đómàu sắc chuyển một cách liên tục từ màu nọ sang màu kia

J

SL

Giải thích sự hình thành quang phổ liên tục thì Lorenx là ngời đầutiên đa ra thuyết electron và về sự tán sắc ánh sáng, dựa trên sự tơng tác của

điện trờng sóng ánh sáng lên các electron liên kết của nguyên tử

Trong trờng hợp đơn giản, mỗi nguyên tử đợc xem nh một dao động

tử điều hòa, có tần số dao động “riêng 0”, tức là electron trong nguyên tửthực hiện dao động xung quanh vị trí cân bằng dới tác dụng của lực đàn hồi

Nh vậy các nguyên tử trong chất điện môi đợc xem nh một tập hợpcác dao động tử

Dới tác dụng của điện trờng của sóng ánh sáng có tần số , chúngthực hiện dao động cỡng bức với tần số bằng tần số của sóng ánh sáng tới.Hai sóng dao động trở thành nguồn phát sáng thứ cấp sẽ giao thoa với sóngsơ cấp (sóng tới) Đó là bản chất của sự tơng tác của ánh sáng với chất

Nguồn phát: Ngọn đèn, các vật rắn, lỏng hoặc khí có tỷ khối lớn bịnung nóng sẽ phát ra quang phổ liên tục

Chúng ta quan sát và thấy rằng trong quang phổ liên tục các vạch màugần nhau nằm sít nhau đến mức chúng nối liền với nhau tạo thành một dảiliên tục

Ví dụ: Mặt trời là một khối khí có tỷ khối lớn vì vậy ánh sáng mặt trời

là quang phổliên tục

Quang phổ liên tục mang một đặc điểm đăc trng quan trọng không thểnhầm lẫn với bất kỳ một loại quang phổ nào: Đó là quang phổ liên tụckhông phụ thuộc vào thành phần cấu tạo của nguồn sáng, mà chỉ phụ thuộcvào nhiệt độ của nguồn sáng

Ví dụ: Bất kỳ một vật nào, nếu nóng sáng đến 5000C thì mới chỉ phát

ra tia đỏ Càng nóng lên thì dải màu càng mở rộng ra các màu khác, và khinóng đến15000C thì dải màu có đủ 7 màu cầu vồng

ứng dụng: Ngời ta dựa vào quang phổ liên tục để xác định nhiệt độcủa nguồn phát Nh nhiệt độ của dây tóc bóng đèn, hồ quang, và các ngôisao xa

b) Quang phổ vach phát xạ

Quang phổ vạch phát xạ là một hệ thống vạch màu riêng rẽ nằm trênmột nền tối Quang phổ vạch phát xạ là do các chất khí hay hơi ở áp suấtthấp kích thích một cách thích hợp (nung nóng, cho dòng điện chạy qua)phát ra quang phổ vạch

Với nguồn phát nh vậy nên quang phổ vạch phát xạ có những nét đặctrng quan trọng của nó đó là :

Mỗi nguyên tố hóa học ở trạng thái khí hay hơi ở áp suất thấp nóngsáng sẽ phát ra một quang phổ vạch riêng, đặc trng cho nguyên tố đó

Quang phổ vạch của các nguyên tố khác nhau về số lợng các vạch, vịtrí các vạch và màu sắc của các vạch

Với những nét đặc trng nh vậy nên quang phổ vạch phát xạ dùng đểnhận biết sự có mặt của các nguyên tố hóa học trong hỗn hợp hay một hợpchất

Ngoài ra còn phân biệt, nhận biết đợc cả nồng độ của nguyên tố đótrong mẫu phân tích

c) Quang phổ đám: Quang phổ chứa những dải sáng riêng biệt gọi làquang phổ đám, các đám này thực ra do nhiều vạch quang phổ nằm sít nhautạo thành Quang phổ đám là quang phổ phân tử

Nguyên nhân của hiện tợng tán xạ phân tử là sự thăng giáng mật độphân tử trong môi trờng

Do chuyển động nhiệt của các phân tử nên chúng phân bố không đều

đặn trong môi trờng

Quang phổ phân tử có ở các chất khí, chất lỏng và ở cả chất rắn phátra

Dựa vào quang phổ của phân tử mà ta có thể nhận biết đợc nguồn phát

ra ánh sáng tới

Ví dụ nh nếu ánh sáng tới là do ánh sáng tự nhiên thì phổ của nó sẽgiàu màu xanh tím

2 Quang phổ hấp thụ

Quang phổ liên tục có xen kẽ những vạch tối thu đợc khi chiếu ánhsáng trắng qua một chất khí (hay hơi ở áp suất thấp) nung nóng gọi là quangphổ hấp thụ

Sự hấp thụ ánh sáng là kết quả của sự tơng tác của sóng ánh sáng vớichất dới tác dụng của điện trờng của sóng ánh sáng tới tần số  Cácelectron của nguyên tử và phân tử dịch chuyển đối với hạt nhân tích điện d-

ơng thực hiện chuyển động dao động điều hoà với tần số bằng tần số của

ánh sáng tới

Electron dao động thành nguồn phát sóng thứ cấp Do sự giao thoacủa sóng tới với sóng thứ cấp mà trong môi trờng xuất hiện sóng có biên độkhác với biên độ của sóng tới Do đó cờng độ của ánh sáng truyền qua môitrờng cũng thay đổi, cụ thể là không phải toàn bộ năng lợng bị hấp thụ bởicác nguyên tử và phân tử đợc giải phóng dới dạng bức xạ, tức là xảy ra sựhấp thụ ánh sáng

ứng với mỗi chất khác nhau thì có quang phổ vạch hấp thụ khác nhau

Điều quan trọng là chúng ta phải nắm đợc cách tạo ra và thu đợcquang phổ vạch hấp thụ của mỗi chất khác nhau

Nếu chiếu một chùm sáng trắng do một đèn có dây tóc, nóng sángphát ra vào khe của một máy quang phổ, thì ta thu đợc một quang phổ liêntục trên tấm kính của buồng ảnh

Nếu trên đờng đi của chùm sáng ta đặt một ngọn đèn có hơi Natrinung nóng thì trong quang phổ liên tục nói trên xuất hiện một vạch tối ở

đúng vị trí vạch vàng trong quang phổ phát xạ của nguyên tử Natri Nếu thayNatri bằng hơi Kali thì trên quang phổ liên tục xuất hiện những vạch tối ở

đúng chỗ những vạch màu của quang phổ phát xạ Kali Đó là quang phổ hấpthụ của Kali

Điều kiện để thu đợc quang phổ hấp thụ là nhiệt độ đám khí hay hơi

hấp thụ phải thấp hơn nhiệt độ của nguồn sáng phát ra quang phổ liên tục

Trong phần quang phổ vạch hấp thụ này thì một hiện tợng phổ biến

mà chúng ta cần phải lu tâm đó là hiện tợng đảo sắc

Khi thoả mãn điều kiện để có hiện tợng hấp thụ, trên nền quang phổliên tục có vạch tối ở vị trí vạch vàng trong quang phổ phát xạ đó là quangphổ vạch hấp thụ của hơi Natri

Sau đó tắt đèn chiếu ánh sáng trắng thì quang phổ liên tục sẽ biến mấttại chỗ vạch tối xuất hiện rõ vạch vàng Natri

Hiện tợng đảo sắc xẩy ra với mọi nguyên tố ứng với quy luật: “ở mộtnhiệt độ nhất định một đám hơi có khả năng phát xạ ánh sáng đơn sắc nàothì cũng có khả năng hấp thụ ánh sáng đơn sắc đó” (có những vạch nhất

Ngời ta dùng một ống phóng điện chứa khí Hiđro và đặt giữa 2 đầucủa ống phóng điện một hiệu điện thế khoảng vài trăm vôn.

ánh sáng phát ra từ ống phóng điện đợc rọi vào khe của máy quang phổ

Lúc đó phổ bức xạ của nguyên tử Hiđro đợc chụp qua máy quang phổ

Điều đó chứng tỏ rằng khi n càng tăng thì các vạch quang phổ củaHiđro càng nằm sát nhau

Qua tính toán đối với các bớc sóng có màu sắc khác nhau thì chúng tathấy rằng công thức phù hợp, chính xác nhất với thực nghiệm trong vật lý

Công thức Balmer có thể viết lại đơn giản hơn, nếu thay  bằng sốsóng  định nghĩa nh sau :

) (

10 )







(n =3, 4, 5, )(với R=1,097.107m-1)

Tập hợp các vạch thoả mãn công thức Balmer gọi là dãy Balmer.Trong thực tế công thức Balmer còn dự đoán đợc những vạch quang phổ ứngvới n > 7(trong vùng tử ngoại gần), các vạch này có cờng độ rất yếu, sít dần

lại nhau khi n tăng và cuối cùng là hình thành một vùng quang phổ liên tụcrất mờ Thực nghiệm đã quan sát đợc hơn 40 vạch thuộc dãy này.

Ngoài dãy Balmer ra ngời ta còn quan sát dãy tơng tự ở trong vùnghồng ngoại và tử ngoại

Dãy Lyman trong vùng tử ngoại có các vạch tuân theo công thức tổngquát nh sau:

)

1 1

1 ( 2 2

1 ( 2 2

1 ( 2 2

Trạng thái năng lợng thấp nhất ứng với n = 1 và W = -13,53 eV

Bình thờng nếu nh không bị kích thích nguyên tử Hiđrô tồn tại lâu dài trongtrạng thái cơ bản

Nhng khi bị kích thích nguyên tử nhận năng lợng nhảy lên các trạngthái năng lợng cao hơn n>1 gọi là trạng thái kích thích

Nguyên tử không sống lâu dài trong các trạng thái này, thời gian sốngcủa chúng trong các trạng thái này chừng 10-8 (giây) Sau đó chuyễn về quỹ

đạo có mức năng lợng thấp hơn và phát ra photon các dãy quang phổ củaHiđrô ứng với các bớc chuyển mức năng lợng gọi là quang phổ vạch củanguyên tử Hiđrô

Nh vậy nếu ta biểu diễn mỗi mức năng lợng ứng với một quỹ đạodừng bằng một vạch nằm ngang thì ta sẽ có một sơ đồ các mức năng lợng

Trong sơ đồ các sự chuyển đợc biểu diễn bằng mũi tên hớng từ trênxuống

Phía dới sơ đồ có vẽ các vạch quang phổ ứng với sự chuyển đó

Đối với các kim loại kiềm các vạch của nó có thể sắp xếp trong 3 dãy:Dãy chính, dãy phụ thứ nhất và dãy phụ thứ 2

Trong dãy chính gồm các vạch khá mạnh và dễ kích thích Vạch đầucủa dãy chính là vạch đặc trng nhất cho nguyên tố đang xét

Ví dụ: Vạch vàng của Natri 5896 A0, 5890A0

Vạch đỏ của Liti 6708 A0, 6704A0



1 =

0,1227 m

= 0,367 m

= 0,86 m



1 = 0,6563 m



1 = 1,8 m

= 0,092m

Số sóng của dãy chính, dãy phụ thứ nhất và dãy phụ thứ 2 có thể biểudiễn theo công thức sau:

* Đối với dãy chính thì:

) ) (

p n

R A

d n

R B

s n

R B

A là giới hạn của dãy chính

B là giới hạn của dãy phụ

d, s, p : là số hiệu chỉnh

Chơng II :Phân tích nội dung và phơng pháp giảng dạy quang phổ

Nghiên cứu khái niệm vật lý nói chung, khái niệm quang phổ nóiriêng ở cấp học phổ thông đóng một vai trò quan trọng trong việc hìnhthành thế giới quan duy vật biện chứng và phát triển t duy của học sinh

Chính vì vậy yêu cầu đặt ra đối với giáo viên là phải làm cho học sinhhiểu nội dung khái niệm này một cách sâu sắc Để đạt đợc yêu cầu trên,nội dung chơng này nhằm đi sâu phân tích nội dung khái niệm quang phổ

1 Hình thành khái niệm quang phổ liên tục :

Mở đầu chơng VII tính chất sóng ánh sáng “ngay ở bài đầu của

ch-ơng, bài 42, SGK trình bày hiện tợng tán sắc ánh sáng

Để hình thành cho học sinh về những khái niệm về hiện tợng tán sắccủa ánh sáng thì giáo viên phải xuất phát từ thí nghiệm của Niutơn (thựchiện lần đầu tiên 1672), và sau đó dùng phơng pháp quy nạp khái quát hoá

đa ra định nghĩa: “Sự tán sắc ánh sáng là sự phân tích một chùm sáng phứctạp thành những thành phần đơn sắc khác nhau khi chùm sáng đó khúc xạqua mặt phân cách giữa hai môi trờng trong suốt”

ở phần này giáo viên cũng cần làm cho học sinh hiểu đợc rằngnguyên nhân của hiện tợng tán sắc là sự phụ thuộc chiết suất của môi trờngvào bớc sóng của ánh sáng

Đến đây khái niệm quang phổ bớc đầu đợc hình thành “Dải có nhiềumàu nh cầu vồng này gọi là quang phổ của ánh sáng trắng ,ta thấy có 7 màuchính: Đỏ, da cam, vàng, lục, lam, chàm, tím” Giáo viên cần lu ý cho họcsinh hiểu rằng trong quang phổ này không phải chỉ có 7 màu nh trên màthực tế có rất nhiều màu, biến đổi dần từ màu này sang màu khác

Học sinh sẽ sáng rõ dần khái niệm quang phổ khi chuyển sang trìnhbày hiện tợng giao thoa ánh sáng

Thông qua thí nghiệm của Iâng chúng ta giải thích cho học sinh mộtcách định tính về hiện tợng này Nh ta đã biết, sự tán sắc ánh sáng là sựphụ thuộc chiết suất của môi trờng vào bớc sóng ánh sáng, vì vậy khi truyềnthụ cho học sinh biết cách đo bớc sóng ánh sánh bằng phơng pháp giaothoa giáo viên cần nhấn mạnh mối quan hệ giữa bớc sóng và màu sắc ánhsáng Trớc hết giáo viên phải xây dựng công thức xác định vị trí các vângiao thoa và công thức khoảng vân cho học sinh

a

D k

D k

x t

2 ) 1 2 (  

D: là khoảng cách từ khe sáng đến màu

a : là khoảng cách giữa hai khe hẹp

Nh vậy, đến đây chúng ta đã làm rõ cho học sinh biết rằng ứng với

b-ớc sóng khác nhau của ánh sáng thì ta thu đợc khoảng vân là khác nhau Tức

là vị trí các vân khác nhau

Từ công thức (3) khi biết a, D và i ta có thể tính đợc bớc sóng ánhsáng λ Đó là nguyên tắc của việc đo bớc sóng ánh sáng bằng phơng phápgiao thoa

Thông qua việc đo bớc sóng của ánh sáng đơn sắc khác nhau bằng

ph-ơng pháp giao thoa, ngời ta thấy mỗi ánh sáng đơn sắc có một bớc sónghoàn toàn xác định Chẳng hạn:

ánh sáng màu đỏ ở đầu của dải màu liên tục có bớc sóng 0,760μm

ánh sáng màu tím ở cuối của dải màu liên tục có bớc sóng 0,400μm

ánh sáng màu vàng do đèn hơi Natri phát ra có bớc sóng 0,589μm

Nh vậy ánh sáng đơn sắc là ánh sáng có một bớc sóng xác định Màu ứng với ánh sáng đó gọi là màu đơn sắc hay là màu quang phổ

Nh vậy đến đây học sinh đã hiểu đợc rằng màu quang phổ là bứctranh mà ta quan sát đợc Nhng đó là tập hợp những bớc sóng xác định

Mỗi một bớc sóng xác định cho một màu xác định Thực ra, những

ánh sáng đơn sắc có bớc sóng lân cận nhau gần nh có cùng một màu Vìvậy, ngời ta đã phân định ra trong quang phổ liên tục những vùng màu khácnhau:

Để nhận biết thành phần cấu tạo của một chùm sáng, cần phải có mộtdụng cụ quang học - đó là máy quang phổ

Nh chúng ta đã biết, chiết suất của một môi trờng trong suốt nhất định

đối với các ánh sáng đơn sắc khác nhau thì phụ thuộc vào bớc sóng của ánhsáng đó Trong điều kiện hiện nay các trờng phổ thông cha có máy quangphổ cho nên khi giảng dạy giáo viên dùng phơng pháp thuyết trình là chủyếu

Đầu tiên nêu cho học sinh định nghĩa về máy quang phổ: “Máy quangphổ là dụng cụ dùng để phân tích chùm sáng có nhiều thành phần thànhnhững thành phần đơn sắc khác nhau” Nói cách khác, nó dùng để nhận biếtcác thành phần cấu tạo của chùm sáng phức tạp do một nguồn sáng phát ra

Sau khi học sinh nắm đợc định nghĩa về máy quang phổ thì giáo viêntrình bày tiếp về cấu tạo của dụng cụ quang học này cho học sinh

Máy quang phổ : Gồm có ba bộ phận chính.

- Bộ phận thứ nhất là ống chuẩn trực: Đó là bộ phận tạo ra chùm tia sángsong song Chùm sáng phát ra từ nguồn J mà ta cần nghiên cứu đợc rọi vàokhe S Chùm tia sáng ló ra khỏi thấu kính L1 là một chùm sáng song song

- Bộ phận thứ hai là Lăng kính P: Là bộ phận có tác dụng làm tán sắc chùmtia song song từ L1 chiếu tới thành nhiều chùm tia song song

- Bộ phận thứ ba là Buồng ảnh : Gồm một thấu kính hội tụ đặt chắn chùm tiasáng đơn sắc lệch theo các phơng khác nhau Một chùm tia sáng đơn sắc chotrên tiêu diện của thấu kính L2 một vạch màu Mỗi vạch màu là một ảnh đơnsắc của khe hẹp S

Tại tiêu diện của thấu kính L2 có đặt một tấm kính ảnh để chụp quangphổ (Hoặc một tấm kính mờ để quan sát quang phổ)

(Hình 9)

Và sau đó cần lu ý cho học sinh rằng: Nếu nguồn sáng J phát ra một số ánhsáng đơn sắc có bớc sóng λ1, λ2, λ3, thì trên tấm kính F ta thu đợc một sốvạch màu S1, S2, S3, trên một nền tối Mỗi vạch màu tơng ứng với mộtthành phần ánh sáng đơn sắc do nguồn S phát ra Tập hợp các vạch màu đótạo thành quang phổ của nguồn J Thiết nghĩ rằng phần này khi trình bày đốivới học sinh phổ thông có thể rất trừu tợng Vì vậy đòi hỏi giáo viên phảitrình bày tỉ mỉ và lôgic rõ ràng sao cho học sinh nắm đợc kiến thức một cáchchắc chắn Sau đó thì có thể đặt ra cho học sinh những câu hỏi để củng cốnhững kiến thức mà vừa truyền thụ cho học sinh

Ví dụ nh:

Máy quang phổ là gì ? Trình bày những bộ phận cấu tạo chính của một máyquang phổ ?

Quang phổ liên tục là gì ?

Sau khi học sinh đã hiểu rõ về cấu tạo và công dụng của máy quangphổ Giáo viên cần phải làm rõ rằng, nhờ dụng cụ quang học này mà kháiniệm về quang phổ liên tục dần dần đợc hoàn thiện Nhờ máy quang phổchúng ta nhận biết đợc cấu tạo của chùm sáng, những đặc điểm và côngdụng của quang phổ liên tục ở đây có thể sử dụng phơng pháp dạy học nêuvấn đề, kết hợp với phơng pháp thuyết trình diễn giảng để truyền thụ tri thứccho học sinh Bởi vì phần kiến thức này rất trừu tợng, nhng nó cũng rất hấpdẫn đối với học sinh

J

L S

L1

L2 P

S2

S1

F

Công việc tiếp theo của giáo viên là nêu định nghĩa quang phổ liêntục và đặc điểm của nó.

“Quang phổ liên tục là một dải sáng, trên đó màu sắc chuyển mộtcách liên tục từ màu nọ sang màu kia”

Nguồn phát ra quang phổ liên tục đó là : Các vật rắn, lỏng hoặc khí có

tỷ khối lớn khi bị nung nóng sẽ phát ra quang phổ liên tục

Vậy tại sao mặt trời lại phát ra quang phổ liên tục?

Giáo viên có thể đặt cho học sinh câu hỏi ấy và yêu cầu các em trảlời Khi biết điều kiện phát ra quang phổ liên tục, bởi mặt trời là khối khí có

tỷ khối lớn Bớc tiếp theo giáo viên cần làm rõ cho học sinh rằng quang phổliên tục có các vạch màu cạnh nhau nằm sát nhau đến mức chúng nối liềnvới nhau tạo thành một dải màu liên tục

Sau khi đã truyền thụ cho học sinh những kiến thức cơ bản về quangphổ lên tục và nguồn phát ra quang phổ liên tục thì giáo viên cần phải nêu

đặc điểm quan trọng của quang phổ liên tục để sau này các em phân biệt đợcvới các loại quang phổ khác: Đó là quang phổ liên tục không phụ thuộc vàothành phần cấu tạo của nguồn sáng, mà chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ củanguồn sáng

Sau ý này, giáo viên nên đa ra các ví dụ thực tế để cho học sinh tiếpthu đợc tri thức một cách có độ tin cậy cao Ví dụ nh: Khi ta nung mộtmiếng sắt và một miếng sứ đặt trong lò nung đến cùng một nhiệt độ giốngnhau sẽ cho ra hai quang phổ rất giống nhau Mặt khác để có tính chất kháiquát và có tính hệ thống giáo viên cần phải cho học sinh biết rằng bất cứ vậtnào khi nung nóng đến nhiệt độ 5000C, vật bắt đầu phát sáng ở vùng ánhsáng màu đỏ, rất yếu nên mắt chúng ta không nhìn thấy đợc Khi tăng nhiệt

độ lên đến 15000C thì dải có đủ bảy màu cầu vồng Ngời ta đã dựa vào đặc

điểm của quang phổ liên tục để xác định nhiệt độ của các vật phát sáng donung nóng nh nhiệt độ của dây tóc bóng đèn, mặt trời và các ngôi sao xa mànhiều khi con ngời không trực tiếp tới gần đợc Đó chính là ứng dụng quantrọng của quang phổ liên tục trong đời sống và kỹ thuật Sau đó giáo viêntrình bày phơng pháp xác định nhiệt độ cho học sinh

Muốn đo nhiệt độ của một vật nóng sáng, ngời ta so sánh nhiệt độ củavật đó với độ sáng của một dây tóc bóng đèn ở vùng bớc sóng nào đó ( th-ờng là đỏ) nhiệt độ của dây tóc bóng đèn ứng với những độ sáng khácnhau đã hoàn toàn biết trớc Nh vậy có thể nói rằng từ khái niệm ban đầuSGK vật lý 12 THPT đã dần dần xây dựng hoàn chỉnh khái niệm quang phổliên tục

Nhờ máy quang phổ chúng ta không chỉ quan sát đợc quang phổ liêntục mà ta còn quan sát đợc các loại quang phổ khác do các vật khác nhauphát ra.

2 Hình thành khái niệm quang phổ vạch phát xạ:

Trớc hết nêu định nghĩa quang phổ vạch phát xạ: “Quang phổ vạchphát xạ là một hệ thống vạch màu riêng rẽ nằm trên một nền tối” ở phầnnày giáo viên có thể sử dụng phơng pháp tơng tự nh khi trình bày về quangphổ liên tục Bởi lúc này học sinh đã hiểu đợc rằng khi nói đến quang phổ làcần phải xét đến nguồn phát:

Quang phổ vạch phát xạ là do các chất khí hay hơi ở áp suất thấp kíchthích một cách thích hợp phát quang

Sau đó giáo viên cần phải làm cho học sinh nắm đợc các đặc trng củaquang phổ vạch phát xạ Bằng phơng pháp thực nghiệm ta thấy quang phổvạch phát xạ của các nguyên tố khác nhau thì rất khác nhau về số lợng cácvạch quang phổ, vị trí các vạch và độ sáng tỷ đối của các vạch đó

Sau đó giáo viên nêu ra các ví dụ cụ thể về quang phổ vạch củaHiđrô với những nét đặc trng nh trên quang phổ vạch phát xạ cũng cónhững ứng dụng quan trọng, đó là dùng quang phổ vạch phát xạ để nhận biết sự

có mặt của các nguyên tố hoá học trong một hỗn hợp hay một hợp chất

Ngoài ra còn nhận biết đợc nồng độ của nguyên tố đó trong mẫu phântích

Trên đây là toàn bộ phần kiến thức trọng tâm mà khi giảng dạy giáoviên cần truyền thụ cho học sinh ở phần quang phổ vạch phát xạ

3 Hình thành khái niệm quang phổ vạch hấp thụ :

Theo trình tự của sách giáo khoa vật lý lớp 12 THPT thì sau khi trìnhbày cho học sinh phần quang phổ vạch phát xạ thì giáo viên phải trình bàymột loại quang phổ nữa, cũng rất phổ biến đó là quang phổ vạch hấp thụ

Nêu định nghĩa quang phổ vạch hấp thụ: Đó là quang phổ liên tục cóxen kẽ những vạch tối thu đợc khi chiếu ánh sáng trắng qua một chất khí(hay hơi ở áp suất thấp) nung nóng

Điều quan trọng ở mục này là giáo viên cần phải truyền thụ cho họcsinh cách tạo ra và thu đợc quang phổ vạch hấp thụ của mỗi chất khác nhau

Nếu chiếu một chùm sáng trắng do một đèn có dây tóc nóng sángphát ra vào khe của một máy quang phổ thì sẽ thu đựơc quang phổ liên tụctrên tấm kính của buồng ảnh

Nếu trên đờng đi của chùm sáng ta đặt ngọn đèn có hơi Natri nungnóng thì trong quang phổ liên tục nói trên xuất hiện một vạch tối

(Thật ra là 2 vạch tối liên tục đặt sát nhau), ở đúng vị trí vạch vàngtrong quang phổ phát xạ của Natri

(Hình 10)

Nếu thay hơi Natri bằng hơi của các nguyên tố khác thì ta cũng sẽ thụ

đợc hiện tợng tơng tự

Nh vậy ở đây giáo viên cần phải truyền thu cho học sinh tri thức về

điều kiện để thu đợc quang phổ hấp thụ: Là nhiệt độ của đám khí hay hơihấp thụ phải thấp hơn nhiệt độ của nguồn sáng phát ra quang phổ liên tục

Khi giảng dạy phần quang phổ vạch hấp thụ, một hiện tợng phổ biến

mà chúng ta cần phải lu ý cho học sinh đó là hiện tợng đảo sắc của các vạchquang phổ: Có một hiện tợng đặc biệt liên hệ giữa quang phổ vạch phát xạ

và quang phổ vạch hấp thụ của cùng một nguyên tố: Hiện tợng đảo sắc.Hiện tợng này xẩy ra nh sau:

Giả sử đám hơi hấp thụ ở thí nghiệm trên đợc nung nóng tới nhiệt độ

mà chúng có thể phát sáng tuy nhiệt độ này vẫn còn thấp hơn nhiệt độ củanguồn sáng trắng Trên kính ảnh của máy quang phổ, ta thu đợc quang phổhấp thụ của đám hơi đó

Bây giờ đột nhiên tắt nguồn sáng trắng đi, ta sẽ thấy biến mất nềnquang phổ liên tục trên kính ảnh, đồng thời những vạch đen của quang phổhấp thụ trở thành những vạch màu của quang phổ phát xạ của chính nguyên

tố đó Đó là hiện tợng đảo sắc của các vạch quang phổ

Thí dụ: Trong quang phổ hấp thụ của hơi Natri có một vạch đen képnằm đúng vị trí của 2 vạch vàng (0,5890m và 0,5896m) của Natri

Khi học sinh đã nắm và hiểu đợc hiện tợng đảo sắc các vạch quangphổ một cách chắc chắn thì giáo viên có thể nêu rõ một số hiện tợng đảo sắc

mà từ thực nghiệm đã quan sát đợc rồi khái quát lên cho mọi nguyên tố ứngvới quy luật: “ở nhiệt độ nhất định một đám hơi có khả năng phát ra ánhsáng đơn sắc nào thì cũng có khả năng hấp thụ ánh sáng đơn sắc đó” (Cónhững vạch nhất định ở những vị trí xác định) Chính vì thế mà ta có thểdùng quang phổ vạch hấp thụ thay cho quang phổ vạch phát xạ của nó trongphép phân tích quang phổ Sau đó giáo viên cần phải trình bày cho học sinhphép phân tích quang phổ và tiện lợi của phép phân tích quang phổ

Đèn hơi Natri

Máy quang phổ

Vạch

đen

“Phép phân tích thành phần cấu tạo của các chất dựa vào việc nghiêncứu quang phổ gọi là phép phân tích quang phổ” Đặc biệt là phải để họcsinh thấy đợc những tiện lợi, hay nói cách khác tức là những u điểm củaphép phân tích quang phổ Nh vậy sau khi giáo viên trình bày cho học sinhmột cách đầy đủ, tỉ mỉ về 3 loại quang phổ thì đến đây khái niệm quang phổ

đã dần dần đợc hoàn thiện Bức tranh về màu sắc của quang phổ nhìn chung

là đợc phản ánh phần nào trọn vẹn hơn

Để củng cố các khái niệm quang phổ giáo viên phải chú ý cho họcsinh rèn luyện kỹ năng phân biệt đợc 3 loại quang phổ: Quang phổ liên tục,quang phổ vạch phát xạ và quang phổ vạch hấp thụ

Để cho học sinh dễ tiếp thu và tránh sự nhầm lẫn thì khi phân biệt 3loại quang phổ này giáo viên có thể dùng phơng pháp kẻ bảng, hệ thốngtheo các phần (định nghĩa, nguồn phát, đặc điểm, ứng dụng )

Quang phổ Định nghĩa Nguồn phát đặc điểm ứng dụngQuang phổ

liên tục

Quang phổchỉ gồm mộtdải sáng, trên

đó màu sắcchuyển mộtcách liên tục

từ màu nọsang màu kia

Ngọn đèn,các vật rắn,lỏng hoặc khí

có tỷ khối lớn

bị nung nóng

sẽ phát raquang phổliên tục

Quang phổ

không phụthuộc vàothành phầncấu tạo củanguồn phátsáng mà nóchỉ phụ thuộcvào nhiệt độcủa nguồnsáng

Ngời ta dựavào quangphổ liên tục

để xác địnhnhiệt độ củanguồn phátnh: Nhiệt độcủa dây tócbóng đèn, hồquang và cácngôi sao xa.Quang phổ

vạch phát xạ

Quang phổvạch phát xạ

là một hệthống vạchmàu riêng rẽnằm trên mộtnền tối

Do các chấtkhí hay hơi ở

áp suất thấpkích thích

thích hợp(nung nóng,

điện chạyqua) phát raquang phổvạch

Mỗi nguyên

tố hóa học ởtrạng thái khíhay hơi ở ápsuất thấpnóng sáng sẽphát ra quang

riêng đặc trngcho nguyên

tố đó

Quangphổ vạch của

Quang phổvạch phát xạdùng để nhậnbiết sự có mặt

nguyên tốhóa học trongmột hỗn hợphay một hơpchất Ngoài

ra còn nhậnbiết đợc cảnồng độ của

các nguyên tốkhác nhau thì

khác nhau về

số lợng cácvạch, màusắc các vạch

và vị trí các

Quang phổvạch phát xạphụ thuộcvào thànhphần cấu tạocủa nguồnphát

các nguyên tố

đó trong mẫuphân tích

Quang phổ

vạch hấp thụ

Quang phổliên tục cóxen kẽ nhữngvạch tối thu

đợc khichiếu ánhsáng trắngqua một chấtkhí hay hơi ở

áp suất thấpnung nónggọi là quangphổ hấp thụ

ở một nhiệt

độ nhất địnhmột đám hơi

có khả năngphát xạ ánhsáng đơn sắcnào thì cũng

có khả nănghấp thụ ánhsáng dơn sắc

đó

Để có quangphổ vạch hấpthụ thì nhiệt

độ của đámkhí hay hơihấp thụ phải

nhiệt độ củanguồn sángphát ra quangphổ liên tục

Quangphổ vạch hấpthụ phụ thuộcvào thànhphần cấu tạocủa nguồnphát

Cácnguyên tốkhác nhau thì

có quang phổvạch hấp thụ

Căn cứ vàoquang phổvạch hấp thụ

để nhận biết

sự có mặt củanguyên tố đótrong các hỗnhợp hay hợpchất đó 

trong phépphân tíchquang phổ

đặc trng riêngcho nguyên

tố đó

Nh vậy sự theo dõi của học sinh trực quan và dễ nhớ hơn

Trong quá trình giảng dạy cần phải giao cho học sinh những bài tập địnhtính đơn giản về các loại quang phổ Khi giải các bài tập đòi hỏi học sinh táihiện, vận dụng các kiến thức đã học một cách chính xác và linh hoạt mớicho kết quả chính xác Chính thông qua việc giải các bài tập mà tri thức lýthuyết đợc củng cố và khắc sâu thêm

Nh vậy trong chơng VII đã xây dựng tơng đối hoàn chỉnh khái niệmquang phổ

Sang chơng VIII khái niệm quang phổ đợc củng cố, mở rộng thêm,sau khi học sinh đợc học về thuyết lợng tử ánh sáng, học sinh lại đợc họcmẫu nguyên tử Bohr

Dựa vào mẫu nguyên tử Bohr chúng ta có thể giải thích sự tạo thànhquang phổ vạch của nguyên tử Hiđrô Muốn làm đợc điều đó thì trớc hếtgiáo viên truyền thụ cho học sinh tri thức về (thuyết lợng tử ánh sáng) vàdùng thuyết lợng tử ánh sáng để giải thích các định luật quang điện Sau khi

đã giải thích đựơc các định luật quang điện thì giáo viên hình thành cho họcsinh quan điểm về lỡng tính sóng hạt của ánh sáng

ở chơng VII chúng ta đã thấy: ánh sáng nhìn thấy cũng nh các tiahồng ngoại, tử ngoại và tia Rơnghen, đều là các sóng điện từ có bớc sóngkhác nhau Ngời ta nói chúng có cùng bản chất điện từ Đến đây ta lại thấy

ánh sáng có tính chất hạt (tính chất lợng tử) vậy ánh sáng vừa có tính chấtsóng vừa có tính chất hạt Ngời ta nói ánh sáng có lỡng tính sóng hạt Mộtứng dụng quan trọng của thuyết lợng tử là ứng dụng trong nguyên tử Hiđrô

Khi trình bày cho học sinh về mẫu nguyên tử Bohr giáo viên có thể sửdụng phơng pháp dạy học đàm thoại- nêu vấn đề:

Trớc hết giáo viên yêu cầu học sinh nêu và nhắc lại những khó khăncủa mẫu nguyên tử của Rơđơfo Và bớc tiếp theo là giáo viên đặt vấn đềnghiên cứu cho học sinh: Để khắc phục những khó khăn của Rơđơfo thì mộtthuyết mới phải ra đời Dới hình thức kể chuyện, giáo viên có thể cho họcsinh biết sơ lợc lịch sử ra đời của thuyết Bohr Năm 1913 Bohr là nhà vật lý

Đan Mạch đã vận dụng tinh thần của thuyết lợng tử ánh sáng vào việc giảithích các hiện tợng của hệ thống nguyên tử Ông đã nêu ra hai giả thiết coi

nh hai tiên đề toán học

Tiên đề 1: Đó là tiên đề về các trạng thái dừng: