CHƯƠNG 3: QUANG HỌC LƯNG TỬ §1- Bức xạ nhiệt định luật Kirchhoff I Bức xạ nhiệt Mặt trời Bóng đèn dây tóc Thanh gỗ Các vật nóng xạ nhiệt lượng dạng sóng điện từ Mức lượng cao (trạng thái kích thích – không bền) Bức xạ điện ttừ nhiệ Năng lượng nhiệt Mức lượng thấp (trạng thái - bền) Sóng điện từ vật (nguyên tử hay phân tử vật đó) phát gọi chung xạ (điện từ) Định nghóa: Bức xạ nhiệt xạ điện từ phát từ vật tác dụng nhiệt Tất vật có nhiệt độ cao không độ tuyệt đối (0K) phát xạ nhiệt Tất vật hấp thu xạ từ vật khác truyền tới Bức xạ nhiệt cân bằng: Ở vật luôn tồn đồng thời hai trình hấp thu xạ (phát xạ) sóng điện từ NL bức-xạ > NL hấp-thu NL bức-xạ < NL hấp-thu Năng lượng, nhiệt độ vật giảm Năng lượng, nhiệt độ vật tăng Bức xạ nhiệt TV cân Khi lượng vật xạ lượng vật hấp thu (trên S, t) nhiệt độ vật không đổi, lúc vật trạng thái xạ nhiệt cân Bức xạ nhiệt từ trái đất Trái đất 300K Bức xạ nhiệt từ mặt trời Nhiệt độ trung bình trái đất 300K Ở 300K, trái đất xạ lượng với tốc độ lượng xạ mà nhận từ mặt trời Ở 300K xạ nhiệt trái đất xạ nhiệt cân II Các đại lượng đặc trưng Năng suất xạ: * Năng suất xạ toàn phần: lượng xạ, bao gồm xạ, phát từ đơn vị diện tích vật đơn vị thời gian dW RT = (W / m ) dS.dt dW lượng xạ (bao gồm xạ) phát từ diện tích dS vật thời gian dt * Năng suất xạ đơn sắc: lượng xạ từ đơn vị diện tích vật đơn vị thời gian xạ có bước sóng khoảng đơn vị bước sóng lân cận bước sóng λ rλT dRT = (W / m ) dλ lượng xạ, (bao gồm xạ có bước sóng khoảng từ λ đến λ + dλ) phát từ diện tích dS vật thời gian dt dRT dR T = rλT dλ ∞ R T = ∫ rλT dλ Hệ số hấp thụ * Hệ số hấp thụ toàn phần: dS dET AT = dET dWT với: < A T < dWT dt dWT = lượng xạ toàn phần gởi đến diện tích dS vật khoảng thời gian dt dET = lượng xạ toàn phần diện tích dS vật hấp thụ thời gian dt AT phụ thuộc nhiệt độ tuyệt đối T vật * Hệ số hấp thụ đơn sắc: dS dE λT = dWλT dE λT a λT với: < a λT < dWλT dt dET = phần lượng ứng với xạ có bước sóng khoảng từ λ đến λ + dλ gởi tới diện tích dS thời gian dt dEλT = phần lượng ứng với xạ có bước sóng khoảng từ λ đến λ + dλ diện tích dS hấp thụ thời gian dt a λT phụ thuộc bước sóng xạ nhiệt độ tuyệt đối vật III Định luật Kirchhoff Bình cách nhiệt chân khôngở T = const Các vật đồng thời phát xạ hấp thu BXN A1 A2 A3 Khi cb, vật hấp thu mạnh BX phát xạ mạnh BX a- Phát biểu: Tỷ số suất phát xạ đơn sắc hệ số hấp thụ đơn sắc vật nhiệt độ định phụ thuộc bước sóng nhiệt độ mà không phụ thuộc vào chất vật b- Biểu thức:  rλT   rλT   rλT    =   = =    a λT vaät  a λT vaät  a λT vaät n rλT = f (λ , T ) a λT f (λ, T ) : Hàm phổ biến §2 Các định luật xạ VĐTĐ I Vật đen tuyệt đối Định nghóa: Đó vật hấp thụ hoàn toàn lượng xạ chiếu tới ứng với bước sóng nhiệt độ aλ T = Cách tạo vật đen tuyệt đối Có thể tạo vật đen tuyệt đối cách: * dùng bình kín rỗng, có lỗ hổng nhỏ * thành bình có phủ lớp mồ hóng đen để tăng khả hấp thụ thành bình Mọi xạ qua lỗ hổng vào bình bị giữ lại bình Lỗ hổng thành bình coi vật đen tuyệt đối Năng suất xạ vật đen tuyệt đối Vật đen tuyệt đối Cách tử Dụng cụ đo lượng xạ T Trong quang phổ bậc 1: λ sin ϕ = ⇒ λ = d.sin ϕ d a- Đường cong phổ xạ vật đen tuyệt đối Đối với vật đen tuyệt đối ( rλT ) VĐTĐ a = nên: λT ( rλT ) VÑTÑ = f ( λ, T ) RT O ∞ R T = ∫ rλT dλ Hàm phổ biến suất xạ đơn sắc VĐTĐ ứng với λ nhiệt độ T λ RT: diện tích giới hạn đường cong trục hoành b- Nhận xét đường cong phổ xạ vật đen: Khi T tăng + NSBXTP RT vật đen tăng nhanh theo nhiệt độ + Cực đại suất xạ dịch chuyển phía sóng ngắn II Các định luật xạ VĐTĐ ĐL Stefan-Boltzmann (1879-1884) * Phát biểu: NSBXTP RT VĐTĐ tỷ lệ thuận với lũy thừa bậc nhiệt độ TĐ vật * Biểu thức: R T = σT −8 −2 −4 với: σ = 5,67.10 ( Wm K ) σ : Haèng số Stefan-Boltzmann ĐL chuyển dời Wien (1893) * Phát biểu: Đối với VĐTĐ, bước sóng λ max chùm xạ đơn sắc mang nhiều lượng tỷ lệ nghịch với nhiệt độ tuyệt đối T vật * Biểu thức: λ max T = b −3 với: b = 2,898.10 ( mK ) b số Wien, Công thức Rayleigh-Jeans (1900) + Lý thuyết xạ điện từ cổ điển + Quan niệm VL cổ điển: nguyên tử hay phân tử phát xạ hay hấp thu lượng cách liên tục, Rayleigh Jeans thiết lập được, Năng suất xạ đơn sắc vật đen tuyệt đối (hàm phổ biến): r ( λ , T ) VÑTÑ 2πc = kT λ2 2πν r (ν , T ) VÑTÑ = c kT k = 1,38x10-23 J/K số Boltzmann ( rλT ) VĐTĐ Công thức R-J phù hợp với đường cong phổ xạ VĐTĐ λ > λ maxvà sai lệch λ < λ max Rayleigh-Jeans λ→0 f (λ, T ) → ∞ ( rλT ) VÑTÑ → ∞ λ( µm ) Quan niệm VL cổ điển phát xạ hấp thu lượng điện từ bị bế tắc: khủng hoảng vùng tử ngoại §3 Thuyết lượng tử lượng Planck (1900) * Các nguyên tử hay phân tử phát xạ hay hấp thụ lượng xạ điện từ cách gián đoạn: phần lượng phát xạ hay hấp thụ bội số nguyên lượng lượng nhỏ xác định gọi lượng tử lượng * Đối với xạ điện từ đơn sắc có bước sóng λ , hay tần số ν, lượng tử lượng tương ứng bằng: c ε = h = hν λ −34 h số Planck, h = 6,625.10 ( Js) c vận tốc ánh sáng chân không c = 3.10 m / s Công thức Planck (12-1900) Suy suất xạ đơn sắc vật đen tuyệt đối (hàm phổ biến): r (λ , T ) VÑTÑ r (ν , T ) VÑTÑ 2πhc = hc λkT = f (λ , T ) λ e −1 ( ) 2πν hν = = f (ν , T ) hν kT c e −1 ( ) Đặc điểm CT Planck: * Mô tả đường cong thực nghiệm phổ xạ VĐTĐ * Từ CT Planck, suy ĐL StefanBoltzmann ĐL chuyển dời Wien RT = ∫ ∞ 2πhc dλ = σT hc λkT λ (e − 1) dr ( λ, T ) VÑTÑ = ⇒ λ max T = b dλ *Từ CT Planck, suy CT Rayleigh-Jeans hν NL hấp-thu NL bức-xạ < NL hấp-thu Năng lượng, nhiệt độ vật giảm Năng lượng, nhiệt độ vật tăng Bức xạ nhiệt TV cân Khi lượng vật xạ lượng vật hấp thu (trên S, t) nhiệt độ vật không... vùng tử ngoại ? ?3 Thuyết lượng tử lượng Planck (1900) * Các nguyên tử hay phân tử phát xạ hay hấp thụ lượng xạ điện từ cách gián đoạn: phần lượng phát xạ hay hấp thụ bội số nguyên lượng lượng... thành bình coi vật đen tuyệt đối Năng suất xạ vật đen tuyệt đối Vật đen tuyệt đối Cách tử Dụng cụ đo lượng xạ T Trong quang phổ bậc 1: λ sin ϕ = ⇒ λ = d.sin ϕ d a- Đường cong phổ xạ vật đen tuyệt