Bài giảng Vật lý đại cương 2 - Chương 9: Quang lượng tử - Nguyễn Như Xuân

Nội dung text: Bài giảng Vật lý đại cương 2 - Chương 9: Quang lượng tử - Nguyễn Như Xuân

1. HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SƢ BỘ MÔN VẬT LÝ NGUYỄN NHƢ XUÂN VẬT LÝ ĐẠI CƢƠNG 2
2. Chƣơng 9: QUANG LƢỢNG TỬ I – Các khái niệm và đại lƣợng cơ bản về bức xạ nhiệt II – Các định luật về bức xạ nhiệt III – Thuyết lƣợng tử của Planck IV – Thuyết photon của Einstein V – Hiệu ứng Compton
3. I – CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐẠI LƢỢNG CƠ BẢN 1 – Bức xạ nhiệt:  Là những bức xạ mà năng lƣợng cung cấp cho vật bức xạ là nhiệt BXN năng.  Đặc điểm:  Là dạng bức xạ phổ Nhiệt năng biến nhất, xảy ra ở mọi nhiệt độ.  Là bức xạ cân bằng.
4. I – CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐẠI LƢỢNG CƠ BẢN 2 – Năng suất phát xạ: dWp ( ,T)  Năng suất phát xạ đơn sắc: r ,T dS.d r (,T): Năng suất phát xạ đơn sắc ( W/m2) dWP(,T): Năng thông bức xạ tần số  phát ra từ diện tích dS (năng lƣợng phát ra từ dS trong một giây) • Năng suất phát xạ toàn phần: R r(  ,T)d  T 0 2 RT: năng suất phát xạ toàn phần (W/m )
5. I – CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐẠI LƢỢNG CƠ BẢN Ý nghĩa của năng suất phát xạ:  Năng suất phát xạ đơn sắc: cho biết năng lƣợng do một đơn vị diện tích mặt ngòai của vật phát ra trong một đơn vị thời gian, ở nhiệt độ T, ứng với bƣớc sóng .  Năng suất phát xạ toàn phần: cho biết năng lƣợng do một đơn vị diện tích mặt ngòai của vật phát ra trong một đơn vị thời gian, ở nhiệt độ T, ứng với mọi bƣớc sóng. csphatxa P R dientich S
6. I – CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐẠI LƢỢNG CƠ BẢN 3 – Hệ số hấp thụ đơn sắc: dW ( ,T) a( ,T) t dS dW( ,T) dW(,T): năng thông gởi tới diện tích dS dWt(,T): năng thông do dS hấp thu a(,T): hệ số hấp thụ đơn sắc Thực tế: a(,T) < 1 Vật đen tuyệt đối: a(,T) = 1
7. II – CÁC ĐỊNH LUẬT VỀ BỨC XẠ NHIỆT 1 – Định luật Kirchhoff:  Tỉ số giữa năng suất r( ,T) phát xạ đơn sắc và hệ số f ( ,T) hấp thu đơn sắc của a( ,T) cùng một vật ở nhiệt độ nhất định là một hàm chỉ f(,T): hàm phổ biến. phụ thuộc vào tần số bức Đối với vật đen tuyệt xạ  và nhiệt độ T mà đối: f(,T) = r(,T). không phụ thuộc vào bản chất của vật đó.
8. II – CÁC ĐỊNH LUẬT VỀ BỨC XẠ NHIỆT Khảo sát năng suất phát xạ đơn sắc của vật đen tuyệt đối bằng thực nghiệm:  Bố trí thí nghiệm: G f(,T) T3 > T2 > T1  0 m1 m3
9. II – CÁC ĐỊNH LUẬT VỀ BỨC XẠ NHIỆT Kết quả - Nhận xét:  Năng suất phát xạ đơn sắc của vật đen tuyệt đối ở nhiệt độ khác nhau thì khác nhau và tăng nhanh khi nhiệt độ tăng.  Năng suất phát xạ của vật đen tuyệt đối phân bố không đồng đều theo bƣớc sóng. f(,T) Cực đại của năng suất T3 > T2 > T1 phát xạ đơn sắc của vật đen tuyệt đối dịch chuyển về miền tần số  cao khi nhiệt độ tăng. 0 m1 m3
10. II – CÁC ĐỊNH LUẬT VỀ BỨC XẠ NHIỆT 2 – Định luật Stefan – Boltzmann:  Năng suất phát x toàn phần của vật đen tuyệt đối tỉ lệ với lũy thừa bậc 4 của nhiệt độ tuyệt đối của vật đó. 4 RTT  với  = 5,67.10 – 8 W/m2K4 gọi là hằng số Stefan - Boltzmann Mở rộng: Nếu không phải vật đen tuyệt đối thì: 4 RT = T
11. II – CÁC ĐỊNH LUẬT VỀ BỨC XẠ NHIỆT 3 – Định luật Wien  Bƣớc sóng m ứng với cực đại của năng suất phát xạ đơn sắc b của vật đen tuyệt đối tỉ lệ nghịch  m với nhiệt độ tuyệt đối của vật. T f(,T) T > T > T 3 2 1 Với b = 2,9.10 – 3 (mK), gọi là hằng số Wien  0 m1 m3
12. II – CÁC ĐỊNH LUẬT VỀ BỨC XẠ NHIỆT 4 – Công thức Rayleigh - Jeans 2 2 Phù hợp với thực nghiệm f ( ,T) kT c2 ở vùng tần số rất thấp. Đường cong thực lý thuyết Rayleigh - Jeans f(,T) Đường cong thực nghiệm  0
13. III – THUYẾT LƢỢNG TỬ CỦA PLANCK 1 –Những cơ sở của thuyết lƣợng tử:  Kết quả khảo sát thực nghiệm về bức xạ của vật đen tuyệt đối đã có, đã rút ra đƣợc các định luật, nhƣng chƣa có lời giải thích thỏa đáng.  Đặt vấn đề:  Dạng hàm f(,T) nhƣ thế nào để phù hợp với thực nghiệm?  Tại sao quan điểm của Vật lý cổ điển về tính liên tục của sự hấp thu hay phát xạ sóng điện từ và định luật phân bố đều năng lƣợng theo các bậc tự do lại mâu thuẫn với thực nghiệm?
14. III – THUYẾT LƢỢNG TỬ CỦA PLANCK 2 – Nội dung của thuyết lƣợng tử:  Các nguyên tử, phân tử phát xạ hay hấp thu năng lƣợng của bức xạ điện từ một cách gián đọan: phần NL phát xạ hay hấp thu luôn là bội số nguyên của một NL nhỏ xác định gọi là lƣợng tử NL hay quantum NL.  Đối với một bức xạ điện từ đơn sắc, tần số , bƣớc sóng , lƣợng tử NL  tƣơng ứng bằng: c  hh   Trong đó: h = 6,625.10 – 34 (J.s), gọi là hằng số Planck c = 3.10 8 (m/s) là vận tốc sóng điện từ trong chân không.
15. III – THUYẾT LƢỢNG TỬ CỦA PLANCK 3 – Các hệ quả của thuyết lƣợng tử: 2h 2  • Công thức Planck: f ( ,T) . c2 h • Giải thích ĐL Stefan – e1kT Boltzmann: R f (  ,T)d  5,67.10 8 T 4  T 4 T 0 • Giải thích ĐL Wien: 2,898.10 3 b f ' 0  m TT  Công thức Rayleigh-Jeans: là trường 2 2 hợp riêng của công thức Planck ở miền f ( ,T)2 .kT tần số thấp. c
16. IV – THUYẾT PHOTON CỦA EINSTEIN 1 –Những cơ sở của thuyết photon:  Kết quả khảo sát thực nghiệm về hiện tƣợng quang điện đã có, đã rút ra đƣợc các định luật, nhƣng không thể giải thích bằng thuyết sóng.  Thuyết lƣợng tử Planck, chỉ nêu lên sự gián đoạn của năng lƣợng, chƣa nêu đƣợc bản chất gián đoạn của bức xạ điện từ.  Cần phải có lí thuyết hoàn hảo hơn.
17. IV – THUYẾT PHOTON CỦA EINSTEIN 2 – Nội dung của thuyết photon:  Bức xạ điện từ gồm vô số các hạt gọi là lƣợng tử ánh sáng hay photon.  Với mỗi bức xạ điện từ đơn sắc nhất định, các photon đều giống nhau và mang một năng lƣợng xác định: c  hh    Trong mọi môi trƣờng, các photon truyền đi với vận tốc c = 3.108m/s.  Một vật phát xạ hay hấp thụ bức xạ điện từ, nghĩa là phát xạ hay hấp thụ các photon.  Cƣờng độ chùm bức xạ tỉ lệ với số photon phát ra từ nguồn trong một đơn vị thời gian.
18. IV – THUYẾT PHOTON CỦA EINSTEIN 3 – Các hệ quả của thuyết photon:  Giải thích hoàn hảo các định luật quang điện. (tự đọc).  Thiết lập đƣợc phƣơng trình động lực học photon: hh p  c  Giải thích đƣợc hiệu ứng Compton.  V.V
19. V – HIỆU ỨNG COMPTON 1 – Sơ đồ thí nghiệm: Tia 2 – Kết quả: X  Ngoài vạch phổ có bƣớc sóng  của tia X còn xuất hiện vạch phổ có bƣớc sóng D ’ > . P Hiệu  = ’ -  chỉ phụ thuộc vào góc tán xạ  mà không phụ thuộc vào bƣớc sóng của tia X hay chất tán xạ:  (1 cos  ) 2  sin2  CC2 – 12 với C = 2,43.10 m là bƣớc sóng Compton
20. V – HIỆU ỨNG COMPTON 3 – Giải thích: p'  Hiệu ứng Compton là kết quả va chạm đàn hồi giữa một photon tia X với  p electron của nguyên tử chất tán xạ.  Áp dụng ĐLBTĐL và BTNL: mv 22 p p' m v và h m0 c h  ' mc m cc Trong đó: m 0 ;  ;  ' 1 (v / c)2 ' h 22    ' 2 sin (  / 2)  2C sin (  / 2) mc0
21. ÔN TẬP + Phần lý thuyết: Định luật Kirrchoff về năng suất bức xạ vật đen tuyệt đối. Các nội dung thuyết lượng tử Planck. Nội dung thuyết photon Anhxtanh. Các định luật quang điện và giải thích bằng thuyết photon. Tán xạ Compton: Công thức và giải thích định tính. + Các bài tập tối thiểu yêu cầu sinh viên ôn tập: 4.1 – 4.6, 4.8, 4.10, 4.11, 4.12, 4.13, 4.27, 4.31, 4.32, 4.33, 4.39, 4.41, 4.50, 4.51, 4.52, 4.53, 4.54.