zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Tài Liệu Phổ Thông

» Trung học phổ thông

Quang lượng tử

Chia sẻ: Phan Thi Ngoc Giau | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

Báo xấu

117
lượt xem 27
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Các nhà thiên văn có thể đo bước sóng ứng với bức xạ mạnh nhất của một vì sao, rồi từ đó suy ra nhiệt độ của vì sao ấy

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Quang lượng tử

Quang lư ng t 1 1 M ñu Các nhà thiên văn có th ño bư c sóng ng v i b c x m nh nh t c a m t vì sao, r i t ñó suy ra nhi t ñ c a vì sao y. H làm ñư c như v y là nh có lý thuy t h t v b c x ñi n t . Trái ñ t b các b c x vũ tr b n phá không ng ng, nhưng các b c x m nh này ch gây nguy hi m không ñáng k cho s s ng, ñi u này cũng do b c x ñi n t có b n ch t là h t. Trong các bài trư c các b n ñã bi t b c x ñi n t là sóng, l nào bây gi chúng l i là h t sao? Qu ñúng như v y, có nhi u hi n tư ng kh ng ñ nh b n ch t h t c a b c x ñi n t , ch ng h n như b c x nhi t, hi n tư ng quang ñi n và tán x Compton, mà các b n s tìm hi u trong bài này. 2 B cx nhi t 2.1 Các ñ nh nghĩa 2.1.1 B c x nhi t Ng i quanh m t ñ ng l a tr i, các b n không nh ng th y sáng, mà còn c m th y hơi m t a ra t ñó n a. Nói chung, khi m t v t b nung nóng thì nó có th phát sáng, hay cũng có th phát ra các b c x không th y ñư c như tia h ng ngo i, t ngo i ... Ngư i ta g i chung t t c các b c x ñó là b c x nhi t. V y b c x nhi t là các sóng ñi n t do v t ch t b nung nóng phát ra. 2.1.2 V t ñen tuy t ñ i Nghĩ v b c x nhi t, có l các b n cũng ñã t h i : T i sao các v t nung nóng l i có màu s c khác nhau ? ði u ñó có ph thu c vào nhi t ñ c a v t không ? Có th xác ñ nh năng lư ng do v t b c x như th nào ? ... Khi ñi tìm gi i ñáp cho nh ng câu h i tương t , các nhà v t lý ñã tìm ra nhi u ñ nh lu t v b c x nhi t, và h cũng nh n th y ngay là các ñ nh lu t ñó có d ng ñơn gi n nh t n u v t b c x là v t ñen tuy t ñ i. V t ñen tuy t ñ i là gì ? ðó là v t h p th t t c các b c x ñi n t ñi ñ n nó. Trong th c t , m t v t ñư c sơn ñen có th coi là m t v t ñen tuy t ñ i. M t ví d khác là m t cái h c sâu nhưng l i có mi ng nh : vì mi ng h c nh nên khi m t b c x vào ñư c trong h c r i thì c ph n x loanh quanh bên trong ch khó thoát ra ngoài. L tai con ngư i là m t h c như th . 2.1.3 Năng su t b c x toàn ph n Năng su t b c x toàn ph n R c a m t v t là năng lư ng do v t b c x t m t ñơn v di n tích b m t c a nó và trong m t ñơn v th i gian. T ñ nh nghĩa, R có ñơn v trong h SI là Joule/(m2.s) hay Watt/m2. 2.1.4 Năng su t b c x ñơn s c M t v t nung nóng không phát ra m t b c x có bư c sóng xác ñ nh, mà là c m t d i b c x , và năng lư ng phát ra cũng thay ñ i tùy theo bư c sóng. Th t v y, cơ th các sinh v t s ng thư ng phát x m nh nh t vùng h ng ngo i, còn v t ch t vô cơ ñ t nóng thì thư ng phát x m nh vùng kh ki n ... ð ñ c trưng cho năng lư ng b c x m t bư c sóng, ngư i ta dùng năng su t b c x ñơn s c. G i dU là năng lư ng b c x t m t ñơn v di n tích b m t c a v t và trong m t ñơn v th i gian, ng v i các bư c sóng trong kho ng t λ ñ n λ + dλ. Hay nói cách khác, dU là năng su t b c x c a các bư c sóng trong kho ng t λ ñ n λ + dλ. Năng su t b c x ñơn s c bư c sóng λ ñư c ñ nh nghĩa là : dU Rλ = (1) dλ N u l y t ng c a dU khi cho bư c sóng thay ñ i t 0 ñ n ∞, chúng ta l i có năng su t b c x toàn ph n : Lê Quang Nguyên 5/11/2006
Quang lư ng t 2 ∞ ∞ R = ∫ dU = ∫ R dλ (2) λ 0 0 Tương t như trên, n u dU là năng su t b c x c a các t n s trong kho ng t ν ñ n ν + dν, ngư i ta cũng có th ñ nh nghĩa năng su t b c x ñơn s c m t t n s xác ñ nh : dU Rν = (3) dν v i: ∞ ∞ R = ∫ dU = ∫ R dν (4) ν 0 0 T ñ nh nghĩa, ñơn v c a Rλ là Joule/(m3.s), và c a Rν là Joule/(m2.s2). 2.2 Các ñ nh lu t v b cx nhi t 2.2.1 ð nh lu t Stefan-Boltzmann Năng su t b c x toàn ph n c a m t v t ñen tuy t ñ i t l v i nhi t ñ lũy th a b n c a v t ñó : R = σT 4 (5) trong ñó σ là h ng s Stefan-Boltzmann : σ = 5,670 × 10−8 W/(m2.K4) N u v t không ph i là v t ñen tuy t ñ i thì : R = ασT 4 (6) v i α < 1 là h s h p th c a v t. 2.2.2 ð nh lu t Wien Bư c sóng ng v i năng su t b c x ñơn s c l n nh t c a v t ñen tuy t ñ i thì t l ngh ch v i nhi t ñ c a v t : λ mT = b (7) v i b là h ng s Wien : b = 2,8978 × 10−3 m.K ð thu n ti n hơn khi tính toán, các b n cũng có th dùng : 2897,8 λm = µm (8) T (K ) N u bi t bư c sóng t i ñó v t ñen tuy t ñ i b c x m nh nh t, thì ñ nh lu t Wien giúp chúng ta xác ñ nh nhi t ñ c a v t. ðó là m t trong các phương pháp ñư c các nhà thiên văn dùng ñ xác ñ nh nhi t ñ c a các vì sao. Nhi t k c m ng ño nhi t ñ cơ th qua l tai cũng ho t ñ ng theo cách ñó. Lê Quang Nguyên 5/11/2006
Quang lư ng t 3 2.2.3 Lý thuy t lư ng t c a Planck C ñ nh lu t Stefan-Boltzmann l n ñ nh lu t Wien ñ u là các ñ nh lu t th c nghi m. Trong m t th i gian dài, các nhà v t lý ñã c g ng xây d ng m t lý thuy t v b c x nhi t nh m gi i thích hai ñ nh lu t trên, nhưng t t c m i n l c ñ u th t b i. ð n năm 1900, Max Planck ñã gi i quy t thành công khó khăn này khi ñ ra gi thuy t v b n ch t h t c a b c x nhi t : Các nguyên t , phân t b c x năng lư ng thành t ng ph n nh , hay lư ng t , m i lư ng t có năng lư ng t l v i t n s c a b c x : ε = hν (9) trong ñó h là h ng s Planck : h = 6,626 × 10−34 J.s V i gi thuy t lư ng t này, Planck ñã tìm ñư c m t bi u th c lý thuy t cho năng su t b c x ñơn s c c a v t ñen tuy t ñ i : 2πhc 2 1 = (10a) R λ λ5 e hc λk B T − 1 trong ñó kB là h ng s Boltzmann quen thu c, kB = 1,381 × 10−23 J/K. N u xét theo t n s : 2πhν 3 1 R= (10b) ν hν k T 2 c B −1 e T bi u th c cho năng su t b c x ñơn s c, Planck cũng ch ng minh ñư c các ñ nh lu t th c nghi m Stefan- Boltzmann và Wien. Hình 1. Năng su t b c x ñơn s c theo lý thuy t Planck. Vùng b c x kh ki n là vùng gi i h n trong hai ñư ng th ng ñ ng màu ñ và ñánh d u b ng ch VIS (visible). Lê Quang Nguyên 5/11/2006
Quang lư ng t 4 ð th c a Rλ ñư c v trên Hình 1 cho m t s nhi t ñ khác nhau c a v t. Chúng ta có m t s nh n xét: • nhi t ñ th p v t b c x ch y u trong vùng h ng ngo i. • Khi nhi t ñ tăng lên thì ph b c x chuy n sang vùng bư c sóng ng n hơn. • ð nh c a Rλ tương ng v i bư c sóng mà v t b c x m nh nh t λm. • ð nh này chuy n v phía bư c sóng ng n khi nhi t ñ tăng, phù h p v i ñ nh lu t Wien. 2.2.4 Nhi t ñ và màu s c c a các vì sao Bây gi thì các b n ñã bi t các nhà thiên văn dùng ñ nh lu t Wien ñ xác ñ nh nhi t ñ c a các vì sao. Ngôi sao càng nóng thì càng b c x m nh vùng bư c sóng ng n, t c là màu s c c a nó càng g n v i màu xanh hơn. Applet sau ñây c a tác gi Wolfgang Christian Davidson College cho các b n th y liên h gi a màu s c và nhi t ñ c a các vì sao (hay c a các v t ñen tuy t ñ i khác): Nhi t ñ và màu s c c a các vì sao. 3 Hi n tư ng quang ñi n 3.1 Hi n tư ng Khi chi u ánh sáng có bư c sóng thích h p ñ n m t b n kim lo i thì ngư i ta th y có các electron thoát ra kh i b n, t o nên dòng ñi n g i là dòng quang ñi n (Hình 2). Hi n tư ng quang ñi n ch x y ra khi ánh sáng có bư c sóng nh hơn m t bư c sóng ngư ng nào ñó. Bư c sóng ngư ng này ph thu c vào kim lo i ñư c dùng. Hình 2. Hi n tư ng quang ñi n − Các mũi tên minh h a ñư ng ñi c a các electrons thoát. 3.2 Thuy t photon c a Einstein Năm 1905, Einstein ñã gi i thích ñư c hi n tư ng quang ñi n d a trên gi thuy t v b n ch t h t c a ánh sáng − ánh sáng ñư c c u t o t nh ng h t nh g i là photon, m i photon có năng lư ng và ñ ng lư ng xác ñ nh b i: ε = hν (11) h p= (12) λ trong ñó h là h ng s Planck, còn ν và λ là t n s và bư c sóng c a ánh sáng. ð tách ñư c m t electron ra kh i kim lo i, photon t i ph i có năng lư ng ít nh t b ng công thoát c a kim lo i ñó: Lê Quang Nguyên 5/11/2006
Quang lư ng t 5 c hc hν = h ⇒ λ≤ ≥W λ W Theo ñó photon ph i có bư c sóng nh hơn hc/W, ñó chính là bi u th c xác ñ nh bư c sóng ngư ng: hc λt = (13) W 3.3 ðo công thoát và h ng s Planck Khi electron ñư c tách ra, ñ ng năng t i ña c a nó b ng ñ chênh l ch gi a năng lư ng photon và công thoát: K max = hν − W (14) Dùng h th c (14) chúng ta có th th c hi n m t thí nghi m ñ ño cùng m t lúc công thoát c a kim lo i và h ng s Planck. Ý tư ng c a thí nghi m là áp m t hi u th ngư c U ñ ngăn c n không cho electron thoát kh i b n kim lo i. Tăng d n U cho ñ n khi dòng quang ñi n b ng không, khi ñó công c a hi u th này b ng ñ ng năng c c ñ i c a electron thoát: e U = hν − W (15) Khi thay ñ i t n s ánh sáng và l p l i thí nghi m, ñ th c a eU theo ν là m t ñư ng th ng c t tr c tung t i − W và có ñ d c là h (Hình 3). Hình 3. T ñ th c a hi u th U theo t n s ν ta có th xác ñ nh h ng s Planck (b ng ñ d c) và công thoát (nơi ñư ng th ng c t tr c U). M i các b n t tay làm thí nghi m này qua m t Applet c a Walter Fendt: ðo h ng s Planck và công thoát. Lê Quang Nguyên 5/11/2006
Quang lư ng t 6 4 Tán x Compton 4.1 Hi n tư ng Năm 1923 Compton th c hi n m t thí nghi m ñ quan sát s tán x (va ch m) c a tia X trên m t bia carbon. Ông ñã ño ñư c hai bư c sóng khác nhau c a tia X tán x : bên c nh các tia có bư c sóng b ng v i tia t i, còn có các tia có bư c sóng l n hơn (Hình 4). ð chênh l ch gi a hai bư c sóng ñư c xác ñ nh b i ñ nh lu t tán x Compton: θ ∆λ = λ f − λi = 2λc sin 2 (16) 2 trong ñó λi và λf là bư c sóng t i và bư c sóng tán x , còn λc là là m t h ng s g i là bư c sóng Compton: λc = 2,43 × 10−12 m = 0,00243 nm. m t s phương tán x , có thêm m t tia tán x v i bư c sóng dài hơn bư c sóng tia Hình 4. Tán x Compton − t i. 4.2 Gi i thích Thuy t sóng không th gi i thích ñư c vì sao tia X tán x có th có bư c sóng tăng lên. ð gi i thích hi n tư ng này Compton ñã dùng thuy t h t c a b c x ñi n t , theo ñó tia X là t p h p các photon có năng lư ng và ñ ng lư ng xác ñ nh (H th c (11)-(12)). Khi m t photon ñ n va ch m v i m t electron liên k t y u trong v t ch t, nó có th truy n b t ñ ng năng cho electron này, do ñó gi m b t năng lư ng, t c là có bư c sóng tăng lên. Ngoài ra, khi va ch m v i m t electron liên k t ch t v i nguyên t thì photon ch m t r t ít năng lư ng và có bư c sóng g n như không ñ i, vì coi như nó va ch m v i c nguyên t n ng hơn nó r t nhi u. ði u ñó gi i thích s t n t i c a hai bư c sóng trong tán x Compton. Coi s va ch m gi a photon và electron là ñàn h i, và electron ban ñ u là ñ ng yên, chúng ta có th vi t các ñ nh lu t b o toàn năng lư ng và ñ ng lư ng cho tán x Compton, như mô t trên Hình 5. Lưu ý là chúng ta s ph i dùng các bi u th c c a cơ h c tương ñ i, vì các h t chuy n ñ ng r t nhanh. ð ng năng và ñ ng lư ng c a m t h t có kh i lư ng ngh m, chuy n ñ ng v i v n t c v trong cơ tương ñ i là: Lê Quang Nguyên 5/11/2006
Quang lư ng t 7    − 1 1 K = mc 2    1 − (v c ) 2  mv p= 1 − (v c ) 2 ð nh lu t b o toàn năng lư ng tương ñ i tính cho:   2  hc hc 1 = + me c  − 1 (17) λi λ f  1 − (v c )2    v i me là kh i lư ng ngh c a electron. ð nh lu t b o toàn ñ ng lư ng trên phương ngang và phương th ng ñ ng cho: h h mv cos θ + cos ϕ = (18) λi λf 1 − (v c ) 2 h mv sin θ − sin ϕ 0= (19) λf 1 − (v c ) 2 Kh v và φ t ba phương trình (17)-(19), chúng ta có th tìm ñư c ñ bi n thiên bư c sóng: θ h λ f − λi = 2 sin 2 (20) me c 2 N u ñ t λc = h/mec thì phương trình trên chính là ñ nh lu t tán x Compton (16). Hình 5. Photon va ch m v i electron ñ ng yên, truy n b t ñ ng năng cho electron nên có bư c sóng dài ra. Lê Quang Nguyên 5/11/2006
Quang lư ng t 8 Các b n hãy xem m t Applet minh h a t http://physics.berea.edu/~king/Teaching/ModPhys/QM/Compton/: Tán x Compton. 4.3 Vì sao t ng ozone b o v ñư c trái ñ t? Ch c các b n cũng ñã nghe nói là s s ng trên trái ñ t ñư c t ng ozone b o v kh i các tia c c tím nguy hi m ñ n t vũ tr . T ng ozone làm ñư c ñi u ñó b ng cách nào? Chính là b ng tán x Compton − các tia c c tím tán x trên các electron liên k t y u trong ozone, truy n b t năng lư ng cho chúng nên khi xu ng m t ñ t thì không còn nguy hi m như lúc ñ u n a. 5 Bài t p áp d ng Các b n hãy nh p vào liên k t sau ñ th c hành câu h i tr c nghi m: Tr c nghi m ph n Quang Lư ng T . Lê Quang Nguyên 5/11/2006

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.