QUANG HỌC LƯỢNG TỬ.pdf

Bi giảng Vật lý đại cơng
Tác giả: PGS. TS Đỗ Ngọc Uấn
Viện Vật lý kỹ thuật
Trờng ĐH Bách khoa H nội
Ch−¬ng 5
Quang häc l−îng tö
1. Bức xạ nhiệt
1.1.Các khái niệm mở đầu:
Các nguyên tử bị kích thích phát ra bức xạ điện
từ, bức xạ do kích thích nhiệt ->Bức xạ nhiệt
Năng lợng bức xạ phát ra=năng lợng thu vo
bằng hấp thụ bức xạ =>Trạng thái cân bằng
nhiệt động ứng với nhiệt độ xác định
1.2.Các đại lợng đặc trng
dS
Năng lợng bức xạ phát ra từ dS trong
đơn vị thời gian (năng thông bức xạ từ
dS) bởi các bức xạ có tần số trong
khoảng ữ+ d l dW
p
(,T)
Hệ số hấp thụ đơn sắc


=
0
d)T,(r)T(R
Năng suất phát xạ ton phần
hay độ trng của vật
dW
t

(,T) do dS hấp thụ
dW(,T) chiếu đến dS
a(,T)<1
a(,T)=1 Vật đen tuyệt đối
dW
p
(,T)=r(,T)dS.d
r(,T)Năng suất phát xạ đơn sắc ứng với tần số
)T,(dW
)T,(dW
)T,(a
t


=
1.3. Định lý Kirkhốp (Kirchoff)
1
2
3
Trong bình kín cách nhiệt có 3
vật -> Hấp thụ mạnh cũng bức xạ
mạnh
r(,T)~a(,T)
Định lý: Tỷ số giữa năng suất phát xạ đơn sắc v
hệ số hấp thụ đơn sắc của cùng một vật ở nhiệt
độ nhất định l một hm chỉ phụ thuộc votần
số bức xạ v nhiệt độ T m không phụ thuộc
vo bản chất của vật đó
)T,(a
)T,(r

)T,(a
)T,(r
)T,(a
)T,(r
)T,(f
3
3
2
2
1
1


=


=


=
Hmphânbốl năng suất
phát xạ đơn sắc của vật đen
tuyệt đối
Nếu a(,T)=1 thì r(,T)= f(,T)
f(,T)


m2

m1

m3
T
1
>T
2
>T
3
f(,T) xây dựng bằng
thực nghiệm
vật đen tuyệt đối Hệ tách phổ bức xạ
đo T
)T,(a
)T,(r
)T,(f


=
X©y dùng f(ν,T) b»ng thùc nghiÖm (ngμy É)
§Ìn sîi ®èt
thay ®æi ®−îc
®iÖn ¸p
C¸ch tö
AS tr¾ng
Detector
M¸y
tÝnh
λ
m
f(ν,T)

λ
T
1
T
2
Tk
hc
3
Ik
h
2
2
BB
e1
hc2
e1
h
c
2
)T,(f
λ
ν
−
λ
π
=
−
νπν
=ν
2. Thuyết lợng tử của Planck

2.1. Sự thất bại của sóng ánh sáng trong việc giải
thích hiện tợng bức xạ nhiệt
Hm phân bố theo thuyết điện từ cổ điển của
Relay v Jeans
k
B
=1,38.10
-23
J/K
Hằng số Boltzmann
==


0
d)T,(r)T(R
Sự khủng hoảng vùng tử ngoại
vo cuối thế kỷ 19
Tk
c
2
)T,(f
B
2
2

=
2.2. Thuyết lợng tử của Planck
1900 Planck đa ra thuyết LT:
a. Các nguyên tử, phân tử phát xạ hay hấp thụ
năng lợng điện từ một cách gián đoạn. Phần

năng lợng phát xạ hay hấp thụ l bội nguyên
lần của một lợng năng lợng nhỏ gọi l lợng
tử năng lợng hay Quantum năng lợng
b. Đối với bức xạ điện từ đơn sắc tần số , bớc
sóng lợng tử năng lợng tơng ứng bằng

==
c
hh
h=6,625.10
-34
Js HằngsốPlanck
c. Công thức hm phân bố Planck:phát xạ đơn
sắc của vật đen tuyệt đối
2.3. Các định luật bức xạ
của vật đen tuyệt đối
a. Năng suất phát xạ ton phần


=
0
d)T,(f)T(R
Tk
h
x
B

=

=

=


=
0
4
32
44
B
x
3
32
44
B
T
T5,6
hc
Tk2
dx
1e
x
hc
Tk2
R
4
T)T(R =
=5,67.10
-8

W/m
2
K
4
hằng số Steffan-Boltzmann
ĐL1: Năng suất phát xạ ton phần của vật đen
tuyệt đối ~ T
4
của nó
Ik
h
2
2
B
e1
h
c
2
)T,(f



=
b. ĐL Vin(Wien): Đối với vật đen tuyệt đối bớc
sóng
m
của chùm bức xạ mang nhiều năng
lợng nhất tỷ lệ nghịch với nhiệt độ tuyệt của vật

m

T=b
b=2,898.10
-3
m.K Hằng số Vin
(Lấy df/d=0)
3. Thuyết photon của Anhxtanh
(Einstein)
Thuyết Planck cha nêu lên đợcbản chất gián
đoạn của bức xạ điện từ
3.1. Thuyết photon của Anhxtanh
a. Bứcxạđiệntừcấutạo bởivôsốcáchạt gọi l
lợng tử ánh sáng hay photon
b. Với một bức xạ điện từ đơn sắc xác định

==
c
hh
các photon đều giống nhau v có năng lợng
xác định bằng
c. Trong mọi môi trờng các photon có cùng vận
tốc bằng: c=3.10
8
m/s
d. Khi một vật phát xạ hay hấp thụ bức xạ điện
từ -> phát hay hấp thụ các photon
e. Cờng độ của chùm bức xạ tỷ lệ với số photon
phát ra trong 1 đơn vị thời gian
3.2. Hiện tợng quang điện:
Hiệu ứng bắn ra các điện tử từ một tấm kim loại
khi dọi lên tấm KL đó một bức xạ điện từ thích

h
ợ
p
-> các đi
ệ
nbắn ra:
Q
uan
g
đi
ệ
ntử
+
-
U
K
*I~U ->I
bão
ho
*U=0, I
0
0
-> mv
0
2
/2
U
C
I
U

0
*eU
C
= mv
0
2
/2
3.3. Giải thích các định luật quang điện:
<
0
a. Giới hạn quang điện
2
mv
A
c
h
2
max0
th
+=

0
th
A
hc
=
<
0
b. Dòng quang điện bão ho tỷ lệ với I
ánh sáng

I
điện
~ số điện tử bắn ra ~ Số photon bắn voK ~
I
ánh sán
g
=> I
đi
ệ
n
~ I
ánh sán
g
I
0
I
bão ho
)(h
2
mv
0
2
max0
ν−ν=
c. §éng n¨ng ban ®Çu cña quang ®iÖn tö
hν=hν
0
+eU
C
eU

C
=h(ν-ν
0
)
3.4. §éng lùc häc photon
N¨ng l−îng photon
λ
=ν=ε
c
hh
2
mc=ε
c
h
c
h
m
2
λ
=
ν
=
2
2
0
c
v
1
m
m

−
=
2
2
0
c
v
1mm −=
v=c => m
0
=0 khèi l−îng
nghØ cña photon b»ng 0
Động lợng photon

=

==
h
c
h
mcP
Động lợng photon tỷ lệ thuận với tần số hoặc tỷ
lệ nghịch với bớc sóng
3.4. Hiệu ứng Kôngtơn (Compton)



Graphít
1892: Khi chiếu tia X lên Graphít
Ngoi phản xạ Bragg còn ghi

đợc >
2
sin2'
2
C

==

C
=2,426.10
-12
m
Bớc sóng Compton
không phụ thuộc vo chất tinh thể, chỉ phụ
thuộc vo góc tán xạ :
Ph¶n x¹ Bragg x¶yrakhitiaX t¸nx¹trªnc¸c
®iÖn tö trong Ion t¹i nót m¹ng.
T¸n x¹ Compton x¶y ra khi photon tia X va ®Ëp
víi c¸c ®iÖn tö tù do:
§iÖn tö cã vËn tèc tr−íc va ®Ëp v=0
2
2
e
e
c
v
1
vm
'p
−

=
2
2
2
e
c
v
1
cm
'E
−
=
Tr−íc va ®Ëp Sau va ®Ëp
Photon
c
h
p
ph
ν
=
ν
=
ε
h
c
'h
'p
ph
ν
=

'h'
ν
=
ε
HÖ c« lËp: B¶o toμnn¨ngl−îng, ®éng l−îng
§iÖn tö p
e
=0, E=m
e
c
2
B¶o toμnn¨ngl−îng:
2
2
2
e
2
e
c
v
1
cm
'hcmh
−
+ν=+ν
B¶o toμn ®éng l−îng
e
,
phph
ppp

r
r
r
+=
2
e
2,
phph
p)pp(
r
r
r
=−
2
e
,
phph
2,
ph
2
ph
pcospp2pp =θ−+
r
2
2
42
e
22
e
c

v
1
cm
)'hcmh(
−
=ν−+ν
2
2
22
2
2
22
c
v
1
vm
cos
c
'h
2)
c
'h
()
c
h
(
−
=θ
νν
−

ν
+
ν
2
sin'h2)cos1('h)'(cm
22
e
θ
νν=θ−νν=ν−ν
2
sin
cm
h
2'
2
e
θ
=λ−λ
cm
h
e
C
=Λ
B−íc sãng Compton:
Λ
C
=2,426.10
-12
m
θ