Chương 3. QUANG LƯỢNG TỬ

Bình thường các nguyên tử (phân tử) tồn tại ở trạng thái có mức năng lượng cơbản (E1), nếu được cung cấp một năng lượng sẽ kích thích nó chuyển lên mức nănglượng cao hơn (E2) 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 rabức xạ sóng điện từ.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Chương 3. QUANG LƯỢNG TỬ 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 cơbản (E1), nếu được cung cấp một năng lượng sẽ kích thích nó chuyển lên mức nănglượng cao hơn (E2) 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 rabức xạ sóng điện từ. Có nhiều cách để cung cấp năng lượng kích thích. E2 10-8 s Nếu năng lượng cung cấp dưới dạng nhiệt thì bứcxạ điện từ phát ra gọi là bức xạ nhiệt. hγ Sự phát xạ bao giờ cũng kèm theo sự giải phóng hγnăng lượng do sự biến đổi nội năng của chính bản thân E1nguồn sáng hoặc là do hấp thụ bên ngoài. Chẳng hạn sự phát sáng của các đèn khí phóng Hình 3.1điện xảy ra được nhờ điện năng của dòng điện cung cấp. Các chất phát quang hấp thụ năng lượng tới nó và sau đó nó tự phát sáng. Cácvật được nung nóng cũng có thể phát sáng. Bức xạ do các vật nung nóng phát sáng gọilà bức xạ nhiệt. Đặc điểm quan trọng của bức xạ nhiệt là bức xạ cân bằng: Năng lượng mà vậtphát ra dưới dạng bức xạ đúng bằng năng lượng nhiệt mà vật thu vào bằng hấp thụbức xạ. 3.1.2. Các đại lượng đặc trưng. Các nguồn sáng khác nhau về nhiệt độ và thành phần hóa học thì bức xạ sẽ cóthành phần quang phổ khác nhau và sự phân bố năng lượng theo các bước sóng khácnhau. 3.1.2.1. Độ trưng năng lượng ReT và năng suất phát xạ đơn sắc rλT. Các vật đốt nóng phát ra năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ có bước sóngkhác nhau. Xét một diện tích dS ớ mặt ngoài phát xạ. Gọi dE λ là năng lượng bức xạ phát ratừ dS trong một đơn vị thời gian và mang đi bởi bức xạ có bước sóng trong khoảng từλ đến λ + dλ , ta viết: dE λ = rλT dSdλ (3.1) rλT : năng suất phát xạ đơn sắc. ∞ ReT = ∫ rλT dλ : gọi là độ trưng năng lượng. (3.2) 0 3.1.2.2. Năng suất hấp thụ toàn phần aT và năng suất hấp thụ đơn sắc a λT . Giả sử năng lượng tới trên vật là dE λ và vật hấp thụ một phần năng lượng là ,dE λ , phần còn lại bị phản xạ và tán xạ, đại lượng: , dE λ aT = (3.3) dE λ 35 Được gọi là hệ số hấp thụ hay năng suất hấp thụ của vật. Như vậy a T < 1, phụthuộc vào tần số và nhiệt độ. Đối với bức xạ đơn sắc thì aT gọi là năng suất hấp thụ đơn sắc. Vậy năng suất hấp thụ của vật đối với mọi bước sóng ở nhiệt độ cho trước sẽlà: ∞ aT = ∫ a λT dλ (3.4) 0 Đặc biệt, nếu vật hấp thụ tất cả các bức xạ tới nó ở mọi nhiệt độ thì gọi là vậtđen tuyệt đối (vật đen lý tưởng) lúc đó: a λT = 1. 3.1.3. Định luật Kirchhoff. Giữa năng suất phát xạ và năng suất hấp thụ cómối liên hệ nhất định. Ta khảo sát qua thí nghiệm sau: A B Giả sử trong bình kín được giữ ở nhiệt độ T, đặt A B3 vật A, B, C. Bình được hút hết không khí để cho cácvật chỉ có thể trao đổi năng lượng với nhau và với bình Cbằng con đường phát xạ và hấp thụ sóng điện từ. C Hình 3.2 Thí nghiệm chứng tỏ saumột thời gian hệ sẽ đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt. Mọi vật đều có cùng nhiệt độ vàbằng nhiệt độ T của bình. Như vậy rõ ràng vật nào có năng suất phát xạ lớn thì cũngcó năng suất hấp thụ lớn. Kirchhoff đưa ra định luật: Tỉ số giữa năng suất phát xạ rλT và hệ số hấp thụ aλT không phụ thuộc gì vàobản chất của vật, đối với mọi vật nó là một hàm số của λ và T. rλA rλB rλC T A = B = C = f (λ , T ) T T (3.5) a λT a λT a λT f(λ,T) hàm Kirchhoff. Giả sử một trong những vật này là vật đen tuyệt đối và ký hiệu năng suất phátxạ đơn sắc là UλT và aλT của vật đen tuyệt đối bằng 1, nên định luật Kirchhoff được viết: rλT U λT = = f (λ , T ) a λT 1 Vậy hàm Kirchhoff là năng suất phát xạ của vật đen tuyệt đối , tức là: f ( λ , T ) = U λT (3.6) Vậy: Tỉ số giữ ...