Tài liệu Chương 8: Quang lượng tử và quang sinh học - Môn: Vật lý đại cương pdf

98

Chương 8
QUANG LƯỢNG TỬ VÀ QUANG SINH HỌC

§ 8.1. BỨC XẠ NHIỆT
8.1.1. Bức xạ nhiệt và các ñại lượng ñặc trưng
Sự phát sóng ñiện từ của vật xảy ra do quá trình nội nguyên tử , phân tử gọi là sự bức
xạ. Nguồn năng lượng cung cấp và các dạng bức xạ có thể rất khác nhau, như sự phát sáng
của bóng ñèn ñiện, của ñám lửa, của màn vô tuyến, của củi mục, ñom ñóm,
Bức xạ của vật do ñược ñốt nóng (năng lượng cung cấp cho vật là nhiệt năng) gọi là
bức xạ nhiệt.
Sự bức xạ nhiệt của các vật trong một hệ cô lập có ñặc ñiểm là hệ sẽ ñạt ñến trạng thái
cân bằng nhiệt (mọi vật của hệ có cùng nhiệt ñộ).
ðể ñặc trưng cho quá trình bức xạ nhiệt người ta ñưa ra một số ñại lượng sau:
- Vật bức xạ phát ra các sóng ñiện từ có bước sóng khác nhau, nếu tách ra xét một
khoảng không lớn của bước sóng, từ λ ñến λ + dλ thì năng lượng do một diện tích dS của bề
mặt vật phát ra trong một ñơn vị thời gian cho khoảng này là dE
λ
sẽ tỷ lệ với ñộ rộng của
khoảng dλ và dS . Ta viết:
dE
λ
= r
λ
. dλ.dS (8.3)
r
λ
gọi là năng suất bức xạ của vật ở bước sóng λ , trong hệ SI có ñơn vị ño là w/ m
3

.
- ðại lượng:

∫
∞
λ
λ⋅=
0
drR
(8.4)
là năng lượng mà một ñơn vị diện tích bề mặt vật bức xạ phát ra trong một ñơn vị thời gian,
ứng với mọi bước sóng có thể có của bức xạ; ðược gọi là năng suất bức xạ toàn phần hay ñộ
trưng của vật bức xạ.
- Khả năng hấp thụ năng lượng bức xạ của vật ở một khoảng bước sóng dλ. gần bước
sóng λ nào ñó ñược ñặc trưng bởi hệ số hấp thụ a
λ
; ðược ño bằng tỷ số giữa năng lượng bức
xạ hấp thụ bởi vật dE
/
λ
và năng lượng bức xạ chiếu ñến vật dE
λ
ứng với khoảng bước sóng
ñó:
a
λ
=
dE
dE
/

λ
λ
(8.5)
Vuihoc24h.vn

99

Như vậy a
λ
có giá trị từ 0 ñến 1
- Vật có hệ số hấp thụ bằng 1 ñối với mọi bước sóng gọi là vật ñen tuyệt ñối; Nó hấp
thụ mọi bức xạ chiếu tới. Trong tự nhiên không tồn tại vật ñen tuyệt ñối. Người
ta ñưa ra mãu vật ñen tuyệt ñối là một lỗ nhỏ của một
vật rỗng (hình 8.1). ánh sáng chiếu vào lỗ sẽ phản xạ
và hấp thụ nhiều lần ở thành vật và rất ít có khả năng
ra khỏi lỗ.
8.1.2. ðịnh luật Kirchhoff về bức xạ nhiệt
- Giữa năng suất bức xạ và hệ số hấp thụ của
vật có mối liên hệ xác ñịnh. Ta có thể thấy ñiều ñó
qua ví dụ sau :
Trong một bình cách nhiệt, chân không, có các







Hình 8.1
vật khác nhau về bản chất, toàn bộ hệ ở trạng thái cân bằng nhiệt, tức là nhiệt ñộ như nhau

(hình 8.2). Các vật chỉ trao ñổi năng lượng bằng bức xạ nhiệt.
Như vậy trong cùng một khoảng thời gian, mỗi vật sẽ hấp thụ và bức xạ một năng
lượng như nhau, vật phát ra bức xạ nào nhiều.
thì cũng hấp thụ nhiều chính bức xạ ñó.
Mối liên hệ ñịnh lượng giữa năng suất bức xạ
và hệ số hấp thụ của các vật ñã ñược xác lập bởi
Kirchhoff vào năm 1895: Ở nhiệt ñộ như nhau, với
mỗi bước sóng xác ñịnh, tỷ số giữa năng suất bức xạ
và hệ số hấp thụ là như nhau ñối với mọi vật.
(
λ
λ
a
r
)
1
= (
λ
λ
a
r
)
2
= = (
λ
λ
a
r
)
n

=
1
e
λ
(8.6)





Hình 8.2
Ở ñây e
λ
là năng suất bức xạ của vật ñen tuyệt ñối.
ðịnh luật (8.6) có thể viết dưới dạng: r
λ
= a
λ
. e
λ
(8.7)
Từ ñịnh luật ta thấy vật ñen tuyệt ñối là vật bức xạ mạnh nhất.
8.1.3. Giả thuyết Planck
a) Quy luật thực nghiệm về năng suất bức xạ của vật ñen tuyệt ñối
A
1
A
2
A
3

Vuihoc24h.vn

100

Tập hợp tất cả các bức xạ có bước sóng khác nhau mà vật phát ra gọi là phổ bức xạ
của vật ñó. Thực nghiệm cho thấy phổ bức xạ của vật ñen tuyệt ñối là liên tục và có một cực
ñại (hình 8.3).
Từ ñường cong thực nghiệm ta có thể rút ra một số nhận xét:
- Khi tăng nhiệt ñộ của vật bức xạ thì cực ñại phổ bức xạ dịch chuyển về phía sóng
ngắn
- Năng suất bức xạ toàn phần do vật ñen tuyệt ñối phát ra R
den

∫
∞
λ
λ=
0
d.r
, ứng với mọi
bước sóng có thể có, ñược tính theo diện tích giới hạn bởi ñường cong e
λ
và trục hoành. Ta
thấy R
den
tăng theo nhiệt ñộ của vật ñen.
b) Giả thuyết Planck
Trải qua một thời gian dài không có một lý thuyết về bức xạ nhiệt nào phù hợp với
kết quả thực nghiệm. ðến năm 1900 Planck ñã giải quyết ñược vấn ñề này. Khác với vật lý cổ
ñiển coi sự phát và hấp thụ bức xạ của vật ñen như quá trình liên tục; Planck ñưa ra giả

thuyết rằng vật ñen tuyệt ñối bức xạ và hấp thụ năng lượng không liên tục mà bằng những
phần gián ñoạn xác ñịnh, gọi là lượng tử năng lượng; lượng tử năng lượng ứng với bức xạ có
tần số ν hay bước sóng λ của bức xạ là:
ε = hν =
λ
hc
(với h là hằng số Planck,

h = 6,625.10
-34
Js, c là vận tốc ánh sáng trong
chân không) .
Từ ñó Planck ñã nhận ñược công thức:

1
12
5
2
,
−
=
λ
λ
λ
π
kT
hc
T
e
hc

e

(8.9)
Với k là hằng số Bonltzmann.
ðường cong biểu diễn công thức (8.9)
hoàn toàn phù hợp với ñường cong thực
nghiệm.
Sử dụng công thức (8.9), có thể viết lại công
thức (8.7) dưới dạng:










Hình 8.3
λ

1
λ

2
λ

3
λ

T
1

T
2
T
3

T
1
> T
2
> T
3
T
e
λ

Vuihoc24h.vn

101


1
12
5
2
−
=
λ

λλ
λ
π
kT
hc
e
hc
ar

8.1.4. Một số ñịnh luật bức xạ của vật ñen tuyệt ñối
Từ công thức của Planck có thể tìm lại các ñịnh luật thực nghiệm về bức xạ của vật
ñen tuyệt ñối ñã ñược xác lập trước ñó:
- Ta có: R
den
= 2πhc
2

∫
∞
λ
−λ
λ
0
kT/hc5
)1e(
d

Nếu ñổi biến x =
λ
kT

hc
thì R
den
=
∫
∞
−
π
0
x
3
32
44
1e
dxx
hc
Tk2

Lấy tích phân và nhân với giá trị các hằng số ta ñược:
R
den
= σ. T
4
(8.10)
ðây là ñịnh luật ñã ñược Stefan- Boltzmann tìm ra bằng thưc nghiệm;
Với σ = 5,6696.10
-8
(w/ m
2
.

0
K
4
gọi là hằng số Stefan- Boltzmann.
ðịnh luật cho thấy : Năng suất bức xạ toàn phần của vật ñen tuyệt ñối tỷ lệ với luỹ thừa
4 của nhiệt ñộ tuyệt ñối của vật.
- Hàm e
λ
ở công thức (8.9) có cực ñại, sử dụng ñiều kiện
0
d
de
=
λ
λ
ta tìm ñược ñịnh
luật thực nghiệm của Wein về bước sóng λ
m
ứng với cực ñại của năng suất bức xạ của vật
ñen:
λ
m
=
T
b
(8.11)
Với b = 0,28987.10
-2
m.
0

K gọi là hằng số Wein
ðịnh luật Steffan- Boltzmann và Wein cho phép xác ñịnh nhiệt ñộ của vật khi ño phổ
bức xạ của chúng.
Việc tìm lại ñược các ñinh luật thực nghiệm từ công thức Planck chính là một minh
chứng nữa cho sự ñúng ñắn của giả thuyết và công thức Planck.
8.1.5. Sự bức xạ nhiệt của hệ sinh vật. Ứng dụng của nguồn bức xạ Mặt trời và nguồn
tia hồng ngoại
a) Sự bức xạ nhiệt của hệ sinh vật
Vuihoc24h.vn

102

Con người và các ñộng vật sống giữ ñược ở một nhiệt ñộ xác ñịnh nhờ khả năng ñiều
chỉnh thân nhiệt; Tuy vậy luôn xảy ra quá trình trao ñổi nhiệt giữa cơ thể sống với môi
trường. Sự trao ñổi nhiệt xảy ra bằng nhiều cách như sư truyền nhiệt, sự ñối lưu, bay hơi hay
bức xạ, hấp thụ. Các quá trình này cũng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như trạng thái cơ thể
(nhiệt ñộ, tính linh hoạt, ), trạng thái môi trường (nhiệt ñộ, ñộ ẩm, sự chuyển ñộng của
không khí, ), vào quần áo (màu sắc, bề dày, ). Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy rằng
50% nhiệt mà cơ thể mất là do quá trình bức xạ vào môi trường; Công suất nhiệt mất mát cho
môi trường ñược tính theo công thức:
P = S.σ (T
1
4
– T
0
4
) (8.12)
Với S là diện tích tiếp xúc với môi trường, T
1
là nhiệt ñộ cơ thể, T

0
là nhệt ñộ môi
trường. Công thức này cho thấy việc che phủ ñể giảm sự tiếp xúc bề mặt da của gia súc với
môi trường trong những ngày giá rét có ý nghĩa rất quan trọng.
Sự bức xạ nhiệt của cơ thể sinh vật cũng phụ thuộc vào ñộ nóng của từng vùng, ở
những vùng có viêm, u, thường có nhiệt ñộ cao. Vì vậy việc ghi lại bức xạ nhiệt của các
phần khác nhau trên bề mặt cơ thể người, gia súc sẽ là một phương pháp ñể chẩn ñoán bệnh
trong y học và trong ngành thú y.
b) Ứng dụng của nguồn bức xạ mặt trời và nguồn tia hồng ngoại
- Mặt trời là nguồn bức xạ nhiệt mạnh nhất, tạo ra sự sống trên trái ñất. Thông lượng
bức xạ của mặt trời ñến trái ñất là 1350w/m
2
, với cực ñại của phổ bức xạ λ
m
= 0,47 µm, từ ñó
có thể tính gần ñúng nhiệt ñộ bề mặt bức xạ của Mặt trời theo ñịnh luật Vin là 6150
0
K. Nhờ
nguồn bức xạ mặt trời mà thực vật thực hiện ñược quá trình quang hợp. Trong y học bức xạ
mặt trời sử dụng ñể chữa bệnh. Trong nông nghiệp bức xạ mặt trời dùng ñể phơi khô sản
phẩm một cách tự nhiên hoặc ñể sấy bảo quản các loại củ, quả, dựa theo hiệu ứng lồng
kính.
- Bức xạ hồng ngoại có bước sóng từ 0,76 µm ñến vùng sóng vô tuyến ngắn 1→ 2
mm. Dựa theo ñịnh luật Vin ta có thể tính ra nhiệt ñộ của vật phát bức xạ hồng ngoại từ 1,5
0
K ñến 3800
0
K; ðiều này có nghĩa là ở ñiều kiện bình thường , tất cả các vật rắn, lỏng ñều là
các nguồn bức xạ hồng ngoại. Các nguồn bức xạ hồng ngoại có công suất lớn ñược sử dụng
trong sấy sản phẩm chất lượng cao (thóc giống, các loại hải sản xuất khẩu, ), dùng ñể sưởi

ấm và chữa bệnh,
§8.2. HIỆN TƯỢNG QUANG ðIỆN VÀ ỨNG DỤNG
8.2.1. Hiện tượng quang ñiện
Hiện tượng quang ñiện là hiện tượng xảy ra khi chiếu ánh sáng thích hợp vào một vật
làm nó phát ra electron (gọi là hiện tượng quang ñiện ngoài) hoặc bứt electron khỏi liên kết
Vuihoc24h.vn

103

thành electron tự do trong vật, dẫn ñến làm thay ñổi tính dẫn ñiện của vật, hay làm xuất hiện
một suất ñiện ñộng trong vật (gọi là hiện tượng quang ñiện trong). Dưới ñây ta xét chi tiết hơn
hiện tượng ñó:
- Hiện tượng quang ñiện ngoài khi quan sát ở chất khí trên các nguyên tử, phân tử
riêng biệt chính là sự quang ion hoá.
- Hiện tượng quang ñiện ngoài ở kim loại là quá trình electron tự do của kim loại hấp
thụ phôton của ánh sáng nên tăng ñộng năng, electron này chuyển ñộng ñến bề mặt và bứt
khỏi kim loại. Quá trình này ñược mô tả ñịnh lượng bằng phương trình Einstein:
hν = A +
2
mv
2
(8.1)
Ở ñây hν là năng lượng của phôton,
2
mv
2
là ñộng năng của electron bay ra khỏi kim
loại, A là công bứt electron.
Theo hệ thức trên, hiện tượng quang ñiện chỉ xảy ra khi tần số hay bước sóng λ của
bức xạ chiếu tới kim loại thoả mãn:

hν =
λ
hc
≥ A
Giá trị giới hạn của tần số ν
0
hay bước sóng λ
0
ñể có hiện tượng quang ñiện xác ñịnh
theo hệ thức: hν
0
=
0
hc
λ
= A
Tức là:
A
hc
= λ
0
(8.2)
λ
0
gọi là giới hạn quang ñiện của kim loại
- Ở hiện tượng quang ñiện trong, khi chiếu ánh sáng vào chất bán dẫn hay ñiện môi
mà năng lượng của phôton ñủ ñể bứt electron khỏi liên kết thành electron tự do thì kết quả là
ñộ dẫn ñiện của chất tăng lên. Cũng tương tự, khi chiếu ánh sáng thích hợp vào tiếp xúc p – n
thì sẽ tạo ra các cặp electron tự do và lỗ trống; ðiện trường tiếp xúc của p – n sẽ làm lỗ trống
chuyển dời sang bán dẫn p, electron sang bán dẫn n, kết quả là tạo ra một suất ñiện ñộng

quang ñiện.
8.2.2. Ứng dụng của hiện tượng quang ñiện
Dụng cụ phổ biến nhất ứng dụng hiện tượng quang ñiện ngoài là tế bào quang ñiện;
ðó là một bình chân không, bên trong ñặt hai ñiện cực là anốt và katốt (nhạy với ánh sáng).
Vuihoc24h.vn

104

Khi chiếu ánh sáng thích hợp vào katốt thì các electron ở katốt bị bứt ra và chuyển dời về anốt
tạo nên dòng quang ñiện. Trong các tế bào quang ñiện ñặc biệt người ta lắp thêm các ñiện cực
ñể phát electron thứ cấp và các bộ phận khuếch ñại ñể tăng dòng quang ñiện lên nhiều lần.
Trong sinh học các thiết bị này ñược dùng ñể ghi lại các phát quang sinh học yếu. Ngoài ra
người ta còn dùng các tế bào quang ñiện nhạy với tia hồng ngoại ñể ghi lại các vùng nóng
không nhìn thấy trên bề mặt vật; Thiết bị này có thể dùng ñể chẩn ñoán bệnh cho người và gia
súc.
Khi chụp ảnh chẩn ñoán bệnh bằng tia Roentgen, thường phải sử dụng cường ñộ yếu
ñể không ảnh hưởng ñến cơ thể; Do vậy ñể có ñược ảnh rõ nét người ta ứng dung hiện tượng
quang ñiện ngoài ñể biến ñổi ảnh từ vùng phổ này sang vùng phổ khác.
Thiết bị ứng dụng hiện tượng quang ñiện nội khi chiếu ánh sáng mặt trời vào tiếp xúc
p – n gọi là pin mặt trời, ñây là thiết bị
biến ñổi quang năng thành ñiện năng
có hiệu suất cao và ñược dùng làm
nguồn cung cấp ñiện năng cho các
vùng xa xôi hẻo lánh hay các thiết bị
trên tàu vũ trụ, trên vệ tinh nhân tạo,

Các quang trở ứng dụng hiện
tượng quang dẫn lại dùng nhiều trong
các hệ thống ñiều khiển tự ñộng.
§8.3. HẤP THỤ ÁNH SÁNG VÀ

ỨNG DỤNG







Hình 8.4
- Cường ñộ ánh sáng truyền tới môi trường vật chất có thể giảm do phản xạ, do sự tán
xạ bởi nguyên tử, phân tử vật chất và một phần biến thành nhiệt ñốt nóng môi trường. Phần
năng lượng biến thành nhiệt ñó ñược gọi là phần bị môi trường hấp thụ.
- ðể xác lập ñịnh luật hấp thụ, ta giả sử chiếu một chùm sáng ñơn sắc cường ñộ I
0
vào
lớp môi trường giới hạn bởi hai mặt phẳng song song, có bề dầy
l
.
- Xét một lớp môi trường ñủ mỏng dx, khi ñó mức ñộ làm yếu cường ñộ sáng dI sẽ
càng lớn nếu bề dầy lớp môi trường càng lớn và cường ñộ sáng I chiếu vào lớp càng lớn; Tức
là:
dI = - kI dx hay:
I
dI
= - k dx
i

i+ di
dx

I
o

0

I

Vuihoc24h.vn

105

k là hệ số tỷ lệ dương, phụ thuộc bản chất của môi trường và bước sóng ánh sáng, gọi là hệ số
hấp thụ của môi trường. Dấu (-) thể hiện cường ñộ sáng qua môi trường giảm.
Lấy tích phân hai vế với các giới hạn tương ứng (như hình vẽ 8.4) ta có:

∫∫
−=
l
0
I
I
kdx
I
dI
l
0
⇒
lk
0l
eII

−
=
(8.13)
ðây chính là công thức của ñịnh luật Buger: Khi bề dầy môi trường tăng theo cấp số
cộng thì cường ñộ sáng qua môi trường giảm theo cấp số nhân.
- ðối với môi trường hấp thụ là dung dịch, thực nghiệm cho thấy khi dùng dung dịch
loãng, hệ số hấp thụ k tỷ lệ với nồng ñộ dung dịch C, tức là:
k = αC (8.14)
Với α là hệ số tỷ lệ phụ thuộc bước sóng và chất hoà tan trong dung dịch gọi là năng
suất hấp thụ của chất tan. Thay (8.14) vào ñịnh luật Buger (8.13) ta ñược ñịnh luật Buger –
Beer:

lc
0l
e.II
α−
=
(8.15)
ðại lượng D = lg (
I
I
0
) = α.C.
l
gọi là mật ñộ quang
Với dung dịch gồm nhiều chất hoà tan có nồng ñộ mỗi chất là C
1
, C
2
, , C

n
thì mật ñộ
quang của dung dịch:
D = D
1
+ D
2
+ + D
n
= (α
1
C
1
+ α
2
C
2
+ + α
n
C
n
).
l

Ở ñây α
i
là năng suất hấp thụ riêng của các chất tương ứng
ðịnh luật Buger – Beer ñược ứng dụng nhiều trong sinh học, y học. Chẳng hạn ñể xác
ñịnh nồng ñộ các dung dịch sinh học, hay xác ñịnh lượng ô xy huyết sắc tố,
§8.4. SỰ PHÁT QUANG VÀ ỨNG DỤNG

8.4.1. Một số khái niệm
Hầu hết các vật khi bị kích thích bằng các tác nhân vật lý hay hoá học, thì có thể
phát bức xạ. Trong toàn bộ các bức xạ mà vật phát ra, có một phần là bức xạ nhiệt, một phần
là bức xạ phản xạ, tán xạ và phần dư lại là phát quang. Bức xạ phản xạ và tán xạ sẽ tắt ngay
(trong khoảng 1 chu kỳ dao ñộng của bức xạ, khoảng 10
-10
s) sau khi ngừng kích thích vật,
nhưng bức xạ phát quang vẫn kéo dài lâu hơn (từ vài chu kỳ của dao ñộng của bức xạ cho ñến
vài ngày).
Vuihoc24h.vn

106

Vì vậy có thể ñịnh nghĩa: Phát quang là hiện tượng phát bức xạ còn dư ngoài bức xạ
nhiệt của một vật và bức xạ còn dư ñó kéo dài một thời gian lâu hơn một chu kỳ dao ñộng của
bức xạ sau khi ngừng kích thích.
Phát quang là quá trình phát bức xạ không cân bằng, tức là không có sự cân bằng nhiệt
giữa vật phát quang và các vật xung quanh.
Có thể phân loại hiện tượng phát quang theo năng lượng cung cấp cho vật: Quang
phát quang, hoá phát quang, Ta chỉ giới hạn xét hiện tượng quang phát quang, khi ñó dựa
theo thời gian kéo dài phát quang, người ta lại phân chia thành:
- Huỳnh quang : Nếu sự phát quang tắt ngay sau khi ngừng kích thích (mắt không phát
hiện ñược)
- Lân quang : Nếu sự phát quang còn kéo dài (mắt phát hiện ñược) sau khi ngừng kích
thích vật.
Tuy nhiên sự phân chia như vậy cũng chỉ có tính chất tương ñối.
Người ta còn phân loại phát quang dựa theo sự phụ thuộc của thời gian kéo dài phát
quang vào nhiệt ñộ. Theo cách phân loại này, nếu thời gian kéo dài phát quang không phụ
thuộc vào nhiệt ñộ thì ñó là huỳnh quang; Nếu thời gian kéo dài phát quang phụ thuộc nhiệt
ñộ thì ñó là lân quang.

Phát quang còn ñược phân loại theo cường ñộ bức xạ hay phổ bức xạ mà vật phát ra.
8.4.2. Các quy luật về huỳnh quang
a) Quy luật về thời gian phát sáng trung bình
Sau khi ngừng kích thích vật phát quang, thì cường ñộ ánh sáng phát quang I giảm
theo thời gian t theo quy luật hàm luỹ thừa:
I = I
0
e
– t /τ
(8.16)
Với I
0
là cường ñộ sáng tại t = 0, τ gọi là
thời gian phát sáng trung bình; ðó là khoảng thời
gian mà sau ñó cường ñộ ánh sáng phát quang
giảm ñi e lần: I =
e
I
0

Trong hiện tượng huỳnh quang, thời gian
phát sáng trung bình τ không phụ thuộc nhiệt ñộ
vật phát quang và có trị số từ 10
-9
ñến 10
-4
s
b) ðịnh luật Stock

Hình 8.5
)(nm
λ

pq
λ

ht
λ

H.Q HT

E
O
Vuihoc24h.vn

107

Thực nghiệm cho thấy không phải mọi bức xạ ñơn sắc ñều kích thích ñược sự phát quang của
một chất mà chỉ những bức xạ ñơn sắc nằm trong miền hấp thụ của chất ñó mới có thể kích
thích ñược sự phát quang. Với các chất rắn, lỏng, khí và dung dịch thì các bức xạ bị vật hấp
thụ trải một cách liên tục trong một miền quang phổ gọi là phổ hấp thụ của chất ñó. Phổ hấp
thụ của mỗi chất có một cực ñại xác ñịnh.
Khi kích thích vật phát quang (dù chỉ bằng một bức xạ ñơn sắc nằm trong miền hấp
thụ) thì vật cũng phát ra một loạt bức xạ trải một cách liên tục trong một miền quang phổ, gọi

là phổ phát quang của chất.
Khi nghiên cứu phổ hấp thụ và phát quang, Stock ñã tìm ñược ñịnh luật: Cực ñại của
phổ phát quang của một chất bao giờ cũng ở một bước sóng lớn hơn bước sóng ứng với cực
ñại của phổ hấp thụ của chất ñó (hình 8.5).
c) ðịnh luật Vavilop
Người ta ñịnh nghĩa hiệu suất phát quang η là tỷ số giữa năng lượng phát quang E
Pq
và
năng lượng hấp thụ E
ht
của vật:
η =
ht
pq
E
E

η có thể nhận giá trị từ 0 ñến 1 và ñối với một chất thì η phụ thuộc vào bước sóng λ của
bức xạ kích thích.
Vavilop ñã xét hiệu suất phát quang ứng với một bước sóng λ
0
của ánh sáng phát
quang khi thay ñổi bước sóng kích thích λ và tìm ñược quy luật:

Hiệu suất phát quang tăng tỷ lệ với bước
sóng kích thích cho ñến trị số λ = λ
0
thì hiệu
suất phát quang bằng 1 sau ñó hiệu suất phát
quang giảm ñột ngột xuống bằng 0 (hình 8.6).

d) Quy luật làm tắt phát quang
Khi một chất ñang phát quang người ta
thấy hiệu suất phát quang thay ñổi mạnh khi
thayñổi nồng ñộ chất phát quang, nồng ñộ tạp
chất, ñộ PH của môi trường, nhiệt ñộ,








Hình 8.6
Nếu hiệu suất phát quang giảm do nguyên nhân nào thì người ta nói có sự làm tắt phát
quang vì lý do ñó.
λ

0
0.2
0.4
0.6
1.0

0
λ

0.8
η

Vuihoc24h.vn

108

Chẳng hạn nếu tăng nồng ñồng dung dịch phát quang ñến một giới hạn sẽ xảy ra làm
tắt phát quang do nồng ñộ; Như dung dịch Fluoretxein trong nước bị tắt phát quang khi nồng
ñộ C > 4.10
-3
M.
Nhiều dung dịch bị làm tắt phát quang do pha thêm tạp chất,
e)Ứng dụng của huỳnh quang trong sinh học
- Trong nghiên cứu sinh học, phân tích phổ huỳnh quang giúp cho việc xác ñịnh một
cách ñịnh tính cũng như ñịnh lượng các thành phần chứa trong dịch chiết sinh học hoặc xác
ñịnh nồng ñộ các loại vitamin (trừ vitamin C không phát quang).
- Phổ kích thích huỳnh quang ñược ứng dụng trong nghiên cứu sự vận chuyển năng
lượng giữa các phân tử sinh vật,
8.4.3. Sự phát quang cưỡng bức. ứng dụng của tia laser
Khi chiếu bức xạ ñiện từ vào một môi trường bức xạ gồm các nguyên tử, phân tử ở
trạng thái kích thích (môi trường kích hoạt) thì các nguyên tử, phân tử của môi trường sẽ
chuyển mức năng lượng và phát ra một tập hợp các bức xạ có cùng tần số, cùng phân cực,
cùng pha với bức xạ kích thích. Kết quả là cường ñộ tổng hợp của bức xạ ñược sinh ra sẽ lớn
hơn rất nhiều so với cường ñộ bức xạ chiếu vào ban ñầu. Sự phát quang như vậy gọi là phát
quang cưỡng bức.
Bức xạ phát ra ở dải tần sóng vô tuyến gọi là maser còn ở dải tần ánh sáng nhìn thấy
gọi là laser.
Bức xạ laser có tính chất ñặc biệt là bó lại trong một tia hẹp, ít bị nở ra theo khoảng
cách truyền ñi. Tia laser có ñộ ñơn sắc cực kỳ cao, có khả năng hội tụ vào một diện tích cực
kỳ hẹp (cỡ λ
2
) nên tạo ñược một cường ñộ bức xạ cực kỳ cao.

Có nhiều ứng dụng trong thực tế dựa trên việc khai thác các tính chất ñặc biệt của tia
laser:
- Do tính chất cực kỳ ñơn sắc và rất mảnh, rất mạnh có ñộ kết hợp cao, laser ñược ứng
dụng trong ño lường chính xác, in, chụp và tạo ảnh; Chẳng hạn ñể ño khoảng cách từ Trái ñất
ñến Mặt trăng mà dùng laser có λ = 1 µm thì chỉ cần ñặt trên Mặt trăng một gương phản xạ có
ñường kính 10 cm; Trong khi ñó dùng sóng vô tuyến λ = 1m thì cần gương ñường kính 20m.
- Tia laser có tần số cao gấp khoảng một triệu lần sóng vô tuyến nên cho phép truyền
ñược tín hiệu trong dải rộng. Chẳng hạn một sóng laser có thể truyền 200 kênh truyền hình
trong khi ñó một sóng vô tuyến UHF chỉ truyền ñược một kênh. Tuy nhiên khi truyền trong
không khí tia laser dễ bị hấp thụ, bị tán xạ bởi các hạt bụi, hạt mưa nên phải truyền laser trong
sợi quang dẫn.
Vuihoc24h.vn

109

- Tia laser có khả năng hội tụ vào diện tích nhỏ với cường ñộ cực kỳ cao nên có thể
làm nóng cục bộ vi mô trên vật và ñược ứng dụng làm dao khoan, cắt kim loại hay các dao
mổ cực kỳ kinh tế hoặc ñể ñốt các u, tế bào ung thư,
§8.5. QÚA TRÌNH QUANG SINH HỌC
8.5.1. Quá trình quang sinh
Quang sinh học nghiên cứu các quá trình xảy ra trong cơ thể sinh vật dưới tác dụng
của bức xạ ñiện từ. Các phản ứng xảy ra trong cơ thể sinh vật khi có ánh sáng tham gia gọi là
phản ứng quang sinh học. Các quá trình quang sinh thường ñược xét theo hai mặt chủ yếu là
năng lượng và hiệu ứng sinh học.
Về mặt năng lượng, phản ứng quang sinh có thể làm tăng năng lượng của hệ sinh vật,
như phản ứng quang hợp ở thực vật. Tuy vậy cũng có những phản ứng quang sinh lại làm suy
giảm năng lượng của hệ; Trong trường hợp ñó ánh sáng chỉ ñóng vai trò của nguồn năng
lượng hoạt hoá.
Về mặt hiệu ứng sinh học, phản ứng quang sinh ñược chia thành phản ứng sinh lý
chức năng và phản ứng phân huỷ biến tính.

Ở phản ứng sinh lý chức năng, các sản phẩm hoặc các chất trung gian cần thiết cho
hoạt ñộng sống chỉ ñược tạo ra khi có sự tham gia của ánh sáng. Chẳng hạn phản ứng tạo
năng lượng trong quang hợp, phản ứng tạo ra các sản phẩm quang hoá kích thích lên các cơ
quan của sinh vật tạo ra quá trình hướng sáng ở thực vật hay nhìn thấy ở ñộng vật,
Ở phản ứng phân huỷ biến tính thì bức xạ ñiện từ (thường là tia laser, tia tử ngoại, tia
gamma, ) lại gây ra các tổn thương hay tạo ra những biến ñổi hoá học bất thường ở phân tử
sinh vật; Kết quả là gây biến dị các quá trình sinh hoá, tạo các ñột biến khác nhau ở mức phân
tử, thậm chí gây chết cho sinh vật.
8.5.2. Các giai ñoạn cơ bản của quá trình quang sinh
Quá trình quang sinh gồm một chuỗi nhiều giai ñoạn kế tiếp nhau. Có thể phân chia
thành các giai ñoạn cơ bản sau:
- Giai ñoạn quang lý: ở giai ñoạn này các phân tử trong cơ thể sinh vật hấp thụ phôton
của ánh sáng và chuyển lên trạng thái kích thích và năng lượng của phôton ñược chuyển thành
năng lượng tích luỹ của phân tử.
- Giai ñoạn quang hoá: Là giai ñoạn các phân tử ở trạng thái kích thích tham gia vào
các phản ứng quang hoá tạo ra những sản phẩm quang hoá ñầu tiên.
- Giai ñoạn tối: Các sản phẩm quang hoá không bền biến thành các sản phẩm quang
hoá bền dưới tác dụng của các enzim.
Vuihoc24h.vn

110

- Giai ñoạn hiệu ứng sinh vật.
Dưới ñây chúng ta sẽ tìm hiểu kỹ hơn về một số quá trình quang sinh ñiển hình
8.5.3. Một số quá trình quang sinh ñiển hình
a) Quá trình quang hợp
Khái niệm:
Quang hợp là quá trình trong ñó thực vật chứa chlorophyll biến ñổi năng lượng ánh
sáng Mặt trời thành năng lượng quang hoá trong các hợp chất hữu cơ bền vững.
Thực chất của quá trình quang hợp là quá trình khử CO

2
nhờ năng lượng ánh sáng tạo
ra các hydrat cacbon (như glucoza, hay các dẫn xuất của các chất hữu cơ khác như lipit,
protein, gluxit, ) có thể biểu diễn quá trình quang hợp theo sơ ñồ:
n CO
2
+ 2n H
2
X → (CH
2
O)
n
+ 2n X
Ở ñây X là chất ñược sử dụng ñể khử CO
2
có thể là oxy (khi ñó n = 6) hoặc các chất
khác như lưu huỳnh hoặc vắng mặt.
Các giai ñoạn của quá trình quang hợp:
Quá trình quang hợp gồm hai giai ñoạn cơ bản là giai ñoạn sáng (pha sáng) và giai
ñoạn tối (pha tối):
- Pha sáng là quá trình ñầu tiên của quang hợp, ở giai ñoạn này các sắc tố hấp thụ
phôton ánh sáng (kéo dài khoảng 10
-8
s) và xảy ra hàng loạt phản ứng quang hoá, phản ứng
enzim dẫn ñến giải phóng ô xy từ nước (kéo dài khoảng 10
-3
s). Kết quả là tạo ra các hợp
chất có năng lượng cao như ATP và NADPH
2
, thời gian sống khoảng 10

-1
s).
- Pha tối xảy ra tiếp theo, không ñòi hỏi sự tham gia của phôton. ở pha này các hợp
chất có năng lượng cao như ATP và NADPH
2
ñược dùng vào quá trình khử CO
2
và chuyển
hoá hydrat cacbon ( kéo dài khoảng 10
-3
s)
b) Quá trình thị giác
Là quá trình mà người và ñộng vật nhờ tác dụng của ánh sáng nhận ñược thông tin từ
môi trường bên ngoài.
Quá trình thị giác bắt ñầu bằng quá trình vật lý ñó là các quá trình khúc xạ ánh sáng
qua quang hệ mắt và hấp thụ ánh sáng bởi các sắc tố cảm quang; Tiếp sau quá trình vật lý là
quá trình quang hoá.
Ánh sáng sau khi khúc xạ qua quang hệ mắt sẽ tới võng mạc. Trên võng mạc chứa
khoảng 130 triệu tế bào hình que và 7 triệu tế bào hình nón. ở tế bào hình que có chứa hai loại
Vuihoc24h.vn

111

sắc tố cảm quang, có cực ñại hấp thụ là 498 nm và 552 nm; Tế bào hình nón lại chứa hai loại
sắc tố cảm quang có cực ñại hấp thụ là 445 nm và 620 nm.
Khi ánh sáng tác dụng lên sắc tố cảm quang thì phôton ánh sáng ñược hấp thụ và năng
lượng hν của phôton ñược ñịnh xứ trong tế bào. Tiếp ñó xảy ra các phản ứng quang hoá mà
kết quả là làm xuất hiện một ñiện thế thụ cảm ở tế bào hình que và hình nón. ðó chính là
nguyên nhân làm xuất hiện các xung thần kinh dẫn truyền về não, gây nên cảm giác về thị
giác.

Ánh sáng có bước sóng khác nhau, cường ñộ khác nhau sẽ gây ra kích thích khác nhau
ở tế bào hình que và hình nón, tạo ra các ñiện thế thụ cảm khác nhau; Do vậy tạo ra các xung
thần kinh khác nhau và các cảm giác thị giác khác nhau về màu sắc cũng như ñộ chói sáng.
8.5.4.Tác dụng của tia tử ngoại lên hệ sinh vật
Tuỳ thuộc vào bước sóng ( của tia tử ngoại mà khi tác dụng lên hệ sinh vật có thể gây
ra những kết quả khác nhau.
Thực nghiệm cho thấy các tia tử ngoại có bước sóng từ 300 nm ñến 400 nm tạo ra
những tác dụng sinh lý, sinh hoá có lợi như kích thích các quá trình sinh trưởng, phát triển,
các quá trình sinh tổng hợp, các phản ứng men, Các tia tử ngoại có bước sóng từ 200 nm
ñến 300 nm lại gây ra nhiều biến dị di truyền, khử hoạt tính và gây chết ở sinh vật.
Tất cả các tác dụng trên của tia tử ngoại ñều có ý nghĩa quan trọng và ñược sử dụng
nhiều trong lĩnh vực nông, lâm, ngư nghiệp.

CÂU HỎI ÔN TẬP
1- Khi nào bức xạ do vật phát ra gọi là bức xạ nhiệt? Nêu những ñại lượng ñặc trưng
cho bức xạ nhiệt.
2- Vật ñen tuyệt ñối là thế nào ? Nêu ví dụ về cách tạo ra vật ñen tuyệt ñối trong thực
tế.
3- Trình bày ñịnh luật Kirchhoff về bức xạ nhiệt.
4- Giải thích quá trình bức xạ nhiệt theo giả thuyết Plank.
5- Trình bày các quy luật bức xạ của vật ñen tuyệt ñỗi.
6- Phân biệt hiện tượng quang ñiện ngoại và quang ñiện nội. Viết hệ thức Einstein
cho hiện tượng quang ñiện.
7- Mức ñộ giảm cường ñộ ánh sáng khi ñi qua một môi trường phụ thuộc vào những
yếu tố nào ? Thiết lập ñịnh luật biểu diễn sự phụ thuộc ñó.
Vuihoc24h.vn

112

8- Phân biệt hiện tượng huỳnh quang với các hiện tượng phát bức xạ khác. Trình bày

các quy luật về huỳnh quang.
9- Trình bày khái niệm và các giai ñoạn của quá trình quang sinh. Phân biêt phản ứng
sinh lý chức năng và phân hủy biến tính.
10- Thực chất của quá trình quang hợp là gì ? Quá trình quang hợp xảy ra theo mấy
giai ñoạn ?
11- Quá trình thị giác là gi ? Nêu nguyên nhân gây ra cảm giác sáng và cảm giác màu
sắc trong quá trình thị giác.

Vuihoc24h.vn