Bài giảng Vật lý đại cương 2 - Chương 5: Quang lượng tử - Phạm Thị Hải Miền

Nội dung text: Bài giảng Vật lý đại cương 2 - Chương 5: Quang lượng tử - Phạm Thị Hải Miền

1. CHƢƠNG 5 QUANG LƢỢNG TỬ 1. BỨC XẠ NHIỆT 1.1. Bức xạ nhiệt 1.2. Vật đen tuyệt đối 1.3. Định luật Kirchhoff 2. CÁC ĐỊNH LUẬT PHÁT XẠ CỦA VẬT ĐEN TUYỆT ĐỐI 2.1. Định luật Stéfan – Boltzmann 2.2. Định luật Wien 3. THUYẾT LƢỢNG TỬ NĂNG LƢỢNG PLANCK 4. THUYẾT LƢỢNG TỬ ÁNH SÁNG EINSTEIN 5. HIỆU ỨNG COMPTON
2. Những đại lƣợng đặc trƣng của sự bức xạ nhiệt Năng suất phát xạ toàn phần là năng lượng do một đơn vị diện tích bề mặt của vật phát ra trong một đơn vị thời gian ở nhiệt độ T. d J W R T T 22 dS m s m Hệ số phát xạ đơn sắc là năng lượng do một đơn vị diện tích bề mặt của vật phát ra trong một đơn vị thời gian ở nhiệt độ T ứng với bước sóng nằm trong khoảng (λ, λ+dλ). dR J W r T ,T 33 d m s m Hệ số phát xạ đơn sắc phụ thuộc bản chất và nhiệt độ vật, bước sóng λ.
3. 1.2. VẬT ĐEN TUYỆT ĐỐI Vật đen tuyệt đối là vật hấp thụ hoàn toàn năng lượng của mọi chùm bức xạ đơn sắc gửi tới nó. a ,T 1 Trong tự nhiên không có vật đen tuyệt đối, chỉ có vật có tính chất gần với tính chất của VĐTĐ.
4. 2. CÁC ĐỊNH LUẬT PHÁT XẠ CỦA VĐTĐ 2.1. Định luật Stéfan – Boltzmann: Năng suất phát xạ toàn phần của VĐTĐ tỷ lệ thuận với lũy thừa bốn của nhiệt độ tuyệt đối của vật đó: 4 RTT   = 5,67.10 8 W/(m2.K4) - hằng số Stéfan-Boltzmann. 4 • Nếu vật không phải đen tuyệt đối: RTT  α – hệ số hấp thụ của vật. 2.2. Định luật Wien: Đối với VĐTĐ, bước sóng của chùm bức xạ đơn sắc mang nhiều năng lượng nhất tỷ lệ nghịch với nhiệt độ tuyệt đối của vật đó. b  m T b = 2,8978.10 3m.K - hằng số Wien
5. BÀI TẬP VÍ DỤ 1 Trong quang phổ phát xạ của mặt trời, bức xạ mang năng lượng cực đại có bước sóng 480 nm. Coi mặt trời là vật đen tuyệt đối và có bán kính 6,95. 108 m. Xác định công suất phát xạ toàn phần của mặt trời. Hƣớng dẫn giải Công suất phát xạ toàn phần: PRS T (1) 4 Định luật Stéfan – Boltzmann: RTT  4 b b Định luật Wien:  R  (2) m T T m Diện tích bề mặt mặt trời: SR 4 2 (3) 4 b 2 26 Thế (2) và (3) vào (1): PR  .4 4,6.10 W 9 m
6. 4. THUYẾT LƢỢNG TỬ ÁNH SÁNG EINSTEIN a. Ánh sáng gồm những hạt rất nhỏ gọi là photon (hay lượng tử ánh sáng). Mỗi photon mang một năng lượng xác định bằng  = hv. b. Trong chân không cũng như trong mọi môi trường khác, photon truyền đi với cùng một vận tốc xác định c = 3.108 m/s. c. Cường độ của chùm ánh sáng tỷ lệ với số photon phát ra từ nguồn sáng trong một đơn vị thời gian.
7. CÁC ĐỊNH LUẬT QUANG ĐIỆN a. Giới hạn quang điện: điều kiện để hiệu ứng quang điện xảy ra là năng lượng photon ánh sáng ε chiếu tới phải lớn hơn công thoát A của electron. hc hc  hA   A 0 • 0 chỉ phụ thuộc bản chất kim loại. b. Dòng quang điện bão hòa: cường độ dòng quang điện bão hòa tỷ lệ thuận với cường độ sáng của chùm ánh sáng rọi tới bản kim loại. c. Định luật Einstein về động năng cực đại của quang electron: động năng cực đại ban đầu của quang electron chỉ phụ thuộc vào tần số v của chùm ánh sáng rọi tới mặt kim loại. 1 mV 2 hv A 2 max
8. 5. HIỆU ỨNG COMPTON • Thí nghiệm: Một chùm tia X bước sóng  chiếu vào graphit. - Trong phổ tia X bị tán xạ, ngoài vạch có bước sóng , chiếu tới còn phát hiện được các vạch có bước sóng ’ > . - ’ chỉ phụ thuộc vào góc tán xạ , mà không phụ thuộc vào cấu tạo của chất được chiếu tia X. • Hiệu ứng Compton là kết quả của va chạm đàn hồi giữa photon tia X và electron trong chất. Bước sóng  do va chạm với e nằm sâu trong nguyên tử (liên kết mạnh), bước sóng ’ do va chạm với e liên kết yếu với hạt nhân. • Hiệu ứng Compton chứng minh photon có động lượng.
9. BÀI TẬP VÍ DỤ 3 Trong hiệu ứng Compton, bước sóng của photon tới bằng bước sóng Compton, còn góc tán xạ bằng một nửa góc tán xạ bằng một nửa góc tán xạ khi động năng electron bắn ra đạt cực đại. Xác định góc bay ra của e so với hướng bay tới của photon. Hƣớng dẫn giải • Động năng electron có được sau va chạm là do nhận một phần năng lượng của photon tia X trong quá trình va chạm. hc hc W d ' Động năng cực đại khi λ’ lớn nhất θ= 1800 . 0 Trong bài này góc tán xạ θ= 90 , λ=λC p'  c • Từ hình vẽ: tan 20 0,5 p '  2 c sin 45  c  c ϕ= 26,60 17