Cơ sở vật lý điện quang

C
Ch

S

V T LÝ I N (T ) ậ QUANG

ng 9: Tính ch t l

ng t c a ánh sáng

1. B c x nhi t - Các đ nh lu t v b c x nhi t
B c x nhi t
B c x nhi t là s b c x c a v t nung nóng. Trong quá trình này, v t nh n
n ng l ng nhi t t môi tr ng xung quanh và b c x ra môi tr ng y, còn
tr ng thái c a v t không b thay đ i.
c đi m quan tr ng nh t c a b c x nhi t cho phép phân bi t nó v i các lo i
b c x khác là s cân b ng b c x . H kín tr ng thái cân b ng b c x có nhi t
đ không đ i và đó là đ i l ng đ c tr ng cho quá trình b c x nhi t trong h .
Tr ng thái b c x nhi t (thành ph n ph và c ng đ b c x ) ph thu c vào
nhi t đ c a v t và vào b n ch t c a v t.
Các đ nh lu t v b c x nhi t
nh lu t Kirchoff
“T s c a n ng su t b c x riêng ph n trên h s h p th riêng ph n c a m t
v t là m t h ng s không ph thu c vào b n ch t c a v t đó mà ch ph thu c
vào b c sóng c a b c x và nhi t đ c a v t”.
N ng su t b c x riêng ph n e ,T là n ng l ng phát ra trong m t đ n v th i
gian t m t đ n v di n tích b m t v t nhi t đ T theo m i ph ng trong m t
đ n v b c sóng lân c n b c sóng  .
H s h p th riêng ph n:
a  ,T 

d : thông l

d
d

ng b c x có b c sóng n m trong kho ng m t đ n v b c sóng
c sóng  t i m t đ n v di n tích b m t v t có nhi t đ T t m i

lân c n b
ph ng.
d : ph n quang thông b b m t đó h p th .
  ,T đ c g i là m t đ thông l ng riêng ph n c a tr ng b c x - m t đ
thông l ng c a tr ng b c x , trong m t đ n v b c sóng lân c n b c sóng
, đi qua m t đ n v di n tích đ nh h ng b t k , trong m t đ n v th i gian.
H qu :
- cùng m t nhi t đ , v t h p th m nh b c sóng nào c ng có kh n ng phát
x m nh b c sóng đó
- i v i v t đen tuy t đ i (v t có a  ,T  1 m i b c sóng và nhi t đ ):
e ,T    ,T

1


N ng su t b c x riêng ph n c a v t đen tuy t đ i là m t h ng s không ph
thu c vào b n ch t c a v t mà ch ph thu c vào b c sóng c a b c x và nhi t
đ c a v t. Nói khác đi, m t đ thông l ng b c x riêng ph n c a tr ng b c
x cân b ng nhi t đ T đúng b ng n ng su t riêng ph n c a v t đen tuy t đ i
cùng nhi t đ .
- N ng su t b c x riêng ph n c a m t v t không ph i là v t đen tuy t đ i luôn
luôn nh h n n ng su t b c x riêng ph n c a v t đen tuy t đ i cùng nhi t đ .

V t đen tuy t đ i là v t b c x lý t ng.
- i l ng quan tr ng nh t trong lý thuy t b c x nhi t là hàm m t đ thông
l ng riêng ph n c a tr ng b c x   ,T nhi t đ T, b c sóng  . V i đ nh
lu t Kirchoff, v th c nghi m, ta có th xác đ nh hàm   ,T b ng cách đo n ng
su t b c x riêng ph n c a v t đen tuy t đ i nhi t đ T, b c sóng  . K t
qu th c nghi m cho th y đ th hàm   ,T có d ng nh sau:

Nh n xét:
- D ng đ ng cong h u nh không thay đ i các nhi t đ khác nhau.
ng cong có m t c c đ i max ,   ,T . Khi t ng nhi t đ , c c đ i này t ng
và b d ch chuy n v phía b c sóng ng n.
V n đ đ t ra cho nghiên c u lý thuy t b c x nhi t là làm th nào đ đ a ra
đ c công th c   ,T phù h p v i th c nghi m.
nh lu t Stefan - Boltzmann
N ng su t b c x toàn ph n c a v t đen tuy t đ i t l v i l y th a b c 4 c a
nhi t đ tuy t đ i c a v t.
 T  T 4 v i   5,6687 .10 8 W / m2 / K 4 (xác đ nh b ng th c nghi m)
nh lu t d ch chuy n Wien
B c sóng  max ng v i c c đ i c a n ng su t b c x c a v t đen tuy t đ i bi n
thiên t l ngh ch v i nhi t đ tuy t đ i c a nó.
max

max 

b
T

v i b  2896 m.K (xác đ nh b ng th c nghi m)

2

N ng su t b c x  max ng v i c c đ i c a đ ng cong phân b n ng l ng b c
x theo ph c a v t đen tuy t đ i, t ng t l v i lu th a b c 5 c a nhi t đ
tuy t đ i c a nó.


m ax ,T

 BT 5

v i B  1,301.10 11W.m2 .K 5 .m1 (xác đ nh b ng th c nghi m)
2. Công th c Planck
Công th c Wien
D a trên các nguyên lý nhi t đ ng h c, Wien đ a ra công th c:
  ,T 

C1

5

e

 C2
T

v i các h ng s C1, C2 đ c xác đ nh b ng th c nghi m.
Công th c Wien mô t chính xác đ ng cong th c nghiêm  T v phía sóng
ng n nh ng không đúng trong mi n b c sóng dài.

Công th c Rayleigh – Jeans
Xu t phát t lý thuy t đi n t h c, v i mô hình dao đ ng t đi u hòa và đ nh
lu t phân b đ u n ng l ng theo các b c t do, Rayleigh và Jeans đã đ a ra
công th c:
  ,T 

2c

4

3

kT


Công th c Rayleigh – Jeans mô t đúng đ ng cong th c nghi m  T v phía
sóng dài nh ng hoàn toàn sai v phía sóng ng n (th m ho t ngo i).
Công th c Planck
Planck đ a ra công th c c a mình v i gi thuy t là n ng l ng (c ng nh đi n
l ng) có c u trúc gián đo n. N ng l ng b c x /h p th c a m t dao đ ng t
không th có m t tr s b t k mà bao gi c ng là b i s nguyên c a m t n ng
l ng nguyên t (g i là l ng t n ng l ng). L ng t n ng l ng t n s  có
tr s b ng h , v i h là m t h ng s (h ng s Planck).
Công th c Planck có d ng:
  ,T 

2hc 2



1

5

e

hc
kT

v i h  6,62517 .10 34 J .s
1

Công th c Planck phù h p m t cách chính xác v i đ ng cong th c nghi m
 T , m i nhi t đ có th đ t đ c và m i b c sóng có th đo đ c. i u đó
xác nh n s đúng đ n c a gi thuy t l ng t n ng l ng c a Planck.
T công th c Planck, ta có th suy ra công th c Rayleigh - Jeans, công th c
Wien, đ nh lu t Stefan - Boltzmann và đ nh lu t d ch chuy n Wien.
3. Hi u ng quang đi n
Hi u ng quang đi n (ngoài) là hi n t ng đi n t b b t ra kh i b m t v t li u
khi đ c chi u sáng thích h p.

Các quy lu t th c nghi m:
- V i m t lo i v t li u xác đ nh, t n t i m t t n s ng ng 0 (gi i h n đ c a
hi u ng quang đi n).
d c đ th đ ng n ng c c đ i c a quang đi n t theo t n s Kmax ( ) không
ph thu c lo i v t li u.
- C ng đ dòng quang đi n bão hoà t l v i c ng đ chùm sáng.
- Hi u ng quang đi n h u nh không có quán tính.

4

Gi thuy t l ng t ánh sáng c a Einstein.
Thuy t sóng đi n t ánh sáng không th gi i thích đ c th a đáng các quy lu t
c a hi u ng quang đi n. N m 1905, Einstein đã đ a ra gi thuy t cho r ng
n ng l ng v n chuy n trong chùm sáng không phân b đ u trên m t sóng mà
t p trung vào m t ph n r t nh c a m t sóng t c là vào m t l ng t ánh sáng
(sau này đ c g i là photon). Ánh sáng đ n s c t n s  truy n trong chân
không t ng ng v i m t chùm l ng t ánh sáng hay photon. Các photon
chuy n đ ng v i v n t c ánh sáng c và mang n ng l ng:
E  h v i h là h ng s Planck
C ng đ chùm sáng đ n s c t l thu n v i s photon trong chùm. V i n ng
l ng thích h p, khi t ng tác v i m t đi n t , photon s truy n h t n ng
l ng c a mình cho đi n t đó và b h y (b h p th tr n v n).
V i gi thuy t l ng t ánh sáng c a Einstein, các quy lu t c a hi u ng quang
đi n có th đ c gi i thích đ n gi n nh sau:
thoát kh i b m t v t li u, đi n t ph i có n ng l ng ít nh t b ng công
thoát Ae . N u n ng l ng đi n t nh n đ c t photon h nh h n Ae thì nó
không th b t ra kh i b m t v t li u đ c. Nh v y, t n t i m t t n s ng ng
 0 v i h 0  Ae . Ch v i ánh sáng có    0 , đi n t m i nh n đ n ng l ng đ
b t ra kh i m t v t li u. Ae là đ i l ng đ c tr ng cho t ng lo i v t li u nên  0
c ng v y và không ph thu c c ng đ ánh sáng t i.
- Khi đi n t h p th m t photon h , theo đ nh lu t b o toàn n ng l ng:
K max  h  Ae (ph ng trình quang đi n Einstein)
h  Ae  K max
Thay K max  eVs và Ae  h 0  Vs    0 
h
e

d c c a đ th Vs   là h / e  const và không ph thu c lo i v t li u.

- C ng đ dòng quang đi n bão hòa ( khi    0 ).
N u N là s photon trong chùm sáng đ n s c t i có t n s  thì c ng đ c a
chùm sáng là I  aNh v i a là h s t l . Gi s trong s N photon t i ch
có kN ( k  1 ) gây hi u ng quang đi n, ph n còn l i b h p th và chuy n thành
nhi t. M i photon gây hi u ng quang đi n s làm b t ra m t đi n t và c ng
đ dòng quang đi n bão hòa i b ng:
i  kNe v i N 

I
ah

i

ke
I  I .
ahv

- Khi h p th photon, đi n t nh n đ c ngay toàn b n ng l ng c a photon
và có th b t ra kh i b m t v t li u ngay l p t c và vì v y hi u ng quang đi n
không có quán tính.
Khi Einstein đ a ra gi thuy t photon (1905), các đ c đi m th c nghi m v
hi u ng quang đi n c n ch a r ràng, đ y đ . S ph thu c tuy n tính c a Vs
vào t n s ánh sáng t i đ c kh ng đ nh nh thí nghi m c a Millikan (1916).

5


Trong thí nghi m này, Millikan đã xác đ nh đ c giá tr t s h e , t đó tính
đ c giá tr c a h ng s h phù h p v i các ph ng pháp khác. Gi thuy t c a
Einstein đ c ki m ch ng hoàn toàn. Einstein đ c nh n gi i Nobel cho công

trình nghiên c u hi u ng quang đi n vào n m 1921.
4. Hi u ng Compton.
N m 1923, Compton nghiên c u s tán x tia X trên nh ng nguyên t nh và
nh n th y r ng trong tia X tán x , ngoài thành ph n cùng b c sóng tia X t i,
còn có thành ph n có b c sóng khác. S thay đ i b c sóng (t n s ) c a tia X
khi tán x trên các nguyên t nh đ c g i là hi u ng Compton.
Thí nghi m Compton:

Chùm tia X đ n s c b c sóng 0, g n nh song song t i đ p vào bia graphite.
Ph n tia X tán x theo góc đ c thu nh n và phân tích b ng m t máy quang
ph tia X.

Trên ph thu đ c, ngoài v ch 0 còn xu t hi n v ch ’= 0 + có c ng đ
nh h n.
d ch chuy n b c sóng
không ph thu c vào 0 và v t li u bia,
nh ng t ng theo góc tán x theo h th c:

o

v i k  0.0241 A là h ng s xác đ nh b ng th c nghi m, đ c g i là b c sóng
Compton.
Gi i thích:
d ch chuy n b c sóng
không ph thu c b n ch t v t tán x
ch ng t hi u ng Compton không liên quan đ n h t nhân nguyên t mà ch
liên quan đ n đi n t trong nguyên t . C ng đ v ch tán x Compton l n đ i
v i các nguyên t nh cho th y r ng các đi n t gây ra hi u ng là nh ng đi n

6

t liên k t y u v i h t nhân và m t cách g n đúng có th đ c xem là nh ng
đi n t t do.
V i gi thuy t l ng t ánh sáng, t ng tác gi a tia X v i v t li u tán x có th
đ c xem là va ch m đàn h i gi a photon X v i đi n t t do trong v t li u đó
và vì v y ta có th áp d ng đ c đ nh lu t b o toàn n ng l ng và đ nh lu t b o
toàn xung l ng.

Tính toán lý thuy t theo quan ni m nói trên cho k t qu khá phù h p v i th c
nghi m:

5. L ng tính sóng h t c a ánh sáng
Ánh sáng là m t th c th v t lý, khi thì bi u hi n tính ch t sóng (giao thoa,
nhi u x , phân c c), khi thì bi u hi n tính ch t h t (hi u ng quang đi n, hi u
ng Compton). Sóng-h t là hai m t đ i l p nh ng cùng song song t n t i trong
th c th ánh sáng. L ng tính sóng-h t này c ng là tính ch t chung cho m i h t
c b n khác.
Theo thuy t sóng, c ng đ chùm sáng t l v i bình ph ng biên đ ch n
đ ng sáng. Theo thuy t h t, c ng đ chùm sáng t l v i s photon. Trên th c
t , ng i ta ch chú ý t i phân b c ng đ sáng, t c là phân b s l ng
photon. Bình ph ng biên đ ch n đ ng sáng t i m t đi m đ c xem là t l
v i xác su t tìm th y photon t i đi m đó.

7