Chương 3. QUANG LƯỢNG TỬ

[daigai]

Link tải luận văn miễn phí cho ae Kết Nối
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 (E1), nếu được cung cấp một năng lượng sẽ kích thích nó chuyển lên mức năng lượng 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 ra
bức 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 bức
xạ điện từ phát ra gọi là bức xạ nhiệt.
Sự phát xạ bao giờ cũng kèm theo sự giải phóng năng lượng do sự biến đổi nội năng của chính bản thân nguồn sáng hay 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.
Các chất phát quang hấp thụ năng lượng tới nó và sau đó nó tự phát sáng. Các vật được nung nóng cũng có thể phát sáng. Bức xạ do các vật nung nóng phát sáng gọi là bức xạ nhiệt.
Đặc điểm quan trọng của bức xạ nhiệt là bức xạ cân bằng: Năng lượng mà vật phát ra dưới dạng bức xạ đúng bằng năng lượng nhiệt mà vật thu vào bằng hấp thụ bức 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 có thành phần quang phổ khác nhau và sự phân bố năng lượng theo các bước sóng khác nhau.
3.1.2.1. Độ trưng năng lượng ReT và năng suất phát xạ đơn sắc rT.
Các vật đốt nóng phát ra năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ có bước sóng khác nhau.

Xét một diện tích dS ớ mặt ngoài phát xạ. Gọi

dE

là năng lượng bức xạ phát ra

từ dS trong một đơn vị thời gian và mang đi bởi bức xạ có bước sóng trong khoảng từ
 đến   d , ta viết:

dE  rT dSd
rT : năng suất phát xạ đơn sắc.


(3.1)

ReT

  rT d : 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T .

Giả sử năng lượng tới trên vật là

dE

và vật hấp thụ một phần năng lượng là

dE , , phần còn lại bị phản xạ và tán xạ, đại lượng:

dE ,
aT
dE


(3.3)

Được gọi là hệ số hấp thụ hay năng suất hấp thụ của vật. Như vậy aT < 1, phụ thuộc 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 sẽ

là:



aT   aT d
0


(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:

aT

 1.


3.1.3. Định luật Kirchhoff.
Giữa năng suất phát xạ và năng suất hấp thụ có mối liên hệ nhất định. Ta khảo sát qua thí nghiệm sau:
Giả sử trong bình kín được giữ ở nhiệt độ T, đặt 3 vật A, B, C. Bình được hút hết không khí để cho các vật chỉ có thể trao đổi năng lượng với nhau và với bình
bằng con đường phát xạ và hấp thụ sóng điện từ. C



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T và hệ số hấp thụ aT không phụ thuộc gì vào bản chất của vật, đối với mọi vật nó là một hàm số của  và T.
r A r B rC

 T   T   T 

f (,T )

(3.5)

A B C
T T T
f(,T) hàm Kirchhoff.
Giả sử một trong những vật này là vật đen tuyệt đối và ký hiệu năng suất phát xạ đơn sắc là UT và aT của vật đen tuyệt đối bằng 1, nên định luật Kirchhoff được viết:

rT
aT

 U T
1

 f (,T )

Vậy hàm Kirchhoff là năng suất phát xạ của vật đen tuyệt đối , tức là:

f (, T ) 

U T

(3.6)

Vậy: Tỉ số giữa năng suất phát xạ đơn sắc và năng suất hấp thụ của một vật bất kỳ bằng năng suất phát xạ đơn sắc của vật đen tuyệt đối ở cùng bước sóng và cùng nhiệt độ.

3.2. ĐỊNH LUẬT STEFAN - BOLZMANN - ĐỊNH LUẬT WIEN - THUYẾT LƯỢNG TỬ CỦA PLANCK – CÔNG THỨC PLANCK
3.2.1. Định luật Stefan – Boltzmann.

Năm 1879 Stefan phân tích các kết quả thực nghiệm và tìm được sự liên hệ giữa độ trưng năng lượng của vật và nhiệt độ của nó, tuy nhiên những phép đo chính xác hơn sau đó chứng tỏ rằng kết quả Stefan không hoàn đúng. Năm năm sau Boltzmann dựa vào hai nguyên lý nhiệt động lực học để nghiên cứu bức xạ của vật đen lý tưởng và thiết lập định luật Stefan - Boltzmann:
Độ trưng năng lượng của vật đen tuyệt đối tỉ lệ với lũy thừa bậc 4 của nhiệt độ tuyệt đối của nó.

RT


  f (,T )d  T 4 0



(3.7)

 : 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 =  T4 St = ReTS.t (3.8)
Nếu nhiệt độ thay đổi theo thời gian T = T(t), thì:
t

E  T 4 (t)Sdt
0

(3.9)

Định luật cho thấy khi nhiệt độ tăng, năng suất bức xạ của vật đen tuyệt đối

tăng rất nhanh. Định luật này không áp dụng được cho vật thực; vì rằng khi đó thuộc rất phức tạp vào T cũng như hình dạng trạng thái bề mặt vật.
3.2.2. Định luật Wien (Wilheim Wien 1864 -1928).

RT

phụ

Năm 1893 Wien bằng nghiên cứu lý thuyết đã tìm ra hệ thức quan trọng giữa vị trí của các cực đại năng suất phát xạ đơn sắc của vật đen tuyệt đối và nhiệt độ tuyệt đối của nó.
Bước sóng ứng với cực đại của năng suất phát xạ biến thiên tỷ lệ nghịch với nhiệt độ tuyệt đối của vật đen.
m = b/T
Hay mT = 2,8978.10-3mK (3.10)
Như vậy khi tăng nhiệt độ không những năng lượng toàn phần mà cả phân bố năng lượng theo bước sóng cũng thay đổi.
Chẳng hạn ở nhiệt độ thấp vật chủ yếu phát ra bức xạ hồng ngoại, nhiệt độ càng tăng bức xạ càng chuyển về màu đỏ, rồi vàng, cuối cùng màu trắng.

3.2.3. Công thức Rayliegh – Jeans.
Sau khi thiết lập định luật Kirchhoff vấn đề đặt ra là tìm dạng giải tích hàm UT
= f(,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

Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:

You must be registered for see links