Bài giảng Quang học lượng tử

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:24

Thêm vào BST

Báo xấu

10
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng "Quang học lượng tử" được biên soạn nhằm giúp các em học sinh nắm được giao thoa, nhiễu xạ là hiện tượng chứng tỏ ánh sáng có bản chất sóng của bức xạ. Hiện tượng phát xạ nhiệt, hiệu ứng quang điện thể hiện bản chất hạt của bức xạ. Cùng tham khảo chi tiết tài liệu để nắm được nội dung nhé các bạn.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Quang học lượng tử

QUANG HỌC LƯỢNG TỬ
Giao thoa, nhiễu xạ là hiện tượng chứng tỏ ánh sáng có bản chất sóng của bức xạ Hiện tượng phát xạ nhiệt, hiệu ứng quang điện thể hiện bản chất hạt của bức xạ
Bức xạ nhiệt Bằng cách nào đó kích thích phân tử, nguyên tử làm chúng chuyển từ trạng thái cơ bản sang kích thích. Khi chúng chuyển từ trạng thái kích thích về cơ bản, năng lượng trả về dưới dạng bức xạ điện từ. Nếu năng lượng cung cấp để kích thích các phân tử, nguyên tử dưới dạng nhiệt gọi là bức xạ nhiệt.
Năng suất phát xạ toàn phần  R  T  =  r  ν,T dν 0 Năng suất phát xạ đơn sắc Hệ số hấp thụ đơn sắc dWt  T,ν  a  T,ν  = a T, ν   1 dW  T,ν  a  T,ν  =1 Vật đen tuyệt đối
VẬT ĐEN TUYỆT ĐỐI Hấp thụ tất cả những bức xạ điện từ Một bình kín rỗng cách nhiệt A có khoét 1 lỗ nhỏ, mặt trong được phủ một lớp xốp đen (xem như vật đen tuyệt đối). Một tia bức xạ lọt qua lỗ vào bình, bị phản xạ liên tiếp trên thành  hấp thụ hòan toàn
Định luật Kirchhoff r1  T,ν  r2  T,ν  = = f  T,ν  Hàm phổ biến a1  T,ν  a 2  T,ν  Tỉ số giữa năng suất phát xạ đơn sắc và hệ số hấp thụ đơn sắc của cùng 1 vật ở nhiệt độ nhất định là hàm phụ thuộc vào tần số bức xạ  và nhiệt độ T mà không phụ thuộc vào bản chất của vật đó. r  T,ν  a  T,ν   1 = f  T,ν  r  T,ν  = f  T,ν  a  T,ν  Năng suất bức xạ đơn sắc của vật đen tuyệt đối ứng với bức xạ tần số  ở nhiệt độ T
Thuyết Jean - Rayleigh 2 2πν c = 3x108m/s f  ν,T  = 2 k BT kB = 1.38x10-23J/K c   R T    r T, ν dν   f T, ν dν   0 0 Bế tắc của quan niệm vật lý về cổ điển về phát xạ và hấp thụ năng lượng điện từ.
Thuyết lượng tử Plank Các nguyên tử, phân tử phát xạ, hấp thụ năng lượng của bức xạ điện từ một cách gián đoạn. Năng lượng phát xạ hay hấp hc hf   Ei  E f thụ = bội số nguyên của một λ lượng năng lượng nhỏ xác định h  6.625x10 34 Js gọi là lượng tử năng lượng. Đối với một bức xạ điện từ đơn sắc tần số , bước sóng , lượng tử năng lượng E E=hν= hc λ
Công thức Plank 2πν 2 hν f  ν,T  = 2 hν c k BT e -1 hν hν hν Khi T lớn 1 e k BT -1  k BT k BT 2 2πν f  ν,T  = 2 k BT Công thức Jean - Rayleigh c 2 3 x x ex  1  x    ... x  1 2! 3!
Định luật bức xạ của vật đen tuyệt đối Định luật Stefan Boltzman: Năng suất phát xạ toàn phần của một vật đen tuyệt đối tỉ lệ với lũy thừa bốn của nhiệt độ tuyệt đối của vật ấy R  T  =σT 4 σ=5.67x10 W/m K -8 2 4 P  S RT  Sσ T4 S: diện tích bề mặt phát xạ Định luật Wien: Đối với vật đen tuyệt đối, bước sóng m của chùm bức xạ đơn sắc mang nhiều năng lượng nhất, tỉ lệ nghịch với nhiệt độ tuyệt đối của vật 3 λ mT  b b  2.898x10 mK
peak vs Temperature T 2.9 x 10-3 m  peak = T(Kelvin) 3100K 2.9 x 10-3 m =9x10-6m (body temp) 3100 infrared light 58000K 2.9 x 10-3 m visible light (Sun’s surface) =0.5x10-6m 58000
Thuyết photon Einstein Bức xạ điện từ cấu tạo bởi vô số các hạt  lượng tử ánh sáng (photon)  Với mỗi bức xạ điện từ đơn sắc nhất định, các photon giống nhau, có năng lượng E hc E=hν= λ  Trong mọi môi trường (kể cả chân không) các photon truyền đi với vận tốc c = 3x108m/s  Khi một vật bức xạ hay hấp thụ bức xạ điện từ  bức xạ hay hấp thụ photon  Cường độ chùm bức xạ tỉ lệ với số photon phát ra từ nguồn trong 1 đơn vị thời gian
Hiện tượng quang điện Là hiện tượng bắn ra các quang electron từ một tấm kim loại khi 1 bức xạ điện từ thích hợp chiếu vào.
Đường đặc trưng IV của tế bào quang điện I Bảo hòa  Ban đầu cường độ dòng quang điện tăng theo hiệu điện thế U. Khi tăng đến 1 giá trị nào đó cường độ dòng quang điện đạt đến 1 giá trị bảo hòa U 0  Khi U = 0, cường độ dòng quang điện I ≠ 0. Các quang 1 Wo  mv omax 2 electron khi bắn ra khỏi Katot 2 có sẵn động năng ban đầu Wo.
 Có thể triệt tiêu dòng I quang điện bằng cách tác dụng lên hai cực của tế bào quang điện một hiệu điện thế cản UC có giá trị sao cho U công cản của điện trường bằng động năng ban đầu cực đại của quang electron 1 eUC  mv omax 2 2
Giải thích hiện tượng quang điện Các electron trong kim loại muốn thoát ra khỏi bề mặt phải có năng lượng ít nhất bằng công thoát A của electron đối với kim loại đó. Bình thường động năng chuyển động nhiệt của electron nhỏ hơn công thoát A. Khi bức xạ điện từ thích hợp năng lượng E = h chiếu vào, các electron tự do trong kim loại sẽ hấp thụ photon. 1 hν  A  mv omax 2 Electron sát ngoài 2 mặt kim loại Phương trình Einstein
1 hν  A  mv omax 2 >0 2 hc A λ hc λ λo Giới hạn quang điện A Điều kiện cần để xảy ra hiện tượng λ  λo quang điện Định luật về giới hạn quang điện: đối với mỗi kim loại xác định dùng làm Katot, hiện tượng quang điện xảy ra khi bước sóng  của bức xạ tới nhỏ hơn một giá trị xác định o.
Định luật về dòng quang điện bảo hòa: cường độ dòng quang điện bảo hòa tỉ lệ với cường độ của chùm bức xạ chiếu tới Dòng quang điện bảo hòa khi số quang electron thoát khỏi Katot về Anot không đổi trong 1 đơn vị thời gian Định luật về động năng ban đầu cực đại: động năng ban đầu cực đại của quang electron không phụ thuộc vào cường độ chùm bức xạ chiếu tới mà chỉ phụ thuộc vào tần số chùm bức xạ đó h  o   eU c hc hc 1   mv omax 2 λ λo 2
Động lực học photon Photon ứng bức xạ điện từ đơn sắc tần số  có năng lượng hc E  hν  λ mo h m E  mc 2 m v 2 cλ 1 2 Khối lượng nghỉ mo c v 2 v=c mo  m 1  2 mo = 0 c h Động lượng photon p  mv  mc  λ
Hiệu ứng Compton Cho chùm tia X bước sóng  chiếu vào các chất như paraphin, graphit, … Khi đi qua các chất này chùm tia X bị tán xạ. Phổ tán xạ tia X cho thấy có 2 vạch:  Vạch có bước sóng bằng bước sóng  của chùm tia X tới.  Vạch có bước sóng  > .  không phụ thuộc cấu tạo chất được chiếu tia X mà phụ thuộc góc tán xạ .