VI. L NG T ÁNH SÁNGƯỢ Ử
A. TÓM T T LÝ THUY TẮ Ế
1. Hi n t ng quang đi n - Thuy t l ng t ánh sángệ ượ ệ ế ượ ử .
* Hi n t ng quang đi nệ ượ ệ
Hi n t ng ánh sáng làm b t các electron ra kh i m t kim lo i g i là hi n t ng quang đi n ngoài (g iệ ượ ậ ỏ ặ ạ ọ ệ ượ ệ ọ
t t là hi n t ng quang đi n).ắ ệ ượ ệ
* Các đnh luịt quang đi nậ ệ
+ Đnh lu t quang đi n th nh t (đnh lu t v gi i h n quang đi n):ị ậ ệ ứ ấ ị ậ ề ớ ạ ệ
Đi v i m i kim lo i ánh sáng kích thích ph i có b c sóng ố ớ ỗ ạ ả ướ ng n h n hay b ng gi i h n quang đi nắ ơ ằ ớ ạ ệ
0 c a kim lo i đó, m i gây ra đc hi n t ng quang đi n: ủ ạ ớ ượ ệ ượ ệ 0.
+ Đnh lu t quang đi n th hai (đnh lu t v c ng đ dòng quang đi n b o hòa):ị ậ ệ ứ ị ậ ề ườ ộ ệ ả
Đi v i m i ánh sáng thích h p (có ố ớ ỗ ợ 0), c ng đ dòng quang đi n b o hòa t l thu n v i c ngườ ộ ệ ả ỉ ệ ậ ớ ườ
đ chùm ánh sáng kích thích.ộ
+ Đnh lu t quang đi n th ba (đnh lu t v đng năng c c đi c a quang electron):ị ậ ệ ứ ị ậ ề ộ ự ạ ủ
Đng năng ban đu c c đi c a quang electron không ph thu c vào c ng đ c a chùm sáng kíchộ ầ ự ạ ủ ụ ộ ườ ộ ủ
thích, mà ch ph thu c vào b c sóng ánh sáng kích thích và b n ch t kim lo i.ỉ ụ ộ ướ ả ấ ạ
* Thuy t l ng t ánh sángế ượ ử
+ Chùm ánh sáng là m t chùm các phôtôn (các l ng t ánh sáng). M i phôtôn có năng l ng xác đnh ộ ượ ử ỗ ượ ị =
hf (f là t n s c a sóng ánh sáng đn s c t ng ng). C ng đ c a chùm sáng t l v i s phôtôn phát raầ ố ủ ơ ắ ươ ứ ườ ộ ủ ỉ ệ ớ ố
trong 1 giây.
+ Phân t , nguyên t , electron… phát x hay h p th ánh sáng, cũng có nghĩa là chúng phát x hay h p thử ử ạ ấ ụ ạ ấ ụ
phôtôn.
+ Các phôtôn bay d c theo tia sáng v i t c đ c = 3.10ọ ớ ố ộ 8 m/s trong chân không.
Năng l ng c a m i phôtôn r t nh . M t chùm sáng dù y u cũng ch a r t nhi u phôtôn do r t nhi uượ ủ ỗ ấ ỏ ộ ế ứ ấ ề ấ ề
nguyên t , phân t phát ra. Vì v y ta nhìn th y chùm sáng liên t c. ử ử ậ ấ ụ
Phôtôn ch t n t i trong tr ng thái chuy n đng. Không có phôtôn đng yên.ỉ ồ ạ ạ ể ộ ứ
* Gi i thích các đnh lu t quang đi nả ị ậ ệ
Công th c Anhxtanh v hi n t ng quang đi n: hf = ứ ề ệ ượ ệ
hc
= A +
2
1
mv
2max0
.
+ Gi i thích đnh lu t th nh t: Đ có hi n t ng quang đi n thì năng l ng c a phôtôn ph i l n h nả ị ậ ứ ấ ể ệ ượ ệ ượ ủ ả ớ ơ
ho c b ng công thoát: hf = ặ ằ
hc
A =
0
hc
0; v i ớ0 =
A
hc
chính là gi i h n quang đi n c a kimớ ạ ệ ủ
lo i.ạ
+ Gi i thích đnh lu t th hai: C ng đ c a dòng quang đi n b o hòa t l thu n v i s quang electronả ị ậ ứ ườ ộ ủ ệ ả ỉ ệ ậ ớ ố
b t ra kh i catôt trong m t đn v th i gian. V i các chùm sáng có kh năng gây ra hi n t ng quang đi n,ậ ỏ ộ ơ ị ờ ớ ả ệ ượ ệ
thì s quang electron b b t ra kh i m t catôt trong m t đn v th i gian t l thu n v i s phôtôn đn đpố ị ậ ỏ ặ ộ ơ ị ờ ỉ ệ ậ ớ ố ế ậ
vào m t catôt trong th i gian đó. S phôtôn này t l v i c ng đ chùm ánh sáng t i. T đó suy ra, c ngặ ờ ố ỉ ệ ớ ườ ộ ớ ừ ườ
đ c a dòng quang đi n b o hòa t l thu n v i c ng c a chùm sáng chi u vào catôt.ộ ủ ệ ả ỉ ệ ậ ớ ườ ủ ế
+ Gi i thíc đnh lu t th ba: Ta có:ả ị ậ ứ Wđ0max =
2
1
mv
2max0
=
hc
- A, do đó đng năng ban đu c c đi c a cácộ ầ ự ạ ủ
quang electron ch ph thu c vào b c sóng c a ánh sáng kích thích và công thoát electron kh i b m tỉ ụ ộ ướ ủ ỏ ề ặ
kim lo i mà không ph thu c vào c ng đ c a chùm ánh sáng kích thích.ạ ụ ộ ườ ộ ủ
* L ng tính sóng - h t c a ánh sángưỡ ạ ủ
Ánh sáng v a có tính ch t sóng, v a có tính ch t h t. Ta nói ánh sáng có l ng tính sóng - h t.ừ ấ ừ ấ ạ ưỡ ạ
Trong m i hi n t ng quang h c, ánh sáng th ng th hi n r m t trong hai tính ch t trên. Khi tínhỗ ệ ượ ọ ườ ể ệ ỏ ộ ấ
ch t sóng th hi n r thì tính ch t h t l i m nh t, và ng c l i.ấ ể ệ ỏ ấ ạ ạ ờ ạ ượ ạ
Sóng đi n t có b c sóng càng ng n, phôtôn ng v i nó có năng l ng càng l n thì tính ch t h t thệ ừ ướ ắ ứ ớ ượ ớ ấ ạ ể
hi n càng r , nh hi n t ng quang đi n, kh năng đâm xuyên, kh năng phát quang…, còn tính ch tệ ỏ ư ở ệ ượ ệ ở ả ả ấ
sóng càng m nh t. Trái l i sóng đi n t có b c sóng càng dài, phôtôn ng v i nó có năng l ng càngờ ạ ạ ệ ừ ướ ứ ớ ượ
nh , thì tính ch t sóng l i th hi n r h n nh hi n t ng giao thoa, nhi u x , tán s c, …, còn tính ch tỏ ấ ạ ể ệ ỏ ơ ư ở ệ ượ ễ ạ ắ ấ
h t thì m nh t.ạ ờ ạ
2. Hi n t ng quang đi n bên trongệ ượ ệ .
* Ch t quang d nấ ẫ
VI
1
Ch t quang d n là nh ng ch t bán d n, d n đi n kém khi không b chi u sáng và d n đi n t t khi bấ ẫ ữ ấ ẫ ẫ ệ ị ế ẫ ệ ố ị
chi u ánh sáng thích h p.ế ợ
VI
2
* Hi n t ng quang đi n trongệ ượ ệ
Hi n t ng ánh sáng gi i phóng các electron liên k t đ cho chúng tr thành các electron d n đng th iệ ượ ả ế ể ở ẫ ồ ờ
t o ra các l tr ng cùng tham gia vào quá trình d n đi n, g i là hi n t ng quang đi n trong.ạ ỗ ố ẫ ệ ọ ệ ượ ệ
* Quang đi n trệ ở
Quang đi n tr đc ch t o d a trên hi u ng quang đi n trong. Đó là m t t m bán d n có giá tr đi nệ ở ượ ế ạ ự ệ ứ ệ ộ ấ ẫ ị ệ
tr thay đi khi c ng đ chùm ánh sáng chi u vào nó thay đi.ở ổ ườ ộ ế ổ
* Pin quang đi nệ
Pin quang đi n là ngu n đi n trong đó quang năng đc bi n đi tr c ti p thành đi n năng. Ho t đngệ ồ ệ ượ ế ổ ự ế ệ ạ ộ
c a pin d a trên hi n t ng quang đi n bên trong c a m t s ch t bán d n nh đng ôxit, sêlen, silic, … .ủ ự ệ ượ ệ ủ ộ ố ấ ẫ ư ồ
Su t đi n đng c a pin th ng có giá tr t 0,5 V đn 0,8 Vấ ệ ộ ủ ườ ị ừ ế
Pin quang đi n (pin m t tr i) đã tr thành ngu n cung c p đi n cho các vùng sâu vùng xa, trên các vệ ặ ờ ở ồ ấ ệ ệ
tinh nhân t o, con tàu vũ tr , trong các máy đo ánh sáng, máy tính b túi. …ạ ụ ỏ
3. M u nguyên t Boẫ ử .
* M u nguyên t c a Boẫ ử ủ
Tiên đ v tr ng thái d ngề ề ạ ừ
Nguyên t ch t n t i trong m t s tr ng thái có năng l ng xác đnh Eử ỉ ồ ạ ộ ố ạ ượ ị n, g i là các tr ng thái d ng. Khiọ ạ ừ
tr ng thái d ng, nguyên t không b c x .ở ạ ừ ử ứ ạ
Trong các tr ng thái d ng c a nguyên t , electron chuy n đng quanh h t nhân trên nh ng qu đo cóạ ừ ủ ử ể ộ ạ ữ ỹ ạ
bán kính hoàn toàn xác đnh g i là qu đo d ng.ị ọ ỹ ạ ừ
Bo đã tìm đc công th c tính qu đo d ng c a electron trong nguyên t hyđrô: rượ ứ ỹ ạ ừ ủ ử n = n2r0, v i n là sớ ố
nguyên và r0 = 5,3.10-11 m, g i là bán kính Bo. Đó chính là bán kính qu đo d ng c a electron, ng v iọ ỹ ạ ừ ủ ứ ớ
tr ng thái c b n.ạ ơ ả
Bình th ng, nguyên t tr ng thái d ng có năng l ng th p nh t g i là tr ng thái c b n. Khi h pườ ử ở ạ ừ ượ ấ ấ ọ ạ ơ ả ấ
th năng l ng thì nguyên t chuy n lên tr ng thái d ng có năng l ng cao h n, g i là tr ng thái kíchụ ượ ử ể ạ ừ ượ ơ ọ ạ
thích. Th i gian nguyên t tr ng thái kích thích r t ng n (c 10ờ ử ở ạ ấ ắ ỡ -8 s). Sau đó nguyên t chuy n v tr ngử ể ề ạ
thái d ng có năng l ng th p h n và cu i cùng v tr ng thái c b n.ừ ượ ấ ơ ố ề ạ ơ ả
Tiên đ v s b c x và h p th năng l ng c a nguyên t ề ề ự ứ ạ ấ ụ ượ ủ ử
Khi nguyên t chuy n t tr ng thái d ng có năng l ng Eử ể ừ ạ ừ ượ n sang tr ng thái d ng có năng l ng Eạ ừ ượ m nhỏ
h n thì nguyên t phát ra m t phôtôn có năng l ng: ơ ử ộ ượ = hfnm = En – Em.
Ng c l i, n u nguyên t tr ng thái d ng có năng l ng Eượ ạ ế ử ở ạ ừ ượ m mà h p th đc m t phôtôn có năngấ ụ ượ ộ
l ng hf đúng b ng hi u Eượ ằ ệ n – Em thì nó chuy n sang tr ng thái d ng có năng l ng Eể ạ ừ ượ n l n h n.ớ ơ
S chuy n t tr ng thái d ng Eự ể ừ ạ ừ m sang tr ng thái d ng Eạ ừ n ng v i s nh y c a electron t qu đo d ngứ ớ ự ả ủ ừ ỹ ạ ừ
có bán kính rm sang qu đo d ng có bán kính rỹ ạ ừ n và ng c l i.ượ ạ
* Quang ph phát x và h p th c a nguyên t hidrôổ ạ ấ ụ ủ ử
+ Nguyên t hiđrô có các tr ng thái d ng khác nhau Eử ạ ừ K, EL, EM, ... . Khi đó electron chuy n đng trên cácể ộ
qu đo d ng K, L, M, ...ỹ ạ ừ
+ Khi electron chuy n t m c năng l ng cao (Eể ừ ứ ượ cao) xu ng m c năng l ng th p h n (Eố ứ ượ ấ ơ th pấ) thì nó phát ra
m t phôtôn có năng l ng hoàn toàn xác đnh: hf = Eộ ượ ị cao – Eth pấ.
M i phôtôn có t n s f ng v i m t sóng ánh sáng đn s c có b c sóng ỗ ầ ố ứ ớ ộ ơ ắ ướ =
f
c
, t c là m t v chứ ộ ạ
quang ph có m t màu (hay m t v trí) nh t đnh. Đi u đó lí gi i t i sao quang ph phát x c a nguyên tổ ộ ộ ị ấ ị ề ả ạ ổ ạ ủ ử
hiđrô là quang ph v ch.ổ ạ
Ng c l i n u m t nguyên t hiđrô đang m t m c năng l ng Eượ ạ ế ộ ử ở ộ ứ ượ th pấ nào đó mà n m trong m t chùmằ ộ
ánh sáng tr ng, trong đó có t t c các phôtôn có năng l ng t l n đn nh khác nhau, thì l p t c nguyênắ ấ ả ượ ừ ớ ế ỏ ậ ứ
t h p th m t phôtôn có năng l ng phù h p ử ấ ụ ộ ượ ợ = Ecao – Eth pấ đ chuy n lên m c năng l ng Eể ể ứ ượ cao. Như
v y, m t sóng ánh sáng đn s c đã b h p th , làm cho trên quang ph liên t c xu t hi n m t v ch t i. Doậ ộ ơ ắ ị ấ ụ ổ ụ ấ ệ ộ ạ ố
đó quang ph h p th c a nguyên t hiđrô cũng là quang ph v ch.ổ ấ ụ ủ ử ổ ạ
4. H p th và ph n x l c l a ánh sáng – Màu s c các v tấ ụ ả ạ ọ ự ắ ậ .
* H p th ánh sángấ ụ
+ H p th ánh sáng là hi n t ng môi tr ng v t ch t làm gi m c ng đ c a chùm sáng truy n qua nó.ấ ụ ệ ượ ườ ậ ấ ả ườ ộ ủ ề
+ Đnh lu t v s h p th ánh sáng: C ng đ I c a chùm sáng đn s c khi truy n qua môi tr ng h pị ậ ề ự ấ ụ ườ ộ ủ ơ ắ ề ườ ấ
th , gi m theo đnh lu t hàm mũ c a đ dài d c a đng đi tia sáng: I = Iụ ả ị ậ ủ ộ ủ ườ 0e-d; v i Iớ0 là c ng đ c a chùmườ ộ ủ
ánh sáng t i, ớ đc g i là h s h p th c a môi tr ng.ượ ọ ệ ố ấ ụ ủ ườ
VI
3
+ H p th l c l a: S h p th ánh sáng c a m t môi tr ng có tính ch n l c, h s h p th c a môiấ ụ ọ ự ự ấ ụ ủ ộ ườ ọ ọ ệ ố ấ ụ ủ
tr ng ph thu c vào b c sóng ánh sáng.ườ ụ ộ ướ
Nh ng v t không h p th ánh sáng trong mi n nhì t y c a quang ph đc g i là v t trong su t khôngữ ậ ấ ụ ề ấ ủ ổ ượ ọ ậ ố
màu. Nh ng v t h p th hoàn toàn m i ánh sáng nhìn th y thì có màu đen.ữ ậ ấ ụ ọ ấ
Nh ng v t h p th l c l a ánh sáng trong mi n nhìn th y thì đc g i là v t trong su t có màu.ữ ậ ấ ụ ọ ự ề ấ ượ ọ ậ ố
* Ph n x (ho c tán x ) l c l a – Màu s c các v tả ạ ặ ạ ọ ự ắ ậ
+ m t s v t, kh năng ph n x (ho c tán x ) ánh sáng m nh y u khác nhau ph thu c và b c sóngỞ ộ ố ậ ả ả ạ ặ ạ ạ ế ụ ộ ướ
ánh sáng t i. Đó là s ph n x (ho c tán x ) l c l a.ớ ự ả ạ ặ ạ ọ ự
+ Các v t th khác nhau có màu s c khác nhau là do chúng đc c u t o t nh ng v t li u khác nhau. Khiậ ể ắ ượ ấ ạ ừ ữ ậ ệ
ta chi u ánh sáng tr ng vào v t, v t h p th m t s ánh sáng đn s c và ph n x , tán x ho c cho truy nế ắ ậ ậ ấ ụ ộ ố ơ ắ ả ạ ạ ặ ề
qua các ánh sáng đn s c khác.ơ ắ
+ Màu s c các v t còn ph thu c vào màu s c c a ánh sáng r i vào nó: M t v t có màu đ khi nó đcắ ậ ụ ộ ắ ủ ọ ộ ậ ỏ ượ
chi u b ng ánh sáng tr ng nh ng khi ch chi u vào nó ánh sáng màu lam ho c màu tím thì nó h p th hoànế ằ ắ ư ỉ ế ặ ấ ụ
toàn chùm ánh sáng đó và nó tr thành có màu đen.ở
5. Hi n t ng quang – Phát quangệ ượ .
* S phát quangự
+ Có m t s ch t khi h p th năng l ng d i m t d ng nào đó, thì có kh năng phát ra các b c x đi nộ ố ấ ấ ụ ượ ướ ộ ạ ả ứ ạ ệ
t trong mi n ánh sáng nhìn th y. Các hi n t ng đó g i là s phát quang.ừ ề ấ ệ ượ ọ ự
+ M i ch t phát quang có m t quang ph đc tr ng cho nó.ỗ ấ ộ ổ ặ ư
+ Sau khi ng ng kích thích, s phát quang c a m t s ch t còn ti p t c kéo dài thêm m t th i gian nào đó,ừ ự ủ ộ ố ấ ế ụ ộ ờ
r i m i ng ng h n. Kho ng th i gian t lúc ng ng kích thích cho đn lúc ng ng phát quang g i là th iồ ớ ừ ẵ ả ờ ừ ừ ế ừ ọ ờ
gian phát quang.
* Hu nh quang và lân quangỳ
+ S hu nh quang là s phát quang có th i gian phát quang ng n (d i 10ự ỳ ự ờ ắ ướ -8 s), nghĩa là ánh sáng phát quang
h u nh t t ngay sau khi t t ánh sáng kích thích. Nó th ng x y ra v i ch t l ng và ch t khí.ầ ư ắ ắ ườ ả ớ ấ ỏ ấ
+ S lân quang là s phát quang có th i gian phát quang dài (t 10ự ự ờ ừ -8 s tr lên); th ng x y ra v i ch t r n.ở ườ ả ớ ấ ắ
Các ch t r n phát lân quang g i là ch t lân quang.ấ ắ ọ ấ
* Đnh lu t Xt c v s phát quangị ậ ố ề ự
Ánh sáng phát quang có b c sóng ướ ’ dài h n b c sóng c a ánh sáng kích thích ơ ướ ủ : ’ > .
* ng d ng c a hi n t ng phát quangỨ ụ ủ ệ ượ
S d ng trong các đèn ng đ th p sáng, trong các màn hình c a dao đng kí đi n t , tivi, máy tính. Sử ụ ố ể ắ ủ ộ ệ ử ử
d ng s n phát quang quét trên các bi n báo giao thông.ụ ơ ể
6. S l c v lazeơ ượ ề .
Laze là m t ngu n sáng phát ra m t chùm sáng c ng đ l n d a trên vi c ng d ng hi n t ng phátộ ồ ộ ườ ộ ớ ự ệ ứ ụ ệ ượ
x c m ng.ạ ả ứ
* S phát x c m ngự ạ ả ứ
N u m t nguyên t đang trong tr ng thái kích thích, s n sàng phát ra m t phôtôn có năng l ng ế ộ ử ở ạ ẵ ộ ượ = hf,
b t g p m t phôtôn có năng l ng ắ ặ ộ ượ ’ đúng b ng hf bay l t qua nó, thì l p t c nguyên t này cũng phát raằ ướ ậ ứ ử
phôtôn . Phôtôn có cùng năng l ng và bay cùng ph ng v i phôtôn ượ ươ ớ ’. Ngoài ra sóng đi n t ng v iệ ừ ứ ớ
phôtôn hoàn toàn cùng pha và dao đng trong m t m t ph ng song song v i m t ph ng dao đng c aộ ộ ặ ẵ ớ ặ ẵ ộ ủ
sóng đi n t ng v i phôtôn ệ ừ ứ ớ ’.
Nh v y, n u có m t phôtôn ban đu bay qua m t lo t các nguyên t đang trong tr ng thái kích thíchư ậ ế ộ ầ ộ ạ ử ở ạ
thì s phôtôn s tăng lên theo c p s nhân.ố ẽ ấ ố
Tùy theo v t li u phát x , ng i ta đã t o ra laze r n, laze khí và laze bán d n. Laze rubi (h ng ng c)ậ ệ ạ ườ ạ ắ ẫ ồ ọ
bi n đi quang năng thành quang năng.ế ổ
* C u t o c a laze rubiấ ạ ủ
Rubi (h ng ng c) là Alồ ọ 2O3 có pha Cr2O3.
Laze rubi g m m t thanh rubi hình tr . Hai m t đc mài nh n vuông góc v i tr c c a thanh. M t (1)ồ ộ ụ ặ ượ ẵ ớ ụ ủ ặ
đc m b c tr thành g ng ph ng (Gượ ạ ạ ở ươ ẵ 1) có m t ph n x quay vào phía trong. M t (2) là m t bán m , t cặ ả ạ ặ ặ ạ ứ
là m m t l p m ng đ cho kho ng 50% c ng đ chùm sáng chi u t i b ph n x , còn kho ng 50%ạ ộ ớ ỏ ể ả ườ ộ ế ớ ị ả ạ ả
truy n qua. M t này tr thành g ng ph ng (Gề ặ ở ươ ẳ 2) có m t ph n x quay v phía Gặ ả ạ ề 1. Hai g ng Gươ 1 và G2
song song v i nhau.ớ
Dùng đèn phóng đi n xenon đ chi u sáng r t m nh thanh rubi và đa m t s l n ion crôm lên tr ng tháiệ ể ế ấ ạ ư ộ ố ớ ạ
kích thích. N u có m t ion crôm b c x theo ph ng vuông góc v i hai g ng thì ánh sáng s ph n x điế ộ ứ ạ ươ ớ ươ ẽ ả ạ
VI
4
ph n x l i nhi u l n gi a hai g ng và s làm cho m t lo t ion crôm phát x c m ng. Ánh sáng sả ạ ạ ề ầ ữ ươ ẽ ộ ạ ạ ả ứ ẽ
đc khu ch đi lên nhi u l n. Chùm tia laze đc l y ra t g ng bán m Gượ ế ạ ề ầ ượ ấ ừ ươ ạ 2.
VI
5