Tính Chất Hạt Của Ánh Sáng - Chương II: Đặc Điểm Và Hiện Tượng Quang học

CHƯƠNG II. TÍNH CHẤT HẠT CỦA ÁNH SÁNG
I. SỰ PHÁT XẠ VÀ HẤP THỤ ÁNH SÁNG
Ánh sáng là các bức xạ điện từ, được chia thành 3 vùng
+ Tử ngoại (λ < 380 nm trong chân không),
+ Khả kiến hay nhìn thấy (380 nm ≤ λ ≤ 760 nm trong chân không)
+ Hồng ngoại (λ > 760 nm trong chân không).
Ánh sáng có thể được mô tả như những lượng tử ánh sáng chuyển động gọi là photon. Các hiện
tượng: Quang phổ vạch, hiệu ứng quang điện, các tia X…. đều là các hiện tượng do bản chất
lượng tử của bức xạ gây ra.
 Bức xạ điện từ, có bản chất sóng, đồng thời cũng có tính chất giống như các hạt (photon).
 Cụ thể là, năng lượng của một sóng điện từ luôn được phát ra và bị hấp thụ theo các photon
hay lượng tử, trong đó năng lượng photon tỉ lệ với tần số của bức xạ.
- Phát xạ ánh sáng là hiện tượng nguyên tử, phân tử vật chất đang trong một trạng thái kích
thích nào đó phát xạ một photon để chuyển về một trạng thái có mức năng lượng thấp hơn.
- Hấp thụ ánh sáng là hiện tượng nguyên tử, phân tử đang trong trạng thái nào đó hấp thụ một
photon để chuyển lên một trạng thái có mức năng lượng cao hơn.
II. BỨC XẠ NHIỆT CỦA VẬT ĐEN 1. Bức xạ nhiệt
a) Bức xạ: là hiện tượng các sóng điện từ phát ra từ một vật.
b) Bức xạ nhiệt: Là hiện tượng các vật phát ra các sóng điện từ (bức xạ) do chuyển động nhiệt. Tính chất
+ Phụ thuộc vào tính chất bề mặt và nhiệt độ của vật.
+ Bước sóng phân bố liên tục trong phổ điện từ.
+ Ở nhiệt độ phòng, bước sóng của bức xạ nhiệt nằm trong vùng hồng ngoại.
+ Khi tăng nhiệt độ, bước sóng chuyển sang màu đỏ và thậm chí là màu trắng.
c) Phổ bức xạ nhiệt
Là sự phân bố cường độ của bức xạ theo bước sóng tương ứng. 1 d) Cân bằng nhiệt
Là hiện tượng lượng năng lượng mà vật hấp thụ và
phát ra dưới dạng bức xạ nhiệt trong một đơn vị thời gian là bằng nhau.
Vật nào có khả năng hấp thụ càng mạnh thì khả
năng phát ra bức xạ cũng mạnh
e) Hệ số hấp thụ đơn sắc
Là sự phân bố cường độ của bức xạ theo bước sóng tương ứng. Phụ thuộc: + Bước sóng + Nhiệt độ + Vật liệu
+ Tính chất bề mặt của vật.
KẾT LUẬN: Vật màu đen hấp thụ và phát xạ mạnh hơn vật màu trắng.
2. Vật đen tuyệt đối a) Khái niệm:
Vật đen tuyệt đối là một bề mặt lý tưởng hấp thụ tất cả các bước sóng của bức xạ điện từ
chiếu tới, nó cũng là nguồn phát xạ tốt nhất của các bức xạ điện từ ở bất kỳ bước sóng nào. Đặc điểm:
 Nó có khả năng hấp thụ mọi bức xạ điện từ chiếu vào nó, nghĩa là nó có hệ số hấp
thụ đơn sắc �(�) = 1 đối với mọi bước sóng �.
Bức xạ phát ra từ vật đen tuyệt đối gọi là bức xạ nhiệt của vật đen tuyệt đối.
b) Năng suất bức xạ nhiệt của vật đen tuyệt đối
- Năng suất bức xạ đơn sắc là đại lượng đặc trưng cho khả năng bức xạ của vật đen tuyệt đối. 2
Năng suất bức xạ được định nghĩa:
��(�). �� là lượng năng lượng mà bức xạ phát ra trên một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian.
- Năng suất bức xạ toàn phần (cường độ bức xạ
của vật đen tuyệt đối) Công suất bức xạ Trong đó:
+ I (W/m2) là cường độ bức xạ.
+ S (m2) là diện tích của bề mặt vuông góc với phương truyền sóng.
c) Các định luật bức xạ nhiệt đối với vật đen tuyệt đối
 Định luật Stefan – Boltzmann
Cường độ bức xạ toàn phần (Năng suất bức xạ toàn phần) được phát ra từ bề mặt của
một vật đen tuyệt đối ở trạng thái cân bằng nhiệt ứng với nhiệt độ T tỉ lệ thuận với lũy
thừa bậc 4 của nhiệt độ tuyệt đối của vật đó.
với  = 5,67.10-8 W.m-2K-4 là hằng số Stefan-Boltzmann  Định luật Wien
Khi nhiệt độ thay đổi, bước sóng �"#$ ứng với sự phát xạ cực đại cũng thay đổi, nhưng
tích số của nhiệt độ tuyệt đối T và bước sóng �"#$ tương ứng là không đổi.
với b = 2,898.10-3m.K làha5ng so: Wien 3
3. Định luật bức xạ Planck
a) Thí nghiệm về bức xạ nhiệt của vật đen tuyệt đối
Thí nghiệm xét hệ gồm bóng đèn và cảm ứng nhiệt.
Kết quả thí nghiệm: có năng suất bức xạ đơn sắc có dạng như hình vẽ. Nhận xét:
+ Khi T càng cao, diện tích của miền nằm dưới đường cong ��(�) càng lớn, tức là I(T) càng lớn.
+ Ứng với mỗi nhiệt độ T, có một bước sóng ���� mà ứng với bước sóng này năng suất
bức xạ ��(�) của vật đạt cực đại, nhiệt độ càng cao, ���� càng dịch về phía sóng ngắn.
b) Giải thích kết quả thí nghiệm
Để giải thích đúng kết quả thí nghiệm về sự phân bố phổ bức xạ nhiệt, người ta cố gắng
tìm một biểu thức toán học đúng cho ��(�), tức là:
��(�) = (Số lượng bức ra từ lỗ) x (Năng lượng trung bình của bức xạ)
A. CÔNG THỨC RAYLEIGH – JEANS
+ Bằng lý thuyết sóng điện từ của Maxwell, Rayleigh và Jeans tìm được:
+ Bằng lý thuyết cổ điển về năng lượng, cho rằng năng lượng do vật bức ra là liên tục có giá trị từ 0 đến ∞.
- Năng lượng trung bình được tính:
- Vậy năng suất bức xạ được tính:
+ Đúng trong vùng bước sóng dài của vùng hồng ngoại.
+ Không đúng cho vùng bước sóng ánh sáng nhìn thấy và tử ngoại.
⇒ Lý thuyết sóng điện từ của Maxwell và thuyết động học là ĐÚNG B. CÔNG THỨC PLANCK
Sau khi nghiên cứu kỹ công thức và luận điểm của Rayleigh – Jeans, Planck cho rằng: 4
Các nguyên tử, phân tử phát xạ (hoặc hấp thụ) năng lượng dưới dạng bức xạ một cách
gián đoạn, tùy ý. Phần năng lượng phát xạ (hay hấp thụ) dưới dạng bức xạ có tần số f
là một số nguyên lần của tích số hf.
- Năng lượng trung bình được tính: 
- Năng suất bức xạ tìm được:
Công thức Planck mô tả đúng cho đường cong thực nghiệm đối với mọi bước sóng.
c) Một số kết quả từ công thức Planck
(1) Đối với bước song rất dài thì: ℎ� << 1
Thu được công thức Rayleigh – Jeans.
(2) Lấy tích phân công thức Planck:
Thu được định luật Stefan – Boltzmann.
(3) Đạo hàm công thức Planck theo bước sóng để tìm bước sóng ứng với năng suất bức xạ cực đại:
Thu được định luật Wien. 5
Cũng giống như Newton, Planck đã tiêu tốn phần đời còn lại của mình để chứng minh rằng
Chúa Trời tồn tại trên thế giới này.  Lý thuyết lượng tử và vật lý hiện đại khởi đầu từ giả thuyết này.
III. Hiệu ứng quang điện
1. Hiệu ứng quang điện
Hiệu ứng quang điện là hiệu ứng mà một số electron bị bứt ra khỏi một bề mặt kim loại
hoặc mối liên kết trong bán dẫn khi được kích thích bởi ánh sáng có bước sóng thích hợp.
2. Hiệu ứng quang điện ngoài
a) Định nghĩa: Hiện tượng quang điện (ngoài) là hiện tượng ánh sáng làm bật các electron
ra khỏi bề mặt kim loại
Chú ý: Các electron bật ra khỏi bề mặt kim loại gọi là quang electron hoặc electron quang điện
b) Thí nghiệm và kết quả Thí nghiệm Kết quả
+ Khi V tăng thì Ie tăng, khi V tiếp tục tăng thì Ie= Ibh.
+ Khi Ias tăng gấp đôi thì Ibh cũng tăng gấp đôi. +Khi V<0 thìIe giảm. +Khi V=-V0 =-Uh thìIe =0. K0max eUh
Khi đo được Uh sẽ biết được động năng của electron. 6 •Ie ~Ias
• Uh không phụ thuộc vào Ias.
+ Khi tăng tần số ánh sáng thì Uh tăng Uh ~ f
+ Kmax phụ thuộc vào f = v.
+ Kmax không phụ thuộc vào Ias.
Khi f < f0 (λ > λ0) thì không có electron bật ra.
Vậy hiệu ứng quang điện xảy ra khi f ≥ f0 hay λ ≤ λ0.
f0: ngưỡng quang điện; λ0: giới hạn quang điện
c) Điều kiện để xảy ra HTQĐ
Ánh sáng chiếu đến tấm kim loại phải có bước sóng () ngắn hơn hoặc bằng bước sóng
giới hạn quang điện (0)  ≤ 0
d) Các định luật về hiệu ứng quang điện
*Định luật 1: Với mỗi kim loại nhất định, tồn tại một tần số ngưỡng fo mà khi chùm sáng
chiếu đến có tần số f nhỏ hơn giá trị này, thì hiệu ứng quang điện không xảy ra.
ff0 hay o HTQDxayra
*Định luật 2: Khi xảy ra hiệu ứng quang điện, dòng quang điện bão hoà (Ibh) tỉ lệ thuận
với cường độ chùm sáng chiếu đến.
*Định luật 3: Khi xảy ra hiệu ứng quang điện, động năng cực đại Kmax của electron quang
điện phụ thuộc tuyến tính vào tần số f của chùm sáng chiếu đến nhưng không phụ thuộc
vào cường độ chùm sáng đó. 7
3. Hiện tượng quang điện trong a) Định nghĩa
Là hiện tượng chiếu ánh sáng thích hợp vào khối bán dẫn, làm giải phóng các electron liên
kết để chúng trở thành các electron dẫn đồng thời tạo ra các lỗ trống trong bán dẫn và cùng
tham gia vào quá trình dẫn điện.
b) Điều kiện xảy ra hiện tượng quang điện trong
Là ánh sáng kích thích phải có bước sóng nhỏ hơn hoặc bằng giới hạn quang điện của bán dẫn λ ≤ λ0 qd
Chú ý: Giới hạn quang điện của bán dẫn (λ0 qd) nằm trong vùng ánh sáng hồng ngoại. λ0qd > λ0 (qđn)
4. Thuyết lượng tử ánh sáng
a) Thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein
+ Ánh sáng được tạo thành bởi các hạt gọi là các photon (lượng tử ánh sáng)
+ Với mỗi ánh sáng đơn sắc có tần số f, các photon đều giống nhau, mỗi photon mang năng lượng bằng ε = hf
+ Trong chân không, photon bay dọc theo các tia sáng với tốc độ c = 3.108 m/s.
+ Mỗi lần nguyên tử hay phân tử phát xạ hoặc hấp thụ ánh sáng thì chúng phát ra hay hấp thụ một photon.
b) Công thức Einstein
* Để giải thích các định luật quang điện, Einstein công nhận một chùm sáng gồm các
photon hay lượng tử ánh sáng, năng lượng E của một photon bằng: E = hf = hcλ
Động lượng của photon : p E hf  h c c λ
* Einstein đã áp dụng bảo toàn năng lượng để tìm động năng cực đại của một electron quang điện 8
Kmax = 1 m�2 =hf -W0 hay: eUh =hf–W0
Các electron ở mức ngoài cùng 2
của nguyên tử trên bề mặt kim
loại có năng lượng bé nhất là
W0, W0 được gọi là công thoát.
c) Giải thích các định luật quang điện
*Để electron bật ra thì hf ≥W0 hay f ≥ f0 (f0 =W0/h) o 0 ℎ� Thỏa định luật 1 0
* Tăng cường độ ánh sáng tức là tăng số photon trong Thỏa định luật 2
chùm sáng → dòng quang điện tăng
* Từ công thức Einstein về hiện tượng quang điện Thỏa định luật 3
Kmax = 1 m 2 =hf -W0 2
thì K0max ∈ f (λ) và W0; K0max không phụ thuộc Ias
d) Khối lượng và động lượng của photon
Theo Einstein, PHOTON là HẠT và ÁNH SÁNG là CHÙM HẠT
 Ánh sáng vừa có tính chất sóng, vừa có tính chất hạt.
Do vậy, theo thuyết tương đối của Einstein:
Năng lượng toàn phần của hạt: Đối với photon: v = c
 Khối lượng nghỉ: m0 = 0
 Động lượng: p = E/c = h/λ 9
IV. Hiệu ứng Compton (Tán xạ Compton) a) Thí nghiệm
- Nhận xét: Hiệu ứng quang điện cho thấy ánh sáng là dòng hạt photon có năng lượng và động lượng xác định.
Nếu là hạt, liệu photon có va chạm được với electron không? - Thí nghiệm - Kết quả:
Theo định luật bảo toàn năng lượng:
Theo định luật bảo toàn động lượng: 10
Chiếu xuống trục x và y, ta tìm được Λc= h/mec = 0,0243 AC = 2,43.10-12(m) là bước sóng Compton
Độ dời bước sóng
Chú ý : Khi θ = 0, Δλmin = 0;
Khi θ=1800, Δλmax =2h/(mec)=2Λc. 11
Document Outline

• I.SỰ PHÁT XẠ VÀ HẤP THỤ ÁNH SÁNG
• II.BỨC XẠ NHIỆT CỦA VẬT ĐEN
• c)Phổ bức xạ nhiệt
• d)Cân bằng nhiệt
• e)Hệ số hấp thụ đơn sắc
• 2.Vật đen tuyệt đối
• b)Năng suất bức xạ nhiệt của vật đen tuyệt đối
• c)Các định luật bức xạ nhiệt đối với vật đen tuyệt đ
• Định luật Wien
• 3.Định luật bức xạ Planck
• b)Giải thích kết quả thí nghiệm
• A.CÔNG THỨC RAYLEIGH – JEANS
• ⇒ Lý thuyết sóng điện từ của Maxwell và thuyết độn
• Công thức Planck mô tả đúng cho đường cong thực ng
• Thu được công thức Rayleigh – Jeans.
• Thu được định luật Stefan – Boltzmann.
• Thu được định luật Wien.
• III.Hiệu ứng quang điện
• 2.Hiệu ứng quang điện ngoài
• b)Thí nghiệm và kết quả
• c)Điều kiện để xảy ra HTQĐ
• d)Các định luật về hiệu ứng quang điện
• 3.Hiện tượng quang điện trong
• b)Điều kiện xảy ra hiện tượng quang điện trong
• 4.Thuyết lượng tử ánh sáng
• b)Công thức Einstein
• c)Giải thích các định luật quang điện
• d)Khối lượng và động lượng của photon
• IV.Hiệu ứng Compton (Tán xạ Compton)
• Độ dời bước sóng
• Khi θ=1800, Δλmax =2h/(mec)=2Λc.