QUANG LƯỢNG tử (bức xạ NHIỆT) (lý SINH SLIDE) (chữ biến dạng do slide dùng font VNI times, tải về xem bình thường)

Chương

QUANG LƯỢNG TỬ


I.
BỨC XẠ NHIỆT
1. Đại cương về bức xạ nhiệt .
1.1.1 -Định nghóa : Sự phát xạ (sóng điện từ) của
các nguyên tử, phân tử bởi tác dụng của
nhiệt độ gọi là Bức xạ nhiệt.
- Đặc điểm: Nếu phần năng lượng của vật
phát xạ Wbx bằng với năng lượng mà vật hấp
thu được Wht thì nhiệt độ của vật sẽ không
thay đổi. Ta gọi là quá trình bức xạ nhiệt cân
bằng :
Wbx = Wht
1.1.2 Các đại lượng đặc trưng bức xạ nhiệt cân
bằng .
a . Năng suất bức xạ toàn phần RT – Năng suất
bức xạ đơn sắc rT (rνT):
- Năng suất bức xạ tòa phần RT: là tổng năng
lượng của mọi bức xa ïcó bước sóng (ν) do 1


• Năng suất bức xạ đơn sắc r T(r νT):Các bức xạ đơn sắc do
vật phát ra có bước sóng ( ν) thay đổi từ 0  ∞. Phần
năng lượng do 1 đơn vị diện tích vật phát ra trong 1 đơn vị
thời gian ở nhiệt độ T tương ứng với bức xạ đơn sắc có
bước sóng (ν ) gọi là năng suất bức xạ đơn sắc.
•

•
→ dRT = rT . d
•
b . Hệ số hấp thu toàn phần a T– hệ số hấp thu đơn
sắc a T .
• - Tỷ số giữa phần năng lượng do 1 đơn vị diện tích vật
hấp thu được trong 1 đơn vị thời gian và phần năng lượng
chiếu tới vật ở nhiệt độ T gọi là hệ số hấp thu toàn
phần của vật ở nhiệt độ T:
•
.
•
d
dW

aT 

ht

d



ht

dW

• Tỷ số giữa phần năng lượng do 1 đơn vị diện tích vật hấp
thu trong 1 đơn vị thời gian với phần năng lượng chiếu tới
tương ứng với bức xạ đơn sắc có bước sóng(ν) tại nhiệt

độ T gọi là hệ số hấp thu đơn sắc của vật a T.
•
•


• Các yếu tố ảnh hưởng đến R T, rT, aT, aT :
•
+ Bản chất của vật bức xạ .
•
+ Bước sóng  (ν ) chùm ánh sáng
•
+ Nhiệt độ của vật bức xạ.
• c . Vật đen tuyệt đối : là vật hâùp thu toàn bộ
năng lượng của các bức xạ chiếu tới. Tức là vật
có hệ số hấp thu toàn phần aT = 1
• 1.1.3 Đường đặc trưng phổ phát xạ của vật đen tuyệt đối.
•
Dựa vào các kết quả đo được trong thực nghiệm ta vẽ được
đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của hệ số bức xạ đơn sắc rT
của vật đen tuyệt đối theo bước sóng  (ν ) ở nhiệt độ T nhất định.
Đường cong này gọi là đường đặc trưng phổ phát xạ cũa vật đen
tuyệt đối . Đường đặc trưng phổ phát xạ của vật đen tuyệt đối ở
các nhiệt độ T khác nhau được biểu diễn trên hình vẽ.Ta có nhận
xét như sau:
• Dạng đường cong khơng thay đổi theo nhiệt độ , có một cực trị
tương ứng rmax (hay )và max .
• Khi nhiệt độ tăng thì cực đại phát xạ lùi về vùng bước sóng ngắn
hơn : T1• Nhiệt độ tăng thì năng suất phát xạ tăng: T3
 > T2>T1

 thì  
max1

max 2

max 3


2. Các định luật về bức xạ nhiệt cân bằng .
• 2.1 Định luật Kirchhoff.
• Tỷ số giữa năng suất (hệ số) phát xạ đơn sắc và
hệ số hấp thu đơn sắc của một vật bất kỳ ở trạng
thái bức xạ nhiệt cân bằng không phụ thuộc vào
bản chất của vật đó, mà chỉ phụ thuộc vào nhiệt
độ T của nó và bước sóng  của chùm bức xạ.
rT 1 rT 2
rT
•

......  T 
 T
•
a T 1 a T 2
a T
•
T là hàm số chung cho mọi vật gọi là hàm số phổ
biến.
r

a

.

T

T
T
•
→
a T và
1
rT thì
 T:
•
- Nêú là vật đen tuyệt đối
•
Vậy hàm số phổ biến chính là năng suất phát
xạ đơn sắc của vật đen tuyệt đối ở cùng nhiệt độ T
.
•
Hệ quả : - Vật nào hấp thu mạnh thì cũng phát xạ
mạnh, hay mọi vật chỉ phát ra những bức xạ mà nó
có khả năng hấp thu.
•
- Ở cùng một điều kiện vật đen tuyệt đối a T= 1
là vật bức xạ mạnh nhất.




• 2.2 Định luật Stefan – Boltzmann .

• Năng suất bức xạ toàn phần của
một vật tỷ lệ với lũy thừa bậc 4
nhiệt độ của vật .4
RT  .T
•
•
σ = 5,67 . 10-8 J/m2.độ
•
Hệ số Stefan-Boltzmann
•
• 2. 3 Định luật Wien .
•
Bước sóng tương ứng với năng suất
bức xạ mạnh nhất ( cực đại) max tỷ
lệ nghịch với nhiệt độbcủa vật.
 max 
•
T
•
Hệ số Wienb :0,2898.10  2
m.độ


3. Thuyết lượng tử năng lượng Planck –
Công thức Planck về bức xạ nhiệt.
• Thuyết lượng tử năng lượng Planck (1900):
• Vật chất hấp thu hay bức xạ năng lượng
một cách gián đoạn theo từng lượng nhỏ
nhất gọi là lượng tử năng lượng. Mỗi lượng

tử có năng lượng tỷ lệ với tần số ν hay
tỷ lệ nghịch với bước sóng  của bức xạ
h.c
đơn sắc tương ứng
:
h 
•

• c = 3 . 108 m/s vận tốc ánh sáng trong chân
không.
h = 6,625 . 10-34J.s hằng số Planck .
• Công thức Planck
về bức xạ2 nhiệt .
2
2
h
2hc
1
•
 T  2 . h
 5 . hc
•
c


e kT  1

•

e  .kT  1

Hằng số Boltzmann k = 1,38 .10-23 J/độ


II . HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN
2.1 Hiện tượng quang điện:
• Do Hertz phát hiện 1887.
• Stoletov và Hallwash 1888.
– Hiệu ứng quang điện ngoài: Hiện tượng các
electron (điện tử)bị bức ra khỏi bề mặt kim
loại khi được chiếu xạ bởi bước sóng có
bức xạ  (hay tần số ) thích hợp.
– Hiệu ứng quang điện trong  xảy ra với chất
bán dẫn. Khi được chiếu bởi ánh sáng có
bước sóng thích hợp, electron liên kết yếu
trở thành electron tự do chuyển động trong
chất bán dẫn  độ dẫn điện tăng lên.
– Các electron bị bật ra khỏi bề mặt kim loại
gọi là electron quang điện = Quang electron
– Thí nghiệm của Stoletov – Đường đặc trưng
Vôn – Ampe


• 2.2 Các định luật quang điện:
• Định luật về giới hạn Quang điện:
• Hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi:   0;   0
 (): bước sóng ánh sanùg kích thích.
 0(0): gọi là ngưỡng quang điện của Kim Loại.
• Định luật về dòng quang điện bảo hòa:
• Cường độ dòng quang điện bảo hòa tỷ lệ với

cường độ ánh sáng kích thích.
•
Ibh ~ IAS
cực
I bh đại
ban
I ASđầu:
• Định luật về động năng
•
Động năng cực đại ban đầu của quang electron chỉ
phụ thuộc vào tần số của ánh sáng và bản chất
của kim loại mà không phụ thuộc vào cường độ
1
2
ánh sáng chiếu tới.
m max
h  A0
hc 2
•
Công thoát
A : h 
0

0

0
1 : e.Uc=
• Công của hiệu điện thế cản
Điện thế
m.v 2

cản Uc là điện thế UAK ngăn toàn bộ 2electron từ Katot về Anod
(Iqđ = 0)


•

•
•
•
•
•
•
•
•
•

2.3 Thuyết lượng tử ánh sáng: Einstein đưa ra vào
năm 1905..
hc tử ánh sáng.
*nh sáng là chùm phô
tôn=
lượng
 h 
Mỗi phô tôn mang năng lượng xác
 định.
h = 6,625.10-34J.s
C =3.108m/s : vận tốc ánh sáng
trong chân không.
*Trong chân không mọi phô tôn đều truyền đi với 1
vận tốc c.

*Cường độ của chùm tia sáng tỷ lệ với số phô
tôn có trong chùm sáng đó.
*Các nguyên - phân tử chỉ hấp thu một số nguyên
hc
lần phô tôn.
 h 

h
p phô
m.c 
Đặc trưng của
tôn Năng lượng:
 m0
Động lượng:
m

Khối lượng tónh m0:

2


1 2
c



 c  m 0 0

Với phô tôn:

hc
1
1eV= 3,83.10-23kcal = h
1,602.10-12erg.=1.602.10-19J.
   A0  me 2
Công thức Einstein:

2


• III. HIỆU ỨNG COMPTON
•
Năm 1922 Arthur H Compton khi cho chùm bức
xạ có tần số tới tán xạ trên 1 hạt tích điện
(electron) ta thu được chùm ánh sáng tán xạ có tần số

 tx



<
của bức xạ tới, trái với lý thuyết tán xạ
sóng điện từ
h
Độ biến đổi bướch sóng :
2
2

 tx   

•
•

m0

m0 .c

(1  cos ) 2

m0 .c

sin

2

20 sin

là khối lượng tĩnh cùa vi hạt (electron)

h
0 
m0 .c

gọi là bước sóng compton

2


Chương : SỰ TƯƠNG TÁC CỦA ÁNH SÁNG
VỚI MÔI TRƯỜNG VẬT CHẤT

• I. SỰ HẤP THU ÁNH SÁNG:
• I.1. Sự hấp thu lọc lựa ánh
sáng:
• I.1.1. Hiện tượng hấp thu ánh
sáng:
– Hiện tượng ánh sáng khi truyền qua
môi trường vật chất thì một phần
năng lượng chùm tia bị môi trường lưu
giữ gọi là Sự hấp thu.
– Sự hấp thu ánh sáng phụ thuộc vào
bản chất của môi trường và bước
sóng  của ánh sáng chiếu tới  Sự
hấp thu có tính lọc lựa.


•
•
•
•
•
•
•
•

I.1.2. Cơ chế sự hấp thu lọc lựa:
Năng lượng nguyên phân tử bao gồm:
We năng lượng vỏ điện tử.
Wddđ năng lượng dao động.

Wq năng lượng quay.
W = We +Wdd +Wq We +Wdd
We >>Wdd >>Wq
-Năng lượng nguyên phân tử bị lượng tử hóa
nó chỉ nhận những giá trị gián đoạn xác định
 Phổ năng lượng của mỗi loại nguyên phân tử
là hoàn toàn xác định ( số mức năng lượng,
số phân mức, khoảng cách giữa các mức).
• Bình thường các nguyên phân tử ở trạng thái
cơ bản S0(singlet )
• Khi hấp thu năng lượng(phô tôn… ) các nguyên
phân tử sẽ chuyển lên mức năng lượng cao
hơn: mức kích thích.


• Khi hấp thu năng lượng(phô tôn… ) các nguyên
phân tử sẽ chuyển lên mức năng lượng cao hơn:
mức kích thích.
– *Chỉ có những phô tôn có năng lượng vừa
đúng hiệu 2 mức năng lượng và thỏa mản quy
tắc chọn lọc về chuyển mức năng lượng mới
được hấp thu.
W W c

h W1  W2   

•

l 1
m 0;1

2

1

h





• *Sự chuyển mức chỉ có xác suất lớn với
những dịch chuyển cùng loại SingleSingle;
TripletTriplet  Sự hấp thu cộng hưởng.
- Với nguyên tử (hoặc ion tương ứng) số mức
năng lượng ít và khá tách biệt  Phổ vạch
đặc trưng.
•
- Với phân tử: số mức và phân mức năng
lượng nhiều và khá sát nhau, tạo thành đám hấp
thu  Phổ đám hoặc phổ liên tục nếu mật độ
phân tử lớn.


•
•
•
•
•
•

•
•
•
•
•
•
•

I.2. Định luật Bouger-Lambert-Beer về sự hấp thu ánh sáng:
I.2.1. Thiết lập:
Hình
Cho ánh sáng đơn sắc có cường độ I 0 chiếu qua môi trường có
bề dày l, I: cường độ ánh sáng truyền qua. Độ giảm cường độ
di bị hấp thu bởi bề dày dx:
- di ~ i.dx
Nếu môi trường là dung dịch thì di còn phụ thuộc vào nồng độ
C chất tan trong dung dịch:
-di ~ k.i.C.dx
-di = k.i.c.dx
Hệ số tỷ lệ k gọi là hệ số tắt; phụ thuộc bản chất môi
trường và bước sóngdi
anùh sáng .

 kCdx

i toàn bộ lớp môi trường có bề dày l:
Độ giảm cường độ do
I

l

di
I
 k .C.dx  ln  k .l.C

i
I0
I0
0

I I 0 .e

 k .C .l

 a .C .l
Chuyeån sang dạng cơ số 10 ta có :
Biểu thức định luật Bouger0 – Lambert – Beer về sự
hấp thu
•
a = 0,43k gọi là hệ số tắt hay hệ số hấp thu.
•
•

I I .10


• I.2.2 Các đại lượng đặc trưng :
I
• *Độ truyền qua = Độ thấu quang
T T

I0
• Độ truyền bách phân:
I
T % T .100  .100
I0
• * Độ hấp thu A (Asorbance).
1
A E D lg
• Độ tắt E (Extintion)
T
I0
Mật độ quang: D (Dencity oftic)
A lg
acl
I luật
•
A = acl biểu thức định
Lambert-Beer
• Nếu C là nồng độ phần trăm C% thì a gọi
là hệ số hấp thu riêng (l=1cm).
• Nếu C là nồng độ phân tử(mol) thì hệ số
tỷ lệ a sẽ là  gọi là hệ số hấp thu phân
A  .cđịnh
.l  Aluật
a.c.lLBL sẽ là:
tử- Khi đó biểu thức
* Đường cong phổ hấp thu:




• I.2.3. Hấp thụ của một hỗn hợp:
A  A1  A2  A3  ....  Ai
•
T T1bằng
.T2 .T3 .....
• - Độ hấp thu của một hỗn hợp
tổng độ
hấp thu của các thành phần có trong hỗn hợp
đó.
• - Độ truyền qua của hỗn hợp bằng tích số các độ
truyền của các thành phần có trong hỗn hợp .
• I.3 Ứng dụng hiện tượng hấp thu ánh sáng :
• a- Màu sắc của các vật :
• b- Định tính :
• c- Định lượng :
-Trường hợp máy quang phổ chuẩn ( & A ).
- Trường hợp máy quang phổ chưa đươc chuẩn hóa
( & A)
•
p dụng phương pháp xây dựng đường cong
chuẩn :


• II
•

HUỲNH QUANG VÀ LÂN QUANG
( Fluorescence & Phosphorescence )

• 2.1.Đại cương về hiện tượng huỳnh quang
• 2.1.1 Định nghĩa: Sự phát xạ bức xạ sóng
điện từ dưới tác dụng của ánh sáng gọi
là quang phát quang
• -Định nghóa của Vavilốp : Quang phát quang
tại nhiệt độ T nào đó là sự phát bức xạ
còn dư ngoài bức xạ nhiệt ở nhiệt độ đó
và kéo dài hơn một chu kỳ dao động
• 2.1.2 Phân loại :
•
+ Huỳnh quang (Fluorescence)
•
+ Lân quang (Phosphorescence)


• + Sự phụ thuộc thời gian kéo dài
sự phát quang vào nhiệt
độ
t

•


I HQ  I 0 .e

  : Thời gian phát quang trung bình
• I0 : Cường độ phát quang lúc ngừng
kích thích
1
9

10
�
10
• t : Thời gian kéo dài sự phát quang
• LQ: t =
s và phụ thuộc
vào nhiệt độ T. Khi T tăng thì thời
gian kéo dài sự phát quang giảm .
• HQ :t không phụ thuộc nhiệt độ.


• 4.1.2. Cơ chế hiện tượng lân quang và
huỳnh quang
•
Năng lượng của các nguyên phân tử
nhận những giá trị gián đoạn bao gồm :
W

W

W

W
�
W

W
e
dd
q

e
dd
•
• Mức kích thích Singlet S*:  Đối song.
• Mức kích thích Triplet T:  Song song

Chuyển mức trạng thái kích thích
•
So S1,S2 : 10-16 s.
• Hồi phục chuyển
S1 � S0 mức giao động:  10-12 s
•
•

-

S1 � T1 � S0

HQ = 10-6 – 10-9 s
LQ:10-3- 10 s


• Sự phân bố electron ở trạng thái kích thích
W
:

kT
N

N

e
•
0

S0
• Các dạng chuyển năng lượng kíchSthích
1 
T
• -Sự chuyển sang nhiệt năng không bức
xạ :
• -Dẫn truyền năng lượng giữa các phân
tử
• -Sử dụng trong các phản ứng quang hoá
• -Sự dịch chuyển bức xạ : lân quang và
huỳnh quang


2.1.3. Các chất huỳnh quang & lân
quang
Chất Huỳnh quang :Thường ở trạng
thái lỏng & khí
Chất Lân quang : Thường ở trạn
thái rắn
Các chất hữu cơ có nối đôi luân
hợp số nối đôi càng nhiều, số
vòng ngưng tụ càng nhiều sự phát
quang càng mạnh : ( liên kết  )
- Huydro cacbon thơm và dẫn chất
- Axít amin thơm : Thyrosin ,

• 2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự huỳnh quang
• 2.2.1. Bước sóng ánh sáng
• - Đường cong phổ huỳnh quang : Đồ thị biểu diễn sự
phụ thuộc cường độ phát quang I vào bước sóng
ánh sáng kích thích IKT hoặc cường độ ánh sáng
phát quang IHQ

•
IHQ = f(
KT)
 HQ)
•
IHQ = f(
•
Định luật Stockes :
•
HQ>HT
HQ< HT
• Bước sóng cưc ï đại phổ huỳnh quang lớn hơn cực đại
phổ hấp thu.
• Định luật Lepsin : Nếu phổ năng lượng các mức cơ
bản và mức kích thích đều gồm số phân mức
giống nhau, thì phổ huỳnh quang và phổ háp thu
của 1 chất sẽ đối xứng và cắt nhau tại 1 điểm ứng
2 0 với
 HT cực
 HQđại phổ
với tần số 0. Nếu tần số ứng
hấp thu và phổ huỳnh quang là HT; HQ thì theo Lepsin:

 HT   HQ 2( HT   0 )
•


• - Hiệu suất phát quang lượng tử
•
Tơng sơ' photon phát quang N HQ


•
Tơ`ng sơ' photon hâp thu
N HT
• - Hiệu suất phát quang
WHQ
 HT
H
 .
•
WHT
 HQ
• Định luật Vavilốp : Hiệu suất phát
quang lượng tử không phụ thuộc vào
bước sóng hay tần số của ánh
sáng
• - Hiệu suất phát quang H tăng tỷ lệ
với bước sóng ánh sáng kích thích
cho tới giá trị 0 nào đó thì giảm đột
ngột tới không .,