Bài giảng Quang học lượng tử

Bài giảng "Quang học lượng tử" được biên soạn nhằm giúp các em học sinh nắm được giao thoa, nhiễu xạ là hiện tượng chứng tỏ ánh sáng có bản chất sóng của bức xạ. Hiện tượng phát xạ nhiệt, hiệu ứng quang điện thể hiện bản chất hạt của bức xạ. Cùng tham khảo chi tiết tài liệu để nắm được nội dung nhé các bạn.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Quang học lượng tử QUANG HỌC LƯỢNG TỬ Giao thoa, nhiễu xạ là hiện tượng chứng tỏ ánh sáng có bản chất sóng của bức xạ Hiện tượng phát xạ nhiệt, hiệu ứng quang điện thể hiện bản chất hạt của bức xạ Bức xạ nhiệt Bằng cách nào đó kích thích phân tử, nguyên tử làm chúng chuyển từ trạng thái cơ bản sang kích thích. Khi chúng chuyển từ trạng thái kích thích về cơ bản, năng lượng trả về dưới dạng bức xạ điện từ. Nếu năng lượng cung cấp để kích thích các phân tử, nguyên tử dưới dạng nhiệt gọi là bức xạ nhiệt. Năng suất phát xạ toàn phần  R  T  =  r  ν,T dν 0 Năng suất phát xạ đơn sắc Hệ số hấp thụ đơn sắc dWt  T,ν  a  T,ν  = a T, ν   1 dW  T,ν  a  T,ν  =1 Vật đen tuyệt đối VẬT ĐEN TUYỆT ĐỐI Hấp thụ tất cả những bức xạ điện từ Một bình kín rỗng cách nhiệt A có khoét 1 lỗ nhỏ, mặt trong được phủ một lớp xốp đen (xem như vật đen tuyệt đối). Một tia bức xạ lọt qua lỗ vào bình, bị phản xạ liên tiếp trên thành  hấp thụ hòan toàn Định luật Kirchhoff r1  T,ν  r2  T,ν  = = f  T,ν  Hàm phổ biến a1  T,ν  a 2  T,ν  Tỉ số giữa năng suất phát xạ đơn sắc và hệ số hấp thụ đơn sắc của cùng 1 vật ở nhiệt độ nhất định là hàm phụ thuộc vào tần số bức xạ  và nhiệt độ T mà không phụ thuộc vào bản chất của vật đó. r  T,ν  a  T,ν   1 = f  T,ν  r  T,ν  = f  T,ν  a  T,ν  Năng suất bức xạ đơn sắc của vật đen tuyệt đối ứng với bức xạ tần số  ở nhiệt độ T Thuyết Jean - Rayleigh 2 2πν c = 3x108m/s f  ν,T  = 2 k BT kB = 1.38x10-23J/K c   R T    r T, ν dν   f T, ν dν   0 0 Bế tắc của quan niệm vật lý về cổ điển về phát xạ và hấp thụ năng lượng điện từ. Thuyết lượng tử Plank Các nguyên tử, phân tử phát xạ, hấp thụ năng lượng của bức xạ điện từ một cách gián đoạn. Năng lượng phát xạ hay hấp hc hf   Ei  E f thụ = bội số nguyên của một λ lượng năng lượng nhỏ xác định h  6.625x10 34 Js gọi là lượng tử năng lượng. Đối với một bức xạ điện từ đơn sắc tần số , bước sóng , lượng tử năng lượng E E=hν= hc λ Công thức Plank 2πν 2 hν f  ν,T  = 2 hν c k BT e -1 hν hν hν Khi T lớn 1 e k BT -1  k BT k BT 2 2πν f  ν,T  = 2 k BT Công thức Jean - Rayleigh c 2 3 x x ex  1  x    ... x  1 2! 3! Định luật bức xạ của vật đen tuyệt đối Định luật Stefan Boltzman: Năng suất phát xạ toàn phần của một vật đen tuyệt đối tỉ lệ với lũy thừa bốn của nhiệt độ tuyệt đối của vật ấy R  T  =σT 4 σ=5.67x10 W/m K -8 2 4 P  S RT  Sσ T4 S: diện tích bề mặt phát xạ Định luật Wien: Đối với vật đen tuyệt đối, bước sóng m của chùm bức xạ đơn sắc mang nhiều năng lượng nhất, tỉ lệ nghịch với nhiệt độ tuyệt đối của vật 3 λ mT  b b  2.898x10 mK peak vs Temperature T 2.9 x 10-3 m  peak = T(Kelvin) 3100K 2.9 x 10-3 m =9x10-6m (body temp) 3100 infrared light 58000K 2.9 x 10-3 m visible light (Sun’s surface) =0.5x10-6m 58000 Thuyết photon Einstein Bức xạ điện từ cấu tạo bởi vô số các hạt  lượng tử ánh sáng (photon)  Với mỗi bức xạ điện từ đơn sắc nhất định, các photon giống nhau, có năng lượng E hc E=hν= λ  Trong mọi môi trường (kể cả chân không) các photon truyền đi với vận tốc c = 3x108m/s  Khi một vật bức xạ hay hấp thụ bức xạ điện từ  bức xạ hay hấp thụ photon  Cường độ chùm bức xạ tỉ lệ với số photon phát ra từ nguồn trong 1 đơn vị thời gian Hiện tượng quang điện Là hiện tượng bắn ra các quang electron từ một tấm kim loại khi 1 bức xạ điện từ thích hợp chiếu vào. Đường đặc trưng IV của tế bào quang điện I Bảo hòa  Ban đầu cường độ dòng quang điện tăng theo hiệu điện thế U. Khi tăng đến 1 giá trị nào đó cường độ dòng quang điện đạt đến 1 giá trị bảo hòa U 0  Khi U = 0, cường độ dòng quang điện I ≠ 0. Các quang 1 Wo  mv omax 2 electron khi bắn ra khỏi Katot 2 có sẵn động năng ban đầu Wo.  Có thể triệt tiêu dòng I quang điện bằng cách tác dụng lên hai cực của tế bào quang điện một hiệu điện thế cản UC có giá trị sao cho U công cản của điện trường bằng động năng ban đầu cực đại của quang electron 1 eUC  mv omax 2 2 Giải thích hiện tượng quang điện Các electron trong kim loại muốn thoát ra khỏi bề mặt phải có năng lượng ...