LUẬN văn sư PHẠM vật lý THIẾT kế tài LIỆU học tập PHẦN LƯỢNG tử ÁNH SÁNG THEO cấu TRÚC KHỐI KIẾN THỨC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƯ PHẠM
BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

THIẾT KẾ TÀI LIỆU HỌC TẬP
PHẦN LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG
THEO CẤU TRÚC KHỐI KIẾN THỨC

Giáo viên hướng dẫn:
TS. NGUYỄN HỮU KHANH

Sinh viên thực hiện:
NGUYỄN VĂN HẬU
MSSV: 1060117
LỚP SP. VẬT LÝ 02 K32

Cần Thơ, tháng 05/2010

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com


Luận văn tốt nghiệp 2010

Tài liệu Quang học

LỜI CẢM ƠN
Trước tiên tôi xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Hữu
Khanh đã nhận và tận tình hướng dẫn đề tài Luận văn tốt
nghiệp để tôi có thể hoàn thành khóa học ở trường. Trong thời
gian thực hiện đề tài tôi đã học hỏi được rất nhiều kinh nghiệm
quý báo từ Thầy và thông qua quá trình thực hiện bản thân
cũng đã tích lũy được nhiều kiến thức mới.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô trong Bộ Môn
Sư Phạm Vật Lý Trường Đại Học Cần Thơ những người đã
truyền thụ kiến thức quý báo cho tôi trong suốt bốn năm học tại
trường và các bạn cùng lớp những người đã cùng tôi học tập,
nghiên cứu, đã đóng góp ý kiến và những kinh nghiệm để tôi
có thể thực hiện tốt đề tài này.

GVHD: ThS Nguyễn Hữu Khanh
SHTH: Nguyễn Văn Hậu

1


Luận văn tốt nghiệp 2010

Tài liệu Quang học

MỤC LỤC
Phần MỞ ĐẦU.......................................................................................... Trang 4
1. Lý do chọn đề tài............................................................................................ 4
1.1.Sơ lược về tình hình học tập của sinh viên hiện nay. ............................... 4
1.2.Đặc điểm các loại tài liệu học tập hiện nay.............................................. 4
1.3.Lý do chọn đề tài..................................................................................... 4

2. Mục đích của đề tài. ....................................................................................... 5
3. Các phương pháp và phương tiện thực hiện.................................................... 5
4. Các bước thực hiện......................................................................................... 5
5. Phạm vi và giới hạn của đề tài ........................................................................ 5
6. Tính mới mẽ và giá trị của đề tài .................................................................... 5
Phần NỘI DUNG ................................................................................................ 6
1. Đặc điểm của đề tài ........................................................................................ 6
2. Cấu trúc của đề tài.......................................................................................... 6
3. Giao diện của tài liệu (File Flash)................................................................... 7
A – Lý thuyết........................................................................................................ 8
I. Bức xạ nhiệt ...................................................................................................... 8
1. Định nghĩa...................................................................................................... 8
2. Năng suất phát xạ - Năng suất hấp thụ............................................................ 8
3. Định luật Kirchhoff ........................................................................................ 9
4. Bức xạ của vật đen tuyệt đối......................................................................... 10
5. Bức xạ của vật thực ...................................................................................... 14
6. Phương pháp đo nhiệt độ.............................................................................. 16
II. Các hiệu ứng lượng tử .................................................................................... 18
1.Thuyết lượng tử ánh sáng .............................................................................. 18
2. Hiệu ứng quang điện .................................................................................... 18
2.1.Thí nghiệm của Stoletov ....................................................................... 18
2.2.Các định luật quang điện....................................................................... 19
2.3.Giải thích các định luật quang điện ....................................................... 21
2.4.Ứng dụng hiệu ứng quang điện ............................................................. 23
3. Hiệu ứng Compton ....................................................................................... 25
3.1.Hiệu ứng Compton................................................................................ 25
3.2.Bản chất lưỡng tính sóng - hạt của ánh sáng.......................................... 27
III. Sự phát quang – Tác dụng hóc học của ánh sáng ........................................... 29
1. Sự phát quang............................................................................................... 29
1.1.Hiện tượng phát quang .......................................................................... 29

1.2.Định nghĩa về sự phát quang ................................................................. 29
GVHD: ThS Nguyễn Hữu Khanh
SHTH: Nguyễn Văn Hậu

2


Luận văn tốt nghiệp 2010

Tài liệu Quang học

1.3.Các dạng phát quang ............................................................................. 30
1.4.Định luật phát quang ............................................................................. 30
2. Tác dụng hóc học của ánh sáng .................................................................... 33
2.1.Phản ứng quang hóa.............................................................................. 33
2.2.Các định luật quang hóa ........................................................................ 34
IV. Máy phát lượng tử (Laser) ............................................................................ 36
1. Nguyên lý chúng .......................................................................................... 36
2. Mô hình cấu tạo............................................................................................ 37
3. Nguyên tắc hoạt động................................................................................... 38
4. Tính chất của Laser ...................................................................................... 39
5. Ứng dụng của laser....................................................................................... 40
B – Câu hỏi ôn tập .............................................................................................. 42
C - Bài tập áp dụng ............................................................................................. 43
D - Bài tập luyện tập ........................................................................................... 51
E - Bài tập trắc nghiệm ....................................................................................... 55
Phần KẾT LUẬN .............................................................................................. 64
Tài Liệu Tham Khảo........................................................................................... 65

GVHD: ThS Nguyễn Hữu Khanh

SHTH: Nguyễn Văn Hậu

3


Luận văn tốt nghiệp 2010

Tài liệu Quang học

Phần MỞ ĐẦU
1.Lý do chọn đề tài
1.1. Sơ lược về tình hình tự học của sinh viên hiện nay
Hiện nay nhiều trường đại học và cao đẳng trên toàn quốc đã, đang và sẽ chuyển
sang chế độ tín chỉ hóa. Với việc thực hiên chế độ tín chỉ hóa này đòi hỏi sinh viên tự học
là chính, thời gian trên giảng đường của họ sẽ rút ngắn lại đáng kể có thể chỉ bằng một
nửa so với trước kia.
Thời gian học tập trên lớp cúa sinh viên thì bị rút ngắn, trong khi đó lượng kiến
thức vẫn không đổi. Tài liệu học tập chính của sinh viên chỉ là giáo trình do trường cung
cấp. Tuy nhiên giáo trình thì chưa đủ phục vụ tốt cho môn học, do đó sinh viên cần phải
tham khảo thêm các nguồn tài liệu khác.

1.2. Đặc điểm các tài liệu học tập của sinh viên hiện nay
Hiện nay có rất nhiều loại tài liệu học tập sinh viên có thể tham khảo: Sách giáo
khoa, báo, tạp chí, giáo trình, website…Tuy các tài liệu này rất phong phú về nội dung
nhưng đôi khi nó làm cho người đọc cảm thấy khó khăn vì những đặc điểm riêng của nó:
+ Sách giáo khoa: nội dung của nó thì phong phú về nội dung nhưng chỉ là các
kiến thức cơ bản.
+ Báo, tạp chí: đây là loại tài liệu phát hành theo định kỳ ưu điểm của nó là người
đọc có thể tìm thấy chúng ở nhiều nơi tuy nhiên về mặt kiến thức chuyên ngành nó cung
cấp cho người đọc là rất hạn chế đôi khi chỉ mang tính chất giới thiệu mà không đi sâu

vào bản chất.
+ Giáo trình: là một loại tài liệu rất phổ biến ở các trường đại học, cao đẳng hiện
nay đặc điểm của loại tài liệu này là kiến thức được trình bày rất rộng, ít có các bài tập để
sinh viên tham khảo.
+ Các website: đây là nơi mà sinh viên thường tham khảo trong qua trình học tập
nó chứa đựng một lượng kiến thức rất to lớn tuy nhiên để tìm được một trang web theo
mong muốn thì không dễ dàng chút nào, đôi khi để tìm được đầy đủ các nội dung cần
thiết thì phải tham khảo 2, 3 trang web hoặc nhiều hơn nữa điều này làm cho các bạn sinh
viên mất rất nhiều thời gian, công sức và cả tiền bạc.
Nói tóm lại, các loại tài liệu học tập đã nêu trên về phương diện nào đó đều có
những ưu điểm và khuyết điểm riêng. Vì thế các nguồn tài liệu này vẫn chưa đáp ứng đầy
đủ nhu cầu học tập của sinh viên.

1.3. Lý do chọn đề tài
Từ những lý do trên nên em quyết định chọn đề tài " Thiết kế tài liệu học tập
phần Lượng tử ánh sáng theo cấu trúc khối kiến thức" nhằm bổ sung thêm một loại tài
liệu học tập mới phục vụ nhu cầu học tập của sinh viên chuyên ngành Vật lý.
GVHD: ThS Nguyễn Hữu Khanh
SHTH: Nguyễn Văn Hậu

4


Luận văn tốt nghiệp 2010

Tài liệu Quang học

2.Mục đích của đề tài
Thiết kế cầu trúc của tài liệu theo các thành tố: nội dung kiến thức, câu hỏi ôn tập,
bài tập áp dụng, bài tập luyện tập, bài tập trắc nghiệm

Xây dựng nội dung các thành tố một cách khoa học theo các tiêu chí: nội dung
phong phú, tham khảo nhanh, dễ vận dụng.
Đưa tài liệu lên Website và hoạt động có hiệu quả.

3.Các phương pháp và phương tiện thực hiện đề tài
+ Phương pháp nghên cứu tài liệu: Phân tích và tổng hợp tài liệu về các định
hướng trong quá trình dạy học.
+ Phương tiện thực hiện: các nguồn tài liệu có liên quan, phần mềm Macromedia
flash 8.

4.Các bước thực hiện
+ Nhận đề tài và phân tích mục đích đề ra.
+ Tiến thành thu thập các nguồn tài liệu theo mục đích đã đề ra.
+ Tổng hợp lại các nguồn tài liệu và tiến hành viết bài.
+ Nộp về giáo viên hướng dẫn chỉnh sửa.
+ Hoàn chỉnh đề tài.

5. Phạm vi và giới hạn của đề tài
Nội dung đề tài chỉ thực hiện trong phần Tính chất lượng tử của ánh sáng của môn
Quang Học.

6. Tính mới mẽ và giá trị của đề tài
Đề tài sử dụng phần mềm Macromedia flash 8 để truyền tải nội dung và thiết kế
các thí nghiệm ảo, giúp người đọc hiểu được vấn đề một cách trực quan hơn.

GVHD: ThS Nguyễn Hữu Khanh
SHTH: Nguyễn Văn Hậu

5

Luận văn tốt nghiệp 2010

Tài liệu Quang học

Phần NỘI DUNG
1. Đặc điểm của đề tài
Đề tài được thiết kế gồm 5 phần: Nội dung, câu hỏi ôn tập, bài tập áp dụng, bài tập
tham khảo, bài tập kiểm tra.
Nội dung: chứa đựng nội dung lý thuyết kèm theo đó là các thí nghiệm ảo sẽ giúp
cho sinh viên vừa tham khảo lý thuyết vừa xem được các thí nghiệm, làm cho việc
học thêm trực quan hơn.
Câu hỏi ôn tập: là những câu hỏi giúp cho sinh viên ôn lại các kiến thức kèm theo
đó là những câu hỏi vận dụng kiến thức vào thực tế.
Bài tập áp dụng: là những bài tập có kèm theo lời giải để giúp cho sinh viên làm
cơ sở để giải các bài tập khác.
Bài tập tham khảo: phần này chúa đựng các bài tập, không có lời giải nhưng có
kèm theo đáp án giúp người làm có thể kiểm tra lại kết quả.
Trắc nghiệm: nó sẽ giúp cho sinh viên kiểm tra lại các kiến thức mình đã nắm và
cần phải thay đổi điểu chỉnh ở những điểm nào.

2.Cấu trúc đề tài

GVHD: ThS Nguyễn Hữu Khanh
SHTH: Nguyễn Văn Hậu

6


Luận văn tốt nghiệp 2010

Tài liệu Quang học

3. Giao diện của tài liệu (File Flash)
Giao Diện Của Trang Chủ

Giao diện trang Hiệu ứng quang điện

GVHD: ThS Nguyễn Hữu Khanh
SHTH: Nguyễn Văn Hậu

7


Luận văn tốt nghiệp 2010

Tài liệu Quang học

A – Lý thuyết
I.Bức xạ nhiệt
1.Định nghĩa
Bức xạ là sự phát ra sóng điện từ (hồng ngoại, khả kiến, tử ngoại) của vật kèm theo
quá trình mất năng lượng.
Nếu không bù lại phần năng lượng đã mất để duy trì khả năng bức xạ lâu dài thì sự
bức xạ kéo theo sự thay đổi nào đó trong vật như:
- Sự giảm nội năng.
- Trạng thái bức xạ của hệ thay đổi liên tục.
- Một vật nung nóng đến một nhiệt độ đủ cao thì sẽ phát sáng tức là phát ra ánh sáng
khả kiến. Nhưng nếu nhiệt độ thấp hơn, vật vẫn phát ra bức xạ, bức xạ này có bước sóng
nằm trong vùng hồng ngoại. Loại bức xạ phát ra trong trường hợp này gọi là bức xạ nhiệt.

Sự bức xạ nhiệt của vật sẽ không thay đổi nếu năng lượng mất đi vì bức xạ được bù lại do
cung cấp nhiệt.
- Bức xạ nhiệt có thể đạt đến sự cân bằng nhiệt động. Khi đó nhiệt độ sẽ đặc trưng
cho trạng thái.

2.Năng suất phát xạ - Năng suất hấp thụ
2.1.Công suất bức xạ
Là một đại lượng đặc trưng cho sự bức xạ của một vật, tức là phần năng lượng ứng với
mọi bước sóng mà vật phát ra theo mọi phương trong một đơn vị thời gian.

2.2.Năng suất bức xạ toàn phần ( Độ trưng năng lượng toàn phần)
Là đại lượng có trị số bằng năng lượng phát ra từ một đơn vị diện tích mặt ngoài của
vật theo mọi phương trong một đơn vị thời gian, ứng với mọi bước sóng.
dRe =

dE
dS

dE : công suất bức xạ.
Re : độ trưng năng lượng toàn phần.
rλ : là độ trưng năng lượng ứng với bước sóng λ .

rλ =

dRe
drλ

λ

∞

Hay

Re = ∫ rλ .dλ
0

⇒ Công suất bức xạ (dòng quang năng) ứng với bước sóng từ λ → λ + dλ do dS phát

ra: dEλ = dRe .dS = rλ .dλ .dS

GVHD: ThS Nguyễn Hữu Khanh
SHTH: Nguyễn Văn Hậu

8


Luận văn tốt nghiệp 2010

Tài liệu Quang học

2.3.Năng suất hấp thụ
Dòng quang năng dEλ rọi đến vật do tán xạ, phát xạ, vật hấp thụ một phần.
Gọi dEλ' là dòng quang năng mà vật hấp thụ.
Đại lượng : aλ =

dEλ'
gọi là năng suất hấp thụ của vật.
dEλ

Sự hấp thụ bức xạ của vật mang tính lọc lựa. Hay aλ = f (λ , T ) .

+ aλ = 1 vật hấp thụ hoàn toàn dòng quang năng.
+ a λ < 1 ⇒ dEλ' < dEλ vật hấp thụ một phần.

3.Định luật Kirchhoff
Nội dung của định luật Kirchhoff là tìm ra mối liên hệ giữa năng suất phát xạ đơn
sắc và năng suất hấp thụ (rλ và aλ ) của một vật.
Bình D trong là chân không ở nhiệt độ T = hằng số.
Các vật sẽ đạt trạng thái cân bằng nhiệt (T).

D

A
B

C

Xét vật A:
Công suất bức xạ của vật A trong [λ ; λ + dλ ]
Hình 1-Bình D cách nhiệt

dEλ = rλ .d λ .dS

Công suất bức xạ trong [λ ; λ + dλ ] từ bên ngoài truyền đến diện tích dS:
dEλ' = K (T ,λ ) .dλ.dS

Với K (T ,λ ) là hằng số biểu diễn mật độ công suất bức xạ của chân không
phụ thuộc T và λ , không phụ thuộc vào bản chất vật. Công suất hấp thụ vật A:
dEλ'' = aλ .dEλ' = aλ .K .dλ.dS

Theo nguyên lý cân bằng nhiệt (T = hằng số)

dE λ = dE λ''

⇔

rλ .dλ.dS = aλ .K .dλ.dS

⇔

rλ
= K = hằng số
aλ

Tương tự cho các vật B và C còn lại trong bình D. Ta có:
rλ
aλ

=
A

rλ'
a λ'

=
B

rλ''
a λ''

= K
C

Vậy “Tỷ số giữa năng suất phát xạ đơn sắc và năng suất hấp thụ không phụ thuộc
vào bản chất vật, tỷ số này là một hàm theo nhiệt độ T và bước sóng λ ”.
K = f (T , λ )

GVHD: ThS Nguyễn Hữu Khanh
SHTH: Nguyễn Văn Hậu

9


Luận văn tốt nghiệp 2010

Tài liệu Quang học

4.Bức xạ của vật đen tuyệt đối
4.1.Vật đen tuyệt đối
Là vật có khả năng hấp thụ hoàn toàn các bức xạ có bước sóng bất kỳ, ở mọi nhiệt
độ.
Tức là aλ = 1 .
Theo định luật Kirchhoff:
rλ
= f (T , λ ) = 1
aλ

⇒

rλ = f (T , λ ) = ρ λ

ρ λ biểu thị cho năng suất phát xạ của vật đen tuyệt đối.

Ở nhiệt độ cho trước, mọi vật đen tuyệt đối có cùng phân số năng lượng theo bước
sóng hay độ trưng của chúng biến thiên như nhau theo nhiệt độ T.
Thực tế không có vật nào mà hệ số phản xạ bằng không, tức là không có vật đen
tuyệt đối. Tuy nhiên định luật Kirchhoff cho ta khả năng thực hiện nhân tạo vật đen tuyệt
đối.

B

C

Hình 2-Vật đen tuyệt đối nhân tạo

Bình B kín có dạng bất kỳ, không trong suốt, thành được sơn đen có lỗ C kích
thước nhỏ. Chùm bức xạ hẹp qua lỗ C vào bình B sẽ bị thành bình hấp thụ một phần, một
phần phản xạ, tán xạ đến các điểm khác và cứ như thế. Vì lỗ C rất nhỏ, chùm bức xạ sau
nhiều lần phản xạ và tán xạ sẽ đi ra lỗ C có cường độ rất yếu so với cường độ lúc đi vào,
cho nên có thể coi năng suất hấp thụ của bình B : aλ = 1

GVHD: ThS Nguyễn Hữu Khanh
SHTH: Nguyễn Văn Hậu

10


Luận văn tốt nghiệp 2010

Tài liệu Quang học

4.2.Khảo sát sự bức xạ của vật đen tuyệt đối bằng thực nghiệm

G
C
B

L1

S

L2
R

E

Hình 3-Thí nghiệm xác định hàm f (λ , T )
Sơ đồ thí nghiệm hình 3 gồm có:
- Bình B được nung nóng ở nhiệt độ T, dùng làm vật đen tuyệt đối.
- Thấu kính L1 tạo chùm tia hội tụ tại S.
- Thấu kính L2 tạo chùm tia song song truyền đến cách tử nhiễu xạ R.
- Cách tử nhiễu xạ R tạo ra vân sáng đơn sắc trên màn E.
- Pin nhiệt điện G đo công suất của dòng quang năng đối với từng bước sóng theo
ToK. Kết quả thí nghiệm cho ta đồ thị hàm ρ λ ,T theo λ ở các nhiệt độ khác nhau.

ρ λ ,T
120
16160K

100
80

14600K

60

12590K

40

10950K
9980K
9040K

20
0

2

4

6

λ

Hình 4-Đường cong thực nghiệm ρ λ ,T theo λ
*Nhận xét:
+ Năng suất phát xạ đơn sắc của vật đen tuyệt đối tăng theo nhiệt độ.
+ Với nhiệt độ T xác định thì năng suất phát xạ đơn sắc ρ λ ,T của vật đen tuyệt đối
sẽ có một cực đại ứng với một bước sóng λmax hoàn toàn xác định.
+ Cực đại của năng suất phát xạ dịch chuyển về phía sóng ngắn, khi nhiệt độ tăng.
Cho nên màu của ánh sáng phát ra thay đổi theo T.
GVHD: ThS Nguyễn Hữu Khanh

SHTH: Nguyễn Văn Hậu

11


Luận văn tốt nghiệp 2010

Tài liệu Quang học

• Ở nhiệt độ thấp, cực đại của năng suất phát xạ nằm trong vùng sóng dài,
không gây cảm giác sáng trên mắt.
• Khoảng 600oC vật phát ra ánh sáng đỏ vùng sóng dài ở miền nhìn thấy.
• Nếu nhiệt độ tăng nữa thì ánh sáng càng ngày càng trắng đi.
• Các nguồn thông thường như: đèn điện, dây tóc, đèn dầu có T < 3000oK,
nên bức xạ hồng ngoại nhiều hơn ánh sáng nhìn thấy.
+ Năng suất phát xạ toàn phần của vật đen tuyệt đối hay độ trưng năng lượng
∞

được biểu thị qua biểu thức: RT = ∫ ρ λ ,T .dλ
0

4.3.Phân bố độ trưng của vật đen tuyệt đối
Đối với vật đen tuyệt đối, ở nhiệt độ xác định chúng có cùng sự phân bố năng
lượng bức xạ theo bước sóng.
Trong lý thuyết, nếu ta tìm được biểu thức của hàm số ρ λ = f (λ , T ) và trong thực
nghiệm chỉ làm với vật đen tuyệt đối để xác nhận hàm số trên thì ta có thể tính được sự
phân bố năng lượng đối với bước sóng của một vật bất kỳ. Vậy, làm thế nào để xây dựng
hàm ρ λ = f (λ , T ) bằng lý thuyết.
4.3.1.Công thức Rayleight – Jeans
Vào cuối thế kỷ 19 nhiều nhà vật lý như Rayleight, Jeans, Wein và Planck đã tìm

cách xây dựng hàm f (λ , T ) này.
Dựa vào biểu thức phân bố đều năng lượng theo bậc tự do, do tính chuyển động
hổn loạn của phân tử thì mỗi bậc tự do của phân tử ứng với cùng một năng lượng trung
bình

1
KT .
2

Mặt khác nguyên tử, phân tử phát xạ bức xạ điện từ một cách liên tục, Rayleight và
Jeans đã tìm được biểu thức của hàm f (λ , T ) :
ρ λ ,T =

2πC

λ4

(1)

KT

K = 1,38.10 −23 J / 0K hằng số Boltzmann.

(1) gọi là công thức Rayleight – Jeans.
Công thức này khá phù hợp với thực nghiệm với nhiệt độ cao và bức sóng dài.
Nếu nhiệt độ thấp, bước sóng ngắn thì không phù hợp với thực nghiệm.
Từ (1) ta tính được năng suất phát xạ toàn phần của vật đen tuyệt đối.
∞

∞

0

0

RT = ∫ ρ λ ,T .dλ = ∫

2πC

λ4

KT = ∞

(2)

Đây là một điều mâu thuẫn với kết quả thực nghiệm. Người ta gọi là sự khủng
hoảng ở vùng tử ngoại.
GVHD: ThS Nguyễn Hữu Khanh
SHTH: Nguyễn Văn Hậu

12


Luận văn tốt nghiệp 2010

Tài liệu Quang học

4.3.2.Công thức Planck
Planck bác bỏ các quan điểm cổ điển, ông sử dụng hoàn toàn những quan niệm về
tính hấp thụ hay bức xạ của năng lượng bao giờ cũng là bội số nguyên của một năng

lượng nguyên tố, gọi là lượng tử năng lượng.
Từ các giả thuyết trên, Planck đã tìm được công thức xác định phát xạ đơn sắc của
vật đen tuyệt đối:
ρ λ ,T

hC

2πhC 2  KλT
=
e
− 1
5

λ 


−1

(3)

(3) gọi là công thức Planck.

4.4.Các hệ quả của công thức Planck
Công thức Planck đã diễn tả đúng đắn quy luật bức xạ của vật đen tuyệt đối. Từ
thực nghiệm chúng ta sẽ rút ra các định luật bức xạ của vật đen tuyệt đối.
4.4.1.Định luật Steeffan – Boltzmann
Năng suất phát xạ toàn phần
∞

∞

0

0

λ−5

RT = ∫ ρ λ ,T .dλ = 2πhC 2 ∫

Đặt biến mới X =

e

hC
KλT

dλ

−1

hC
, thay vào:
Kλ T

2πK 4
X 3 dx
RT = 2 3 .T 4 .∫ X
C h
e −1
0

∞

X 3 dx π 4
∫0 e X − 1 = 15 = 6,48

∞

Trong đó:

Từ đó ta tính được: RT = σ .T 4
Với σ =

(4)

2πK π 4
 W 
.
= 5,7.10 8  2 4 
2 3
C h 15
 m .K 

Gọi là hằng số Stêfan – Boltzmann.
(4) chính là định luật Stêfan – Boltzmann.
“Độ trưng năng lượng toàn phần tỷ lệ với lũy thừa 4 của nhiệt độ tuyệt đối với vật đen
tuyệt đối”

GVHD: ThS Nguyễn Hữu Khanh
SHTH: Nguyễn Văn Hậu

13


Luận văn tốt nghiệp 2010

Tài liệu Quang học

4.4.2.Định luật Wein
 hC

Công thức Planck: ρ = 2πhC .λ . e KλT − 1


2

Theo toán học

−1

−5

δρ
=0
dλ







hC 
δρ

= 2πhC 2 − 5λ−6  e KλT − 1 + λ−5  e KλT − 1 .e KλT .
2
dλ
KT
λ






−1

hC

hC

−2

hC



⇔

Đặt X =

5(e

hC
KλT



− 1) − e

hC
KλT

.

hC
=0
KλT

hC
, thay vào ta được:
Kλ T

5(e X − 1) − Xe X = 0

Ta tìm được nghiệm của phương trình X = 4,965
Thay vào X =
Vậy λmax =

hC
hC

⇒λ =
K λT
4,965.KT

2898
( µm)
T

(5)

“Gía trị bước sóng λmax nơi mà năng suất phát xạ ρ λ ,T đạt tới cực đại biến thiên tỷ
lệ nghịch với nhiệt độ tuyệt đối của vật phát xạ”.
Nhận xét công thức (5):
+Nhiệt độ bình thường λmax nằm trong vùng hồng ngoại.
+T = 3000oK => λmax = 0,966 µm .
+T = 5000oK => λmax = 0,5796 µm trong vùng nhìn thấy.
+T = 7000oK => λmax = 0,414 µm .
=> Chứng tỏ λmax dich chuyển về phía sóng ngắn khi nhiệt độ tăng.

5.Bức xạ của vật thực
5.1.Bức xạ của vật không đen
Vật không đen là vật có năng suất hấp thụ aλ < 1 . Theo định luật Kirchhoff
rλ
= f (λ , T ) = K
aλ

Nếu là vật đen tuyệt đối thì hàm f (λ , T ) được thay thế bởi hàm ρ λ ở nhiệt độ T.
rλ = K .aλ = a λ .ρ λ

Vì aλ < 1 ⇒ rλ < ρ λ

GVHD: ThS Nguyễn Hữu Khanh
SHTH: Nguyễn Văn Hậu

14


Luận văn tốt nghiệp 2010

Tài liệu Quang học

Tức là năng suất phát xạ của vật không đen nhỏ hơn năng suất phát xạ của vật đen
tuyệt đối ở cùng một nhiệt độ. Đối với vật không đen, năng suất hấp thụ phụ thuộc vào
bước sóng nghĩa là sự bức xạ và hấp thụ của các vật này mang tính lọc lựa.

rλ

a

λ

10
8

0,4

6

0,3

4

0,2

2

0,1

0

2
3
1
4
λ
Hình 5-Đường cong thực nghiệm của năng suất phát xạ của vật không đen
và vật đen tuyệt đối ở cùng nhiệt độ T = 2100oK của Volfram.

Đường I đối với vật đen tuyệt đối.
Đường II đối với Volfram.
Đường không liền nét cho ta năng suất hấp thụ của Volfram.
*Nhận xét đồ thị thực nghiệm:
+ Trong miền nhìn thấy sự phát xạ Volfram chiếm 40% so với vật đen tuyệt đối.
Còn trong miền hồng ngoại chỉ bằng 20%.
+ Năng suất phát xạ cực đại của Volfram nằm về phía sóng ngắn so với vật đen
tuyệt đối. Do đó, màu của bức xạ Volfram khác so với màu bức xạ của vật đen tuyệt đối.
Như vậy, ta thấy Volfram phát xạ có tính lọc lựa và có nhiệt nóng chảy cao nên
Volfram được dùng làm dây tóc bóng đèn. Đây là một vật liệu khá tốt.

5.2.Nguồn sáng

Theo các kết quả thu được từ thực nghiệm cho sự phát xạ của các vật, cho nên một
vật được chọn làm nguồn sáng cần phải có các điều kiện sau:
- Tính chất phải giống vật đen tuyệt đối ở 6000oK để năng suất phát xạ lớn.
- Ở nhiệt độ 6000oK, muốn năng suất phát xạ trong miền khả kiến thì vật đen phải
có quang lượng khoảng 84 lumen/W (quang lượng chính là đương lượng quang thông của
1w).

GVHD: ThS Nguyễn Hữu Khanh
SHTH: Nguyễn Văn Hậu

15


Luận văn tốt nghiệp 2010

Tài liệu Quang học

*Tính chất của một số nguồn sáng:
5.2.1.Đèn điện
Đây là loại nguồn sáng phổ biến nhất trong kỹ thuật. Nó gồm một bóng thủy tinh
được rút hết không khí, bên trong có một dây than hoặc kim loại.
Dây được nung nóng bởi dòng điện, để giảm bớt sự bay hơi của dây và tăng thời
gian sống của đèn, người ta thường bơm khí trơ ở áp suất thấp khoảng 0,5atmosphere vào
đèn.
5.2.2.Hồ quang điện
Ánh sáng hồ quang có vùng sáng nhất ở hố cực dương, nhiệt độ 4000oK. Ngoài
hốc dương, cực âm và hơi tạo ra giữa các điện cực bị nung nóng cũng phát sáng, quang
lượng của hồ quang không quá 25 lumen/w.
5.2.3.Nhứng đèn phát sáng do sự phóng điện qua các chất khí ở áp suất thấp
Mặt trong của đèn được phủ lớp mỏng khí được phát sáng, ánh sáng phải ở vùng

khả kiến. Chất này được kích thích bởi bức xạ tử ngoại và ta cần lựa chọn chất phủ thích
hợp để thu được ánh sáng phát ra có thành phần gần như ánh sáng trắng. Loại đèn có cấu
tạo và hoạt động như trên được gọi là đèn huỳnh quang. Ưu điểm của loại đèn này là độ
chói nhỏ hơn đèn nung nóng, hiệu suất cao.

6. Phương pháp đo nhiệt độ
Để đo nhiệt độ của bức xạ vật đen tuyệt đối ta dựa vào các định luật bức xạ.
Phương pháp xác định nhiệt độ như kể trên ta còn gọi là phương pháp hỏa kế quang học.
Vì rằng trong các biểu thức của định luật đều có chứa yếu tố của nhiệt độ tuyệt đối.
Mặc dù trong thực tế không có vật đen tuyệt đối nhưng có nhiều vật mà tính chất
của nó gần giống với tính chất của vật đen tuyệt đối.
Có 3 phương pháp xác định nhiệt độ của vật đen tuyệt đối.

6.1.Phương pháp dựa trên định luật phân bố độ trưng theo bước sóng
Phương pháp này gọi là phương pháp thiên văn vì rằng phương pháp này đo nhiệt
độ cao của các vật ở rất xa.
Với một nhiệt độ xác định ta được một đường cong phân bố độ trưng theo bước
sóng, từ đường cong này ta xác định bước sóng λmax tại đó năng suất phát xạ có giá trị cực
đại. Theo định luật Wein:
T=

2898

λmax

; λmax ( µm)

Áp dụng phương pháp này xác định nhiệt độ của mặt trời, sau khi hiệu chỉnh sự
hấp thụ của khí quyển, bước sóng λmax = 0,47 µm . Kết quả cho:
T=

2898
= 6166 o K
0,47

GVHD: ThS Nguyễn Hữu Khanh
SHTH: Nguyễn Văn Hậu

16


Luận văn tốt nghiệp 2010

Tài liệu Quang học

6.2.Phương pháp độ chói
Đây là phương pháp đo nhiệt độ của những vật có nhiệt độ không cao lắm.
Vật bức xạ đơn tính thì độ chói nhỏ hơn độ trưng π lần. Đối với vật đen tuyệt đối ta cũng
có công thức sau đây:
bλ =

1

π

.ρ λ

Nếu xác định bλ độ chói của vật đen tuyệt đối ứng với bước sóng thì ta cũng có thể
xác định được nhiệt độ của vật.
L1

L2
S

Đ

Mắt

G

C

L1,L2: thấu kính
Đ: đèn điện
S: kính lọc màu
Rv: biến trở
G: ampe kế
C: con chạy

Hình 6-Sơ đồ hỏa kế
Dùng hỏa kế với sơ đồ trên để so sánh độ chói của vật muốn đo với độ chói của vật
muốn đo nhiệt độ qua thấu kính L1 nằm trên mặt phẳng đặt đèn Đ.
Dịch chuyển con chạy C sao cho độ chói ảnh của vật muốn đo bằng với đèn Đ.
Điện kế G sẽ cho ta dòng điện đốt nóng dây tóc, dựa vào đặc tính của điện kế G ta có thể
xác định ngay nhiệt độ của vật đen tuyệt đối.

6.3.Phương pháp bức xạ
Đây là phương pháp xác định các vật có nhiệt độ khá cao. Đo độ chói năng
lượng toàn phần Be , từ đó suy ra nhiệt độ của vật.
1

σ
Be = Re = T 4
a
π
π
S
L

b

G

Hình 7-Sơ đồ hỏa kế bức xạ
S: nguồn bức xạ cần đo nhiệt độ
a,b: pin nhiệt điện; G: điện kế; L: thấu kính hội tụ
Nếu kích thước ảnh của S không lớn so vơi pin nhiệt điện thì nhiệt độ pin nhiệt
điện tỷ lệ độ chói của ảnh, do đó tỷ lệ với độ chói của nguồn, nên số chỉ của điện kế G tỷ
lệ độ chói của nguồn tức tỷ lệ lũy thừa bậc 4 của nhiệt độ, nguồn máy được chia theo vật
đen tuyệt đối mẫu.
GVHD: ThS Nguyễn Hữu Khanh
SHTH: Nguyễn Văn Hậu

17


Luận văn tốt nghiệp 2010

Tài liệu Quang học

II. Các hiệu ứng lượng tử

1.Thuyết lượng tử ánh sáng
Quá trình phát xạ hay hấp thụ ánh sáng thì năng lượng ánh sáng phát ra hay bị hấp
thụ theo từng phần riêng biệt, gián đoạn. Điều này sẽ nảy sinh một quan niệm mới về bản
chất ánh sáng. Sự truyền ánh sáng chính là sự truyền năng lượng và truyền đi một cách
gián đoạn, không liên tục. Đây là một quan niệm hoàn toàn khác với quan niệm cổ điển là
dòng ánh sáng, năng lượng được phân bố đều trên mặt đầu sóng và liên tục. Từ đây,
Einstein cho rằng dòng ánh sáng là dòng hạt riêng biệt, chúng đều mang một năng lượng
xác định E = hf = h

c

được gọi là lượng tử ánh sáng hay còn gọi là photon.
λ
Năng lượng của hạt photon:
E = mC 2 hay E =

Với β =

mo
1− β

2

C2

V
C

V(m/s) là vận tốc truyền của ánh sáng trong môi trường.
C = 3.108(m/s) là vận tốc truyền của ánh sáng trong chân không.

mo là khối lượng nghỉ của photon.
Để E không tiến tới ∞ thì mo = 0
Động lượng của photon: P =

E
= mC ⇒
C

P=

hf h
=
C λ

2.Hiệu ứng quang điện
Đây là một hiện tượng vật lý rất quan trọng, đánh dấu một bước phát triển trong
việc tìm hiểu về bản chất của ánh sáng. Năm 1887 Hertz là người phát hiện đầu tiên sau
đó được Stoletov nghiên cứu một cách hệ thống bằng thực nghiệm vào năm 1888.

2.1.Thí nghiệm của Stoletov
F
Anod

Katod

A
V

C

D

Hình 8 Sơ đồ thí nghiệm của Stoletov
GVHD: ThS Nguyễn Hữu Khanh
SHTH: Nguyễn Văn Hậu

18


Luận văn tốt nghiệp 2010

Tài liệu Quang học

- Bình chân không bên trong có hai điện cực anod và katod mắc vào nguồn điện
một chiều. Trên bình có một cửa sổ F bằng thạch anh, cho ánh sáng từ ngoài truyền qua
dễ dàng.
- Hai điện kế: ampe kế A dùng để kiểm tra dòng điện trong mạch, vôn kế V dùng
để xác định hiệu điện thế giữa anod và katod (UAK) .
- Bộ nguồn điện một chiều với 2 con chạy C và D nhằm thay đổi hiệu điện thế UAK
cả về độ lớn lẫn chiều tức là UAK > 0 hoặc UAK < 0.
*Thực nghiệm cho thấy:
- Nếu không chiếu bức xạ vào katod thì trong mạch không xuất hiện dòng điện vì
ampe kế chỉ số 0.
- Nếu chiếu bức xạ thích hợp vào katod thì trong mạch xuất hiện dòng điện, kim
ampe kế chỉ vạch khác 0. Điều này cho thấy chính bức xạ chiếu vào katod đã làm cho một
số điện tích tách ra khỏi katod, dưới tác dụng của điện trường đã làm cho các điện tích
này dịch chuyển về anod tạo ra dong điện ma ta gọi là dòng quang điện.
Lựa chọn dòng quang điện chiếu vào katod, thay đổi cường độ của chùm bức xạ,
thay đổi hiện điện thế UAK, đo cường độ dòng quang điện, Stoletov đã rút ra một số kết
luận sau:

+ Ánh sáng tử ngoại dễ gây ra hiện tượng quang điện hơn ánh sáng khả kiến.
+ Cường độ dòng quang điện thay đổi theo cường độ dòng ánh sáng chiếu vào
katod.
+ Hiện tượng quang điện xảy ra tức thời.
+ Điện tích tách ra khỏi katod chính là electron.
Cho đến năm 1898 Lenard và Thomson đã xác định tỉ số e/m = 1,766.1011 c/kg
trong hiệu ứng quang điện.

2.2.Các định luật quang điện
2.2.1.Đường đặc trưng Vôn – Ampe
Khi rọi vào katod một chùm sáng đơn sắc thích hợp có cường độ không đổi, trong
mạch xuất hiện dòng quang điện. Bây giờ nếu ta thay đổi hiệu điện thế UAK thì cường độ
dòng quang điện trong mạch cũng thay đổi theo. Sự thay đổi cường độ dòng quang điện
theo hiệu điện thế UAK được biểu diễn bằng một đường cong mà ta gọi là đường đặc trưng
vôn – ampe.
I qd = f (U )

GVHD: ThS Nguyễn Hữu Khanh
SHTH: Nguyễn Văn Hậu

19


Luận văn tốt nghiệp 2010

Tài liệu Quang học
Iqd

Uh

Ibh

1

Ibh

2

O

Uo

UAK

Hình 9-Đường đặc trưng vôn – ampe
Ta thấy rằng khi ta tăng UAK thì cường độ dòng quang điện tăng theo
+ U h ≤ U AK ≤ U o thì Iqd thay đổi theo UAK.
+ Khi U AK ≥ U o thì I qd → I bh = const
+ Khi UAK = 0 thì I qd ≠ 0 .
+ Khi UAK = Uh < 0 gọi là hiệu điện thế hãm thì Iqd = 0. Hiệu điện thế hãm Uh phụ
thuộc vào bản chất của katod và bước sóng của ánh sáng chiếu vào katod.
+ Muốn thay đổi độ lớn của dòng quang điện bảo hòa thì ta phải thay đổi cường độ
chùm ảnh sáng chiếu vào katod. Hình 9 cho thấy đường (1) có cường độ dòng ánh sáng
chiếu vào katod lớn hơn đường (2). Cho nên Ibh(1) > Ibh(2).
2.2.2.Định luật về cường độ dòng quang điện bảo hòa
“Cường độ của dòng quang điện bảo hòa tỉ lệ với cường độ chùm ánh sáng chiếu
vào katod”.
Điều này cho thấy rằng cường độ dòng quang điện bão hòa lại liên quan và được
xác định bởi số electron bức ra khỏi katod trong một đơn vị thời gian, cho nên ta có thể
phát biểu định luật này theo cách thứ hai như sau: “ Số electron bức ra khỏi katod trong

một đơn vị thời gian tỉ lệ với cường độ của chùm ánh sáng chiếu vào katod”.
2.2.3.Định luật về vận tốc ban đầu cực đại của quang electron (Động năng)
Từ đường đặc trưng vôn – ampe ở Hình 9 cho thấy UAK = 0, thì I qd ≠ 0 điều này
chứng tỏ electron quang điện đã có một vận tốc ban đầu tương ứng vơi một động năng đủ
lớn để có thể dịch chuyển về anod tạo ra dòng quang điện trong trường hợp UAK < 0 tức là
trong bình chân không giữa anod và katod có một điện trường cản. Điện trường cản này
đủ sức để ngăn cản không cho một electron nào dịch chuyển về anod khi hiệu điện thế
UAK = Uh.
Từ đó vận tốc ban đầu cực đại của quang electron có thể được xác định qua biểu
thức sau đây:
1
mVo2max = e.U h
2

GVHD: ThS Nguyễn Hữu Khanh
SHTH: Nguyễn Văn Hậu

(1)
20


Luận văn tốt nghiệp 2010

Tài liệu Quang học

Mặc khác Uh lại phụ thuộc vào bản chất của katod và ánh sáng chiếu vào cho nên
từ đây ta có thể phát biểu định luật như sau: “Vận tốc ban đầu (động năng ban đầu) cực
đại của các quang electron không phụ thuộc vào cường độ của dòng ánh sáng chiếu vào
mà chỉ phụ thuộc vào tần số (bước sóng) của ánh sáng đó mà thôi”.
2.2.4.Định luật về giới hạn của hiệu ứng quang điện

“Mỗi kim loại sẽ có một tần số fo xác định hay λo đặc trưng cho kim loại đó. Miền
tương quan điện chỉ xảy ra khi ánh sáng chiếu vào kim loại phải có tần số f, lớn hơn tần
số fo (hay bước sóng λ nhỏ hơn bước sóng λo ).
f > f o hay λ < λo

fo hay λo được gọi là giới hạn của hiệu ứng quang điện.

2.3.Giải thích các định luật quang điện
2.3.1.Thuyết sóng ánh sáng đối với các định luật quang điện
Các electron quang điện được tách ra khỏi bản kim loại có một động năng ban đầu
có thể được giải thích bằng quan điểm của thuyết sóng như sau:
- Sóng điện tư truyền tới vật chứa electron làm cho các electron này bị dao động
cưởng bức với biên độ dao động tỉ lệ với biên độ của sóng ánh sáng truyền tới vật. Khi
các electron thắng được lực liên kết để thoát ra khỏi vật kèm theo một năng lượng còn lại
mà nó nhận được đó là động năng. Phần động năng ban đầu của các quang electron lại có
độ lớn hoàn toàn phụ thuộc vào cường độ của dòng ánh sáng truyền tới vật, điều này mâu
thuẫn với thực nghiệm.
- Theo thuyết sóng thì với bất kỳ kim loại nào cũng đều có thể gây ra hiện tượng
quang điện mà không cần lựa chọn dòng ánh sáng chiếu vào. Nghĩa là thuyết sóng ánh
sáng không có khái niệm giới hạn quang điện, miễn sao dòng ánh sáng chiếu vào vật phải
có cường độ đủ mạnh thì có thể gây ra hiện tượng quang điện.
- Mặc khác, khi sóng truyền đi thì năng lượng của sóng được phân bố đều trên mặt
sóng một cách liên tục. Mỗi một quang electron có thể nhận được một phần nhỏ năng
lượng mà sóng truyền tới vật, cho nên để bức được ra khỏi vật các quang electron cần
phải trải qua một khoảng thời gian để tích trữ năng lượng cho đến khi đủ sẽ tự thoát ra
khỏi vật. Điều này không phù hợp với thực nghiệm.
2.3.2.Ứng dụng thuyết lượng tử của Planck
Để giải thích các định luật quang điện. Năm 1905 Albert Einstein đã phát triển
thuyết lượng tử của Planck, ông cho rằng: “ Năng lượng của ánh sáng cũng bị hấp thụ
thành từng phần riêng biệt E = hf cũng giống như khi bức xạ và ông cũng cho rằng khi vật

hấp thụ được một năng lượng E = hf thì sẽ có một quang electron bị bật ra khỏi vật ”.
Năng lượng E = hf dùng để:
- Sinh công thoát Ao để tách electron ra khỏi vật.
GVHD: ThS Nguyễn Hữu Khanh
SHTH: Nguyễn Văn Hậu

21


Luận văn tốt nghiệp 2010

Tài liệu Quang học

- Truyền cho electron một động năng ban đầu cực đại 1 / 2mVo2max .
E = hf = h

1
= Ao + mVo2max
λ
2
c

(2)

Biểu thức (2) được gọi là phương trình hay công thức Einstein.
Từ công thức này ta thấy việc giải thích các định luật quang điện sẽ phù hợp với
thực nghiệm.
+ Công thức (2) cho thấy vận tốc (động năng) ban đầu cực đại của các quang
electron không phụ thuộc vào cường độ dòng ánh sáng chiếu vào mà chỉ phụ thuộc vào
tần số (bước sóng) của ánh sáng chiếu vào.

+ Để có hiện tượng quang điện theo công thưc (2) thì:
E = hf = h
⇒

c

λ

≥ Ao

hc
≥λ
Ao

Đặt

A
hc
= λo hay f ≥ o
Ao
h

Đặt

Ao
= fo
h

Ta được kết quả như sau:
f ≥ fo

Hoặc λ ≤ λo
f o , λo được gọi là giới hạn quang điện.

+ Cường độ dòng quang điện bão hòa được xác định
I qd =

q ne
=
t
t

Trong đó n/t là số electron được bật ra khỏi vật trong một đơn vị thời gian.
Khi I qd → I bh thì

n
= hs
t

Mà số electron bật ra khỏi vật tỉ lệ với số photon này, tức tỉ lệ với dòng ánh sáng
chiếu tới. Cho nên cường độ dòng quang điện bão hòa tỉ lệ với cường độ dòng ánh sáng
chiếu tới.

GVHD: ThS Nguyễn Hữu Khanh
SHTH: Nguyễn Văn Hậu

22