Bài giảng Vật lý 2 - Bài: Quang lượng tử - Lê Quang Nguyên

Nội dung text: Bài giảng Vật lý 2 - Bài: Quang lượng tử - Lê Quang Nguyên

1. Nội dung 1. Mở đầu 2. Bức xạ nhiệt 3. Hiện tượng quang điện Quang lượng tử 4. Tán xạ Compton Lê Quang Nguyên www4.hcmut.edu.vn/~leqnguyen nguyenquangle59@yahoo.com Max Planck Albert Einstein Arthur Compton (1858-1947) (1879-1955) (1892-1962) 1. Mở đầu 2. Bức xạ nhiệt • Các nhà thiên văn đo nhiệt độ của các vì sao a. Một số định nghĩa như thế nào? b. Các định luật bức xạ nhiệt • Ngôi sao màu xanh và ngôi sao màu đỏ, sao nào c. Thuyết lượng tử về bức xạ nhiệt nóng hơn? d. Màu sắc và nhiệt độ các vì sao • Nhiệt kế cảm ứng (đo nhiệt độ cơ thể qua lỗ tai) hoạt động ra sao? • Tại sao lớp ozone bao quanh trái đất chống được các tia cực tím?
2. 2b. Các định luật bức xạ nhiệt – 1 2b. Các định luật bức xạ nhiệt – 2 • Định luật Stefan-Boltzmann cho vật đen tuyệt • Định luật Wien cho vật đen tuyệt đối ở nhiệt độ đối ở nhiệt độ T: T: λ T= b b: hằng số Wien m R=σ T 4 • b = 2,8978 × 10 −3 m.K = 2897,8 μm.K • σ là hằng số Stefan-Boltzmann. • λm là bước sóng ứng với năng suất bức xạ đơn • σ = 5,670 × 10 −8 W/(m 2.K4) sắc lớn nhất – vật bức xạ mạnh nhất ở bước • Với các vật khác: sóng λm. • Dùng để đo nhiệt độ của vật đen tuyệt đối – các R=ασ T 4 vì sao, hốc lỗ tai • Vật nóng hơn thì bức xạ mạnh ở bước sóng • với α < 1 là hệ số hấp thụ của vật. ngắn hơn. 2c. Thuyết lượng tử về bức xạ nhiệt – 1 2c. Thuyết lượng tử về bức xạ nhiệt – 2 • Giả thuyết Planck (1900): Các nguyên tử, phân • Từ giả thuyết Planck, tìm được biểu thức của tử bức xạ năng lượng thành từng lượng tử, mỗi năng suất bức xạ đơn sắc: lượng tử có năng lượng: 2πhc 2 1 hc R = ⋅ ε = λ λ5 hc λk T hf λk T B e B −1 • h là hằng số Planck. 2πhf 3 1 hf −34 R = ⋅ • h = 6,626 × 10 J.s f 2 hf c k T kB T e B −1 • kB là hằng số Boltzmann. −23 • kB = 1,381 × 10 J/K
3. Bài tập 2.1 Trả lời BT 2.1 Nhiệt độ bề mặt của một ngôi sao ở cách xa trái • Gọi r là khoảng cách từ ngôi sao đến trái đất, SE đất 5,2×10 18 m là 5400 K. Công suất nhận được là công suất nhận được trên mỗi m2 ở trái đất. trên một đơn vị diện tích ở trái đất là 1,4×10 −4 • Nếu năng lượng phát xạ không bị mất mát dọc W/m 2. Hãy ước lượng bán kính của ngôi sao. đường truyền, công suất phát xạ của ngôi sao bằng công suất nhận được trên mặt cầu bán kính r: = π 2 ( ) P4 r S E 1 • Mặt khác, ta có công suất phát xạ: P=4π R2S = 4 π R 2 (σ T 4 ) ( 2 ) • S là năng suất phát xạ, theo định luật Stefan- Boltzman. Trả lời BT 2.1 (tt) 3. Hiện tượng quang điện • Từ (1) và (2) suy ra bán kính ngôi sao: a. Hiện tượng 1 2 1 2 b. Thuyết photon của Einstein r2 S  r S  R = E  = E  c. Giải thích hiện tượng σT 4 T 2 σ    d. Đo hằng số Planck và công thoát • Thay bằng số ta được: e. Ứng dụng 1 2 ⋅18 ⋅ − 4  =5,2 10 1,4 10 = ⋅ 12 R−  8,86 10 m 54002 5,67⋅ 10 8 
4. Bài tập 3.1 Trả lời BT 3.1 Ánh sáng bước sóng 200 nm được chiếu tới bề • Khi dòng quang điện bằng không thì công của mặt Cadmium. Người ta phải dùng một hiệu thế hiệu thế cản bằng động năng cực đại của hãm bằng 2.15 V để ngăn hoàn toàn dòng quang electron: điện. Hãy tìm công thoát của Cadmium bằng eV. c eV∆ = h − W λ • Suy ra công thoát: c W= h − eV ∆ λ (6,63⋅ 10−34)( 3 ⋅ 10 8 ) W = −⋅⋅()1,6 10−19 2,15 200⋅ 10 −9 Trả lời BT 3.1 (tt) 4. Tán xạ Compton • Đổi sang đơn vị eV: a. Tán xạ Compton (6,63⋅ 10−34)( 3 ⋅ 10 8 ) b. Giải thích hiện tượng W() eV= −2,15 = 4,07 eV c. Chứng tỏ công thức Compton 200⋅ 10−9() 1.6 ⋅ 10 − 19 d. Tầng ozone bảo vệ trái đất như thế nào?
5. 4c. Chứng tỏ công thức Compton – 2 4c. Chứng tỏ công thức Compton – 3 • Định luật bảo toàn động lượng trên phương ngang và phương thẳng đứng: hh mv =cosθ + cos φ λ λ ′ 2 1−()v c h mv 0= sinθ − sin φ λ′ 2 1−()v c 4c. Chứng tỏ công thức Compton – 4 4d. Tầng ozone bảo vệ trái đất • Định luật bảo toàn năng lượng: • Các tia cực tím tán   xạ Compton trên hc hc 1 = +m c 2  − 1  tầng ozone, nên λ λ ′ e 2  1−()v c bước sóng của   chúng dài ra, • Khử v, ϕ từ 3 phương trình trên, ta được công không nguy hiểm thức Compton: như lúc đầu nữa. θ λ′− λ = 2 λ sin 2 • Chất sinh hàn CFC c 2 làm tầng ozone mỏng đi, nhất là ở λ = h c vùng cực. me c