Bài giảng vật lý đại cương 2 chương 9 GV nguyễn như xuân

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SƢ
BỘ MÔN VẬT LÝ

NGUYỄN NHƢ XUÂN

VẬT LÝ ĐẠI CƢƠNG 2


Chƣơng 9: QUANG LƢỢNG TỬ
I – Các khái niệm và đại lƣợng cơ bản về
bức xạ nhiệt
II – Các định luật về bức xạ nhiệt
III – Thuyết lƣợng tử của Planck

IV – Thuyết photon của Einstein
V – Hiệu ứng Compton


I – CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐẠI LƢỢNG CƠ BẢN

1 – Bức xạ nhiệt:




Là những bức xạ mà
năng lƣợng cung cấp
cho vật bức xạ là nhiệt
năng.
Đặc điểm:




Là dạng bức xạ phổ Nhiệt năng
biến nhất, xảy ra ở mọi
nhiệt độ.
Là bức xạ cân bằng.

BXN


I – CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐẠI LƢỢNG CƠ BẢN

2 – Năng suất phát xạ:


Năng suất phát xạ đơn sắc:

r ,T 

dWp (, T)
dS.d

r (,T): Năng suất phát xạ đơn sắc ( W/m2)
dWP(,T): Năng thông bức xạ tần số  phát ra
từ diện tích dS (năng lƣợng phát ra từ dS
trong một giây)

• Năng suất phát xạ toàn phần:


R T   r(, T)d
0

RT: năng suất phát xạ toàn phần (W/m2)


I – CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐẠI LƢỢNG CƠ BẢN
Ý nghĩa của năng suất phát xạ:




Năng suất phát xạ đơn sắc: cho biết năng lƣợng
do một đơn vị diện tích mặt ngòai của vật phát
ra trong một đơn vị thời gian, ở nhiệt độ T, ứng
với bƣớc sóng .
Năng suất phát xạ toàn phần: cho biết năng
lƣợng do một đơn vị diện tích mặt ngòai của vật
phát ra trong một đơn vị thời gian, ở nhiệt độ T,
ứng với mọi bƣớc sóng.

csphatxa P
R

dientich
S


I – CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐẠI LƢỢNG CƠ BẢN

3 – Hệ số hấp thụ đơn sắc:

dWt (, T)
a(, T) 
dW(, T)

dS

dW(,T): năng thông gởi tới diện tích dS
dWt(,T): năng thông do dS hấp thu

a(,T): hệ số hấp thụ đơn sắc
Thực tế: a(,T) < 1
Vật đen tuyệt đối: a(,T) = 1


II – CÁC ĐỊNH LUẬT VỀ BỨC XẠ NHIỆT
1 – Định luật Kirchhoff:

Tỉ số giữa năng suất
phát xạ đơn sắc và hệ số
hấp thu đơn sắc của
cùng một vật ở nhiệt độ
nhất định là một hàm chỉ
phụ thuộc vào tần số bức
xạ  và nhiệt độ T mà
không phụ thuộc vào
bản chất của vật đó.


r(,T)
 f (,T)
a(,T)
f(,T): hàm phổ biến.
Đối với vật đen tuyệt
đối: f(,T) = r(,T).


II – CÁC ĐỊNH LUẬT VỀ BỨC XẠ NHIỆT
Khảo sát năng suất phát xạ đơn sắc của vật đen tuyệt đối
bằng thực nghiệm:


Bố trí thí nghiệm:
G

f(,T)

0

m1 m3

T3 > T2 >
T1



II – CÁC ĐỊNH LUẬT VỀ BỨC XẠ NHIỆT




Kết quả - Nhận xét:
Năng suất phát xạ đơn sắc của vật đen tuyệt
đối ở nhiệt độ khác nhau thì khác nhau và tăng
nhanh khi nhiệt độ tăng.
Năng suất phát xạ của vật đen tuyệt đối
phân bố không đồng đều theo bƣớc sóng.
f(,T)
T3 > T2 > T1

0

m1 m3



Cực đại của năng suất
phát xạ đơn sắc của
vật đen tuyệt đối dịch
chuyển về miền tần số
cao khi nhiệt độ tăng.


II – CÁC ĐỊNH LUẬT VỀ BỨC XẠ NHIỆT
2 – Định luật Stefan – Boltzmann:

Năng suất phát x toàn phần của vật đen tuyệt
đối tỉ lệ với lũy thừa bậc 4 của nhiệt độ tuyệt đối

của vật đó.

R T  T

4

với  = 5,67.10 – 8 W/m2K4 gọi là hằng số
Stefan - Boltzmann
Mở rộng: Nếu không phải vật đen tuyệt đối thì:

RT = T4


II – CÁC ĐỊNH LUẬT VỀ BỨC XẠ NHIỆT
3 – Định luật Wien
 Bƣớc sóng m ứng với cực đại
của năng suất phát xạ đơn sắc
của vật đen tuyệt đối tỉ lệ nghịch
với nhiệt độ tuyệt đối của vật.

b
m 
T

f(,T)
T3 > T2 > T1

0

m1 m3



Với b = 2,9.10 – 3 (mK), gọi
là hằng số Wien


II – CÁC ĐỊNH LUẬT VỀ BỨC XẠ NHIỆT

4 – Công thức Rayleigh - Jeans
2
f (, T)  2 kT
c

Phù hợp với thực nghiệm
ở vùng tần số rất thấp.

2

f(,T)

Đường cong thực lý thuyết
Rayleigh - Jeans
Đường cong thực nghiệm

0



III – THUYẾT LƢỢNG TỬ CỦA PLANCK
1 –Những cơ sở của thuyết lƣợng tử:







Kết quả khảo sát thực nghiệm về bức xạ của vật đen
tuyệt đối đã có, đã rút ra đƣợc các định luật, nhƣng
chƣa có lời giải thích thỏa đáng.
Đặt vấn đề:
Dạng hàm f(,T) nhƣ thế nào để phù hợp với thực
nghiệm?
Tại sao quan điểm của Vật lý cổ điển về tính liên tục
của sự hấp thu hay phát xạ sóng điện từ và định luật
phân bố đều năng lƣợng theo các bậc tự do lại mâu
thuẫn với thực nghiệm?


III – THUYẾT LƢỢNG TỬ CỦA PLANCK
2 – Nội dung của thuyết lƣợng tử:
Các nguyên tử, phân tử phát xạ hay hấp thu năng
lƣợng của bức xạ điện từ một cách gián đọan: phần NL
phát xạ hay hấp thu luôn là bội số nguyên của một NL
nhỏ xác định gọi là lƣợng tử NL hay quantum NL.


Đối với một bức xạ điện từ đơn sắc, tần số , bƣớc sóng

, lƣợng tử NL  tƣơng ứng bằng:


c
  h  h

Trong đó: h = 6,625.10 – 34 (J.s), gọi là hằng số Planck
c = 3.10 8 (m/s) là vận tốc sóng điện từ trong chân không.


III – THUYẾT LƢỢNG TỬ CỦA PLANCK
3 – Các hệ quả của thuyết lƣợng tử:
2
2
h
• Công thức Planck:
f (,T)  2 . h
c
• Giải thích ĐL Stefan –
e kT  1
Boltzmann:



R T   f (, T)d  5, 67.108 T 4  T 4
0

• Giải thích ĐL Wien:
3

2,898.10
b
f '  0  m 

T
T
 Công thức Rayleigh-Jeans: là trường
2 2
hợp riêng của công thức Planck ở miền f (, T)  2 .kT
c
tần số thấp.


IV – THUYẾT PHOTON CỦA EINSTEIN
1 –Những cơ sở của thuyết photon:






Kết quả khảo sát thực nghiệm về hiện
tƣợng quang điện đã có, đã rút ra đƣợc các
định luật, nhƣng không thể giải thích bằng
thuyết sóng.
Thuyết lƣợng tử Planck, chỉ nêu lên sự
gián đoạn của năng lƣợng, chƣa nêu đƣợc
bản chất gián đoạn của bức xạ điện từ.
Cần phải có lí thuyết hoàn hảo hơn.

IV – THUYẾT PHOTON CỦA EINSTEIN
2 – Nội dung của thuyết photon:




Bức xạ điện từ gồm vô số các hạt gọi là lƣợng tử ánh sáng hay
photon.
Với mỗi bức xạ điện từ đơn sắc nhất định, các photon đều giống
nhau và mang một năng lƣợng xác định:

c
  h  h








Trong mọi môi trƣờng, các photon truyền đi với vận tốc c =
3.108m/s.
Một vật phát xạ hay hấp thụ bức xạ điện từ, nghĩa là phát xạ hay
hấp thụ các photon.
Cƣờng độ chùm bức xạ tỉ lệ với số photon phát ra từ nguồn trong
một đơn vị thời gian.

IV – THUYẾT PHOTON CỦA EINSTEIN





3 – Các hệ quả của thuyết photon:
Giải thích hoàn hảo các định luật quang điện.
(tự đọc).
Thiết lập đƣợc phƣơng trình động lực học
photon:

h h
p 
 c




Giải thích đƣợc hiệu ứng Compton.
V.V…


V – HIỆU ỨNG COMPTON
1 – Sơ đồ thí nghiệm:

Tia
X

2 – Kết quả:

Ngoài vạch phổ có bƣớc sóng  của tia
X còn xuất hiện vạch phổ có bƣớc sóng
’ > .


D
P

Hiệu  = ’ -  chỉ phụ thuộc vào góc
tán xạ  mà không phụ thuộc vào bƣớc
sóng của tia X hay chất tán xạ:

   C (1  cos)  2 C sin 2 

với C = 2,43.10

– 12

2

m là bƣớc sóng Compton


V – HIỆU ỨNG COMPTON
3 – Giải thích:



p'

Hiệu ứng Compton là kết quả va chạm
đàn hồi giữa một photon tia X với
electron của nguyên tử chất tán xạ.
 Áp dụng ĐLBTĐL và BTNL:












p



mv

h  m0c  h ' mc
m0
c
c
Trong đó: m 
;   ; ' 
2


'
1  (v / c)

p  p ' m v

và

2

2

h
2
2
    '   2
sin ( / 2)  2 C sin ( / 2)
m0 c


ÔN TẬP
+ Phần lý thuyết: Định luật Kirrchoff về năng suất bức xạ vật đen
tuyệt đối. Các nội dung thuyết lượng tử Planck. Nội dung thuyết
photon Anhxtanh. Các định luật quang điện và giải thích bằng
thuyết photon. Tán xạ Compton: Công thức và giải thích định tính.
+ Các bài tập tối thiểu yêu cầu sinh viên ôn tập:
4.1 – 4.6, 4.8, 4.10, 4.11, 4.12, 4.13, 4.27, 4.31, 4.32,
4.33, 4.39, 4.41, 4.50, 4.51, 4.52, 4.53, 4.54.