Giáo trình hướng dẫn tìm hiểu về phương pháp thí nghiệm của Pease và Pearson trong thí nghiệm về chùm tia sáng phần 7 pot

Ta thấy công thức trên phù hợp với các kết quả thực nghiệm. (( tăng theo góc tán xạ và
không tùy thuộc bản chất vật tán xạ cũng như không tùy thuộc độ dài sóng ( của tia X.
Các electron đề cập tới ở trên phải là các electron tự do hoặc liên kết yếu với nhân
nguyên tử. Nếu photon X đụng một electron liên kết chặt với nhân thì cả nguyên tử đều chịu
tác dụng của sự đụng và khối lượng mo phả
i coi là khối lượng của nguyên tử hơn là khối
lượng của electron. Trong trường hợp này, mo rất lớn (so với trường hợp đụng electron tự
do) nên (( rất nhỏ, không thể phát hiện được. Đó là trường hợp của các photon X tạo thành
đỉnh A (trong hình vẽ 2). Trái lại, các photon đụng với các electron tự do, hoặc liên kết yếu
với nhân, ứng với đỉnh B trong hình vẽ.
Sự liên kết mạnh hay yếu đề cập tới
ở đây có ý nghĩa tương đối. Với các tia X có năng
lượng lớn thì đa số các electron bị đụng tác dụng lại photon như các electron tự do, nhưng
với các tia X có năng lượng nhỏ thì nó tác dụng như những electron bị buộc, trừ trường hợp
nguyên tử tán xạ có nguyên tử số thấp. Chính vì vậy, các photon của ánh sáng thấy được
không thể gây ra hiệu ứng compton, vì đối với các photon này, các electron đều coi như liên
kết chặ
t với nhân nguyên tử tán xạ.


§§3. SÓNG VÀ HẠT.
Sóng hay hạt? Đó là một cuộc tranh chấp đã kéo dài từ lâu về bản chất của ánh sáng.
Nhận thức của loài người đã trải qua các chuyển biến lớn và sâu sắc về vấn đề này. Từ quan
điểm hạt đàn hồi của Newton, nhận thức đó đã tiến một bước dài khi chấp nhận quan điểm
sóng đề ra đầu tiên bởi Huyghen. Sau một loạt các thí nghiệm về giao thoa, nhi
ễu xạ, phân
cực ánh sáng và sự giải thích dựa trên thuyết quang học sóng của Young, Fresnel, Arago,
Malus, Cornu,…. nhất là sau công trình của Maxwell chứng tỏ rằng ánh sáng là một loại
sóng điện từ có độ dài sóng ngắn, thì quan điểm sóng về bản chất ánh sáng đã lên tới đỉnh
cao nhất của nó.

Quan điểm hạt của Newton hoàn toàn bị thay thế bởi thuyết sóng khi Foucoult chứng tỏ
vận tốc ánh sáng trong một môi trường nhỏ hơn v
ận tốc trong chân không (ngược với quan
điểm Newton), và sau khi thuyết ánh sáng là sóng điện từ độ dài sóng ngắn của Maxwell
được Hertz kiểm chứng vào năm 1888 khi ông dùng một mạch dao động kích thước nhỏ
làm phát sinh sóng điện từ có độ dài sóng ngắn (viba) và chứng tỏ bằng thí nghiệm, sóng
ngắn này có các tính chất của ánh sáng : giao thoa, nhiễu xạ, phân cực, …
Nhưng cũng chính Hertz là người phát hiện hiệu ứng quang điện vào năm 1887, một
hiện tượ
ng không thể giải thích bằng thuyết sóng. Năm 1900, khi khảo sát về sự bức xạ của
vật đen, Planck đề ra thuyết điện tử. Năm 1905 Einsteins khai triển thuyết điện tử của
Planck, đưa ra thuyết photon để giải thích hiệu ứng quang điện của Hertz. Chúng ta lại đi
dần về quan điểm hạt về bản chất của ánh sáng. Quan điểm này nổi lên rấ
t rõ rệt, như ta đã
thấy, trong công trình khảo cứu về sự tán xạ của tia X bởi Compton vào năm 1923.
Muốn giải các hiện tượng liên quan đến sự truyền của ánh sáng (như giao thoa, nhiễu xạ,
…) ta không thể gạt bỏ thuyết sóng điện từ của Maxwell, để giải thích được các hiện tượng
tương tác giữa ánh sáng và vật chất (phát xạ, hấp thụ) ta phải chấp nhận quan điểm h
ạt
photon của Einstein. Vấn đề ở đây bây giờ không phải là sự tranh chấp giữa hai quan điểm
mà lại sự thống nhất chúng lại. Ngày nay chúng ta công nhận ánh sáng có bản chất lưỡng
tính sóng và hạt. Hai tính chất này cùng tồn tại trong một thể thống nhất là ánh sáng và tùy
Click to buy NOW!
P
D
F
-
X
C
h

a
n
g
e

V
i
e
w
e
r
w
w
w
.
d
o
c
u
-
t
r
a
c
k
.
c
o
m
Click to buy NOW!

P
D
F
-
X
C
h
a
n
g
e

V
i
e
w
e
r
w
w
w
.
d
o
c
u
-
t
r
a

c
k
.
c
o
m
điều kiện của hiện tượng khảo sát, bản chất này hay bản chất kia của ánh sáng được thể hiện
ra. Ta có thể coi: sóng và hạt là hai tính hỗ bổ, hai tính phụ nhau của ánh sáng.
Giữa hai mặt sóng và hạt có những liên hệ, có tính thống nhất, chứ không thể là hai mặt
độc lập với nhau. Thí dụ, khi xét về cường độ sáng tại một vị trí nào đó, vào một thời điểm
nào đó, ta đã biết c
ường độ sáng tỷ lệ với bình phương biên độ của sóng. Mặt khác theo
thuyết photon của Einstein thì cường độ sáng tỷ lệ với số photon tới vị trí đó vào cùng một
thời điểm. Chúng ta sẽ thấy sự thống nhất của hai quan điểm khi thừa nhận rằng bình
phương biên độ của sóng biểu diễn xác suất tìm thấy một photon ở vị trí và thời điểm khảo
sát.
Khi thực hiện vân giao thoa trên một màn E chẳng hạn, ta được một hệ thống vân ứng
với các vị trí có bình phương biên độ sóng cực đại và cực tiểu. Điều đó cũng có nghĩa là sự
phân bố các phototn tới màn E không theo một xác suất đều nhau, mà có những vị trí xác
suất này cực đại (vân sáng), có những vị trí khác xác suất này cực tiểu (vân tối).
Theo thuyết sóng ngời ta không thừa nhận các photon có những quỹ đạo xác đị
nh như
trong quang hình học. Ta có thể lấy một ví dụ quen thuộc, thí nghiệm về vân nhiễu xạ ở vô
cực tới hai khe young. Khi ta dùng cả 2 khe, trên màn ảnh ta được các vân giao thoa trong
ảnh nhiễu xạ. Nếu ta che một khe đi thì các vân giao thoa biến mất chỉ còn lại ảnh nhiễu xạ
mà thôi. Nghĩa là, các photon đã tới màn E, tại các vị trí mà chúng không tới được khi còn
mở cả hai khe. Ta có thể kiểm nghiệm điều này bằng cách giảm dần cường
độ ánh sáng
chiếu tới các khe young. Tới một mức yếu nào đó, ta có thể coi như không còn sự tương tác
nữa. Nhưng thí nghiệm cho thấy hệ thống vân giao thoa vẫn không có gì thay đổi (dĩ nhiên

hệ thống vân này không thể quan sát trực tiếp bằng mắt, mà phải in lên một phim ảnh). Như
vậy, ta phải kết luận rằng : các photon, cũng như một photon riêng lẻ, không có một quỹ đạo
xác định. Chúng có thể tới một v
ị trí này, nhiều hơn một vị trí khác theo một quy luật nào
đó. Quy luật đó được thiết lập bằng thuyết sóng như ta đã khảo sát trong các chương giao
thoa, nhiễu xạ, Như vậy, phương trình sóng không cho ta biết vị trí xác định, quỹ đạo xác
định của một photon, cũng như không cho ta biết photon chuyển động cụ thể như thế nào.
Nó chỉ biểu diễn một cách thống kê các đặc tính trong sự chuyển độ
ng của photon.
Sự kết hợp hai bản chất sóng và hạt đã giúp chúng ta hiểu được một cách bao quát các
đặc tính của ánh sáng. Hơn thế nữa, từ bản chất lưỡng tính của ánh sáng, người ta đã suy
rộng ra cho các hạt vật chất khác, như ta đã biết trong lý thuyết của Louis De Broglie.


§§4. ÁP SUẤT ÁNH SÁNG (ÁP SUẤT BỨC XẠ).
Nếu ánh sáng gồm những hạt mang năng lượng và chuyển động thì có thể nghĩa rằng :
khi một chùm tia sáng đập vào một bề mặt S, các photon sẽ truyền cho bề mặt này một động
lượng, nghĩa là sẽ tác dụng lên bề mặt đó một áp suất, tương tự như khi ta tác dụng một lực
nén lên diện tích S. Áp suất ánh sáng này đã được Maxwell đoán trước năm 1874, nhưng
không phải dựa trên thuyết photon, mà suy ra t
ừ thuyết sóng điện từ. Tới năm 1900, mới
được kiểm chứng lần đầu tiên bởi Lebedew.
Ta có thể giải thích hiện tượng áp suất ánh sáng một cách đơn giản dựa trên quan đểm
photon. Xét một chùm tia sáng có tần số (, mật độ photon là n (số photon trong một đơn vị
thể tích) ứng với một năng lượng là u = n h (. Số photon tới thẳng góc một đơn vị diện tích
S trong một đơn vị
thời gian là nC ứng với một năng lượng là :

hh
p

nC nC nh u
C
ν
ν
λ
== ==

Click to buy NOW!
P
D
F
-
X
C
h
a
n
g
e

V
i
e
w
e
r
w
w
w
.

d
o
c
u
-
t
r
a
c
k
.
c
o
m
Click to buy NOW!
P
D
F
-
X
C
h
a
n
g
e

V
i
e

w
e
r
w
w
w
.
d
o
c
u
-
t
r
a
c
k
.
c
o
m

- Nếu bề mặt có tính hấp thụ hoàn toàn thì động lượng p được hoàn toàn truyền cho một
đơn vĩ diện tích S của bề mặt đó.
Aùp dụng định luật căn bản về động lượng và xét với một
đơn vị diện tích trên bề mặt của vật được chiếu sáng, ta có :


f là lực do chùm tia sáng tác dụng lên một đơn vị diện tích bề mặt của vật. (P’ là sự biến
thiên động lượng ứng với một đơn vị diện tích bề mặt của vật trong thời gian (t = 1s. vậy

∆P’ = p = u = f
Ta thấy f chính là áp suấ
t ánh sáng p, vậy (4.1)
- Nếu bề mặt phản xạ một phần với hệ số phản chiếu là ( thì trong nC photon tới diện
tích đơn vị S có nC (1 - ( ) photon bị hấp thụ và nC ( photon phản xạ trở lại.
nC (1 - () photon bị S hấp thụ nên truyền cho diện tích đơn vị S một động lượng là
(1 ) (1 )
hv
nC u
c
ς
ς
−=−.
Xét các photon phản xạ. Một photon khi tới dện tích đơn vị S có động lượng làĠ khi
phản xạ trở lại, theo định luật bảo toàn động lượng, có động lượng làĠ (bằng và ngược
chiều với động lượng khi đến) vậy nếu chỉ xét riêng photon độ biến thiên động lượng có trị
số là 2hv/c động lượng được truyền cho diện tích đơn vị S. Động lượng
do nc(, photon phả
n xạ truyền cho diện tích S là :
2
2
hv
nC u
C
ζ
ζ
×=
Vậy áp suất ánh sáng là :
Với (t = 1 giây

Và (P’ = ( 1 - ( ) u + 2 ( u = ( 1 + ( ) u

Do đó có (4.2)

- Nếu bề mặt phản xạ toàn phần, ta có ( = 1. Vậy
(4.3)

- Với bề mặt hấp thụ hoàn toàn, ( = 0, ta tìm lại được công thức : P = u
Nhận xét công thức (4.2), ta thấy u là mật độ năng lượng của chùm tia tới, ( u là mật độ
của chùm tia phản xạ. Do đó ta có thể viết công thức tổng quát cho 3 trường hợp trên dưới
dạng :
P = Σ u
( u là t
ổng số mật độ năng lượng của các chùm tia tới và phản xạ ở phía trước bề mặt S.

f
t
P
=
∆
∆
'

p
= u
'
'
t
P
fP

∆
∆
==

P = ( 1 +
ζ
) u
P = 2u
c
hv

c
hv
−
Click to buy NOW!
P
D
F
-
X
C
h
a
n
g
e

V
i
e

w
e
r
w
w
w
.
d
o
c
u
-
t
r
a
c
k
.
c
o
m
Click to buy NOW!
P
D
F
-
X
C
h
a

n
g
e

V
i
e
w
e
r
w
w
w
.
d
o
c
u
-
t
r
a
c
k
.
c
o
m
Bây giờ ta xét trường hợp chùm tia sáng tới bề mặt của vật dưới một góc i. Để đơn giản,
ta vẫn chỉ xét diện tích đơn vị S. Thiết diện thẳng của chùm tia là S cosi = cosi. Số photon

tới S trong một đơn vị thời gian là nc.cosi ứng với một động lượng có trị số là :
cos . cos
hv
Pnc i u i
c
==

và có phương là phương truyền của tia sáng.
Thành phần của P trên phương thẳng góc với S là :
P
N
= P cosi = ucos
2
i
Áp suất ánh sáng bây giờ là :
P = ∆P
N

Lập lại cách chứng minh tương tự trường hợp tia tới thẳng góc, ta được :
P = ( Σ u ). cos
2
i
Áp suất ánh sáng rất nhỏ. Áp suất ánh sáng do mặt trời tác dụng vào một bề mặt trong
các điều kiện tốt nhất (giữa trưa, chiếu thẳng góc, bề mặt phản xạ hoàn toàn) cũng chỉ vào
khoảng 10-5 N/m2 nghĩa là chỉ bằng 10-10 lẫn áp suất khí quyển chuẩn định (76 CmHg (
105 N/m2).

§§5. TÁC DỤNG HÓA HỌC CỦA ÁNH SÁNG.
Rất nhiều phản ứng hóa học chỉ xảy ra dưới tác dụng của ánh sáng như tác dụng trên
phim ảnh, sự cấu tạo chất ozon từ oxi do tác dụng của ánh sáng tử ngoại, một số lớn phản

ứng thế của các hidrocarbon với Clor, v.v Tác dụng của ánh sáng trong các phản ứng hóa
học như vậy được gọi là tác dụng quang hóa.
Vai trò của ánh sáng có thể chỉ là khơi mào, sau đó phản ứng hóa học tự
nó tiếp diễn.
Cũng có nhiều phản ứng chỉ xảy ra trong thời gian được chiếu sáng, và phản ứng sẽ ngưng
khi sự chiếu sáng chấm dứt.
Một trong những phản ứng quang hóa đặc biệt quan trọng là phản ứng quang tổng hợp
bởi cây xanh với carbon rút từ khí carbonic (CO2) trong không khí để tạo thành các hợp
chất hữu cơ như glucoz, celuloz, tinh bột, v.v là những chất rất quan trọng trong đời sống
thực vật và động vật. Sự tổng hợp này phóng thích khí O2 theo phản ứng:
CO
2
+ H
2
O → HCOH + O
2

Chất Aldehid formic tạo thành (HCOH) lại trùng hợp để thành glucoz hay các hidrad
carbon khác.
Theo Einstein, trong các phản ứng quang hóa mỗi một phân tử vật chất được hình thành
hay bị phân tích chỉ hấp thụ năng lượng của một photon mà thôi.
Từ các kết quả thí nghiệm, người ta rút ra được các định luật sau :
* Định luật 1 :
Khối lượng m của các chất được tạo thành trong phản ứng quang hóa thì tỷ lệ với quang
thông ( của ánh sáng kích thích và với thời gian chiếu sáng t
m = K . ( . t; K = hằng số tỷ lệ
* Định luật 2 :
N
i
s

Click to buy NOW!
P
D
F
-
X
C
h
a
n
g
e

V
i
e
w
e
r
w
w
w
.
d
o
c
u
-
t
r

a
c
k
.
c
o
m
Click to buy NOW!
P
D
F
-
X
C
h
a
n
g
e

V
i
e
w
e
r
w
w
w
.

d
o
c
u
-
t
r
a
c
k
.
c
o
m
Năng lượng của photon kích thích trong phản ứng quang hóa phải lớn hơn một trị số w,
đó là năng lượng cần thiết để phân tích hay tạo thành một phần tử trong phản ứng:
hν ≥ w hay
⇒ λ ≤
hc
w

Như vậy ta thấy các ánh sáng có độ dài sáng ngắn (tia tử ngoại) đóng vai trò đặc biệt
quan trọng trong các phản ứng quang hóa.
Có nhiều trường hợp năng lượng của photon không phải được hấp thụ một cách trực tiếp
bởi các chất tham gia trong phản ứng, mà phải qua một chất trung gian, chất trung gian này
được gọi là chất nhạy hóa.
Thí dụ phản ứng tạo thành nước nặng (H2O2) bởi H2O và O2
2H
2
O + O

2
→ 2H
2
O
2
Là phản ứng quang hóa do tác dụng của bức xạ 2536Ao của thủy ngân. Nhưng hơi nước
và Oxizen đều không hấp thụ được bức xạ này, nên người ta phải trộn vào với hơi nước và
Oxizen một ít hơi thủy ngân. Hơi thủy ngân là chất trung gian, hấp thụ mạnh năng lượng
của photon 2536 Ao và truyền năng lượng lại cho chất chính trong phản ứng. Do quá trình
trung gian này phản ứng trên xảy ra rất nhanh.

w
hc
≥
λ
Click to buy NOW!
P
D
F
-
X
C
h
a
n
g
e

V
i
e
w
e
r
w
w
w
.
d
o

c
u
-
t
r
a
c
k
.
c
o
m
Click to buy NOW!
P
D
F
-
X
C
h
a
n
g
e

V
i
e
w
e

r
w
w
w
.
d
o
c
u
-
t
r
a
c
k
.
c
o
m