Bài giảng Vật lý đại cương - Chương 5: Quang học lượng tử - Đỗ Ngọc Uấn

2.2. Thuyết lượng tử của Planck 1900 Planck đưa ra thuyết LT: a. Các nguyên tử, phân tử phát xạ hay hấp thụ năng lượng điện từ một cách gián đoạn. Phần năng lượng phát xạ hay hấp thụ lμ bội nguyên lần của một lượng năng lượng nhỏ gọi lμ lượng tử năng lượng hay Quantum năng lượng b. Đối với bức xạ điện từ đơn sắc tần số ν, bước sóng λ lượng tử năng lượng tương ứng bằng h=6,625.10-34Js Hằng số Planck

pdf17 trang | Chia sẻ: thanhle95 | Lượt xem: 254 | Lượt tải: 0download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Bài giảng Vật lý đại cương - Chương 5: Quang học lượng tử - Đỗ Ngọc Uấn, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Bμi giảng Vật lý đại c−ơng Tác giả: PGS. TS Đỗ Ngọc Uấn Viện Vật lý kỹ thuật Tr−ờng ĐH Bách khoa Hμ nội Ch−ơng 5 Quang học l−ợng tử 1. Bức xạ nhiệt 1.1.Các khái niệm mở đầu: Các nguyên tử bị kích thích phát ra bức xạ điện từ, bức xạ do kích thích nhiệt ->Bức xạ nhiệt Năng l−ợng bức xạ phát ra=năng l−ợng thu vμo bằng hấp thụ bức xạ =>Trạng thái cân bằng nhiệt động ứng với nhiệt độ xác định 1.2.Các đại l−ợng đặc tr−ng dS Năng l−ợng bức xạ phát ra từ dS trong đơn vị thời gian (năng thông bức xạ từ dS) bởi các bức xạ có tần số trong khoảng ν ữ ν + dν lμ dWp(ν,T) Hệ số hấp thụ đơn sắc ∫ ∞ νν= 0 d)T,(r)T(R Năng suất phát xạ toμn phần hay độ tr−ng của vật dWt(ν,T) do dS hấp thụ dW(ν,T) chiếu đến dS a(ν,T)<1 a(ν,T)=1 Vật đen tuyệt đối dWp(ν,T)=r(ν,T)dS.d ν r(ν,T)Năng suất phát xạ đơn sắc ứng với tần số ν )T,(dW )T,(dW)T,(a t ν ν=ν 1.3. Định lý Kirkhốp (Kirchoff) 1 2 3 Trong bình kín cách nhiệt có 3 vật -> Hấp thụ mạnh cũng bức xạ mạnh r(ν,T)~a(ν,T) Định lý: Tỷ số giữa năng suất phát xạ đơn sắc vμ hệ số hấp thụ đơn sắc của cùng một vật ở nhiệt độ nhất định lμ một hμm chỉ phụ thuộc vμo tần số bức xạ ν vμ nhiệt độ T mμ không phụ thuộc vμo bản chất của vật đó )T,(a )T,(r )T,(a )T,(r )T,(a )T,(r)T,(f 3 3 2 2 1 1 ν ν=ν ν=ν ν=ν Hμm phân bố lμ năng suất phát xạ đơn sắc của vật đen tuyệt đối Nếu a(ν,T)=1 thì r(ν,T)= f(ν,T) f(ν,T) ν νm2 νm1νm3 T1>T2>T3 f(ν,T) xây dựng bằng thực nghiệm vật đen tuyệt đối Hệ tách phổ bức xạ đo T )T,(a )T,(r)T,(f ν ν=ν Xây dựng f(ν,T) bằng thực nghiệm (ngμyẫ) Đèn sợi đốt thay đổi đ−ợc điện áp Cách tử AS trắng Detector Máy tính λm f(ν,T) λ T1 T2 1e hc2 1e h c 2)T,(f Tk hc3 Tk h2 2 BB −λ π= − νπν=ν λ ν 2. Thuyết l−ợng tử của Planck 2.1. Sự thất bại của sóng ánh sáng trong việc giải thích hiện t−ợng bức xạ nhiệt Hμm phân bố theo thuyết điện từ cổ điển của Relay vμ Jeans kB =1,38.10 -23J/K Hằng số Boltzmann ∞=νν= ∫ ∞ 0 d)T,(r)T(R “Sự khủng hoảng vùng tử ngoại” vμo cuối thế kỷ 19 Tk c 2)T,(f B2 2πν=ν 2.2. Thuyết l−ợng tử của Planck 1900 Planck đ−a ra thuyết LT: a. Các nguyên tử, phân tử phát xạ hay hấp thụ năng l−ợng điện từ một cách gián đoạn. Phần năng l−ợng phát xạ hay hấp thụ lμ bội nguyên lần của một l−ợng năng l−ợng nhỏ gọi lμ l−ợng tử năng l−ợng hay Quantum năng l−ợng b. Đối với bức xạ điện từ đơn sắc tần số ν, b−ớc sóng λ l−ợng tử năng l−ợng t−ơng ứng bằng λ=ν=ε chh h=6,625.10-34Js Hằng số Planck c. Công thức hμm phân bố Planck:phát xạ đơn sắc của vật đen tuyệt đối 2.3. Các định luật bức xạ của vật đen tuyệt đối a. Năng suất phát xạ toμn phần ∫ ∞ νν= 0 d)T,(f)T(R Tk hx B ν= ∫ ∞ σ=π=− π= 0 4 32 44 B x 3 32 44 B T T5,6hc Tk2dx 1e x hc Tk2R 4T)T(R σ= σ=5,67.10-8W/m2K4 hằng số Steffan-Boltzmann ĐL1: Năng suất phát xạ toμn phần của vật đen tuyệt đối ~ T4 của nó 1e h c 2)T,(f Tk h2 2 B − νπν=ν ν b. ĐL Vin(Wien): Đối với vật đen tuyệt đối b−ớc sóng λm của chùm bức xạ mang nhiều năng l−ợng nhất tỷ lệ nghịch với nhiệt độ tuyệt của vật λmT=b b=2,898.10-3m.K Hằng số Vin (Lấy df/dν=0) 3. Thuyết photon của Anhxtanh (Einstein) Thuyết Planck ch−a nêu lên đ−ợcbản chất gián đoạn của bức xạ điện từ 3.1. Thuyết photon của Anhxtanh a. Bức xạ điện từ cấu tạo bởi vô số các hạt gọi lμ l−ợng tử ánh sáng hay photon b. Với một bức xạ điện từ đơn sắc xác định λ=ν=ε chh các photon đều giống nhau vμ có năng l−ợng xác định bằng c. Trong mọi môi tr−ờng các photon có cùng vận tốc bằng: c=3.108m/s d. Khi một vật phát xạ hay hấp thụ bức xạ điện từ -> phát hay hấp thụ các photon e. C−ờng độ của chùm bức xạ tỷ lệ với số photon phát ra trong 1 đơn vị thời gian 3.2. Hiện t−ợng quang điện: Hiệu ứng bắn ra các điện tử từ một tấm kim loại khi dọi lên tấm KL đó một bức xạ điện từ thích hợp -> các điện bắn ra: Quang điện tử +- U K *I~U ->Ibão hoμ *U=0, I0≠0 -> mv0 2/2 UC I U 0 *eUC = mv0 2/2 3.3. Giải thích các định luật quang điện: λ<λ0 a. Giới hạn quang điện 2 mvAch 2 max0 th +=λ 0thA hc λ= λ<λ0 b. Dòng quang điện bão hoμ tỷ lệ với Iánh sáng Iđiện ~ số điện tử bắn ra ~ Số photon bắn vμo K ~ Iánh sáng => Iđiện ~ Iánh sáng I0 Ibão hoμ )(h 2 mv 0 2 max0 ν−ν= c. Động năng ban đầu của quang điện tử hν=hν0+eUC eUC =h(ν-ν0) 3.4. Động lực học photon Năng l−ợng photon λ=ν=ε chh 2mc=ε c h c hm 2 λ= ν= 2 2 0 c v1 mm − = 2 2 0 c v1mm −= v=c => m0=0 khối l−ợng nghỉ của photon bằng 0 Động l−ợng photon λ= ν== h c hmcP Động l−ợng photon tỷ lệ thuận với tần số hoặc tỷ lệ nghịch với b−ớc sóng 3.4. Hiệu ứng Kôngtơn (Compton) λ λ λ ’ Graphít 1892: Khi chiếu tia X lên Graphít Ngoμi phản xạ Bragg còn ghi đ−ợc λ’> λ 2 sin2' 2C θΛ=λ−λ=λΔ ΛC=2,426.10 -12m B−ớc sóng Compton λ’ không phụ thuộc vμo chất tinh thể, chỉ phụ thuộc vμo góc tán xạ θ: Phản xạ Bragg xảy ra khi tia X tán xạ trên các điện tử trong Ion tại nút mạng. Tán xạ Compton xảy ra khi photon tia X va đập với các điện tử tự do: Điện tử có vận tốc tr−ớc va đập v=0 2 2 e e c v1 vm'p − = 2 2 2 e c v1 cm'E − = Tr−ớc va đập Sau va đập Photon c hpph ν= ν=ε h c 'h'p ph ν= 'h' ν=ε Hệ cô lập: Bảo toμn năng l−ợng, động l−ợng Điện tử pe=0, E=mec 2 Bảo toμn năng l−ợng: 2 2 2 e2 e c v1 cm'hcmh − +ν=+ν Bảo toμn động l−ợng e , phph ppp rrr += 2 e 2, phph p)pp( rrr =− 2e,phph2,ph2ph pcospp2pp =θ−+ r 2 2 42 e22 e c v1 cm)'hcmh( − =ν−+ν 2 2 22 2 2 22 c v1 vmcos c 'h2) c 'h() c h( − =θνν−ν+ν 2 sin'h2)cos1('h)'(cm 22e θνν=θ−νν=ν−ν 2 sin cm h2' 2 e θ=λ−λ cm h e C =ΛB−ớc sóng Compton:ΛC=2,426.10-12m θ