Bài giảng Vật liệu điện - Chương 3: Nguyên tử

Nội dung text: Bài giảng Vật liệu điện - Chương 3: Nguyên tử

1. ChCh−−¬ng¬ng III III:: NguyªnNguyªn tötö 3.1 Nguyªn tö vµ c¸c tÝnh chÊt cña nguyªn tö NguyênNguyên ttửử làlà gì?gì? NguyênNguyên ttửử làlà nhnhữữngng blockblock ccơơ bbảảnn ccủủaa vvậậtt chchấất,t, xâyxây ddựựngng nênnên ttấấtt ccảả mmọọii vvậậtt xungxung quanhquanh chúngchúng ta.ta. CáiCái bbảảng,ng, khôngkhông khíkhí vàvà ngayngay ccảả chúngchúng tata đềđềuu đượđượcc ccấấuu ttạạoo ttừừ nhnhữữngng nguyênnguyên ttửử NgNgườườii tata đđãã tìmtìm rara đượđượcc 9090 loloạạii nguyênnguyên ttửử ttồồnn ttạạii ttựự nhiênnhiên vàvà cáccác nhànhà khoakhoa hhọọcc đđãã chchếế ttạạoo rara đượđượcc quãngquãng 2525 loloạạii trongtrong cáccác phòngphòng thíthí nghinghiệệm.m. NgàyNgày 23/07/200423/07/2004 đđãã phátphát hihiệệnn rara nguyênnguyên ttốố ththứứ 113113 ttạạii Riken,Riken, NhNhậậtt bbảản.n. 1 Một số tÝnh chÊt của nguyªn tử: a. Các nguyên tử được sắp xếp theo một sơ đồ hệ thống. b. Các nguyên tử phát xạ và hấp thụ ánh sáng. Tần số v của ánh sáng được phát xạ (hấp thụ) đáp ứng điều kiện tần số của Bohr: hv = Ej –Ek c. Các nguyên tử có moment xung lượng và từ tính. 2 3 1
2. §å thÞ biÓu diÔn n¨ng l−îng ion hãa 4 3.2 Ph−¬ng tr×nh SchrÖdinger (SE) vµ nguyªn tö Hydro → SE - Là định đề cơ bản của QM thay vào chổ của các định luật chuyển động của Newton trong thế giới lượng tử. Các yêu cầu cơ bản đối với phương trình Schrodinger ¾ phải là phương trình chứa đạo hàm của theo thời gian của hàm sóng, bởi nó mô tả sự phụ thuộc theo thời gian của hàm sóng. ¾ phải là phương trình tuyến tính bởi nếu như ψ1 và ψ2 là lời giải của phương trình, thì tổ hợp tuyến tính c1ψ1+c2ψ2 cũng phải là lời giải của phương trình. ¾ các hệ số không được chứa các thành phần phụ thuộc vào trạng thái như năng lượng, moment xung lượng , nếu không sự áp dụng của phương trình sẽ bị giới hạn. 5 Ta đã có hàm sóng đối với hạt tự do: i rr − (EPt− pr ) r h Ψp ()r,t = Ψ0e ∂ψ i = − Eψ ∂t h 2 2 ∂ψ ipx ∂ ψ px = − ψ ⇒ 2 = − 2 ψ ∂x h ∂x h ∂ 2ψ ∂2ψ ∂ 2ψ p2 + + = ∇2ψ = − ψ ⇒ 2 2 2 2 ∂x ∂y ∂z h 6 2
3. 2 2 p ∂ψ h 2 E = ⇒ ih = − ∇ ψ 2m ∂t 2m Ta thấy phương trình này đáp ứng được các yêu cầu đối với SE. ∂ r Nhận thấy: E → ih , p → −ih∇ ∂t → Các toán tử này là toán tử năng lượng và moment 7 Nếu khi hạt không tự do và nằm trong trường thế U ()r p2 Ta có E = +U (r ) 2m ⇓ ∂ψ 2 i = − h ∇2ψ +U ()r ψ h ∂t 2m Phương trình này do nhà bác học người Áo Ervin Schrodinger đưa ra đầu tiên năm 1926. HàmHàm sóng sóng HàmHàm th thếếnnăăngng -N-Năăngng l lượượngng → p.t. Schrodinger → ccủủaa h hệệ p.t. Schrodinger -Moment-Moment xung xung llượượngng -Moment từ - Moment từ8 3.3 N¨ng l−îng cña c¸c tr¹ng th¸i cña nguyªn tö hydro  me4  1 E 13,6 E = − . = − 1 = − eV n  2 2  2 2 2  8ε 0 h  n n n Với n =1, 2, 3 . là các số nguyên và được gọi là số lượng tử chính. 9 3
4. 3.4 Moment quü ®¹o vµ tõ tÝnh ƒđộ lớn của moment quỹ đạo bằng h L = ( +1) với = l l h h 2π ƒ l được gọi là số lượng tử quỹ đạo ƒ l = 0, 1, 2, 3 (n - 1) Số lượng tử từ m Số lượng tử từ l •độ lớn của vectơ r trên trục z: L = m •độ lớn của vectơ L trên trục z: z lh • m là số lượng tử từ, nó chỉ có thể nhận được các giá trị: • l là số lượng tử từ, nó chỉ có thể nhận được các giá trị: m = 0, ±1, ±2, ± l l •Sự hạn chế đối với hướng của vectơ moment xung lượng được gọi là sự lượng tử hoá không gian. 10 11 Mét m« h×nh vect¬ h÷u Ých z ∆L.∆θ ≅ h L = m z lh L MMộộtt khikhi chúngchúng tata xácxác địđịnhnh đượđượcc ssốố lượng tử từ, có nghĩa là L được biết lượng tử từ, có nghĩa là Lzz được biết µ = −m .µ chínhchính xác;xác; ttứứcc làlà = = 0.0. PhPhươươngng trìnhtrình trêntrên µ l,z l B khikhi đđóyêuóyêu ccầầuu rrằằngng ∆θ∆θccầầnn phphảảii llớớnn vôvô hhạạn,n, ttứứcc làlà chúng chúng tata hoànhoàn toàntoàn khôngkhông cócó thôngthông tintin gìgì v vềề vvịị trítrí góc góc ccủủaa vectvectơơ momentmoment xungxung llượượngng chuychuyểểnn độđộngng tutuếếsaisai chungchung quangquang trtrụụcc zz. . ChúngChúng tata chchỉỉ bibiếếtt được độ lớn của L và hình chiếu L của được độ lớn của L và hình chiếu Lzz của nónó trên trên tr trụụcc z z 12 4
5. Moment tõ quü ®¹o e µ = − h m = −µ m z 2m l B l Magnetôn Bohr : eh µ = = 9,274 . 10-24 J /T =5,788 . 10-5 eV /T B 4πm µ r µr = − B L h 13 3.5 Moment spin vµ moment tõ spin ••DùDù có có b bịị nhnhốốtt trongtrong nguyênnguyên ttửử hayhay không,không, cáccác đđiiệệnn ttửđềửđềuu cócó moment moment xungxung llượượngng nnộộii ttạạii ccủủaa riêngriêng mình.mình. ĐĐâyây hoànhoàn toàntoàn làlà k kếếtt ququảả ccủủaa QMQM đượđượcc GoldsmithGoldsmith && UhlenbeckUhlenbeck đưđưaa rara ddựựaa trêntrên kkếếtt ququảảththựựcc nghinghiệệm.m. •Ng•Ngườườii tata ggọọii nónó là là momentmoment spinspin vàvà nó nó c cũũngng bbịị llượượngng ttửửhoáhoá không không giangian vvớớii cáccác thànhthành phphầầnn khkhảảddĩĩ theotheo phphươươngng zzđượđượcc chocho bbởởii Sz = mz .h số lượng tử spin mz = +1/2 và –1/2 14 Các số lượng tử của nguyên tử hiđrô Các giá trị cho Số các giá Tên Ký hiệu Liên quan với phép trị khả dĩ Số lượng tử chính n 1, 2, 3 . Năng lượng ∞ Số lượng tử quỹđạo l 0, 1, 2 (n-1) Moment quỹđạo n Số lượng tử từ m 0, ±1, ±2, . .± Moment quỹđạo (2 +1) l ll Số lượng tử spin ms ± 1/2 Moment spin 2 15 5
6. Moment tõ spin Hầu hết các số liệu thực nghiệm đều đòi hỏi rằng moment từ spin tương ứng của điện tử chỉ có các giá trịđược cho bởi: µ s,z = −2ms .µ B ⇒ Moment từ spin hai lần hiệu quả hơn moment quỹ đạo trong việc làm phát sinh ra từ tính. • Điện tử không bao giờ có thể tự xoay tròn (spin) với moment từ sắp đúng theo trục z. 16 3.6 Hµm sãng cña nguyªn tö hydro Hàm sóng toàn phần của nguyên tử hyđro được xác định bằng cách giải SE. •Mỗi trạng thái tương ứng với một bộ của 4 số n, ,m ,và m . l l s •Một khi đã biết được hàm sóng ta có thể tính xác suất của từng trạng thái trong nguyên tử hyđro. 17 Ta bắt đầu từ trạng thái cơ bản, có các số lượng tử là: n = 1; = 0 và m = 0. l l Hàm sóng của trạng thái này, như chúng ta đã thấy từ chương II chỉ phụ thuộc vào r. Trạng thái có tính đối xứng cầu này có moment xung lượng bằng không là điều hợp lí, bởi vì tất cả các hướng đi qua tâm của nguyên tử nằm ở trạng thái này đều là hoàn toàn tương đương. Mật độ xác suất theo bán kính đối với trạng thái cơ bản là: 4 2 −2r / rB P(r) = 3 r e rB 18 6
7. n = 22;; = 0 và m = 0 l ll Giống như tất cả các trạng thái có l = 0, trạng thái này cũng có tính đối xứng cầu, mật độ xác suất theo bán kính của nó được cho bởi: 2  r 2   r  P(r) =  *2 −  e−r / rB  3     8rB   r B  Khảo sát hàm số này cho thấy P( r) = 0 khi r = 2rB. 19 n = 22;; = 1 và m = 0; ± 1 l ll Đối với n = 2, các trạng thái l = 1 cũng được phép. Có 3 trạng thái như thếđược xác định bởi các số lượng tử m sau: 0, + 1 và –1. l Các giá trị của m biểu diễn ba định hướng cho l phép của vectơ moment quỹđạo tương ứng với l = 1 Mật độ xác suất của ba trạng thái này không còn là đối xứng cầu nữa. Mật độ xác suất ở một điểm bất kỳ phụ thuộc không chỉ vào r tới điểm đó mà còn phụ thuộc vào góc θ giữa bán kính và trục z. 20 m = 0 l 21 7
8. 3.7 ThÝ nghiÖm Stern-Gerlach • Những cố gắng phát hiện ra sự lượng tử hoá m này bằng cách tìm ra sự khác nhau l về năng lượng E bắt đầu từ năm 1920. • Stern – Gerlach (1922) đã thông báo về kết quả thực nghiệm với các nguyên tử Ag, đãchứng minh rõ ràng về sự lượng tử hoá không gian. 22 Họ đã làm như thế nào? • Cho một chùm nguyên tửđi qua một từ trường ngoài (Bext) không đều – moment từ của các nguyên tử có thểđược được xem như những cục nam châm nhỏ với các cực N & S. 23 24 8
9. dU Lực tổng hợp FZ tác động lên nguyên tử là và bằng dz dU  dB  Fz = − = µ cosθ dz  dz  Kết quả thực nghiệm 25 3.8 Céng h−ëng tõ h¹t nh©n (bài đọc thêm ở nhà) 26 3.9 Nguyªn tö nhiÒu ®iÖn tö – Nguyªn lý Pauli vµ b¶ng tuÇn hoµn BBốốnn ssốố llượượngng ttửử xácxác địđịnhnh trtrạạngng tháithái ccủủaa nguyênnguyên ttửử hyhyđđroro ccũũngng đượđượcc dùngdùng đểđể xácxác địđịnhnh trtrạạngng tháithái ccủủaa cáccác đđiiệệnn ttửử riêngriêng bibiệệtt trongtrong cáccác nguyênnguyên ttửử cócó nhinhiềềuu đđiiệệnn ttửử hhơơn.n. ⇒ Nguyên lí loại trừ Pauli: Hai điện tử không thể ở cùng trong một trạng thái lượng tử (n, , m , m ). lượng tử l l s 27 9
10. VíVí ddụụ nhnhưư nguyênnguyên ttửử HeHe:: ™™CóCó 22 đđiiệệnn ttửử ™ Trạng thái cơ bản là n = 1, = 0, m = ™ Trạng thái cơ bản là n = 1, ll = 0, ml = 0, m = +1/2 hay –1/2 l 0, mss = +1/2 hay –1/2 ™ nếu m = m thì giá trị tổng m = 1 ™ nếu ms1s1 = ms2s2 thì giá trị tổng mss = 1 ™ nếu m ≠ m thì giá trị tổng m = 0 ™ nếu ms1s1 ≠ ms2s2 thì giá trị tổng mss = 0 ™ nhưng giá trị m quan sát được bằng ™ nhưng giá trị mss quan sát được bằng thực nghiệm cho thấy m = 0 thực nghiệm cho thấy mss = 0 ⇒⇒(1,(1, 0,0, 0,0, +1/2)+1/2) vàvà (1, (1, 0,0, 0,0, -1/2)-1/2) 28 Orbital •Nhóm•Nhóm cáccác trtrạạngng tháithái ccủủaa đđiiệệnn ttửửtrongtrong nguyênnguyên ttửử nhinhiềềuu đđiiệệnn ttửử thànhthành cáccác orbital,orbital, mmỗỗii orbitalorbital đượđượcc đặđặcc trtrưưngng bbởởii giágiá tr trịđịđãã cho cho nnvàvàll •• Thông Thông ththườườngng ngngườườii tata gángán chocho mmỗỗii giágiá tr trịịssốốccủủaa llmmộộtt chchữữcáicái nhnhưưsau:sau: ll== 00 11 22 33 44 5 .5 . chchữữ== ss pp dd ff gg h h •Tr•Trạạngng tháithái ccủủaa nguyênnguyên ttửửththườườngng đượđượcc bibiểểuu ththịịgiágiá trtrịịccủủaa nnbbằằngng ssốố,, còncòn ccủủaa llbbằằngng chchữữ,, thíthí d dụụnhnhưư22ss nghnghĩĩaa làlànn== 2,2, còncòn llbbằằngng 0.0. 29 ••SSốốllượượngng ttửửchchínhính nn:: ssốốllượượngng ttửửchínhchính nnttươươngng ứứngng vvớớii ssốốnntrongtrong phphươươngng trìnhtrình Bohr.Bohr. NóNóth thểểhihiệệnn mmứứcc nnăăngng llượượngng chínhchínhcho cho đđiiệệnn ttửửvàvà có có th thểđượểđượcc xemxem nhnhưư làlàl lớớpptrong trong khôngkhông gian,gian, trongtrong đđóó xác xác susuấấtt tìmtìm ththấấyy đđiiệệnn ttửửvvớớii giágiá tr trịịnncácá bi biệệtt caocao ••SSốố llượượngng ttửử ququỹỹđạđạoo ll :: SSốố llượượngng ttửử nàynày đặđặcc trtrưưngng chocho cáccác mmứứcc nnăăngng llượượngng phphụụ nnằằmm trongtrong mmứứcc nnăăngng llượượngng chínhchính vàvà c cũũngng đặđặcc trtrưưngng chocho cáccác llớớpp phphụụmàmà xác xác susuấấtt tìmtìm ththấấyy đđiiệệnn ttửửcaocao nnếếuu nhnhưư mmứứcc nnăăngng llượượngng đđóbóbịịchichiếếmm 30 10
11. Sự kh¸c nhau giữa mức năng lượng và orbital •hạt nhân •Mức 1 •Mức 2 s •Mức 3 s p p p •Mức 4 s p p p d d d d d s p p p d d d d d f f f f f31 f f ••SSốố llượượngng ttửử ttừừ mm làlà s sốố llượượngng ttửử ththứứ 3.3. mm đặđặcc ll ll trtrưưngng chocho địđịnhnh hhướướngng khôngkhông giangian ccủủaa orbitalorbital nguyênnguyên ttửđơửđơnn vàvà có có tác tác độđộngng nhnhỏỏ lênlên nnăăngng llượượngng ccủủaa đđiiệệnn ttửử KhiKhi == 00 thìthìmm chchỉỉcócó m mộộtt giágiá tr trịđượịđượcc ll ll phépphép làlà 0. 0. KhiKhi == 11 thìthì mm cócó 3 3 giágiá tr trịị -1,-1, 0,0, +1.+1. ll ll VVớớii têntên s,s, p,p, d,d, ff, , ccủủaa cáccác orbitalorbital nêunêu trêntrên thìthì có có mmộộtt ss-orbital,-orbital, 33 pp-orbital.-orbital. ••SSốốllượượngng ttửửspinspinch chỉỉcócó tác tác độđộngng rrấấtt nhnhỏỏlênlên nnăăngng llượượngng ccủủaa đđiiệệnn ttửử HaiHai đđiiệệnn ttửử cócó th thểể chichiếếmm cùngcùng mmộộtt orbitalorbital ⇒⇒chúngchúng phphảảii cócó spin spin ngngượượcc nhau.nhau. •S•Sốốllượượngng ccựựcc đạđạii cáccác đđiiệệnn ttửửtrongtrong ttừừngng llớớpp ttươươngng 22 ứứngng vvớớii mmộộtt giágiá tr trịịccủủaa nn bbằằngng 22nn 32 Bảng tuần hoàn Mendeleev • Năm 1869 Mendeleev sắp xếp các nguyên tố vào bảng tuần hoàn dựa trên các tính chất hoá học của chúng. Cấu trúc điện tử của nguyên tử dẫn đến sự sắp xếp trất tự trong bảng tuần hoàn có thể hiểu được bởi áp dụng 2 nguyên tắc sau đây: 1. Các điện tử trong nguyên tử hướng tới chiếm mức năng lượng thấp nhất tương ứng với chúng. 2. Chỉ có một điện tử có thể ở trong trạng thái với hệ các số lượng tử đã cho (nguyên lí loại trừ Pauli) Chúng ta sẽ xem xét một vài nguyên tố làm thí dụ 33 11
12. HydrogenHydrogen (H)(H) ••CóCó cáccác ssốố llượượngng ttửử:: (1,(1, 0,0, 0,0, ±1/2)±1/2)ởởtrtrạạngng tháithái ccơơ bbảảnn ĐĐiiệệnn ttửửcócó th thểởểởmmộộtt trongtrong haihai trtrạạngng tháithái này.này. •• Khi Khi khôngkhông cócó t từừtrtrườườngng bênbên ngoài,ngoài, cáccác trtrạạngng tháithái m = +1/2 và m = -1/2 là suy biến. mss = +1/2 và mss = -1/2 là suy biến. ••ĐĐiiệệnn ttửởửởtrongtrong llớớpp KK ((nn== 1)1) vàvà orbital orbital 1s1s11 ••ĐĐiiệệnn ttửử trongtrong trtrạạngng tháithái ccơơ bbảảnn ccủủaa nguyênnguyên ttửử hyhyđđroro đượđượcc ggọọii làlà 1s 1s11 34 HeliumHelium (He)(He) •• Trong Trong nguyênnguyên ttửử HeHe trungtrung tính,tính, 22 đđiiệệnn ttửử phphảảii ởở trongtrong 22 trtrạạngng tháithái kháckhác nhau.nhau. •Hai•Hai trtrạạngng tháithái đđiiệệnn ttửử là:là: (1,(1, 0,0, 0,0, +1/2)+1/2) vàvà (1, (1, 0,0, 0,0, -1/2)-1/2) . . MMỗỗii đđiiệệnn ttửửphphảảii ởởtrongtrong trtrạạngng tháithái nàynày hayhay trtrạạngng tháithái kiakia ccủủaa nguyênnguyên ttửửHeHe ởởtrongtrong trtrạạngng tháithái ccơơbbảản.n. •Th•Thựựcc nghinghiệệmm chchứứngng ttỏỏ rrằằngng haihai đđiiệệnn ttửử cócó spin spin ngngượượcc nhaunhau (moment(moment spinspin đốđốii chichiềều)u) hhơơnn làlà có có spin spin cùngcùng chichiềều.u. •Hai•Hai đđiiệệnn ttửửttạạoo nênnên mmốốii liênliên kkếếtt chchặặtt chchẽẽkhikhi chúngchúng cócó spinspin ngngượượcc chichiềềuu ->-> chúngchúng đượđượcc ggọọii làlàt tạạoo đđôôii -> -> vàvà t tổổngng momentmoment spinspin bbằằngng 0.0. •Tr•Trạạngng tháithái ccơơbbảảnn ccủủaa nguyênnguyên ttửửHeHe làlà 1s 1s22,, nhnhưưvvậậyy cócó haihai đđiiệệnn ttửửtrongtrong llớớpp K.K. 35 LithiumLithium (Li)(Li) ••LiLi cócó 33 đđiiệệnn ttửử,, dodo vvậậyy 22 đđiiệệnn ttửử đầđầuu tiêntiên ssẽẽ ởở trongtrong llớớpp KK vvớớii haihai trtrạạngng tháithái (1,(1, 0,0, 0,0, ±1/2)±1/2) ,, còncòn đđiiệệnn ttửử ththứứ 33 ssẽẽ ởở trongtrong llớớpp LL((nn== 2).2). •• Trong Trong llớớpp LL,, haihai orbitalorbital cócó ththểể làlà 2s2s hohoặặcc 2p2p –– nguyênnguyên ttắắcc 11 nóinói rrằằngng đđiiệệnn ttửử ssẽẽ chichiếếmm trtrạạngng tháithái cócó mmứứcc nnăăngng llượượngng ththấấpp nhnhấất.t. •Nh•Nhưư vvậậyy đđiiệệnn ttửử ssẽẽ nnằằmm trongtrong orbitalorbital 2s2s –– có có nnăăngng llượượngng ththấấpp hhơơn.n. •C•Cấấuu trúctrúc đđiiệệnn ttửửccủủaa LithiumLithium làlà 1s 1s222s2s11,, vàvàđđiiệệnn ttửử ththứứ33 cócó các các ssốốllượượngng ttửử:: (2,(2, 0,0, 0,0, ±1/2).±1/2). 36 12
13. 5s 5p 5d 5f 4s 4p 4d 4f 3s 3p 3d 2s 2p 1s 37 3.10 Tia X, sù ®¸nh sè nguyªn tö cña Moseley vµ phæ tia X ••TiaTia XX làlà cáccác photonphoton cócó bbướướcc sóngsóng ttừừ 0,10,1 ÷÷ 100 100 Å,Å, đượđượcc WilliamWilliam RoentgenRoentgen phátphát hihiệệnn rara nnăămm 1895.1895. •Tia•Tia XX đượđượcc ttạạoo rara khikhi cáccác đđiiệệnn ttửửnnăăngng llượượngng llớớnn đậđậpp vàovào mmộộtt biabia chchấấtt rrắắn,n, vava chchạạmm vvớớii nguyênnguyên ttửử ccủủaa bia,bia, truytruyềềnn nnăăngng llượượngng chocho cáccác đđiiệệnn ttửử ccủủaa ngtngtửử •Tia•Tia XX đượđượcc ứứngng ddụụngng rrấấtt nhinhiềềuu trongtrong yy ttếế,, côngcông nghinghiệệpp vàvà còn còn chocho chúngchúng tata bibiếếtt vvềềccấấuu trúctrúc nguyênnguyên tử khi nguyên tử hấp thụ hoặc bức xạ nó. tử khi nguyên tử hấp thụ hoặc bức xạ nó. 38 èng ph¸t x¹ tia X 39 13
14. Phæ bøc x¹ tia X Phổ tiatia XX ccủa hai loloạii biabia WW vàvà MoMo ttạii cùngcùng mmộtt hihiệu điiện thế giagia ttốc. Chú ý rằng tần số cắtt vmax bằng nhau trong cả haihai phổ 40 Phæ liªn tôc cña tia X 41 Tồn tại một bước sóng cắt λ , mà ngắn hơn nó không có bức xạ tia X. min Giá trị của bước sóng cắt: hc hc eV = hv = ⇒ λ = min eV λmin • Thay đổi theo thế gia tốc • Không phụ thuộc vào vật liệu bia •phổ liên tục khi λ > λmin ⇒Tồn tại bước sóng cắt λmin – đây hoàn toàn là hiệu ứng của QM & chỉ có thể giải thích bằng QM. Đây là hiệu ứng ngược lại với hiệu ứng quang điệ42n 14
15. Phæ tia X ®Æc tr−ng Phổ vvạch chồng lên phổ liênliên ttục là năng llượng bức xạđặc trtrưng cho các nguyên tố ttạo thành bia, mà chùm điiện ttử năng lượng cao đập vào. Bởii vvậy chúng mang tên bức xạđặc trưng hay phổ tiatia XX đặc trưng 43 Moseley và phæ tia X 44 NhNhờờ ccôngông trtrìnhình ccủủaa Moseley,Moseley, phphổổ tiatia XX đặđặcc trtrưưngng đđããtrtrởở ththànhành ““chchữữ kký”ý” đượđượcc mmọọii ngngườườii chchấấpp nhnhậậnn ccủủaa ccácác nguynguyênên ttốố,, nnóó cho cho phphépép gigiảảii đượđượcc nhinhiềềuu ccâuâu đốđố ccủủaa BBảảngng tutuầầnn hohoàn.àn. TrTrướướcc ththờờii giangian đđóó (1913)(1913) vvịịtrtríí c cácác nguynguyênên ttốốđượđượcc ssắắpp xxếếpp theotheo trtrọọngng llượượngng nguynguyênên ttửử ,, mmặặcc ddùù c cóó m mộộtt ssốố trtrườườngng hhợợpp phphảảii đảđảoo llạạii vvịịtrtríí do do nhnhữữngng bbằằngng chchứứngng hohoáá h họọcc éépp bubuộộc.c. MoseleyMoseley đđããchchứứngng minhminh đượđượcc rrằằngng ccơơ ssởở ththựựcc ssựựđểđđể đáánhnh ssốố ccácác nguynguyênên ttốố llàà đđiiệệnn ttíchích hhạạtt nhnhânân nguynguyênên ttửửccủủaa ccácác nguynguyênên ttốốđấđấy.y. 45 15
16. §å thÞ Moseley vµ lý thuyÕt Bohr CCôngông thức Bohr cho tần số bức xạ ttương ứng vớii chuychuyển dờii giữa hai mức nguynguyênên tử bấtt kkỳ trongtrong ccácác nguynguyênên tửửđồđồng dạng vớii nguynguyênên tử hiđrrôô (n (nóiói chchínhính xxácác hơn llàà c cácác ion đồng dạng vớii nguynguyênên tử hiđrrô):ô): me 4Z 2  1 1  v =  −  2 3  2 2  8ε 0 h  n1 n2  đốii vvớii chuychuyển dờii ccần phảii thaythay Z bằng Z ––11 vvàà đặtt n11 = 1 vvàà n22 = 2. Lấy căn hai vế tata được: 3me 4 v = (Z −1) 2 3 ⇒ v = α (Z −1) 32ε 0 h 46 3.113.11 SùSù tt−−¬ng¬ng t¸ct¸c cñacña ¸nh¸nh s¸ngs¸ng vµvµ m«im«i trtr−−êng.êng. NguyªnNguyªn lýlý ho¹tho¹t ®éng,®éng, tÝnhtÝnh chÊtchÊt vµvµ øngøng dôngdông cñacña laserlaser •LASER - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation có nghĩa là khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cảm ứng. •Einstein đã đưa ra khái niệm này vào năm 1913; như chỉđến năm 1960 Theodore Maiman mới có thể tạo ra được một laser hoạt động. 47 Sự tương tác giữa ánh sáng và vật liệu 48 16
17. a.a. SSựựhhấấpp ththụụ:: NguyênNguyên ttửử banban đầđầuu ởở trongtrong trtrạạngng tháithái ththấấpp hhơơnn cócó năng lượng E . Nếu một photon có năng lượng hv năng lượng E11. Nếu một photon có năng lượng hv đđii vàovào vàvà t tươươngng táctác vvớớii nguyênnguyên ttửđửđangang xétxét nguyênnguyên ttửửssẽẽchuychuyểểnn lênlên trtrạạngng tháithái cócó n năăngng llượượngng caocao hhơơn.n. ĐĐâyây làlà m mộộtt quáquá trình trình ccộộngng hhưởưởng.ng. QuáQuá trình trình nàynày đượđượcc ggọọii làlàssựựhhấấpp ththụụ hv = E2 − E1 b.b. BBứứcc xxạạttựựphphátát:: SauSau khokhoảảngng ththờờii giangian ττtrungtrung bìnhbình nàonào đđó,ó, nguyênnguyên ttửử ttựđộựđộngng chuychuyểểnn sangsang trtrạạngng tháithái ththấấpp hhơơnn ssựự bbứứcc xxạạ ttựự phphátát,, vìvì nó nó không không xxẩẩyy rara ddướướii mmộộtt táctác động bên ngoài nào. động bên ngoài nào. 49 c. Bức xạ cảm ứng: 50 c.c. BBứứcc xxạạccảảmm ứứngng:: PhotonPhoton đượđượcc phátphát xxạạ hoànhoàn toàntoàn đồđồngng nhnhấấtt vvớớii photonphoton kíchkích thíchthích ĐĐâyây ccũũngng làlà m mộộtt quáquá trìnhtrình ccộộngng hhưởưởng,ng, photonphoton cócó cùng cùng nnăăngng llượượng,ng, cùngcùng hhướướng,ng, cùngcùng phapha vàvà cùng cùng phânphân ccựực.c. QuáQuá trình trình nàynày đượđượcc ggọọii làlà bbứứcc xxạạ ccảảmm ứứngng ÁnhÁnh sángsáng laserlaser đượđượcc ttạạoo rara bbằằngng cáchcách này.này. 51 17
18. Phân bố Boltzmann E − x kT nx = Ce n −(E2 −E1 ) 2 = e kT n1 Sự đảo ngược độ cư trú (hay còn gọi là phân bố đảo). 52 d. Laser hoạt động như thế nnào?ào? 1. Người ta có thể dùng nhiều kỹ thuật khác nhau cung cấp năng lượng kích thích (bơm) cho môi trường để tạo ra sựđảo ngược độ cư trú. Bơm quang học 53 Bơm bằng phóng điện qua chất khí 54 18
19. 2. Để có được hiệu ứng laser, tức là có hiệu ứng khuếch đại - thời gian sống của nguyên tử tại mức laser phải là siêu bền, cỡ 10-3-3 s (so với mức bình thường cỡ 10-8-8 s). Môi trường: chất rắn, chất lỏng, hoặc chất khí có các nguyên tửđáp ứng được yêu cầu này được gọi là mmôiôi trường hoạt ttínhính hoặc gọi cách khác là mmôiôi trường khuếch đạii 55 56 3.3. ChúngChúng tata ccầầnn đặđặtt môimôi trtrườườngng hohoạạtt tínhtính đđóó vàovào trongtrong mmộộtt bubuồồngng ccộộngng hhưởưởngng quangquang hhọọcc -th-thườườngng đượđượcc ttạạoo thànhthành ttừừ haihai ggươươngng phản xạ M và M (phẳng hoặc cầu) đặt song phản xạ M11 và M22 (phẳng hoặc cầu) đặt song songsong vvớớii nhau.nhau. 57 19
20. CCácác ttínhính chchấấtt ccủủaa tiatia laserlaser a.a. Ánh Ánh sángsáng laserlaser cócó độđộ đơ đơnn ssắắcc caocao::ccỡỡ 1010-15-15 m.m. b.b.Á Ánhnh ssángáng laserlaser ccóó độđộkkếếtt hhợợpp caocao:: c.c.Á Ánhnh ssángáng laserlaser ccóó t tínhính địđịnhnh hhướướngng caocao:: d.d.Á Ánhnh ssángáng laserlaser ccóó th thểểhhộộii ttụụvvớớii đđôôii ttụụcaocao:: f .λ ω1 = π.ω0.n 58 CCácác ứứngng ddụụngng ccủủaa tiatia laser:laser: •• ĐượĐượcc dùngdùng trongtrong côngcông nghinghiệệp:p: khoankhoan cáccác llỗỗ siêusiêu nhnhỏỏ trongtrong kimkim ccươươngng đểđể kéokéo cáccác dâydây mmảảnh,nh, ccắắtt vvảảii trongtrong côngcông nghinghiệệpp maymay mmặặc,c, ttạạoo khuônkhuôn ththậậtt tinhtinh trêntrên kimkim loloạại,i, đđoo vvẽẽ chínhchính xác,xác, đđoo chichiềềuu dàidài chínhchính xácxác bbằằngng phépphép đđoo giaogiao thoa .thoa . •• DùngDùng trongtrong quânquân ssựđểựđểddẫẫnn đườđườngng chocho máymáy baybay vàvà tên tên llửửa LIDARa LIDAR •• DùngDùng trongtrong yy ttếế:: đểđểchchữữaa bbệệnhnh vàvà ph phẫẫuu thuthuậật.t. 59 •Dùng•Dùng trongtrong thôngthông tintin quangquang ssợợi:i: CácCác laserlaser AsGaAsGa kíchkích ththướướcc nhnhỏỏ nhnhưư nhnhữữngng chichiếếcc đđinhinh ghimghim đượđượcc dùngdùng đểđể truytruyềềnn tintin trongtrong thôngthông tintin quangquang ssợợi.i. •Trong•Trong nghiênnghiên ccứứuu phphảảnn ứứngng ttổổngng hhợợpp hhạạtt nhân.nhân. •Trong•Trong cáccác nghiênnghiên ccứứuu khoakhoa hhọọc:c: cáccác laserlaser đượđượcc dùngdùng nhnhưư cáccác ngunguồồnn ánhánh sángsáng đểđể kíchkích thíchthích huhuỳỳnhnh quang,quang, bbơơmm laser .laser . (Phần này tựđọc kỹ theo David Halliday) (Phần này tựđọc kỹ theo David Halliday) 60 20