VẬT LÝ LƯỢNG TỬ VÀ
THUYẾT TƯƠNG ĐỐI
1
CHƯƠNG 23
QUANG HỌC LƯỢNG TỬ
1. Bức xạ nhiệt
2. Thuyết lượng tử Planck
3. Thuyết Photon của Einstein
2
1. Bức xạ nhiệt
Khái niệm và các đặc trưng cơ bản
 Bức xạ điện từ phát ra từ vật chất khi
các phân tử, nguyên tử bị kích thích bằng
năng lượng nhiệt, chuyển từ trạng thái kích
thích về trạng thái cân bằng.
 Tất cả các chất có T > T(0) K đều phát ra
bức xạ nhiệt.
 Xét một vật bức xạ nhiệt ở nhiệt độ T.
 Trong khoảng thời gian dt, bức xạ điện từ phát
ra có bước sóng trong khoảng (

,

+ d

).
dS
 Năng lượng bức xạ phát ra từ phần tử diện
tích dS trên bề mặt trong thời gian dt:
dW
p

(T,

)  hệ số hấp thụ đơn sắc:


 



,TdW
,TdW
),T(a
1

 Mô hình Vật đen tuyệt đối: hộp kín cách nhiệt, bên trong được phủ lớp
hấp thụ màu đen, có mở cửa nhỏ  bức xạ qua cửa vào bên trong bị phản
xạ liên tiếp trên thành hộp  coi như bị hấp thụ hoàn toàn.
 Thực tế không có Vật đen tuyệt đối
chỉ có những vật có tính chất gắn với
vật đen tuyệt đối
 Luôn có a(T,

) < 1: Vật xám
4
1. Bức xạ nhiệt
Đinh luật Kirchhoff
 Tỷ số giữa năng suất phát xạ đơn sắc và hệ số
hấp thụ đơn sắc của cùng một vật ở nhiệt độ nhất
định là một hàm chỉ phụ thuộc bước sóng bức xạ và
nhiệt độ mà không phụ thuộc vào bản chất của vật

> T
5
d

T
=

(

, T).d

 











00
dλT,d
TT
Bức xạ nhiệt
Tế bào QĐ
Bộ KĐ điện
Vôn kế


, T) = 0  vật không thể phát ra bức xạ thấy được.
 Sự phát xạ của một vật bất kỳ (không
phải vật đen tuyệt đối) ứng với một bước
sóng xác định bao giờ cũng yếu hơn sự
phát xạ của vật đen tuyệt đối ứng với
cùng bước sóng đó và ở cùng nhiệt độ
với nó.
6
1. Bức xạ nhiệt
Đặc trưng phổ phát xạ của VĐTĐ

(

, T)

 Đường cong biểu diễn sự phụ
thuộc của hệ số phát xạ đơn sắc

(

,T) của VĐTĐ theo bước sóng

ở nhiệt độ xác định.
.
 Trị số năng suất phát xạ đơn sắc
của VĐTĐ d

T
=

TT
dλλ,Tεdεε
00
7
1. Bức xạ nhiệt
Các định luật phát xạ của VĐTĐ
Định luật Stefan - Boltzmann
 Năng suất phát xạ toàn phần của vật đen tuyệt đối tỷ lệ thuận với lũy
thừa bậc bốn của nhiệt độ tuyệt đối của vật đó.

T
=

.T
4
 Hằng số S-B:
KmW
h
c
kπ
σ ./10.6703,5
15
2
24
32
45


 Nội dung:


Công thức Rayleigh-Jeans
 Hệ sô phát xạ đơn sắc đối với vật đen tuyệt đối:
 
kT
c
2
kT
c2
T,
2
2
4





 






λ
λ
λ
λ
T
λ



c
hhν 
(hằng số Planck: h =6,625.10
-34
J.s)
 Nội dung:
 Ý nghĩa:
 Lấy đạo hàm (*)  có:

.T = b (định luật Wien)
(Hằng số Boltzmann: k =1,38.10
-23
J/K)
 Hệ số phát xạ đơn sắc của vật đen tuyệt đối:
 
1
2
2


kT
h
e
h
c
2
T,


h
e
kT
h


 1
 
kT
c
2
T,
2
2



(công thứ R-J)
10
2. Thuyết lượng tử Planck
 Hiện tượng các electron (e
-
) bề mặt được
giải phóng khỏi bề mặt bản kim loại khi
chiếu á/s với bước sóng (

) thích hợp tới
mặt bản kim loại.
Hiệu ứng quang điện
K A


 Mạch điện có TBQĐ, vôn-kế, am-per kế,
biến trở con chạy R và nguồn điện.
Dòng bão hòa
I(A)
U
AK
(V)
0
 Đồ thị I = f(U
AK
): đặc trưng V-A
 Ban đầu: U
AK
  I 
 Tương ứng một giá
trị xác định của U
AK
 I không tăng và
duy trì một giá trị
không đổi  dòng
bão hòa
 Đặc trưng điện của TBQĐ:
12
 Có thể triệt tiêu dòng quang điện
bằng cách tác dụng một hiệu điện thế
ngược (V
K
> V
A

tức là:
2
maxeCC
vm
2
1
eUA 
2
maxeC
vm
2e
1
U hay:
2. Thuyết lượng tử Planck
Hiệu ứng quang điện
13
2. Thuyết lượng tử Planck
Định luật quang điện
 Giới hạn dòng quang điện:
 Đ/v mỗi kim loại xác định, hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi bước sóng
của mỗi chùm ánh sáng rọi tới nó nhỏ hơn một giá trị xác định, gọi là giới
hạn quang điện,

<

0
.
 Hoặc: tần số của á/s chiếu tới > tần số xác định nào đó

tần số “ngưỡng

hhν 
(hằng số Planck: h =6,625.10
-34
J.s)
 Trong chân không cũng như trong mọi môi
trường khác, photon chuyển động với cùng một
vận tốc xác định, c = 3.10
8
m/s
 Cường độ của chùm sáng tỷ lệ với số photon phát ra từ nguồn sáng trong
một đơn vị thời gian
h

 Ở trạng thái bình thường, các e
-
bị
“giam” trong kim loại  khi được rọi
sáng  e
-
hấp thụ năng lượng của
photon (h

)  khi NL > công thoát A
của e
-
 e
-
sẽ dược giải phóng.
 Giải thích về giới hạn quang điện:
Albert Einstein

tương ứng ở K  CĐ hết về A
 có dòng bão hòa cho dù U
AK
vẫn tiếp tục tăng.
 Một photon tương ứng một năng lượng h

;
 Chùm sáng có cường độ sáng nhất định  số photon nhất định.
 Dòng quang điện hình thành từ số e
-
quang  số photon được hấp thụ;
16
3. Thuyết photon Einstein
Lượng tử ánh sáng
 Giải thích về động năng cực đại của e
-
quang
 Hiệu ứng quang điện là hệ quả của sự va chạm giữa 2 hạt: photon của
ánh sáng tới và e
-
trong cấu trúc kim loại.
 e
-
trong cấu trúc kim loại liên kết với hạt nhân nguyên tử bởi lực hut tĩnh
điện Coulomb  NL tối thiểu cần để giải phóng e
-
khỏi liên kết này gọi là
công thoát (A).
 Photon của á/s tới tương tác với e
-

= W
đ
+ A
Ahmv
2
1
2
max


hay:
 Ph/trình quang điện Einstein
 h/ứ quang điện xác nhận á/s có t/c hạt (rời rạc) bên cạnh t/c sóng (liên tục)
17
3. Thuyết photon Einstein
Hiệu ứng Compton
 Thực nghiệm:
 Chiếu một chùm tia X, bước
sóng

vào nguyên tử graphit.
 Trong phổ tia X bị tán xạ,
ngoài vạch có bước sóng

của tia
X do tán xạ của tia X lên các e
-
ở
bên trong (liên kết mạnh với hạt
nhân), xuất hiện thêm vạch có

18
3. Thuyết photon Einstein
Hiệu ứng Compton
 Động lượng và năng lượng của hệ “photon - electron”:

p

e
p

'p

 Áp dụng cơ học tương đối tính
 khối lượng của e
-
(khi đứng
yên - nghỉ) là m
0e
và khi CĐ là:
2
2
0
v
1
c
m
m
e
e


2
0
v
1
v.
c
m
p
e
e


λ
h
c
hν
mp
γ
 v
λ'
h
c
h
p'
γ

'


h



422242
2
2
222
42
22
242
22
2
2
0
22
222
2
0
22
2
2
0
2
2
2
0
00
0
0
0
v

e
e
e
eee
e














 Biến đổi số hạng thứ 2 ở VP, được
20
3. Thuyết photon Einstein
Hiệu ứng Compton
 Bảo toàn năng lượng cho hệ
“photon – electron” :

p

e
p

 
2222
2
2
2
2
vcos'2'
eeγγ
m
c
h
p'pp 


Nhân 2 vế với c
2
, có:






2
2222
22
vcos'2' cpcmhhh
ee



0
hννcmh
e





'2cos1'2
2
0
ννcmh
e


 


*)*(*
1
'
11
'
'
cos1
1
2
0



2
2
0
2
0


cm
h
cm
h
ee










1
:đótrong
)10.426,2
12
2
0
m
cm