Đề cương môn thí nghiệm sức bền vật liệu- Trường Đại học bách khoa - Đại học đà nẵng.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG
MÔN HỌC: VẬT LÝ 2
Đề tài số 5: TÍNH CHẤT HẠT CỦA ÁNH SÁNG
VÀ CÁC ỨNG DỤNG: QUANG ĐIỆN,
COMPTON, SỰ PHÁT QUANG
GV dạy lý thuyết: Đậu Sỹ Hiếu
GV dạy bài tập: Trần Trung Tín Lớp : L16_Nhóm 5
Nhóm sinh viên thực hiện: ST Họ và tên MSSV T 1 Bùi Thị Mỹ Nữ 2212488 2 Vũ Phạm Minh Đăng 2210747 3 Phan Đức Chiến 2210382 4 Trần Quang Vọng 2213987
Chấm điểm bài tập lớn Vật lí 2:
Thái độ, câu hỏi, tương Điểm hình Điểm nội Tổng File tác với lớp thức dung điểm (4 điểm) (2 điểm) (4 điểm) Video báo cáo thuyết trình File word Tổng điểm
Tp. HCM, tháng 5 năm 2023 LỜI NÓI ĐẦU
Lời đầu tiên, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Trường Đại học Bách Khoa
– ĐHQG TP.HCM đã đưa môn Vật Lí 2 vào chương trình giảng dạy. Đặc biệt, chúng em
xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giảng viên bộ môn là thầy Đậu Sỹ Hiếu và thầy Trần Trung
Tín đã giảng dạy, truyền đạt cho chúng em những kiến thức quý báu trong những ngày qua.
Trong suốt thời gian tham gia lớp học của thầy, chúng em tự thấy bản thân mình tư duy hơn,
học tập càng thêm nghiêm túc và hiệu quả. Đây chắc chắn là những tri thức quý báu, là
hành trang cần thiết cho chúng em sau này.
Và vốn biết Vật lý đại cương là môn học đại cương có tầm quan trọng đối với sinh viên
ĐH Bách Khoa TPHCM nói riêng và sinh viên các ngành khối khoa học kỹ thuật – công
nghệ nói chung. Do đó, việc dành cho môn học này một khối lượng thời gian nhất định và
thực hành là điều tất yếu để giúp cho sinh viên có được cơ sở vững chắc về các môn KHTN
và làm tiền đề để học tốt các môn khác trong chương trình đào tạo.
Cùng với sự phân công của giảng viên bộ môn, cùng với những kiến thức tích lũy được
trong quá trình học tập ở bài tập lớn này, nhóm thực hiện nội dung “Tính chất hạt của ánh
sáng và các ứng dụng: quang điện, compton, sự phát quang”. Qua việc thực hiện bài báo cáo
này, nhóm chúng em đã biết thêm rất nhiều kiến thức mới lạ và bổ ích. Do vốn kiến thức
của chúng em vẫn còn hạn chế nên mặc dù đã cố gắng hết sức nhưng chắc chắn khó tránh
khỏi những thiếu sót. Kính mong cô xem xét, góp ý để bài báo cáo của chúng em được hoàn thiện hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn! lOMoARcPSD|24758704 MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ TÍNH CHẤT HẠT ÁNH SÁNG.......3
1.1 Định nghĩa và một số tính chất ..............................................................................3
1.2 Photon ...................................................................................................................3
1.2.1 Định nghĩa ...................................................................................................3
1.2.2 Tính chất ......................................................................................................3
1.3 Thuyết lượng tử ánh sáng ......................................................................................3
CHƯƠNG 2. CÁC HIỆU ỨNG ĐẶC TRƯNG CHO TÍNH CHẤT HẠT CỦA ÁNH
SÁNG .................................................................................................................................4
2.1 Hiệu ứng quang điện (Photoelectric effect) ...........................................................4
2.1.1 Định nghĩa ...................................................................................................4
2.1.2 Công thức Einstein ......................................................................................4
2.1.3 Các định luật quang điện .............................................................................4
2.2 Tán xạ Comptom (Compton scattering) ................................................................5
2.2.1 Định nghĩa ...................................................................................................5
2.2.2 Thí nghiệm về hiệu ứng compton: ...............................................................6
2.2.3 Kết quả thu được từ thí nghiệm ...................................................................6
2.2.4 Tán xạ Compton ngược ...............................................................................6
2.3 Hiệu ứng phát quang .............................................................................................7
2.3.1 Mô hình nguyên tử Bohr ..............................................................................7
2.3.2 Hiệu ứng phát quang: ..................................................................................8
CHƯƠNG 3. MỘT SỐ ỨNG DỤNG VÀ HIỆN TƯỢNG TRONG THỰC TẾ ..........9
3.1 Pin quang điện .......................................................................................................9
3.1.1 Định nghĩa ...................................................................................................9
3.1.2 Cấu tạo .........................................................................................................9
3.1.3 Nguyên lý hoạt động ....................................................................................9
3.1.4 Một số ứng dụng của pin quang điện ...........................................................9
3.2 Hiện tượng quang - phát quang ...........................................................................10
3.2.1 Định nghĩa .................................................................................................10 1 lOMoARcPSD|24758704
3.2.2 Ứng dụng: ..................................................................................................10
3.3 Tán xạ Compton: .................................................................................................12
3.3.1 Trong nghiên cứu: Tạo ra nguồn tia X ......................................................12
3.3.2 Xác định độ dày vật liệu ............................................................................13
3.3.3 Trong vật lí thiên văn: Quan sát và phát hiện lỗ đen .................................15
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 16 2 lOMoARcPSD|24758704
CHƯƠNG 1. LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ TÍNH CHẤT HẠT ÁNH SÁNG
1.1 Định nghĩa và một số tính chất
Trong thực tế, ánh sáng hay ánh sáng khả kiến là những bức xạ điện từ có thể được nhìn
thấy bởi mắt thường của con người. Ánh sáng khả kiến nằm trong khoảng bước sóng từ 400 – 700 nanometers.
Trong vật lý, ánh sáng là sóng điện từ ở bất kì bước sóng nào, bất kể có nhìn thấy được hay
không. Các tia gamma, X-rays, sóng hồng ngoại, tia cực tím đều là ánh sáng.
Vận tốc ánh sáng trong môi trường chân không được tính toán vào khoảng bằng: c =
299792458 m/s và là vận tốc lớn nhất có thể đạt trong tự nhiên theo tiên đề Einstein. 1.2 Photon 1.2.1 Định nghĩa
Photon là một hạt cơ bản, đồng thời là hạt lượng tử của trường điện từ, và mọi dạng bức xạ điện từ khác.
Photon là hạt cơ bản của mọi loại ánh sáng. Photon luôn chuyển động, trong chân không,
vận tốc photon được quan sát: c = 299792458 m/s. 1.2.2 Tính chất -
Photon không có khối lượng và năng lượng nghỉ. Chúng chỉ xuất hiện
ở dạng một hạt chuyển động.Photon được coi là hạt cơ bản mặc dù không có khối lượng. - Photon không mang điện. -
Photon có tính ổn định và không thể tự phân rã. -
Photon có spin ± 1, và là hạt boson. -
Năng lượng, động lượng, moment động lượng của của photon phụ thuộc vào tần số. -
Các hạt photon có thể tương tác với nhau và với các hạt cơ bản khác. -
Photon có thể bị phá hủy hoặc tạo ra trong hiện tượng tự nhiên. -
Trong chân không, vận tốc photon là vận tốc ánh sáng.
1.3 Thuyết lượng tử ánh sáng
Theo lý thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein, năng lượng của photon bằng tích của tần số
nhân với hằng số Planck. Ánh sáng là dòng dịch chuyển của các photon, cường độ ánh sáng phụ
thuộc vào số lượng hạt photon. Trong đó:
h = 6,25.10-34 J.s là hằng số Plank
c = 3.108 m/s là vận tốc ánh sáng trong chân không
λ là bước sóng của ánh sáng 3 lOMoARcPSD|24758704
CHƯƠNG 2. CÁC HIỆU ỨNG ĐẶC TRƯNG CHO TÍNH CHẤT HẠT CỦA ÁNH SÁNG
2.1 Hiệu ứng quang điện (Photoelectric effect) 2.1.1 Định nghĩa
Hiệu ứng quang điện là hiện tượng điện – lượng tử, trong đó các electron được thoát ra khỏi
nguyên tử hay vật chất sau khi hấp thụ một photon mang năng lượng đủ lớn.
Hiệu ứng quang điện còn được gọi là hiệu ứng Hertz, do nhà khoa học Heinrich Hertz tìm ra.
Hình 2.1: Mô phỏng hiệu ứng quang điện
2.1.2 Công thức Einstein
Electron hấp thụ năng lượng của photon, năng lượng này dùng để: -
Cung cấp một công thoát để electron thắng được lực liên kết -
Cung cấp động năng ban đầu cho electron ε =¿h.f = A + K c ¿>¿ c 1 + m v 2 h. λ = h. λ 0 2 0 max
2.1.3 Các định luật quang điện
Dòng quang điện bão hòa tỉ lệ với cường độ chùm sáng chiếu đến Giải thích: -
I là cường độ chùm sáng -
N0 là số photon được chiếu đến bề mặt kim loại trong một đơn vị thời gian -
Gọi N là số photon được hấp thụ trong một đơn vị thời gian => N là số hạt electron bứt
ra khỏi Cathode trong một đơn vị thời gian. -
N’ là số electron đến được Anode trong 1 đơn vị thời gian -
Ibh là cường độ dòng bão hòa Ta có công thức như sau: 4 lOMoARcPSD|24758704
{ = P N 0 ε N = Ibh ∣e∣ N'= I ∣e∣
Hình 2.2: Dòng quang điện bão hòa và cường độ sáng
Mỗi kim loại tồn tại một tần số cực tiểu, nếu chùm sáng có tần sổ f ứng quang điện sẽ không xảy ra.
Hình 2.3: Điều kiện để hiệu ứng quang điện xảy ra
Giải thích: Khi ánh sáng có tần số f nhỏ hơn tần số cực tiểu f0 của kim loại, năng lượng
của ánh sáng không đủ lớn để ion hóa các electron trong kim loại, và do đó hiệu ứng quang điện sẽ không xảy ra.
Động năng cực đại của electron bứt ra khởi Cathode phụ thuộc tuyến tính vào tần số của chùm
sáng và không phụ thuộc vào cường độ của chùm sáng chiếu tới ➢ Giải thích:
❖ Theo lý thuyết ánh sáng của Albert Einstein, ánh sáng được xem như một dòng các hạt
năng lượng gọi là photons. Mỗi photon mang theo một năng lượng nhất định, được tính
bằng công thức E = hf, trong đó E là năng lượng của photon, h là hằng số Planck và f là tần số của ánh sáng.
❖ Khi ánh sáng chiếu lên một kim loại, photon có năng lượng đủ lớn sẽ tạo ra hiệu ứng
quang điện, khiến electron trong kim loại bị ion hóa và bứt ra khỏi cathode. Động năng
của electron bứt ra phụ thuộc vào năng lượng của photon bị hấp thụ, được tính bằng công
thức Kmax = h.f - W, trong đó W là công của công suất năng lượng cần thiết để ion hóa
electron khỏi kim loại, còn được gọi là công suất năng lượng của kim loại.
Tần số cực đại (hay threshold frequency) là tần số nhỏ nhất của ánh sáng mà cần để ion
hóa electron khỏi kim loại đó. Nếu tần số của ánh sáng nhỏ hơn tần số cực đại của kim
loại, không có hiệu ứng quang điện xảy ra.
⇨ Do đó, động năng cực đại của electron bứt ra khỏi cathode phụ thuộc tuyến tính vào tần số
của ánh sáng vì năng lượng của photon phụ thuộc vào tần số, và khi tần số ánh sáng đạt 5 lOMoARcPSD|24758704
đủ để gây ra hiệu ứng quang điện, động năng của electron phụ thuộc vào năng lượng của
photon, không phụ thuộc vào cường độ của ánh sáng.
2.2 Tán xạ Comptom (Compton scattering) 2.2.1 Định nghĩa:
Tán xạ Comptom là sự va chạm giữa photon và một hạt mang điện, thường là electron. Nếu
kết quả là sự suy giảm năng lượng (tăng bước sóng) của photon, đó là hiệu ứng Compton, một phần
năng lượng của photon được truyền cho hạt tích điện.
Hiệu ứng này được phát hiện bởi nhà vật lý người Mỹ Arthur Holly Compto vào năm 1923,
và đã là một trong những bằng chứng đầu tiên cho thấy ánh sáng có tính chất hạt.
2.2.2 Thí nghiệm về hiệu ứng compton:
Hình 2.4: Dụng cụ dùng để nghiên cứu hiệu ứng Compton.
Chùm tia X đơn sắc bước sóng phát ra từ đối âm cực của ống tia X. Chùm tia X hẹp thu
được rọi vào vật tán xạ A chứa các nguyên tử nhẹ (cụ thể ở thí nghiệm này, Compton đã dùng một
khối graphit). Một phần chùm sáng xuyên qua vật A, phần còn lại bị tán xạ. Phần tia X tán xạ được
thu bằng một máy quang phổ tia X – detector đo cả cường độ lẫn bước sóng của các tia X tán xạ dưới các góc khác nhau.
2.2.3 Kết quả thu được từ thí nghiệm:
Hình 2.5: Những kết quả của Compton đối với 4 giá trị của góc tán xạ θ.
Qua hình 2.5, chúng ta thấy rằng: mặc dù chùm tia tới chỉ chứa một bước sóng duy nhất
nhưng các tia X tán xạ lại có các cực đạ cường độ ở hai bước sóng. Một cực đại ứng với bước sóng
λ của tia tới, còn cực đại thứ hai có bước sóng dài λ hơn một lượng λ . λ được gọi là độ dịch
Compton thay đổi tuỳ theo góc mà ta quan sát các tia X tán xạ.
Từ thực nghiệm, ta xác định được mối liên hệ độ dịch Compton và góc tán xạ: 6 lOMoARcPSD|24758704 ∆=−¿ ( θ 1−cos θ)=2❑ sin 2 c c 2
• Trong đó, λc = 0,0243 Å gọi là bước sóng compton.
2.2.4 Tán xạ Compton ngược:
Tán xạ Comptom ngược là sự va chạm giữa một photon năng lượng thấp và một electron
mang năng lượng cao. Kết quả của sự va chạm là photon nhận thêm năng lượng và electron mất năng lượng.
Phương trình compton ngược được viết dưới dạng:
−¿ h (1−cos θ) m c e Trong đó:
- λ là độ dài bước sóng của photon ban đầu.
- λ’ là độ dài bước sóng của tia gamma sau khi tương tác với điện tử. - h là hằng số Planck.
- me là khối lượng của điện tử.
- c là tốc độ ánh sáng trong chân không.
- θ là góc giữa hướng di chuyển của photon ban đầu và tia gamma sau khi tương tác.
Phương trình Compton ngược được sử dụng trong các nghiên cứu liên quan đến tương
tác giữa photon và vật chất, và là một trong những cơ sở để phát triển các kỹ thuật quan
trọng trong y học, như PET (Phương pháp Tomography dùng Positron).
2.3 Hiệu ứng phát quang
2.3.1 Mô hình nguyên tử Bohr a) Tiên đề Bohr:
Electron quay xung quanh hạt nhân không phải trên những quỹ đạo bất kì mà trên những
quỹ đạo tròn, đồng tâm có bán kính nhất định gọi là những quỹ đạo bền (hay quỹ đạo cho phép).
Khi quay trên những quỹ đạo bền này, electron không phát ra năng lượng điện từ. Năng lượng (E)
chỉ được phát ra hay hấp thụ khi electron chuyển từ quỹ đạo bền này sáng quỹ đạo bền khác và
bằng hiệu số năng lượng ở trạng thái đầu và trạng thái sau.
b) Lượng tử hóa momen động lượng
Lượng tử hóa momen động lượng là một khái niệm quan trọng trong vật lý, đặc biệt là trong
lĩnh vực cơ học lượng tử. Nó mô tả việc momen động lượng của một hệ thống phải nhận giá trị rời
rạc, chỉ có thể nhận giá trị là bội số của một hằng số.
c) Bước sóng của các vạch quang phổ: 1 1 1 ❑=R( − 1 2 ) n 2 n 2 Trong đó:
- λ là bước sóng của vạch quang phổ, được tính bằng mét (m) - R là hằng số Rydberg
- n1 và n2 là hai số nguyên dương, được gọi là các số lượng tử chính (principal quantum
numbers) của trạng thái ban đầu và trạng thái cuối của nguyên tử tương ứng. 7 lOMoARcPSD|24758704
Công thức này kết hợp các định luật động lực học cổ điển, bảo toàn năng lượng và lượng tử
hóa moment động lượng để mô tả bước sóng của các vạch quang phổ trong phổ điện tử của nguyên
tử. Công thức này chỉ đúng trong trường hợp các nguyên tử đóng.
d) Vạch quang phổ của hidro:
Hình 2.6. Quang phổ vạch của nguyên tử Hidro
2.3.2 Hiệu ứng phát quang:
Hiệu ứng phát quang là hiện tượng một chất bức xạ ánh sáng khi được kích thích bằng một
nguồn năng lượng bên ngoài, thường là ánh sáng hoặc nhiệt. Trong quá trình bức xạ, nguyên tử
trong chất hấp thụ năng lượng từ nguồn kích thích và chuyển sang một trạng thái năng lượng cao
hơn. Sau đó, nguyên tử sẽ trở về trạng thái năng lượng thấp hơn bằng cách phát ra năng lượng dư
thừa dưới dạng ánh sáng. Ánh sáng này có bước sóng xác định và tương ứng với một mức năng
lượng cụ thể của nguyên tử đó.
a) Hiện tượng quang hóa: Hiện tượng huỳnh quang Hiện tượng lân quang
Sự phát quang của vật chất khi hấp thụ ánh sáng hay một bức xạ điện từ
Là hiện tượng mà ánh sáng phát quang Là hiện tượng mà ánh sáng phát quang còn kéo
tắt ngay khi ngừng ánh sáng kích thích. dài từ vài phần giây, đến hàng giờ (tuỳ theo
Nó thường xảy ra với chất lỏng và chất chất) sau khi tắt ánh sáng kích thích. Nó thường
khí. Thời gian phát quang nhỏ hơn 10- xảy ra với các chất rắn. Thời gian phát quang 8s. lớn hơn 10-6 s.
b) Phát quang hóa học
Phát quang hóa học là hiện tượng mà ánh sáng được phát ra nhờ vào nguồn năng lượng sinh
ra trong các phản ứng hóa học. Kết quả của phản ứng hay một trong những sản phẩm của phản ứng
chuyển sang trạng thái kích thích và trở về trạng thái cơ bản của năng lượng bằng cách phát ra bức
xạ như tia cực tím, tia nhìn thấy được hoặc tia hồng ngoại. 8 lOMoARcPSD|24758704
Hình 2.7. Phát quang nhờ phản ứng hóa học
CHƯƠNG 3. MỘT SỐ ỨNG DỤNG VÀ HIỆN TƯỢNG TRONG THỰC TẾ 3.1 Pin quang điện 3.1.1 Định nghĩa:
Pin quang điện là pin ( nguồn điện) chạy bằng năng lượng ánh sáng, nó biến đổi trực tiếp
quang năng thành điện năng. Hiệu suất trên dưới 10% 3.1.2 Cấu tạo:
Hình 3.1 Sơ đồ cấu tạo của pin quang điện
Pin có 1 tấm bán dẫn loại n (gồm đa số là electrôn dẫn mang điện tích âm), bên trên có phủ một
lớp mỏng bán dẫn loại p (gồm đa số là lỗ trống mang điện tích dương) trên cùng là một lớp kim loại rất
mỏng. Dưới cùng là một đế kim loại. Các kim loại này đóng vai trò các điện cực trơ.
Giữa lớp p và lớp n hình thành một lớp đặc biệt gọi là lớp chặn. Lớp này ngăn không cho
electron khuếch tán từ lớp n sang lớp p và lỗ trống từ lớp p sang lớp n 9 lOMoARcPSD|24758704
3.1.3 Nguyên lý hoạt động -
Pin quang điện hoạt động dựa trên hiện tượng quang điện trong của các
chất bán dẫn: german, silic, selen... -
Ánh sáng có bước sóng thích hợp rọi vào điện cực dương + (trong suốt) vào lớp bán dẫn loai p. -
Tại lớp p, xảy ra hiện tượng quang điện trong tạo thành lỗ trống và electron quang điện. -
Điện trường lớp tiếp xúc p - n đẩy lỗ trống về lớp p và đẩy electron dẫn
về lớp n, khiến lớp bán dẫn p trở nên nhiễm điện dương còn lớp n thừa
electrôn trở nên nhiễm điện âm. -
Lớp kim loại mỏng ở phía trên lớp p (vừa cho phép ánh sáng đi qua,
vừa có tác dụng dẫn điện) nối với một điện cực. Điện cực này là điện cực dương. -
Ở phía dưới lớp n là một đế bằng kim loại đóng vai trò của điện cực âm. -
Nối hai điện cực của pin quang điện với một mạch ngoài thì trong mạch
ngoài có dòng điện một chiều chạy từ cực dương sang cực âm
3.1.4 Một số ứng dụng của pin quang điện -
Nguồn cung cấp điện cho các khu vực vùng sâu, vùng xa ở nước ta -
Chế tạo pin năng lượng mặt trời, máy nước nóng năng lượng mặt trời, các phương tiện sử
dụng pin năng lượng mặt trời trong đường bộ, đường sắt, đường thủy và đường hàng
không, quần áo năng lượng mặt trời, … -
Máy đo ánh sáng/màu sắc như lux kế, cảm biến bật/tắt đèn đường -
Chế tạo pin dùng trên tàu vũ trụ, máy tính bỏ túi,...
3.2 Hiện tượng quang - phát quang 3.2.1 Định nghĩa:
Là hiện tượng một số chất có khả năng hấp thụ ánh sáng kích thích có bước sóng này để
phát ra ánh sáng có bước sóng khác.
VD: Nếu chiếu một chùm bức xạ tử ngoại vào một ống nghiệm đựng dung dịch fluorexein
thì dung dịch này sẽ phát ra ánh sáng mù lục. Ở đây, bức xạ tử ngoại là ánh sáng kích thích, còn ánh
sáng màu lục do fluorexein phát ra chính là ánh sáng phát quang. Phân loại:
Có 2 loại: Lân quang và huỳnh quang -
Lân quang: là sự phát quang có thời gian phát quang dài ( 10-8 s trở lên), nó thường xảy ra với
chất rắn. Các chất rắn phát quang loại này gọi là chất lân quang. -
Huỳnh quang: là sự phát quang có thời gian phát quang ngắn ( dưới 10-8 s). Nghĩa là ánh sáng
phát quang hầu như tắt ngay sau khi tắt ánh sáng kích thích. Nó thường xảy ra với chất lỏng và chất khí. 10 lOMoARcPSD|24758704 3.2.2 Ứng dụng:
Một số loại sơn xanh, đỏ, vàng lục trên các biển báo giao thông hoặc ở đầu các cọc chỉ giới đường là
các chất lân quang có thời gian kéo dài khoảng vài phần mười giây. Ngoài ra còn có rất nhiều đồ trang trí nội
thất sử dụng chất lân quang.
Hình 3.2 Ứng dụng của phát quang trên biển cảnh báo
Hỗn hợp xi-măng trộn chất lân quang có thể hấp thụ ánh sáng mặt trời ban ngày rồi chiếu sáng vào
ban đêm hoặc những ngày thời tiết u ám và phát sáng liên tục trong 12 giờ đồng hồ, giúp tiết kiệm điện
năng.ó rất nhiều đồ trang trí nội thất sử dụng chất lân quang.
Hình 3.3 Ứng dụng của hiệu ứng phát quang trong chiếu sáng lối đi
Bóng đèn huỳnh quang: nguyên lí làm việc: Khi đóng điện, hiện tượng phóng điện giữa
hai điện cực làm phát ra tia tử ngoại (tia cực tím). Tia tử ngoại tác dụng vào lớp bột huỳnh quang làm đèn phát sáng. 11 lOMoARcPSD|24758704
Hình 3.4 Sơ đồ cấu tạo bóng đèn huỳnh quang 3.3 Tán xạ Compton:
3.3.1 Trong nghiên cứu: Tạo ra nguồn tia X
Bằng việc thực hiện hiệu ứng tán xạ Compton ngược, người ta đã tạo được nguồn chiếu tia X. Chùm
tia X được tạo ra có năng lượng từ 10 KeV tới vài trăm KeV
Hình 3.5 Máy tạo nguồn X-ray của tập đoàn Lyncean Technology
● Nguyên lí hoạt động - cơ sở lí thuyết: 12 lOMoARcPSD|24758704
Hoạt động bằng hình thức của bức xạ điện từ, điện áp cao được sử dụng để tạo ra các
electron vận tốc cao, tạo thành từ cực âm, electron vận tốc cao này sẽ va chạm với cực dương để tạo ra tia X.
Các electron được gia tốc trong buồng gia tốc hạt để đại mức năng lượng cực lớn, các
electron sau khi gia tốc sẽ được bắn vào 1 chùm photon năng lượng thấp (thường là từ tia
Laser), hiệu ứng tán xạ Compton ngược xảy ra, các photon tán xạ ngược mang năng lượng cao, tạo ra chùm tia X.
● Cấu tạo, các bộ phận chính:
Buồng electron: nơi trữ các dòng electron.
Buồng gia tốc hạt: dòng electron được lấy ra và vận chuyển đến buồng gia tốc hạt. Tại đây,
các electron sẽ được gia tốc để đạt tới năng lượng cần thiết. Có thể điều chỉnh mức năng lượng
cần đạt tới của các electron.
Hình 3.6 Bộ phận chính của máy
Bảng 3.1 Bảng năng lượng chùm tia X tương ứng với năng lượng chùm electron
● Ứng dụng của tia X:
Việc tạo ra nguồn tia X đã được ứng dụng rất nhiều như: -
Dùng chiếu điện quang, chụp điện quang, diệt tế bào ung thư, giết vi khuẩn … trong y học. -
Tìm khuyết tật các sản phẩm kim loại trong công nghiệp, … -
Kiểm tra hành lí ở sân bay…
Các thành phần chính trong hệ chụp X-quang bao gồm: -
Bóng phát tia X và bộ tạo cao áp - Phin lọc - Hệ chuẩn trực - Lưới chống tán xạ -
Phim/ bìa tăng quang và tăng sáng truyền hình (khuếch đại ảnh) -
Bộ kiểm soát liều xạ tự động (AEC)
3.3.2 Xác định độ dày vật liệu
● Cơ sơ lí thuyết – Nguyên lí hoạt động: 13 lOMoARcPSD|24758704
Bằng việc sử dụng tán xạ Compton, một chùm tia gamma sẽ được chiếu tới vật liệu và bị
tán xạ, lệch 1 góc θ so với phương ban đầu. Đo cường độ chùm tán xạ sẽ cho ta biết độ dày của vật liệu. \
Hình 3.7 Các bộ phận chính của thiết bị đo
● Cấu tạo, các bộ phận: -
Nguồn phóng xạ thường là đồng vị phóng xạ của Co60 hoặc Cs137. -
Nguồn phóng xạ dạng trụ có đường kính 4-5mm, được bọc thép bên ngoài. -
Đầu dò: Một mô hình đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) được xây dựng dựa trên mẫu đầu dò
Hình 3.8 Nguồn phóng xạ Cs137 14 lOMoARcPSD|24758704
Hình 3.9 Nguồn phóng xạ Co60
76 R76 NaI(Tl) của hãng Amptek, Inc. gồm có các thành phần sau: -
Một tinh thể NaI(Tl) kích thước 7,6 cm x 7,6 cm, -
Mặt phía trước tinh thể từ ngoài vào trong gồm một lớp nhôm dày 0,15 cm và một lớp silicon dày 0,2 cm, -
Mặt bên cạnh tinh thể từ ngoài vào trong gồm một lớp nhôm 0,15 cm và một lớp phản xạ bằng nhôm oxit 0,2 cm, -
Mặt phía sau tinh thể là một cửa sổ bằng kính dẫn sáng 0,6 cm và tiếp theo là một ông
nhân quang điện bằng nhôm
Hình 3.10 Đầu dò chùm tán xạ
3.3.3 Trong vật lí thiên văn: Quan sát và phát hiện lỗ đen
Để quan sát và phát hiện lỗ đen, các nhà thiên văn sử dụng rất nhiều hiệu ứng khác nhau
trong đó có hiệu ứng Compton – hay chính xác hơn là hiệu ứng Compton ngược. Đối với những
lỗ đen hình thành từ một hệ sao đôi, khi một ngôi sao trở thành lỗ đen thì nó sẽ hút vật chất của
ngôi sao đồng hành với nó. Trong quá trình này, vật chất – trong đó có các electron – được gia tốc
đến những vận tốc rất lớn. Các electron lúc này có thể được gia tốc đến ngưỡng tương đối tính.
Lúc này, chỉ cần những bức xạ điện từ năng lượng thấp tương tác với các electron này thì sẽ phát
ra các bức xạ điện từ tán xạ có năng lượng cao – cỡ tia X. Dựa vào việc quan sát các bức xạ tia X
này mà các nhà thiên văn có thể xác định được ở đâu có khả năng có lỗ đen.
Ngoài ra, họ sử dụng một kỹ thuật có tên gọi baseline interferometry trong đó 8 đài quan 15 lOMoARcPSD|24758704
sát radio trên thế giới cùng đồng bộ và tạo nên một kính viễn vọng radio có kích cỡ to bằng Trái
Đất, đủ mạnh để thực hiện những quan sát với độ phân giải cao gấp 4.000 lần Kính viễn vọng Hubble.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Kinh nghiệm luyện thi vật lý 12, tập 2, Chu Văn Biên, Nhà xuất bản đại học quốc gia Hà Nội
[2] Giáo trình vật lý đại cương A2
[3] Vũ Quang, Quang học 2, Nhà xuất bản Giáo dục Việt Nam,
[4] Nguyễn Đình Soa, Hóa đại cương, Nhà xuất bản Đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2017
[5] Phạm Thị Vi, Khảo sát tán xạ ngược của chùm tia gamma lên vật liệu thép ct3 và thép c45, Đại
học Khoa Học Tự Nhiên - Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh, 2013
[6] Tibi Puiu, June 23, 2017, What exactly is a photon? Definition, properties, facts, 16 lOMoARcPSD|24758704
https://www.zmescience.com/science/what-is-photon-definition-04322/
[8] Daniel Merthe, Ph.D. Physics, University of Southern California (2017), Why is the spin of
phonon 0 while the spin of photon is 1? https://www.quora.com/Why-is-the-spin-of-phonon-0-
while-the- spin-of-photon-is-1
[9] D.J.Gibson, T.L.Houck, A.S Ladran, R.A.Marsh, M.J.Messerly, V.A.Semenov, M.Y.Shverdin,
S.S.Wu, R.D.Scarpetti, Jr.C.W.Siders, D.P.McNabb, R.E.Bonanno, and C.P.J.Barty, 2010, Overview of Compton Scattering Light Sources & Applications
https://portal.slac.stanford.edu/sites/ad_public/events/fls2010/documents/icfa_ls_slac_(03-02- 2010).pdf
[10] http://ipt.hcmute.edu.vn/thi-nghiem/phong-thi-nghiem-vat-ly-ao/hieu-ung-quang-dien/ 17