Vật lý hiện đại (modern physics) - Chương 3

Chia sẻ: Nguyen Duy Long | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:20

Thêm vào BST

Báo xấu

98
lượt xem 11
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nguyên tử là gì? Nguyên tử là gì? Nguyên tử là những block cơ bản của vật chất, xây dựng Nguyên tử là những block cơ bản của vật chất, xây dựng nên tất cả mọi vật xung quanh chúng ta. Cái bảng, không nên tất cả mọi vật xung quanh chúng ta. Cái bảng, không khí và ngay cả chúng ta đều được cấu tạo từ những khí và ngay cả chúng ta đều được cấu tạo từ những nguyên tử. nguyên tử. Người ta đã tìm ra được 90 loại nguyên tử tồn tại tự nhiên Người ta...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Vật lý hiện đại (modern physics) - Chương 3

Nguyªn tö Ch−¬ng III:: Nguyªn tö Ch−¬ng III 3.1 Nguyªn tö vµ c¸c tÝnh chÊt cña nguyªn tö Nguyªn Nguyên ttử llà gì? Nguyên ử à gì? Nguyên ttử llà những block cơ bản của vậtt chất, xây dựng Nguyên ử à những block cơ bản của vậ chất, xây dựng nên ttất cả mọii vậtt xung quanh chúng ta. Cái bảng, không nên ất cả mọ vậ xung quanh chúng ta. Cái bảng, không khí và ngay cả chúng ta đều được cấu ttạo ttừ những khí và ngay cả chúng ta đều được cấu ạo ừ những nguyên ttử. nguyên ử. Ngườii ta đã tìm ra được 90 loạii nguyên ttử ttồn ttại ttự nhiên Ngườ ta đã tìm ra được 90 loạ nguyên ử ồn ại ự nhiên và các nhà khoa học đã chế ttạo ra được quãng 25 loạii và các nhà khoa học đã chế ạo ra được quãng 25 loạ trong các phòng thí nghiệm. trong các phòng thí nghiệm. Ngày 23/07/2004 đã phát hiện ra nguyên ttố tthứ 113 ttại Ngày 23/07/2004 đã phát hiện ra nguyên ố hứ 113 ại Riken, Nhậtt bản. Riken, Nhậ bản. 1 Một số tÝnh chÊt của nguyªn tử: a. Các nguyên tử được sắp xếp theo một sơ đồ hệ thống. nguyê ng. b. Các nguyên tử phát xạ và hấp thụ ánh sáng. Tần số v của ánh nguyê phá sá sáng được phát xạ (hấp thụ) đáp ứng điều kiện tần số của Bohr: hv = Ej – Ek Các nguyên tử có moment xung lượng và từ tính. nguyê và c. 2 3 1
§å thÞ biÓu diÔn n¨ng l−îng ion hãa 4 3.2 Ph−¬ng tr×nh SchrÖdinger (SE) Ph vµ nguyªn tö Hydro → SE - Là định đề cơ bản của QM thay vào chổ của các địịnh và cá đ đề luật chuyển động của Newton trong thế giới lượng tử. độ Các yêu cầu cơ bản đối với phương trình Schrodinger yê trì đố phải là phương trình chứa đạo hàm của theo thời gian của hàm sóng, bởi nó mô tả sự phụ thuộc theo thời gian của hàm sóng. phải là phương trình tuyến tính bởi nếu như ψ1 và ψ2 là lời giải của phương trình, thì tổ hợp tuyến tính c1ψ1+c2ψ2 cũng phải là lời giải của phương trình. các hệ số không được chứa các thành phần phụ thuộc vào trạng thái như năng lượng, moment xung lượng…, nếu không sự áp dụng của phương trình sẽ bị giới hạn. 5 Ta đã có hàm sóng đối với hạt tự do: i rr r − ( E P t − pr ) Ψ p (r , t ) = Ψ0e h ∂ψ i = − Eψ ∂t h ∂ψ ∂ 2ψ ip 2 px ⇒ = − xψ =− 2ψ ∂x ∂x 2 h h ∂ 2ψ ∂ 2ψ ∂ 2ψ p2 ⇒ + 2 + 2 = ∇ 2ψ = − 2 ψ ∂x ∂y ∂z 2 h 6 2
∂ψ h2 2 p2 ⇒ ∇ψ =− E= ih ∂t 2m 2m Ta thấy phương trình này đáp ứng được các yêu cầu đối với SE. ∂ r E → ih , p → −ih∇ Nhận thấy: ∂t → Các toán tử này là toán tử năng lượng và moment 7 Nếu khi hạt không tự do và nằm trong trường r thế U (r ) p2 r Ta có E= + U (r ) 2m ⇓ ∂ψ h2 2 r ∇ ψ + U (r ) ψ =− ih ∂t 2m Phương trình này do nhà bác học người Áo Ervin trì nà nhà Schrodinger đưa ra đầu tiên năm 1926. -Hàm sóng đầ tiê đư -Hàm sóng -Năăngllượng -N ng ượng Hàm thếếnăăng Hàm th n ng → p.t. Schrodinger → -Moment xung p.t. Schrodinger của hệệ -Moment xung củ a h llượng ượng --Moment ttừ Moment ừ 8 3.3 N¨ng l−îng cña c¸c tr¹ng th¸i N¨ng cña nguyªn tö hydro  me 4  1 E1 13,6 En = − 2 2 . 2 = − 2 = − 2 eV  8ε h  n n n 0 Với n =1, 2, 3 …. là các số nguyên và được gọi là số lượng tử chính. chí 9 3
3.4 Moment quü ®¹o vµ tõ tÝnh Moment độ lớn của moment quỹ đạo bằng h L = l(l + 1)h h= với 2π được gọi là số lượng tử quỹ đạo là l đượ l = 0, 1, 2, 3…(n - 1) 0, Số lượng tử từ ml r L z = ml h •độ lớn của vectơ L trên trục z: độ • ml là số lượng tử từ, nó chỉ có thể nhận được các giá trị: nó đượ cá giá ml = 0, ±1, ±2,.... ± l •Sự hạn chế đối với hướng của vectơ moment xung lượng được gọi là sự lượng tử hoá không gian. là hoá khô đượ 10 11 Mét m« h×nh vect¬ h÷u Ých z ∆L.∆θ ≅ h L z = ml h L Mộtt khi chúng ta xác địịnh đượcc ssố Mộ khi chúng ta xác đnh đượ ố llượng ttử ttừ, có nghĩĩa là Lz đượcc biếết ượng ử ừ, có ngha là L đượ bi t µ l , z = − ml .µ B z µ chính xác; ttức là = 0. Phương trình trên chính xác; ức là = 0. Phương trình trên khi đó yêu ccầu rrằng ∆θ ccần phảải llớn vô ầu ằng ∆θ ần ph i ớn vô khi đó yêu hạạn, ttức là chúng ta hoàn toàn không có h n, ức là chúng ta hoàn toàn không có thông tin gì vềề vịị trí góc ccủa vectơ thông tin gì v v trí góc ủa vectơ moment xung llượng chuyểển động tuếế sai moment xung ượng chuy n động tu sai chung quang trụcc zz. Chúng ta chỉỉ biếết chung quang trụ . Chúng ta ch bi t đượcc độ llớn ccủa L và hình chiếếu Lz ccủa đượ độ ớn ủa L và hình chi u Lz ủa nó trên trụcczz. nó trên trụ . 12 4
Moment tõ quü ®¹o eh µz = − ml = − µ B ml 2m Magnetôn Bohr : eh µB = = 9,274 . 10-24 J /T =5,788 . 10-5 eV /T 4πm µB r r µ=− L h 13 3.5 Moment spin vµ moment tõ spin Moment Dù có bịị nhốtt trong nguyên ttử hay không, các có b nhố trong nguyên ử hay không, các ••Dù điiện ttử đều có moment xung llượng nộii ttạii của ện ử đều có moment xung ượng nộ ạ của đ riêng mình. Đây hoàn toàn là kếtt quả của QM -- riêng mình. Đây hoàn toàn là kế quả của QM được Goldsmith & Uhlenbeck đưa ra dựa trên kếtt được Goldsmith & Uhlenbeck đưa ra dựa trên kế quả thực nghiệm. quả thực nghiệm. •• Ngườii ta gọii nó là moment spin và nó cũng bịị Ngườ ta gọ nó là moment spin và nó cũng b llượng ttử hoá không gian vớii các thành phần khả dĩĩ ượng ử hoá không gian vớ các thành phần khả d theo phương zz được cho bởii theo phương được cho bở S z = mz .h số lượng tử spin mz = +1/2 và –1/2 14 Các số lượng tử của nguyên tử hiđrô nguyê Các giá trị cho Số các giá Tên Ký hiệu Liên quan với phép trị khả dĩ ∞ Số lượng tử chính n 1, 2, 3 …. Năng lượng Số lượng tử quỹ đạo 0, 1, 2 …(n-1) Moment quỹ đạo n l 0, ±1, ±2,.. . .± l Moment quỹ đạo ml (2 l +1) Số lượng tử từ ± 1/2 Số lượng tử spin Moment spin 2 ms 15 5
Moment tõ spin Hầu hết các số liệu thực nghiệm đều đòi hỏi rằng moment từ spin tương ứng của điện tử chỉ có các giá trị được cho bởi: µ s , z = −2m s .µ B ⇒ Moment từ spin hai lần hiệu quả hơn moment quỹ đạo trong việc làm phát sinh ra từ tính. là phá • Điện tử không bao giờ có thể tự xoay tròn (spin) với moment từ sắp đúng theo trục z. 16 3.6 Hµm sãng cña nguyªn tö hydro Hµm Hàm sóng toàn phần của nguyên tử hyđro được xác định bằng cách giải SE. • Mỗi trạng thái tương ứng với một bộ của 4 số n, l, ml ,và ms. • Một khi đã biết được hàm sóng ta có thể tính xác suất của từng trạng thái trong nguyên tử hyđro. 17 Ta bắt đầu từ trạng thái cơ bản, có các số lượng tử thá là: n = 1; l = 0 và ml = 0. và 0 Hàm sóng của trạng thái này, như chúng ta đã thấy từ chương II chỉ phụ thuộc vào r. Trạng thái có tính đối xứng cầu này có moment xung lượng bằng không là điều hợp lí, bởi vì tất cả các hướng đi qua tâm của nguyên tử nằm ở trạng thái này đều là hoàn toàn tương đương. Mật độ xác suất theo bán kính đối với trạng thái cơ bản là: 4 2 −2r / r P (r ) = re B 3 rB 18 6
n = 2; l = 0 và ml = 0 Giống như tất cả các trạng thái có l = 0, trạng thái này cũng có tính đối xứng cầu, mật độ xác suất theo bán kính của nó được cho bởi: 2  r2    −r / rB r P(r ) =  3  *  2 − e  8r    rB  B   Khảo sát hàm số này cho thấy P( r) = 0 khi r = 2rB. 19 n = 2; l = 1 và ml = 0; ± 1 Đối với n = 2, các trạng thái l = 1 cũng được 2 phép. Có 3 trạng thái như thế được xác định bởi các số lượng tử ml sau: 0, + 1 và –1. Các giá trị của ml biểu diễn ba định hướng cho phép của vectơ moment quỹ đạo tương ứng với l = 1 Mật độ xác suất của ba trạng thái này không còn là đối xứng cầu nữa. Mật độ xác suất ở một điểm bất kỳ phụ thuộc không chỉ vào r tới điểm đó mà còn phụ thuộc vào góc θ giữa bán kính và trục z. 20 ml = 0 21 7
3.7 ThÝ nghiÖm Stern-Gerlach Stern- ThÝ • Những cố gắng phát hiện ra sự lượng tử hoá ml này bằng cách tìm ra sự khác nhau về năng lượng E bắt đầu từ năm 1920. • Stern – Gerlach (1922) đã thông báo về kết quả thực nghiệm với các nguyên tử Ag, đã chứng minh rõ ràng về sự lượng tử hoá không gian. hoá khô 22 Họ đã làm như thế nào? • Cho một chùm nguyên tử đi qua một từ trường ngoài (Bext) không đều – moment từ của các nguyên tử có thể được được xem như những cục nam châm nhỏ với các cực N & S. 23 24 8
Lực tổng hợp FZ tác động lên nguyên tử là dU và dz bằng  dB  dU = µ  cos θ Fz = − dz  dz  Kết quả thực nghiệm 25 3.8 Céng h−ëng tõ h¹t nh©n Céng (bài đọc thêm ở nhà) 26 3.9 Nguyªn tö nhiÒu ®iÖn tö – Nguyªn Nguyªn lý Pauli vµ b¶ng tuÇn hoµn Bốn ssố llượng ttử xác địịnh trạng thái của nguyên Bốn ố ượng ử xác đ nh trạng thái của nguyên ttử hyđro cũng được dùng để xác địịnh trạng thái ử hyđro cũng được dùng để xác đ nh trạng thái của các điiện ttử rriêng biệtt trong các nguyên ttử của các đ ện ử iêng biệ trong các nguyên ử có nhiều điiện ttử hơn. có nhiều đ ện ử hơn. có ⇒ Nguyên lí loại trừ Pauli: Hai điện tử không thể ở cùng trong một trạng thái không lượng tử (n, l , ml , ms). 27 9
Ví dụ như nguyên ttử He:: Ví dụ như nguyên ử He Ví Có 2 điiện ttử C ó 2 đ ện ử Trrạng thái cơ bản là n = 1,, l = 0,, mll = T ạng thái cơ bản là n = 1 l = 0 m = 0,, mss= +1/2 hay –1/2 0 m = +1/2 hay –1/2 nếu ms1 = ms2 thì giá trịị ttổng mss= 1 nếu ms1 = ms2 thì giá tr ổng m = 1 nếu ms1 ≠ ms2 thì giá trịị ttổng mss= 0 nếu ms1 ≠ ms2 thì giá tr ổng m = 0 nhưng giá trịị mss quan sát được bằng nhưng giá tr m quan sát được bằng thực nghiệm cho thấy mss = 0 thực nghiệm cho thấy m = 0 ⇒ (1, 0, 0, +1/2) và (1, 0, 0, -1/2) ⇒ (1, 0, 0, +1/2) và (1, 0, 0, -1/2) 28 Orbital •Nhóm các trạng thái của điiện ttử trong nguyên ttử •Nhóm các trạng thái của đ ện ử trong nguyên ử nhi ều đ ện ử thành các orbital, mỗ orbital được nhiều điiện ttử thành các orbital, mỗii orbital được đặc trưng bởii giá trịị đã cho n và l.. đặc trưng bở giá tr đã cho n và l •• Thông thường ngườii ta gán cho mỗii giá trịị ssố của Thông thường ngườ ta gán cho mỗ giá tr ố của l mộtt chữ cái như sau: l mộ chữ cái như sau: l = 0 1 2 3 4 5……. l = 0 1 2 3 4 5……. chữ = ss p d ff g h…… chữ = p d g h…… •• Trạng thái của nguyên ttử thường được biểu thịị giá Trạng thái của nguyên ử thường được biểu th giá tr của n bằng số còn của l bằng chữ thí dụ như 2s trịị của n bằng số,, còn của l bằng chữ,, thí dụ như 2s nghĩĩa là n = 2, còn l bằng 0. ngh a là n = 2, còn l bằng 0. 29 •• Số llượng ttử chính n:: ssố llượng ttử chính n ttương Số ượng ử chí chính n ố ượng ử chính n ương ứng vớii ssố n trong phương trình Bohr. Nó thể hiện ứng vớ ố n trong phương trình Bohr. Nó thể hiện mức năng llượng chính cho điiện ttử và có thể được mức năng ượng chính cho đ ện ử và có thể được xem như là llớp trong không gian, trong đó xác xem như là ớp trong không gian, trong đó xác suấtt tìm thấy điiện ttử vớii giá trịị n cá biệtt cao suấ tìm thấy đ ện ử vớ giá tr n cá biệ cao •• Số llượng ttử quỹ đạo l :: Số llượng ttử này đặc Số ượng ử quỹ đạo l Số ượng ử này đặc trưng cho các mức năng llượng phụ nằm trong trưng cho các mức năng ượng phụ nằm trong mức năng llượng chính và cũng đặc trưng cho các mức năng ượng chính và cũng đặc trưng cho các llớp phụ mà xác suấtt tìm thấy điiện ttử cao nếu như ớp phụ mà xác suấ tìm thấy đ ện ử cao nếu như mức năng llượng đó bịị chiếm mức năng ượng đó b chiếm 30 10
Sự kh¸c nhau giữa mức năng lượng và orbital • hạt nhân • Mức 1 • Mức 2 s • Mức 3 p p p s • Mức 4 p p p d d d d d s spp pd d d dd f f f f f31 f f ••Số llượng ttử ttừ ml là ssố llượng ttử thứ 3. ml đặc S ố ượng ử ừ m là ố ượng ử thứ 3. m đặc l l trưng cho địịnh hướng không gian của orbital trưng cho đ nh hướng không gian của orbital nguyên ttử đơn và có tác động nhỏ lên năng llượng nguyên ử đơn và có tác động nhỏ lên năng ượng của điiện ttử.. Khi l = 0 thì ml chỉỉ có mộtt giá trịị được của đ ện ử Khi l = 0 thì ml ch có mộ giá tr được phép là 0. Khi l = 1 thì mll có 3 giá trịị -1, 0, +1. phép là 0. Khi l = 1 thì m có 3 giá tr -1, 0, +1. Vớii tên ss,, p, d, ff,.. của các orbital nêu trên thì có Vớ tên p, d, ,.. của các orbital nêu trên thì có mộtt ss-orbital, 3 p-orbital. mộ -orbital, 3 p-orbital. ••Số llượng ttử spin chỉỉ có tác động rrấtt nhỏ lên năng S ố ượng ử spin ch có tác động ấ nhỏ lên năng llượng của điiện ttử.. Hai điiện ttử có thể chiếm cùng ượng của đ ện ử Hai đ ện ử có thể chiếm cùng mộtt orbital ⇒ chúng phảii có spin ngược nhau. mộ orbital ⇒ chúng phả có spin ngược nhau. •Số llượng cực đạii các điiện ttử trong ttừng llớp ttương •Số ượng cực đạ các đ ện ử trong ừng ớp ương ứng vớii mộtt giá trịị của n bằng 2n22 .. ứng vớ mộ giá tr của n bằng 2n 32 Bảng tuần hoàn Mendeleev Năm 1869 Mendeleev sắp xếp các nguyên tố vào bảng • tuần hoàn dựa trên các tính chất hoá học của chúng. Cấu trúc điện tử của nguyên tử dẫn đến sự sắp xếp trất tự trong bảng tuần hoàn có thể hiểu được bởi áp dụng 2 nguyên tắc sau đây: 1. Các điện tử trong nguyên tử hướng tới chiếm mức năng lượng thấp nhất tương ứng với chúng. 2. Chỉ có một điện tử có thể ở trong trạng thái với hệ các số lượng tử đã cho (nguyên lí loại trừ Pauli) Chúng ta sẽ xem xét một vài nguyên tố làm thí dụ 33 11
Hydrogen (H) Hydrogen (H) •• Có các số llượng ttử: (1, 0, 0, ±1/2) ở trạng thái cơ Có các số ượng ử: (1, 0, 0, ±1/2) ở trạng thái cơ bản.. Điiện ttử có thể ở mộtt trong hai trạng thái này. bản Đ ện ử có thể ở mộ trong hai trạng thái này. •• Khi không có ttừ trường bên ngoài, các trạng thái Khi không có ừ trường bên ngoài, các trạng thái mss= +1/2 và mss= --1/2 là suy biến. m = +1/2 và m = 1/2 là suy biến. •• Điiện ttử ở trong llớp K ((n = 1) và orbital 1s11.. Đ ện ử ở trong ớp K n = 1) và orbital 1s •• Điiện ttử trong trạng thái cơ bản của nguyên ttử Đ ện ử trong trạng thái cơ bản của nguyên ử hyđro được gọii là 1s11.. hyđro được gọ là 1s 34 Helium (He) Helium (He) •• Trong nguyên ttử He trung tính, 2 điiện ttử phảii ở ttrong 2 Trong nguyên ử He trung tính, 2 đ ện ử phả ở rong 2 trạng thái khác nhau. trạng thái khác nhau. •• Hai trạng thái điiện ttử llà: (1, 0, 0, +1/2) và (1, 0, 0, -1/2) Hai trạng thái đ ện ử à: (1, 0, 0, +1/2) và (1, 0, 0, -1/2) ..Mỗii điiện ttử phảii ở trong trạng thái này hay trạng thái kia Mỗ đ ện ử phả ở trong trạng thái này hay trạng thái kia của nguyên ttử He ở trong trạng thái cơ bản. của nguyên ử He ở trong trạng thái cơ bản. •Thực nghiệm chứng ttỏ rrằng hai điiện ttử có spin ngược •Thực nghiệm chứng ỏ ằng hai đ ện ử có spin ngược nhau (moment spin đốii chiều) hơn là có spin cùng chiều. nhau (moment spin đố chiều) hơn là có spin cùng chiều. •• Hai điiện ttử ttạo nên mốii liên kếtt chặtt chẽ khi chúng có Hai đ ện ử ạo nên mố liên kế chặ chẽ khi chúng có spin ngược chiều -> chúng được gọii là ttạo đôi -> và ttổng spin ngược chiều -> chúng được gọ là ạo đôi -> và ổng moment spin bằng 0. moment spin bằng 0. •• Trạng thái cơ bản của nguyên ttử He là 1s22, như vậy có Trạng thái cơ bản của nguyên ử He là 1s , như vậy có hai điiệnttử trong llớp K. hai đ ện ử trong ớp K. 35 Lithium (Li) Lithium (Li) •• Li có 3 điiện ttử, do vậy 2 điiện ttử đầu tiên sẽ ở Li có 3 đ ện ử, do vậy 2 đ ện ử đầu tiên sẽ ở ttrong llớp K vớii hai trạng thái (1, 0, 0, ±1/2) ,, còn rong ớp K vớ hai trạng thái (1, 0, 0, ±1/2) còn điiện ttử tthứ 3 ssẽ ở ttrong llớp L ((n = 2). đ ện ử hứ 3 ẽ ở rong ớp L n = 2). •• Trong llớp L,, hai orbital có thể llà 2s hoặc 2p – Trong ớp L hai orbital có thể à 2s hoặc 2p – nguyên ttắc 1 nói rrằng điiện ttử ssẽ chiếm trạng thái nguyên ắc 1 nói ằng đ ện ử ẽ chiếm trạng thái có mức năng llượng thấp nhất. có mức năng ượng thấp nhất. •• Như vậy điiện ttử ssẽ nằm trong orbital 2s – có Như vậy đ ện ử ẽ nằm trong orbital 2s – có năng llượng thấp hơn. năng ượng thấp hơn. •Cấu trúc điiện ttử của Lithium là 1s222s11,, và điiện ttử •Cấu trúc đ ện ử của Lithium là 1s 2s và đ ện ử thứ 3 có các ssố llượng ttử:: (2, 0, 0, ±1/2). thứ 3 có các ố ượng ử (2, 0, 0, ±1/2). 36 12
5s 5p 5d 5f 4s 4p 4d 4f 3s 3p 3d 2s 2p 1s 37 3.10 Tia X, sù ®¸nh sè nguyªn tö Tia cña Moseley vµ phæ tia X ••Tia X là các photon có bước sóng ttừ 0,1 ÷ 100 Å, Tia X là các photon có bước sóng ừ 0,1 ÷ 100 Å, được William Roentgen phát hiện ra năm 1895. được William Roentgen phát hiện ra năm 1895. •• Tia X được ttạo ra khi các điiện ttử năng llượng llớn Tia X được ạo ra khi các đ ện ử năng ượng ớn đập vào mộtt bia chấtt rrắn, va chạm vớii nguyên ttử đập vào mộ bia chấ ắn, va chạm vớ nguyên ử của bia, truyền năng llượng cho các điiện ttử của của bia, truyền năng ượng cho các đ ện ử của ngtử.. ngtử •• Tia X được ứng dụng rrấtt nhiều trong y ttế,, công Tia X được ứng dụng ấ nhiều trong y ế công nghiệp và còn cho chúng ta biếtt về cấu trúc nguyên nghiệp và còn cho chúng ta biế về cấu trúc nguyên ttử khi nguyên ttử hấp thụ hoặc bức xạ nó. ử khi nguyên ử hấp thụ hoặc bức xạ nó. 38 èng ph¸t x¹ tia X 39 13
Phæ bøc x¹ tia X Phổ tia X của hai loại bia W và Mo tại cùng một hiệu điện thế gia tốc. Chú ý rằng tần số cắt vmax bằng max nhau trong cả hai phổ. 40 Phæ liªn tôc cña tia X 41 Tồn tại một bước sóng cắt λmin, mà ngắn hơn nó không có bức xạ tia X. Giá trị của bước sóng cắt: hc hc λmin = eV = hv = ⇒ λmin eV • Thay đổi theo thế gia tốc • Không phụ thuộc vào vật liệu bia • phổ liên tục khi λ > λmin ⇒Tồn tại bước sóng cắt λmin – đây hoàn toàn là só hoà toà là hiệu ứng của QM & chỉ có thể giải thích bằng QM. thí Đây là hiệu ứng ngược lại với hiệu ứng quang điệ42 là n 14
Phæ tia X ®Æc tr−ng Phổ vạch chồng lên Ph phổ liên tục là năng lượng bức xạ đặc trưng cho các nguyên tố tạo thành bia, mà chùm điện tử năng lượng cao đập vào. Bởi vậy chúng mang tên bức xạ đặc trưng hay phổ tia X đặc trưng. ph đặ 43 Moseley và phæ tia X 44 Nhờ công trình của Moseley, phổ tia X đặc trưng Nhờ công trì trình của Moseley, phổ tia X đặ c trưng đặ đã trở thành “chữ ký” được mọii ngườii chấp nhận thà đã trở thành “chữ ký” được mọ ngườ chấp nhận của các nguyên ttố,, nó cho phép giảii được nhiều của cá nguyê ố nó cho phé giả đượ c nhiều các nguyên nó phép đượ câu đố của Bảng tuần hoàn. Trước thờii gian đó câu đố của Bảng tuần hoà Trước thờ gian đó đố hoàn. (1913) vịị trí các nguyên ttố được ssắp xếp theo trrọng (1913) v trí các nguyê ố được ắp xếp theo ttr ọng trí nguyên llượng nguyên ttử ,, mặc dù có mộtt ssố trường hợp ượng nguyê ử mặc dù có mộ ố trường hợp nguyên dù phảii đảo llạii vịị trí do những bằng chứng hoá học ép phả đả o ạ v trí do những bằng chứng hoá học ép đả trí hoá buộc. Moseley đã chứng minh được rrằng cơ ssở buộc. Moseley đã chứng minh đượ c ằng cơ ở đượ thực ssự để đánh ssố các nguyên ttố llà điiện tích hạtt thực ự để đánh ố các nguyê ố à đ ện ttích hạ í nguyên nhân nguyên ttử của các nguyên ttố đấy. nhâ nguyê ử của cá nguyê ố đấy. nhân nguyên các nguyên 45 15
§å thÞ Moseley vµ lý thuyÕt Bohr Công thức Bohr cho tần số bức xạ tương ứng với chuyển dời Công giữa hai mức nguyên tử bất kỳ trong các nguyên tử đồng dạng nguyê cá nguyê nguyên các nguyên với nguyên tử hiđrô (nói chính xác hơn là các ion đồng dạng nguyê rô (nó chí xá là các đồ nguyên (nói chính xác với nguyên tử hiđrô): nguyê nguyên rô): me Z  1 1 42  − 2 v= 8ε 0 h 3  n12 n2  2   đối với chuyển dời cần phải thay Z bằng Z – 1 và đặt n1 = 1 và 1 và n2 = 2. Lấy căn hai vế ta được: đượ và 2 3me 4 v = α ( Z − 1) v= ( Z − 1) ⇒ 32ε 0 h 3 2 46 3.11 Sù tt−¬ng t¸c cña ¸nh s¸ng vµ 3.11 Sù −¬ng t¸c cña ¸nh s¸ng vµ Sù m«i tr−êng. Nguyªn lý ho¹t ®éng, m«i tr−êng. Nguyªn lý ho¹t ®éng, tÝnh chÊt vµ øng dông cña laser tÝnh chÊt vµ øng dông cña laser •LASER - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation có nghĩa là khuếch đại ánh đạ sáng bằng bức xạ cảm ứng. • Einstein đã đưa ra khái niệm này vào năm 1913; như chỉ đến năm 1960 Theodore Maiman mới có thể tạo ra được một laser hoạt động. 47 Sự tương tác giữa ánh sáng và vật liệu 48 16
a. Sự hấp thụ:: a. Sự hấp thụ Nguyên ttử ban đầu ở trong trạng thái thấp hơn có Nguyên ử ban đầu ở trong trạng thái thấp hơn có năng llượng E1.. Nếu mộtt photon có năng llượng hv năng ượng E1 Nếu mộ photon có năng ượng hv đii vào và ttương tác vớii nguyên ttử đang xét nguyên đ vào và ương tác vớ nguyên ử đang xét nguyên ttử ssẽ chuyển lên trạng thái có năng llượng cao hơn. ử ẽ chuyển lên trạng thái có năng ượng cao hơn. Đây là mộtt quá trình cộng hưởng. Quá trình này Đây là mộ quá trình cộng hưởng. Quá trình này được gọii là ssự hấp thụ.. hv = E − E được gọ là ự hấp thụ 2 1 b. Bức xạ ttự phát:: b. Bức xạ ự phá phát Sau khoảng thờii gian τ trung bình nào đó, nguyên Sau khoảng thờ gian τ trung bình nào đó, nguyên ttử ttự động chuyển sang trạng thái thấp hơn -- ssự ử ự động chuyển sang trạng thái thấp hơn ự bức xạ ttự phát,, vì nó không xẩy ra dướii mộtt tác bức xạ ự phá vì nó không xẩy ra dướ mộ tác phát động bên ngoài nào. động bên ngoài nào. 49 c. Bức xạ cảm ứng: 50 c. Bức xạ cảm ứng:: c. Bức xạ cảm ứng Photon được phát xạ hoàn toàn đồng nhấtt Photon được phát xạ hoàn toàn đồng nhấ vớii photon kích thích.. Đây cũng là mộtt quá vớ photon kích thích Đây cũng là mộ quá trình cộng hưởng, photon có cùng năng trình cộng hưởng, photon có cùng năng llượng, cùng hướng, cùng pha và cùng phân ượng, cùng hướng, cùng pha và cùng phân cực. Quá trình này được gọii là bức xạ cảm cực. Quá trình này được gọ là bức xạ cảm ứng.. Ánh sáng laser được ttạo ra bằng cách ứng Ánh sáng laser được ạo ra bằng cách này. này. 51 17
Phân bố Boltzmann Phâ Ex − n x = Ce kT n2 − ( E2 − E1 ) =e kT n1 Sự đảo ngược độ cư độ trú (hay còn gọi là trú phân bố đảo). phâ 52 d. Laser hoạt động như thế nào? d. độ nào? 1. Người ta có thể dùng nhiều kỹ thuật khác nhau cung cấp năng lượng kích thích (bơm) cho môi trường để tạo ra sự đảo ngược độ cư trú. Bơm quang họ c 53 Bơm bằng phóng điện qua chất khí phó khí 54 18
2. Để có được hiệu ứng laser, tức là có hiệu ứng khuếch đại - thời gian sống của nguyên tử tại mức laser phải là siêu bền, cỡ 10-3 s (so với mức bình thường cỡ 10-8 s). Môi trường: chất rắn, chất lỏng, hoặc chất khí…có các nguyên tử đáp ứng được yêu cầu này được gọi là môi trường hoạt tính hoặc gọi cách tí môi tính khác là môi trường khuếch đại.đại. môi 55 56 3. Chúng ta cần đặtt môi trường hoạtt tính đó 3. Chúng ta cần đặ môi trường hoạ tính đó vào trong mộtt buồng cộng hưởng quang vào trong mộ bu ồng cộng hưởng quang bu học -- thường được ttạo thành ttừ hai gương học thường được ạo thành ừ hai gương phản xạ M11 và M22 (phẳng hoặc cầu) đặtt song phản xạ M và M (phẳng hoặc cầu) đặ song song vớii nhau. song vớ nhau. 57 19
Các tính chấtt của tia laser Các tí tính chấ của tia laser a. Ánh sáng laser có độ đơn sắc cao:: cỡ 10-15 a. Ánh sáng laser có độ đơn sắc cao cỡ 10-15 m. m. b. Ánh sáng laser có độ kếtt hợp cao:: b. Ánh sá laser có độ kế hợp cao sáng có c.. Ánh sáng laser có ttính địịnh hướng cao:: c. Ánh sá laser có ính đị nh hướng cao c sáng có đ d.. Ánh sáng laser có thể hộii ttụ vớii đôi ttụ cao:: d. Ánh sá laser có thể hộ ụ vớ đôi ụ cao d sáng có f .λ ω1 = π .ω0 .n 58 Các ứng dụng của tia laser: Các ứng dụng của tia laser: • Được dùng trong công nghiệp: khoan • Được dùng trong công nghiệp: khoan các llỗ siêu nhỏ trong kim cương để kéo các ỗ siêu nhỏ trong kim cương để kéo các dây mảnh, cắtt vảii trong công nghiệp các dây mảnh, cắ vả trong công nghiệp may mặc, ttạo khuôn thậtt tinh trên kim may mặc, ạo khuôn thậ tinh trên kim loại, đo vẽ chính xác, đo chiều dài chính loại, đo vẽ chính xác, đo chiều dài chính xác bằng phép đo giao thoa…. xác bằng phép đo giao thoa…. • Dùng trong quân sự để dẫn đường cho • Dùng trong quân sự để dẫn đường cho máy bay và tên llửa..LIDAR máy bay và tên ửa..LIDAR • Dùng trong y ttế:: để chữa bệnh và phẫu • Dùng trong y ế để chữa bệnh và phẫu thuật. thuật. 59 •Dùng trong thông tin quang sợi: Các laser •Dùng trong thông tin quang sợi: Các laser AsGa kích thước nhỏ như những chiếc đinh AsGa kích thước nhỏ như những chiếc đinh ghim được dùng để truyền tin trong thông tin ghim được dùng để truyền tin trong thông tin quang sợi. quang sợi. •Trong nghiên cứu phản ứng ttổng hợp hạtt •Trong nghiên cứu phản ứng ổng hợp hạ nhân. nhân. •Trong các nghiên cứu khoa học: các laser •Trong các nghiên cứu khoa học: các laser được dùng như các nguồn ánh sáng để kích được dùng như các nguồn ánh sáng để kích thích huỳnh quang, bơm laser…. thích huỳnh quang, bơm laser…. (Phần này ttự đọc kỹ theo David Halliday) (Phần này ự đọc kỹ theo David Halliday) 60 20