Bài giảng Vật lí hiện đại: Chương 1 - Huỳnh Nguyễn Phong Thu

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:30

Thêm vào BST

Báo xấu

12
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Vật lí hiện đại - Chương 1 Tính chất hạt của ánh sáng, cung cấp cho người học những kiến thức như: Mô hình vật lý; bức xạ nhiệt; sự cân bằng nhiệt; hệ số hấp thụ đơn sắc; vật đen tuyệt đối; năng suất bức xạ toàn phần;...Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Vật lí hiện đại: Chương 1 - Huỳnh Nguyễn Phong Thu

VẬT LÝ HIỆN ĐẠI CHƯƠNG 1: TÍNH CHẤT HẠT CỦA ÁNH SÁNG GV: Huỳnh Nguyễn Phong Thu Email: hnpthu@hcmus.edu.vn SĐT: 0903122520 1
MÔ HÌNH VẬT LÝ Giao thoa, nhiễu xạ Tính chất sóng của ánh sáng Thuyết sóng ánh sáng Thất bại Bức xạ nhiệt, quang Tính chất hạt của điện, Compton ánh sáng Thuyết lượng tử của Plank và thuyết photon của Einstein 2
BỨC XẠ NHIỆT Bức xạ nhiệt: Hiện tượng các vật có thể phát ra các sóng điện từ do chuyển động nhiệt gọi là hiện tượng bức xạ nhiệt Phổ bức xạ nhiệt: Sự phân bố năng lượng phát ra theo bước sóng ở một nhiệt độ nhất định 3
SỰ CÂN BẰNG NHIỆT Trạng thái cân Nhiệt độ bằng nhiệt: đạt cốc nước? được khi nhiệt độ của nước bằng nhiệt độ không khí Trong trạng thái cân bằng nhiệt, năng lượng mà vật hấp thụ bằng năng lượng vật phát ra è vật có khả năng hấp thụ càng mạnh thì khả năng phát xạ càng mạnh 4
HỆ SỐ HẤP THỤ ĐƠN SẮC Hệ số hấp thụ: tỷ số giữa phần năng lượng hấp thụ được trên tổng số năng lượng đến đập vào vật Nếu chỉ tính tỷ số này riêng cho một loại bức xạ có bước sóng l thì tỷ số đó gọi là hệ số hấp thụ đơn sắc a(l). a(l) phụ thuộc vào: Ø Bước sóng l Ø Nhiệt độ của vật Ø Vật liệu cấu tạo nên vật Vật màu đen có khả năng hấp thụ và phát xạ mạnh hơn màu trắng 5
VẬT ĐEN TUYỆT ĐỐI Vật đen tuyệt đối (VĐTĐ): là một vật lý tưởng, có khả năng hấp thụ mọi bức xạ điện từ chiếu vào nó, a(l) =1 Ở trạng thái cân bằng nhiệt, VĐTĐ là vật phát bức xạ mạnh nhất Phổ bức xạ nhiệt của VĐTĐ chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ, không phụ thuộc vào vật liệu 6
NĂNG SUẤT BỨC XẠ ĐƠN SẮC CỦA VĐTĐ v Trên bề mặt VĐTĐ ở nhiệt độ T, lấy 1 diện tích dS (cm2) v Xét sóng điện từ phát ra từ diện tích đó và có bước sóng l đến l+dl (mm) dS v Năng lượng do các sóng điện từ này mang đi trong 1s: dW (watt) dW RT λ = dS.dλ RT(l) Là năng suất phát xạ đơn sắc của VĐTĐ (Wm-2m-1) hoặc (Wcm-2mm-1) RT(l).dl: là năng suất phát ra bức xạ có bước sóng trong khoảng l đến l+dl của một đơn vị diện tích bề mặt vật 7
NĂNG SUẤT BỨC XẠ TOÀN PHẦN = . Là năng suất bức xạ toàn phần của VĐTĐ ứng với nhiệt độ T – năng lượng phát ra từ một đơn vị diện tích bề mặt vật trong một đơn vị thời gian Năng lượng do toàn bộ bề mặt vật (diện tích S) phát ra trong một đơn vị thời gian- công suất bức xạ của vật: = 8
ĐỊNH LUẬT STEFAN- BOLTZMANN (S-B) Năng suất bức xạ toàn phần của VĐTĐ ở trạng thái cân bằng nhiệt ứng với nhiệt độ tuyệt đối T tỷ lệ với lũy thừa bậc 4 của nhiệt độ. s=5,67.10-8 Wm-2K-4 gọi là hằng số Stefan-Boltzmann = 9
NĂNG SUẤT BỨC XẠ ĐƠN SẮC CỦA VĐTĐ Thực nghiệm của Lummer và Pringsheim 10
ĐỊNH LUẬT WIEN Khi nhiệt độ thay đổi, bước sóng lmax ứng với sự phát xạ cực đại cũng thay đổi, nhưng tích số của nhiệt độ tuyệt đối T và bước sóng lmax tương ứng là không đổi. ax . = b=2,898.10-3 m.K=2896 mm.K 11
THẢM HỌA VÙNG TỬ NGOẠI n là số bức xạ phát ra từ đơn vị bề mặt một vật trong một đơn vị thời gian: = E là năng lượng trung bình mang bởi một bức xạ: E = kT Năng suất bức xạ đơn sắc: = . Công thức Raylegih-Jeans Theo đó, năng suất bức xạ toàn phần: = . = =∞ Khi l cực nhỏ Công thức chỉ đúng ở vùng bước sóng dài è thảm họa vùng tử ngoại 12
THUYẾT LƯỢNG TỬ CỦA PLANK Các nguyên tử, phân tử phát xạ hoặc hấp thụ năng lượng dưới dạng bức xạ một cách gián đoạn. Phần năng lượng phát xạ (hay hấp thụ) dưới dạng bức xạ có tần số n là một số nguyên lần của tích số hn Một lượng tử năng lượng: = = h: Hằng số Plank h=6,625.10-34 J.s=4,14.10-15 eV.s 13
CÔNG THỨC PLANK Năng lượng trung bình của một bức xạ: = − Công thức Plank: = − 14
BÀI TẬP Bài 1: Một sợi dây kim loại dài 1m, bán kính 1mm được đốt nóng bằng dòng điện để tạo ra công suất bức xạ 1kW. Xem dây kim loại là vật đen tuyệt đối và bỏ qua các hiệu ứng khác, tính nhiệt độ của dây. Bài 2: Một vật bức xạ ở nhiệt độ T1 có năng suất bức xạ cực đại tại bước sóng 1mm thuộc vùng hồng ngoại của phổ bức xạ nhiệt. Tăng nhiệt độ của vật đến T2 thì thấy năng suất bức xạ toàn phần tăng gấp đôi. Tính nhiệt độ T2 và bước sóng ứng với năng suất bức xạ cực đại ở nhiệt độ T2. 15
BÀI TẬP Bài 3: Một dây tóc bóng đèn có dạng hình trụ dài l=20mm, bán kính r=0,05mm. Dây tóc được duy trì ở nhiệt độ T=5000K bằng một dòng điện. Dây tóc được xem như vật đen tuyệt đối, phát xạ đẳng hướng. Vào ban đêm, bạn quan sát bóng đèn từ khoảng cách D=10km với đồng tử của mắt bạn giản tối đa có bán kính R=3mm. a. Tính công suất bức xạ của dây tóc bóng đèn b. Tính công suất bức xạ đi vào mắt bạn c. Tính bước sóng ứng với công suất bức xạ cực đại d. Có bao nhiêu photon đi vào mắt bạn mỗi giây? Biết rằng bước sóng trung bình của bức xạ là 600nm. Bài 4: Một nguồn sáng có cường độ 4.10-11 W/m2 và bước sóng 500nm chiếu thẳng vào mắt bạn. Có bao nhiêu photon xuyên vào mắt bạn mỗi giây khi đồng tử của mắt mở cực đại có đường kính 8,5mm? 16
HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN Thí nghiệm Hertz: UAK § I thay đổi theo UAK đến 1 giá trị bão hòa § Cường độ dòng điện bão hòa tỉ lệ với cường độ ánh sáng tới 17
HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN § Khi hiệu điện thế bằng 0, vẫn có dòng quang điện § Ứng với giá trị hiệu điện thế hãm (Uc
HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN § Khi xảy ra hiệu ứng quang điện, động năng ban đầu cực đại của các quang electron không phụ thuộc vào cường độ của chùm ánh sáng kích thích mà chỉ phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng kích thích và bản chất kim loại dùng làm cathode 19
THUYẾT PHOTON CỦA EINSTEIN Ø Lượng tử hóa: Năng lượng điện từ phát xạ hay hấp thụ là một hàm gián đoạn theo tần số và là bội số nguyên của lượng tử năng lượng. Người ta gọi năng lượng đó bị “lượng tử hóa”. Ø 1905: dựa trên thuyết lượng tử về năng lượng của Planck, Einstein đã đưa ra thuyết photon. § Bức xạ điện từ cấu tạo bởi vô số các hạt gọi là photon (lượng tử ánh sáng). § Với mỗi bức xạ điện từ đơn sắc, các photon mang cùng một năng lượng = = § Trong mọi môi trường chân không, photon truyền đi với vận tốc không đổi, chính là vận tốc của ánh sáng c = 3.108 m/s. § Khi nói đến phát xạ hay hấp thụ bức xạ điện từ thì có nghĩa là phát ra photon hay hấp thụ photon. § Cường độ của chùm bức xạ tỷ lệ với số photon phát ra từ nguồn trong một đơn vị thời gian. 20