Bài giảng Vật lý đại cương 3 - Chương 5: Quang học lượng tử - Đỗ Ngọc Uấn

Nội dung text: Bài giảng Vật lý đại cương 3 - Chương 5: Quang học lượng tử - Đỗ Ngọc Uấn

1. Bμi giảng Vật lý đại c−ơng Tác giả: PGS. TS Đỗ Ngọc Uấn Viện Vật lý kỹ thuật Tr−ờng ĐH Bách khoa Hμ nội
2. Ch−ơng 5 Quang học l−ợng tử
3. 1. Bức xạ nhiệt 1.1.Các khái niệm mở đầu: Các nguyên tử bị kích thích phát ra bức xạ điện từ, bức xạ do kích thích nhiệt ->Bức xạ nhiệt Năng l−ợng bức xạ phát ra=năng l−ợng thu vμo bằng hấp thụ bức xạ =>Trạng thái cân bằng nhiệt động ứng với nhiệt độ xác định 1.2.Các đại l−ợng đặc tr−ng dS Năng l−ợng bức xạ phát ra từ dS trong đơn vị thời gian (năng thông bức xạ từ dS) bởi các bức xạ có tần số trong khoảng νữν+ dν lμ dWp(ν,T)
4. dWp(ν,T)=r(ν,T)dS.d ν r(ν,T)Năng suất phát xạ đơn sắc ứng với tần số ν ∞ R ( T )= r ν ( , TNăng ν ) suất d phát xạ toμn phần ∫ hay độ tr−ng của vật 0 dW (ν , T ) Hệ số hấp thụ đơn sắca (ν , T = ) t dW (ν , T ) dWt(ν,T) do dS hấp thụ dW(ν,T) chiếu đến dS a(ν,T)<1 a(ν,T)=1 Vật đen tuyệt đối
5. 1.3. Định lý Kirkhốp (Kirchoff) 1 Trong bình kín cách nhiệt có 3 2 vật -> Hấp thụ mạnh cũng bức xạ 3 mạnh r(ν,T)~a(ν,T) r (ν , Tr ) (ν , Tr )(ν , T ) f (ν , T = )1 = 2 = 3 a (1 ν ,a T ) (2 ν ,a T )(3 ν , T ) Định lý: Tỷ số giữa năng suất phát xạ đơn sắc vμ hệ số hấp thụ đơn sắc của cùng một vật ở nhiệt độ nhất định lμ một hμm chỉ phụ thuộc vμotần số bức xạ ν vμ nhiệt độ T mμ không phụ thuộc vμo bản chất của vật đó
6. r (ν , TH )μmphânbốlμ năng suất f (ν , T = ) phát xạ đơn sắc của vật đen a (ν , T ) tuyệt đối Nếu a(ν,T)=1 thì r(ν,T)= f(ν,T) f(ν,T) T >T >T 1 2 3 f(ν,T) xây dựng bằng thực nghiệm đo T ν νm3 νm1 νm2 vật đen tuyệt đối Hệ tách phổ bức xạ
7. Xây dựng f(ν,T) bằng thực nghiệm (ngμy ẫ) 2πν2 hν 2πc h f (ν,T) = = c2 hν λ3 hc e k BT −1 e λk BT −1 Detector Máy Cách tử tính AS trắng f(ν,T) T Đèn sợi đốt 2 thay đổi đ−ợc điện áp T1 λm λ
8. 2. Thuyết l−ợng tử của Planck 2.1. Sự thất bại của sóng ánh sáng trong việc giải thích hiện t−ợng bức xạ nhiệt Hμm phân bố theo thuyết điện từ cổ điển của Relay vμ Jeans k =1,38.10-23J/K 2πν2 B f (ν , T = ) k T Hằng số Boltzmann c2 B ∞ R ( T= )∫ ν r ( , ν T = ) d ∞ 0 “Sự khủng hoảng vùng tử ngoại” vμo cuối thế kỷ 19
9. 2.2. Thuyết l−ợng tử của Planck 1900 Planck đ−a ra thuyết LT: a. Các nguyên tử, phân tử phát xạ hay hấp thụ năng l−ợng điện từ một cách gián đoạn. Phần năng l−ợng phát xạ hay hấp thụ lμ bội nguyên lần của một l−ợng năng l−ợng nhỏ gọi lμ l−ợng tử năng l−ợng hay Quantum năng l−ợng b. Đối với bức xạ điện từ đơn sắc tần số ν, b−ớc sóng λ l−ợng tử năng l−ợng t−ơng ứng bằng c ε =h ν h = λ h=6,625.10-34Js HằngsốPlanck
10. c. Công thức hμm hânp bố Planck:phát xạ đơn sắc của vật đen tuyệt đối πν2 2 h ν f (ν , T = ) 2.3. Các định luật bức xạ c2 hν kB T của vật đen tuyệt đối e− 1 a. Năng∞ suất phát xạ toμn phần hν 4 R ( T )= f ν ( , T νx )= d R(T)T= σ ∫ k T 2π0 k4 4T∞ x 3 2B π k4 4T R = B dx = B6 ,= 5 σ 4 T T 2 3 ∫ x 2 3 c h 0e− 1 c h σ=5,67.10-8W/m2K4 hằng số Steffan-Boltzmann ĐL1: Năng suất phát xạ toμn phần ủac vật đen tuyệt đối ~ T4 của nó
11. b. ĐL Vin(Wien): Đối với vật đen tuyệt đối b−ớc sóng λm của chùm bức xạ mang nhiều năng l−ợng nhất tỷ lệ nghịch với nhiệt độ tuyệt của vật b=2,898.10-3m.K Hằng số Vin λmT=b (Lấy df/dν=0) 3. Thuyết photon của Anhxtanh (Einstein) Thuyết Planck ch−a nêu lên đ−ợcbản chất gián đoạn của bức xạ điện từ 3.1. Thuyết photon của Anhxtanh a. Bứcxạđiệntừcấutạo bởivôsốcáchạt gọi lμ l−ợng tử ánh sáng hay photon b. Với một bức xạ điện từ đơn sắc xác định
12. các photon đều giống nhau vμ có năng l−ợng c xác định bằngε =h ν h = λ c. Trong mọi môi tr−ờng các photon có cùng vận tốc bằng: c=3.108m/s d. Khi một vật phát xạ hay hấp thụ bức xạ điện từ -> phát hay hấp thụ các photon e. C−ờng độ của chùm bức xạ tỷ lệ với số photon phát ra trong 1 đơn vị thời gian 3.2. Hiện t−ợng quang điện: Hiệu ứng bắn ra các điện tử từ một tấm kim loại khi dọi lên tấm KL đó một bức xạ điện từ thích hợp -> các điệnbắn ra: Quang điệntử
13. K *I~U ->Ibão hoμ λ mv 2/2 - + 0 U 0 UC 2 0 *eUC = mv0 /2 3.3. Giải thích các định luật quang điện: a. Giới hạn quang điện 2 hc c mv0 max = λ λ Iđiện ~ Iánh sáng
14. c. Động năng ban đầu ủac quang điện ửt 2 hν=hν +eU mv0 max 0 C =h ν ( − ν ) eU =h(ν-ν ) 2 0 C 0 3.4. Động lực học photonc Năng l−ợng photonε =h ν h = 2 hν h λ ε =mc m = 2 = c λc 2 m0 v m = m0= m − 12 v 2 c v=c => m =0 khối l−ợng 1 − 2 0 c nghỉ của photon bằng 0
15. Động l−ợng photon hν h P= mc = = c λ Động l−ợng photon tỷ lệ thuận với tần số hoặc tỷ lệ nghịch với b−ớc sóng 3.4. Hiệu ứng Kôngtơn (Compton) λ λ λ’ 1892: Khi chiếu tia X lên Graphít Ngoμi phản xạ Bragg còn ghi Graphít đ−ợc λ’> λ λ’ không phụ thuộc vμo chất tinh thể, chỉ phụ thuộc vμo góc tán xạ θ: θ Λ =2,426.10-12m Δ λ =' λ − 2 λ = sin2 Λ C C 2 B−ớc sóng Compton
16. Phản xạ Bragg xảyrakhitiaX tánxạtrêncác điện tử trong Ion tại nút mạng. Tán xạ Compton xảy ra khi photon tia X va đập với các điện tử tự do: Điện tử có vận tốc tr−ớc va đập v=0 Tr−ớc va đập Sau va đập 2 me v m c 2 p= ' e Điện tử pe=0, E=mec e 'E = v 2 v 2 1 − 1 − c2 c2 hν hν ' Photon p = ε = hν 'p = 'ε = hν ' ph c ph c Hệ cô lập: Bảo toμnnăngl−ợng, động l−ợng
17. 2 Bảo otglμ n ă nn−ợng: 2 me c hν + me c = hν ' + v 2 Bảo otμn động l−ợng 1 − r r , r c2 pph= pph + e p r r, 2 r 2 2 r, 2 , 2 ( pph− p php ) = e p p ph+ 2ph p − ph p ph θ cos = e p hν hν ' h2νν ' m2 v 2 ( )(2 + )2 − 2 cosθ = c c c2 v 2 m2 c4 1 − ( hν + m2 c − hν2 ' )e = c2 θ e v 2 1 − 2 c θ m cν ( − ' ν )2 h= ' νν ( 1 − cos θ ) = 22 h νν ' sin e 2 h θ h λ' − λ 2 = sin 2 B−ớc sóng Compton:Λ = -12 C me c 2 ΛC=2,426.10 m me c