Chương 3. QUANG LƯỢNG TỬ
3.1. BỨC XẠ NHIỆT - ĐỊNH LUẬT KIRCHHOFF
3.1.1. Đại cương.
Bình thường các nguyên tử (phân tử) tồn tại ở trạng thái có mức năng lượng cơ
bản (E
1
), nếu được cung cấp một năng lượng sẽ kích thích nó chuyển lên mức năng
lượng cao hơn (E
2
) và tồn tại ở mức năng lượng này trong thời gian rất ngắn (~10
-8
s)
nó sẽ tự trở về mức năng lượng cơ bản và phát ra
bức xạ sóng điện từ.
Có nhiều cách để cung cấp năng lượng kích thích. E
2
10
-8
s
Nếu năng lượng cung cấp dưới dạng nhiệt thì bức
xạ điện từ phát ra gọi là bức xạ nhiệt.
γ
h
Sự phát xạ bao giờ cũng kèm theo sự giải phóng
γ
h
năng lượng do sự biến đổi nội năng của chính bản thân E
1
nguồn sáng hoặc là do hấp thụ bên ngoài.
Chẳng hạn sự phát sáng của các đèn khí phóng Hình 3.1
điện xảy ra được nhờ điện năng của dòng điện cung cấp.

=
λ
dE
λ
λ
dSdr
T
(3.1)

T
r
λ
: năng suất phát xạ đơn sắc.

∫
∞
=
0
λ
λ
drR
TeT
: gọi là độ trưng năng lượng. (3.2)
3.1.2.2. Năng suất hấp thụ toàn phần a
T
và năng suất hấp thụ đơn sắc
T
a
λ
.

∞
=
0
λ
λ
daa
TT
(3.4)
Đặc biệt, nếu vật hấp thụ tất cả các bức xạ tới nó ở mọi nhiệt độ thì gọi là vật đen
tuyệt đối (vật đen lý tưởng) lúc đó:
.1
=
T
a
λ
3.1.3. Định luật Kirchhoff.
Thí nghiệm chứng tỏ sau
một thời gian hệ sẽ đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt. Mọi vật đều có cùng nhiệt độ và
bằng nhiệt độ T của bình. Như vậy rõ ràng vật nào có năng suất phát xạ lớn thì cũng có
năng suất hấp thụ lớn. Kirchhoff đưa ra định luật:
Tỉ số giữa năng suất phát xạ r
λ
T
và hệ số hấp thụ a
λ
T
không phụ thuộc gì vào bản
chất của vật, đối với mọi vật nó là một hàm số của λ và T.

),( Tf

λ
T
và a
λ
T
của vật đen tuyệt đối bằng 1, nên định luật Kirchhoff được viết:
),(
1
Tf
U
a
r
T
T
T
λ
λ
λ
λ
==
Vậy hàm Kirchhoff là năng suất phát xạ của vật đen tuyệt đối, tức là:
=
),( Tf
λ

T
U
λ
(3.6)
Vậy: Tỉ số giữa năng suất phát xạ đơn sắc và năng suất hấp thụ của một vật bất

0
4
),( TdTfR
T
σλλ
λ

(3.7)

σ
: Hằng số Stefan-Boltzmann.
Năng lượng do một diện tích S của vật đen tuyệt đối phát ra trong thời gian t ở nhiệt
độ T sẽ bằng:
E =
σ
T
4
St = R
eT
S.t (3.8)
Nếu nhiệt độ thay đổi theo thời gian T = T(t), thì:

∫
=
t
SdttTE
0
4
)(
σ

=
f(λ,T) của vật đen tuyệt đối.
Vẫn dựa trên quan điểm của vật lý cổ điển về tính chất liên tục của sự phát xạ
hay hấp thụ bức xạ điện từ và định luật phân bố đều năng lượng theo số bậc tự do
Rayliegh và Jeans đã tìm ra công thức đối với năng lượng phát xạ của vật đen tuyệt đối:

kTU
T
2
2
λ
π
λ
=
(3.11)

k: hằng số Boltzmann.
37
Công thức này phù hợp với sự phụ
thuộc của U
λ
T
vào bước sóng cho bởi thực
nghiệm trong miền bước sóng lớn.
Với bước sóng nhỏ tương ứng miền
tử ngoại của phổ công thức Rayliegh -
Jeans khác rõ rệt so với thực nghiệm và xác
định sự tăng U
λ
T

U
λ
của vật đen tuyệt đối ở nhiệt độ T cho trước.
1
1
2
3
1
−
=
kT
C
T
e
C
U
λ
λ
(3.13)
Với
2
1
hcC
π
=
và
λ
/
2
hcC =

W
m
γ
==
(3.15)
Mặt khác khối lượng phụ thuộc vào vận tốc, theo hệ thức:
2
2
0
1
c
v
m
m
−
=
, m
0
: khối lượng nghỉ.
Đối với photon v = c và
01
2
2
=−
c
v
, do đó
∞=
m
điều đó không có ý nghĩa vật lý.

dòng quang điện tương ứng ta dựng đường cong biểu diễn i = f(u). Nếu thay đổi quang
39
K A
E G
Hiện tượng quang điện do Hertz khám phá năm
1887 và được Alekxandr Grigorits Stoletov nghiên cứu
chi tiết 1888. Sơ đồ thí nghiệm của Stoletov hình 3.4.
Cực dương được nối với một điện kế nhạy G
vào lưới đồng A. Cực âm của pin thì nối với bản kẽm K
đặt song song với A cách nhau khoảng vài mm. Khi
chưa rọi ánh sáng vào K điện kế G chỉ số “không”
trong mạch không có dòng điện. Khi rọi ánh sáng K
trong mạch xuất hiện dòng điện, kim điện kế G bị lệch.