Đang tải... (xem toàn văn)
Cường độ hiệu dụng của dòng điện xoay chiều bằng cường độ của một dòng điện không đổi, nếu cho hai dòng điện đó lần lượt đi qua cùng một điện trở R trong những khoảng thời gian bằng nhau[r]
(1)CHƯƠNG I DAO ĐỘNG CƠ I DAO ĐỘNG ĐIỀU HOÀ
1 Các khái niệm dao động cơ, dao động tuần hoàn dao động điều hoà: * Dao động cơ: chuyển động qua lại vật quanh vị trí cân
* Dao động tuần hồn dao động mà sau khoảng thời gian nhau, gọi chu kì, vật trở lại vị trí cũ theo hướng cũ
* Dao động điều hòa: Dao động điều hịa dao động li độ vật hàm côsin (hay sin) thời gian
+ Phương trình dao động: x = Acos(t + )
+ Điểm P dao động điều hịa đoạn thẳng ln ln coi hình chiếu điểm M chuyển động trịn đường trịn có đường kính đoạn thẳng
* Các đại lượng đặc trưng dao động điều hồ
Trong phương trình x = Acos(t + ) thì:
+ A biên độ dao động, giá trị cực đại li độ x; đơn vị m, cm A luôn dương
+ (t + ) pha dao động đại lượng trung gian cho phép ta xác định trạng thái dao động thời
điểm t;
+ pha ban đầu đại lượng trung gian cho phép ta xác định trạng thái dao động ban đầu (t = 0)
+ tần số góc dao động điều hịa; đơn vị rad/s
+ Chu kì (kí hiệu T) dao động điều hòa khoảng thời gian để vật thực dao động toàn phần; đơn vị giây (s)
+ Tần số (kí hiệu f) dao động điều hịa số dao động tồn phần thực giây; đơn vị héc (Hz)
+ Liên hệ , T f: =
T 2
= 2f
2 Vận tốc gia tốc vật dao động điều hoà:
Xét vật dao động có phương trình li độ: x = Acos(t + ) Khi đó:
a Biểu thức vận tốc tức thời: v = x' = - Asin(t + ) = Asin(-t - ) = Acos(t + +
2
) Vận tốc vật dao động điều hòa biến thiên điều hòa tần số sớm pha
2
so với với li độ Vị trí biên (x = A), v = Vị trí cân (x = 0), |v| = vmax = A
Hệ thức A, x, v (công thức độc lập): A2 = x2 + 2
2
v
+ Gia tốc đạo hàm bậc vận tốc (đạo hàm bậc li độ) theo thời gian: a = v' = x’’ = - 2Acos(t + )
= - 2x
Gia tốc vật dao động điều hòa biến thiên điều hòa tần số ngược pha với li độ (sớm pha
2
so với vận tốc)
Véc tơ gia tốc vật dao động điều hịa ln hướng vị trí cân có độ lớn tỉ lệ với độ lớn li độ
- Ở vị trí biên (x = A), gia tốc có độ lớn cực đại : amax = 2A
- Ở vị trí cân (x = 0), gia tốc
+ Lực tác dụng lên vật dao động điều hòa F = ma = -m2x = - kx hướng vị trí cân bằng, gọi lực kéo
+ Đồ thị dao động điều hòa (li độ, vận tốc, gia tốc) đường hình sin
+ Phương trình dao động điều hòa x = Acos(t + ) nghiệm phương trình x’’ + 2x = Đó phương trình
động lực học dao động điều hịa
II CON LẮC LỊ XO. * Con lắc lò xo
+ Con lắc lò xo gồm lị xo có độ cứng k, khối lượng khơng đáng kể, đầu gắn cố định, đầu gắn với vật nặng khối lượng m đặt theo phương ngang treo thẳng đứng
(2)+ Phương trình dao động: x = Acos(t + ); với: = m
k
; A =
2 v x ;
xác định từ điều kiện đầu toán (cách xác định xem tài liệu Định dạng phương pháp
giải vật lý 12)
+ Chu kì dao động lắc lò xo: T = 2 k m
* Năng lượng lắc lò xo
+ Động : Wđ = 2 1
mv2 = 2 1
m2A2sin2(t+)
+ Thế năng: Wt = 2 1
kx2 = 2 1
k A2cos2(t + )
Động vật dao động điều hòa biến thiên tuần hồn với tần số góc ’ = 2, tần số f’ = 2f
và chu kì T’ =
2
T
+ Cơ toàn phần hệ: W = Wt + Wđ = 2 1
k A2 = 2 1
m2A2 = const (trong trường hợp bỏ qua
masat)
Cơ lắc tỉ lệ với bình phương biên độ dao động
III CON LẮC ĐƠN * Con lắc đơn
+ Con lắc đơn gồm vật nặng treo vào sợi dây khơng giãn, vật nặng kích thước khơng đáng kể so với chiều dài sợi dây, sợi dây khối lượng không đáng kể so với khối lượng vật nặng
+ Khi dao động nhỏ (sin (rad)), lắc đơn dao động điều hịa với phương trình:
s = Socos(t + ) = o cos(t + ); với =
l s
; o =
l So
+ Chu kỳ, tần số, tần số góc: T = 2 g
l
; f =
2 1 l g ; = l g + Lực kéo biên độ góc nhỏ: F = - s
l mg
+ Xác định gia tốc rơi tự nhờ lắc đơn : g = 2
2 4 T l
+ Chu kì dao động lắc đơn phụ thuộc độ cao, vĩ độ địa lí nhiệt độ mơi trường
* Năng lượng lắc đơn
+ Động : Wđ = 2 1
mv2.
+ Thế năng: Wt = mgl(1 - cos) = 2 1
mgl2 ( 100, (rad))
+ Cơ năng: W = Wt + Wđ = mgl(1 - cos0) = 2 1
mgl20
Cơ lắc đơn bảo toàn bỏ qua ma sát
IV DAO ĐỘNG TẮT DẦN, DAO ĐỘNG CƯỠNG BỨC 1 Dao động tắt dần
+ Khi khơng có ma sát, lắc dao động điều hòa với tần số riêng Tần số riêng lắc phụ thuộc vào đặc tính lắc
(3)+ Nguyên nhân làm tắt dần: vật động môi trường chịu tác dụng masat mội trường đố, phải thực công để thắng lực masat, nên lượng hệ phải tiêu hao (có chuyển hóa dần thành nhiệt năng) Vì biên độ lắc giảm dần cuối lắc dừng lại
+ Ứng dụng: thiết bị đóng cửa tự động, phận giảm xóc tơ, xe máy, … ứng dụng dao động tắt dần
2 Dao động trì
Nếu ta cung cấp thêm lượng cho vật dao động có ma sát để bù lại tiêu hao ma sát mà khơng làm thay đổi chu kì riêng dao động kéo dài gọi dao động trì
3 Dao động cưởng bức
+ Dao động chịu tác dụng ngoại lực cưỡng tuần hoàn gọi dao động cưỡng + Dao động cưởng có biên độ khơng đổi có tần số tần số lực cưỡng
+ Biên độ dao động cưỡng phụ thuộc vào biên độ lực cưởng bức, vào lực cản hệ vào chênh lệch tần số cưởng f tần số riêng fo hệ Biên độ lực cưởng lớn, lực cản
nhỏ chênh lệch f fo biên độ dao động cưởng lớn 4 Hiện tượng cộng hưởng cơ
+ Hiện tượng biên độ dao động cưởng tăng dần lên đến giá trị cực đại tần số f lực cưởng tiến đến tần số riêng fo hệ dao động gọi tượng cộng hưởng
+ Điều kiện f = f0 gọi điều kiện cộng hưởng
+ Đường cong biểu diễn phụ thuộc biên độ vào tần số cưởng gọi đồ thị cộng hưởng Nó nhọn lực cản môi trường nhỏ
+ Tầm quan trọng tượng cộng hưởng:
Tòa nhà, cầu, bệ máy, khung xe, hệ dao động có tần số riêng Phải cẩn thận khơng chúng chịu tác dụng lực cưởng mạnh, có tần số tần số riêng để tránh cộng hưởng, gây dao động mạnh làm gãy, đổ
Hộp đàn đàn ghi ta, viôlon, hộp cộng hưởng với nhiều tần số khác dây đàn làm cho tiếng đàn nghe to, rỏ
5 TỔNG HỢP CÁC DAO ĐỘNG ĐIỀU HOÀ
+ Mỗi dao động điều hòa biểu diễn véc tơ quay Véc tơ có góc góc tọa độ trục Ox, có độ dài biên độ dao động A, hợp với trục Ox góc ban đầu quay quanh O với tốc độ góc
+ Phương pháp giãn đồ Fre-nen dùng để tổng hợp hai dao động điều hòa phương, tần số: Lần lượt vẽ hai véc tơ quay
1
A A2 biểu diễn hai phương trình dao động thành phần Sau vẽ
véc tơ tổng hợp hai véc tơ Véc tơ tổng A=
A +A2 véc tơ quay biểu diễn
phương trình dao động tổng hợp
+ Nếu vật tham gia đồng thời hai dao động điều hoà phương, tần số với phương trình: x1 = A1cos(t + 1) x2 = A2cos(t + 2)
Thì dao động tổng hợp là: x = x1 + x2 = Acos(t + ) với A xác định
bởi:
A2 = A
12 + A22 + A1A2 cos (2 - 1) tan =
2 1
2 1
cos cos
sin sin
A A
A A
Biên độ pha ban đầu dao động tổng hợp phụ thuộc vào biên độ pha ban đầu dao động thành phần
+ Khi hai dao động thành phần pha: (2 - 1 = 2k) => A = A1 + A2
+ Khi hai dao động thành phần ngược pha : (2 - 1) = (2k + 1)) => A = |A1 - A2|
+ Trường hợp tổng quát: A1 + A2 A |A1 - A2|
(4)I SÓNG CƠ VÀ SỰ TRUYỀN SĨNG CƠ 1 Sóng
+Sóng dao động lan truyền mơi trường vật chất
+ Sóng ngang sóng phần tử mơi trường dao động theo phương vng góc với phương truyền sóng
Trừ trường hợp sóng mặt nước, sóng ngang truyền chất rắn
+ Sóng dọc sóng phần tử mơi trường dao động theo phương trùng với phương truyền sóng
Sóng dọc truyền chất khí, chất lỏng chất rắn Sóng khơng truyền chân khơng
+ Bước sóng : khoảng cách hai điểm gần phương truyền sóng dao động pha
Bước sóng quãng đường sóng lan truyền chu kỳ: = vT = f v
+ Khoảng cách hai điểm gần phương truyền sóng mà dao động ngược pha
2
+ Năng lượng sóng: sóng truyền dao động cho phần tử môi trường, nghĩa truyền cho chúng lượng Q trình truyền sóng q trình truyền lượng
2 Phương trình sóng
Nếu phương trình sóng nguồn O uO = AOcos(t + ) phương trình sóng M phương truyền
sóng là: uM = AMcos (t + - 2
OM
)
Nếu bỏ qua mát lượng q trình truyền sóng biên độ sóng O M (AO =
AM = A)
Độ lệch pha hai dao động hai điểm cách khoảng d phương truyền sóng là: =
d 2
3 Tính tuần hồn sóng
Tại điểm M xác định môi trường: uM hàm biến thiên điều hòa theo thời gian t với chu kỳ T
Tại thời điểm xác định: uM hàm biến thiên điều hịa khơng gian theo biến x với chu kỳ 4 Q trình truyền sóng định nghĩa:
- trình truyền pha dao động;
- trình truyền lượng, lượng truyền từ nguồn sóng mơi trường xung quanh. 2 GIAO THOA SÓNG
+ Điều kiện cần đủ để hai sóng giao thoa với hai sóng phải hai sóng kết hợp, xuất phát từ hai nguồn dao động phương, tần số có độ lệch pha khơng đổi theo thời gian Hai nguồn kết hợp có pha hai nguồn đồng
+ Hai sóng hai nguồn kết hợp phát hai sóng kết hợp
+ Hiện tượng giao thoa tượng hai sóng kết hợp gặp có điểm, chúng ln ln tăng cường lẫn nhau; có điểm chúng ln ln triệt tiêu
+ Nếu hai nguồn S1 S2 phát hai sóng giống hệt nhau: u1 = u2 = Acost bỏ qua mát
năng lượng sóng truyền thì sóng M (với S1M = d1; S2M = d2) tổng hợp hai sóng từ S1 S2 truyền
tới có phương trình là: uM = 2Acos (d2 d1)
cos(t -
(d2 d1)
)
+ Cực đại giao thoa nằm điểm có hiệu đường hai sóng tới số nguyên lần bước sóng: d2 – d1 = k ; (k Z)
+ Cực tiểu giao thoa nằm điểm có hiệu đường hai sóng tới số nguyên lẻ bước sóng: d2 – d1 = (k +
2 1
) ; (k Z)
(5)+ Trên đoạn thẳng S1S2 nối hai nguồn, khoảng cách hai cực đại hai cực tiểu liên tiếp (gọi
khoảng vân i) là: i =
2
+ Hiện tượng giao thoa tượng đặc trưng sóng, tức q trình sóng gây tượng giao thoa Ngược lại, q trình vật lí gây tượng giao thoa tất yếu q trình sóng
+ Một tượng đặc trưng sóng tượng nhiễu xạ Đó tượng sóng gặp vật cản sóng lệch khỏi phương truyền thẳng vịng phía sau vật cản
II SÓNG DỪNG * Sự phản xạ sóng
Khi sóng truyền gặp vật cản bị phản xạ Sóng phản xạ tần số bước sóng với sóng tới
+ Nếu đầu phản xạ cố định sóng phản xạ ngược pha với sóng tới + Nếu vật cản tự sóng phản xạ pha với sóng tới
* Sóng dừng
+ Sóng tới sóng phản xạ truyền theo phương, giao thoa với nhau, tạo hệ sóng dừng
+ Trong sóng dừng có số điểm ln ln đứng n gọi nút, số điểm luôn dao động với biên độ cực đại gọi bụng
Khoảng cách hai nút liên tiếp hai bụng liên tiếp bước sóng
+ Để có sóng dừng sợi dây với hai nút hai đầu (hai đầu cố định) chiều dài dây phải số nguyên bước sóng
+ Để có sóng dừng sợi dây với đầu nút đầu bụng (một đầu cố định, đầu tự do) chiều dài sợi dây phải số nguyên lẻ phần tư bước sóng
III SĨNG ÂM
* Đặc trưng vật lí âm
+ Sóng âm sóng học dọc truyền mơi trường khí, lỏng, rắn + Nguồn âm vật dao động phát âm
+ Tần số dao động nguồn tần số sóng âm + Âm nghe (âm thanh) có tần số từ 16Hz đến 20000Hz + Âm có tần số 16Hz gọi hạ âm
+ Âm có tần số 20000Hz gọi siêu âm
+ Nhạc âm âm có tần số xác định, tạp âm âm khơng có tần số xác định + Âm không truyền chân không
+ Trong môi trường, âm truyền với tốc độ xác định Vận tốc truyền âm phụ thuộc vào tính đàn hồi, mật độ mơi trường nhiệt độ môi trường Khi âm truyền từ môi trường sang mơi trường khác vận tốc truyền âm thay đổi, bước sóng sóng âm thay đổi cịn tần số âm khơng thay đổi
+ Âm không truyền qua chất xốp bơng, len, , chất gọi chất cách âm
+ Cường độ âm I điểm đại lượng đo lượng mà sóng âm tải qua đơn vị diện tích đặt điểm đó, vng góc với phương truyền sóng đơn vị thời gian; đơn vị W/m2:
I =
S P St W
; với nguồn âm có cơng suất P âm phát theo hướng cường độ âm điểm cách nguồn âm khoảng R là: I = 2
4 R P
(4R
2 diện tích mặt cầu bán kính R).
+ Ngưỡng nghe: cường độ âm nhỏ mà tai người cịn nghe rỏ Ngưỡng nghe phụ thuộc vào tần số âm Âm có tần số 1000Hz đến 5000Hz, ngưỡng nghe khoảng 10-12 W/m2.
+ Ngưỡng đau: cường độ âm cực đại mà tai người cịn nghe có cảm giác đau nhức Đối với tần số âm ngưỡng đau ứng với cường độ âm 10 W/m2.
(6)+ Đại lượng L = lg
0
I I
với I0 chuẫn cường độ âm (âm nhỏ vừa đủ nghe, thường lấy chuẩn cường độ
âm I0 = 10-12W/m2 với âm có tần số 1000Hz) gọi mức cường độ âm âm có cường độ I
Đơn vị mức cường độ âm ben (B) Trong thực tế người ta thường dùng ước số ben đêxiben (dB): 1dB = 0,1B
+ Khi nhạc cụ phát âm có tần số f0 nhạc cụ đồng thời phát loạt âm có
tần số 2f0, 3f0, có cường độ khác Âm có tần số f0 gọi âm hay họa âm thứ nhất, âm có tần số
2f0, 3f0, … gọi họa âm thứ 2, thứ 3, … Biên độ họa âm lớn, nhỏ không nhau, tùy thuộc vào
chính nhạc cụ Tập hợp họa âm tạo thành phổ nhạc âm
Tổng hợp đồ thị dao động tất họa âm nhạc âm ta đồ thị dao động nhạc âm + Về phương diện vật lí, âm đặc trưng tần số, cường độ (hoặc mức cường độ âm) đồ thị dao động âm
* Đặc trưng sinh lí sóng âm: Độ cao, độ to, âm sắc
+ Độ cao: đặc trưng sinh lí phụ thuộc vào tần số âm, không phụ thuộc vào lượng âm + Độ to: đặc trưng sinh lí phụ thuộc vào tần số âm f mức cường độ âm L
+ Âm sắc: đặc trưng âm giúp ta phân biệt âm phát từ nguồn khác Âm sắc liên quan đến đồ thị dao động âm
(7)CHƯƠNG III. DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU I.Đại cương dòng điện xoay chiều:
* Dòng điện điện áp xoay chiều
* Dịng điện xoay chiều dịng điện có cường độ hàm số sin hay côsin thời gian: i=Iocos(t + i)
+ Điện áp xoay chiều điện áp biến thiên theo hàm số sin hay côsin thời gian: u =Uocos(t + u)
Tạo dòng điện xoay chiều máy phát điện xoay chiều dựa sở tượng cảm ứng điện từ Trong chu kì T dịng điện xoay chiều đổi chiều lần, giây dòng điện xoay chiều đổi chiều 2f lần
* Các giá trị hiệu dụng dòng điện xoay chiều
Cường độ hiệu dụng dòng điện xoay chiều cường độ dịng điện khơng đổi, cho hai dịng điện qua điện trở R khoảng thời gian đủ dài nhiệt lượng tỏa
+ Cường độ hiệu dụng điện áp hiệu dụng: I =
2
o I
; U =
2
o U
+ Ampe kế vơn kế đo cường độ dịng điện điện áp xoay chiều dựa vào tác dụng nhiệt dòng điện nên gọi ampe kế nhiệt vôn kế nhiệt, số chúng cường độ hiệu dụng điện áp hiệu dụng dòng điện xoay chiều
+ Khi tính tốn, đo lường, mạch điện xoay chiều, chủ yếu sử dụng giá trị hiệu dụng
* Các loại đoạn mạch xoay chiều
+ Đoạn mạch có điện trở thuần: uR pha với i; I =
R UR
+ Đoạn mạch có tụ điện: uC trể pha i góc
2
I =
C C Z U
; với ZC =
C
1
dung kháng tụ điện
Tụ điện C khơng cho dịng điện khơng đổi qua (cản trở hồn tồn), lại cho dòng điện xoay chiều qua với điện trở (dung kháng): ZC =
C
1
+ Đoạn mạch có cuộn cảm thuần: uL sớm pha i góc 2
I =
L L Z U
; với ZL = L cảm kháng cuộn dây
Cuộn cảm L cho dịng điện khơng đổi qua hồn tồn (khơng cản trở) cho dịng điện xoay chiều qua với điện trở (cảm kháng): ZL = L
+ Đoạn mạch có R, L, C mắc nối tiếp (không phân nhánh):
Giãn đồ Fre-nen: Nếu biểu diễn điện áp xoay chiều R, L C véc tơ tương ứng
R
U , UL UC tương ứng điện áp xoay chiều đoạn mạch R, L, C
mắc nối tiếp là: U =
R
U + UL + UC
Dựa vào giãn đồ véc tơ ta thấy:
U = ( )2
C L
R U U
U = I R2 (ZL - ZC)2 = I.Z
Với Z =
C L (Z - Z )
R gọi tổng trở đoạn mạch RLC
Độ lệch pha u i xác định theo biểu thức: tan =
R Z ZL C Cường độ hiệu dụng xác định theo định luật Ôm: I =
Z U
(8)* Biểu thức điện áp xoay chiều, cường độ dòng điện xoay chiều
Nếu i = Iocos(t + i) u = Uocos(t + i + )
Nếu u = Uocos(t + u) i = Iocos(t + u - )
Với Io = Z Uo
; tan =
R Z ZL C
+ Cộng hưởng đoạn mạch RLC: Khi ZL = ZC hay L =
C
1
có tượng cộng hưởng điện Khi đó: Z = Zmin = R; I = Imax =
R U
; P = Pmax =
R U2
; =
+ Các trường hợp khác:
Khi ZL > ZC u nhanh pha i (đoạn mạch có tính cảm kháng)
Khi ZL < ZC u trể pha i (đoạn mạch có tính dung kháng)
Chú ý: Nếu đoạn mạch có nhiều phần tử R, L, C mắc nối tiếp hệ thức định luật Ôm ta đặt R = R1 + R2 + ; ZL = ZL1 + ZL2 + ; ZC = ZC1 + ZC2 + Nếu mạch khơng có điện trở ta cho R = 0; khơng
có cuộn cảm ta cho ZL = 0; khơng có tụ điện ta cho ZC = * Cơng suất dịng điện xoay chiều
+ Cơng suất dịng điện xoay chiều: P = UIcos = I2R
+ Hệ số công suất: cos = Z R
+ Ý nghĩa hệ số cơng suất cos: Cơng suất hao phí đường dây tải (có điện trở r) Php = rI2 =
2
2
cos
U rP
Nếu hệ số công suất cos nhỏ cơng suất hao phí đường dây tải Php lớn, người ta phải tìm cách
nâng cao hệ số công suất Theo qui định nhà nước hệ số cơng suất cos sở điện tối thiểu
phải 0,85
Với điện áp U dụng cụ dùng điện tiêu thụ cơng suất P I =
cos
U P
, tăng hệ số công suất cos để giảm cường độ hiệu dụng I từ giảm hao phí tỏa nhiệt dây
11 TRUYỀN TẢI ĐIỆN NĂNG - MÁY BIẾN ÁP * Truyền tải điện năng
+ Cơng suất hao phí đường dây tải: Php = rI2 = r(
U P
)2 = P2
U r
+ Hiệu suất tải điện: H =
P P P hp
+ Độ giảm điện đường dây tải điện: U = Ir
+ Biện pháp giảm hao phí đường dây tải: giảm r, tăng U Vì r =
S l
nên để giảm ta phải dùng loại dây có điện trở suất nhỏ bạc, dây siêu dẫn, với giá thành cao, tăng tiết diện S Việc tăng tiết diện S tốn kim loại phải xây cột điện lớn nên biện pháp không kinh tế
Trong thực tế để giảm hao phí đường truyền tải người ta dùng biện pháp chủ yếu tăng điện áp U: dùng máy biến áp để đưa điện áp nhà máy phát điện lên cao tải đường dây cao áp Gần đến nơi tiêu thụ lại dùng máy biến áp hạ áp để giảm điện áp bước đến giá trị thích hợp
Tăng điện áp đường dây tải lên n lần cơng suất hao phí giảm n2 lần. * Máy biến áp
Máy biến áp thiết bị biến đổi điện áp (xoay chiều)
Cấu tạo
+ Một lỏi biến áp hình khung sắt non có pha silic để tăng độ từ thẩm lỏi sắt
+ Hai cuộn dây có số vịng dây N1, N2 khác có điện trở nhỏ độ tự cảm lớn quấn lỏi biến áp
(9)Nguyên tắc hoạt động
Dựa vào tượng cảm ứng điện từ
Nối hai đầu cuộn sơ cấp vào nguồn phát điện xoay chiều, dòng điện xoay chiều chạy cuộn sơ cấp tạo từ trường biến thiên lỏi biến áp Từ thơng biến thiên từ trường qua cuộn thứ cấp gây suất điện động cảm ứng cuộn thứ cấp
Sự biến đổi điện áp cường độ dòng điện máy biến áp
Với máy biến áp làm việc điều kiện lí tưởng (hiệu suất gần 100%):
1
U U
=
2
I I
=
1
N N
* Công dụng máy biến áp
+ Dùng để thay đổi điện áp dòng điện xoay chiều
+ Sử dụng việc truyền tải điện để giảm hao phí đường dây truyền tải + Sử dụng máy hàn điện, nấu chảy kim loại
12 MÁY PHÁT ĐIỆN XOAY CHIỀU * Máy phát điện xoay chiều pha
+ Các phận chính:
Phần cảm nam châm vĩnh cữu hay nam châm điện Đó phần tạo từ trường
Phần ứng cuộn dây, xuất suất điện động cảm ứng máy hoạt động
Một hai phần đặt cố định, phần lại quay quanh trục Phần cố định gọi stato, phần quay gọi rôto
+ Hoạt động: rôto quay, từ thông qua cuộn dây biến thiên, cuộn dây xuất suất điện động cảm ứng, suất điện động đưa để sử dụng
+ Nếu từ thông qua cuộn dây (t) suất điện động cảm ứng xuất cuộn dây là: e = - dt d
= - ’(t)
+ Tần số dòng điện xoay chiều: Máy phát có cuộn dây nam châm (gọi cặp cực) rôto quay n vịng giây tần số dịng điện f = n Máy có p cặp cực rơ to quay n vịng giây f = np Máy có p cặp cực, rơ to quay n vịng phút f =
60
n
p
* Dòng điện xoay chiều ba pha
Dòng điện xoay chiều ba pha hệ thống ba dòng điện xoay chiều, gây ba suất điện động xoay chiều có tần số, biên độ lệch pha đôi
3 2
* Cấu tạo hoạt động máy phát điện xoay chiều pha
Dòng điện xoay chiều ba pha tạo máy phát điện xoay chiều ba pha
Máy phát điện xoay chiều ba pha cấu tạo gồm stato có ba cuộn dây riêng rẽ, hồn tồn giống quấn ba lỏi sắt đặt lệch 1200 vịng trịn, rơto nam châm điện.
Khi rôto quay đều, suất điện động cảm ứng xuất ba cuộn dây có biên độ, tần số lệch pha
3 2
Nếu nối đầu dây ba cuộn với ba mạch (ba tải tiêu thụ) giống ta có hệ ba dịng điện biên độ, tần số lệch pha
3 2
* Các cách mắc mạch pha
+ Mắc hình sao: ba điểm đầu ba cuộn dây nối với mạch dây dẫn, gọi dây pha Ba điểm cuối nối chung với trước nối với mạch dây dẫn gọi dây trung hòa
Nếu tải tiêu thụ nối hình tải đối xứng (3 tải giống nhau) cường độ dịng điện dây trung hịa
Nếu tải khơng đối xứng (3 tải khơng giống nhau) cường độ dịng điện dây
trung hoà khác nhỏ nhiều so với cường độ dòng điện dây pha
Khi mắc hình ta có: Ud = 3Up (Ud điện áp hai dây pha, Up điện áp
(10)Mạng điện gia đình sử dụng pha mạng điện pha: có dây nóng dây nguội
+ Mắc hình tam giác: điểm cuối cuộn nối với điểm đầu cuộn theo
thành ba điểm nối chung Ba điểm nối nối với mạch ngồi dây pha
Cách mắc đòi hỏi tải tiêu thụ phải giống
* Ưu điểm dòng điện xoay chiều pha
+ Tiết kiệm dây nối từ máy phát đến tải tiêu thụ; giảm hao phí điện đường dây + Trong cách mắc hình sao, ta sử dụng hai điện áp khác nhau:
Ud = 3Up
+ Cung cấp điện cho động ba pha, dùng phổ biến nhà máy, xí nghiệp
13 ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA * Sự quay không đồng bộ
Quay nam châm hình chử U với tốc độ góc từ trường hai nhánh nam châm
quay với tốc độ góc Đặt từ trường quay khung dây dẫn kín quay quanh trục trùng với
trục quay từ trường khung dây quay với tốc độ góc ’ < Ta nói khung dây quay khơng đồng với từ
trường
* Nguyên tắc hoạt động động không đồng pha
+ Tạo từ trường quay cách cho dòng điện xoay chiều pha vào cuộn dây giống nhau, đặt lệch 120o giá tròn khơng gian cuộn dây có từ trường quay với tần số tần số
của dòng điện xoay chiều
+ Đặt từ trường quay rơto lịng sóc quay xung quanh trục trùng với trục quay từ trường + Rơto lịng sóc quay tác dụng từ trường quay với tốc độ nhỏ tốc độ từ trường Chuyển động quay rôto sử dụng để làm quay máy khác
B CÁC CÔNG THỨC.
Cảm kháng: ZL = L
Dung kháng tụ điện: ZC =
C
1
Tổng trở đoạn mạch RLC: Z =
C L (Z - Z )
R
Định luật Ôm: I =
Z U
; Io =
Z UO
Các giá trị hiệu dụng:
2
o I
I ;
2
o U
U ; UR = IR; UL = IZL; UC = IZC
Độ lệch pha u i: tan =
R Z ZL C
Công suất: P = UIcos = I2R Hệ số công suất: cos = Z R
Điện tiêu thụ mạch điện: W = A = P.t
Biểu thức u i: Nếu i = Iocos(t + i) u = Uocos(t + i + )
Nếu u = Uocos(t + u) i = Iocos(t + u - )
Trường hợp điện áp hai đầu đoạn mạch u = Uocos(t + ) Nếu đoạn mạch có tụ điện: i = Iocos(t +
+
2
) = - I0sin(t + ) hay mạch có cuộn cảm: i = Iocos(t + - 2
) = I0sin(t + ) Khi ta có: 2 2
U u I i
=
(11)Cực đại cộng hưởng điện: Khi ZL = ZC hay =
LC
1
u pha với i ( = 0), có cộng hưởng điện Khi
Imax =
R U
; Pmax =
R U2
Cực đại P theo R: R = |ZL – ZC| Khi Pmax =
| | 2 C L Z Z U
= R U
2
Cực đại UL theo ZL: ZL =
C C Z
Z R2
Khi ULmax =
R Z R
U C2
Cực đại UC theo ZC: ZC =
L L Z
Z R2
Khi UCmax =
R Z R
U L2
Cực đại UL theo : UL = ULmax = 2 2
2 2
C R
LC
Cực đại UC theo : UC = UCmax = 2
2 1
L R
LC
Mạch ba pha mắc hình sao: Ud = 3Up; Id = Ip
Mạch ba pha mắc hình tam giác: Ud = Up; Id = 3Ip
Máy biến áp:
1 U U = I I = N N
Cơng suất hao phí đường dây tải: Php = rI2 = r(
U P
)2 = P2
U r
Khi tăng U lên n lần cơng suất hao phí Php giảm n2 lần
Hiệu suất tải điện: H =
P P P hp
Độ giảm điện áp đường dây tải điện: U = Ir
Từ thông qua khung dây máy phát điện:
= NBScos(t + ) = 0 cos(t + )
Suất động khung dây máy phát điện: e = -
dt d
= - ’ = NBSsin(t + ) = E0 cos(t + - 2
)
Tần số dòng điện máy phát điện xoay chiều pha có p cặp cực, rơto quay với tốc độ n vịng/giây là: f = pn (Hz); rơto quay với tốc độ n vòng/phút f =
60
pn
(Hz) Trong giây dòng điện xoay chiều có tần số f đổi chiều 2f lần
Máy phát điện xoay chiều pha mắc hình sao: Ud = 3Up Mắc hình tam giác: Ud = Up
Tải tiêu thụ mắc hình sao: Id = Ip Mắc hình tam giác: Id = 3Ip
Cơng suất tiêu thụ động điện: I2r + P = UIcos. A LÝ THUYẾT
14 DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ * Sự biến thiên điện tích dịng điện mạch dao động
+ Mạch dao động mạch điện khép kín gồm tụ điện có điện dung C cuộn dây có độ tự cảm L, có điện trở khơng đáng kể nối với
+ Điện tích tụ điện mạch dao động: q = qo cos(t + )
+ Cường độ dòng điện cuộn dây:
i = q' = - q0sin(t + ) = Iocos(t + + 2
); = LC
1
(12)+ Chu kì tần số riêng mạch dao động:
T = 2 LC ; f =
LC
2
1
* Năng lượng điện từ mạch dao động
+ Năng lượng điện trường tập trung tụ điện: WC =
2 1
C q2
=
2 1
C qo2
cos2(t + ).
+ Năng lượng từ trường tập trung cuộn cảm: WL =
2 1
Li2 = 2 1
L2 qo2 sin2(t + ) = 2 1
C qo2
sin2(t + ).
Năng lượng điện trường lượng từ trường biến thiên tuần hồn với tần số góc ’ = 2 chu kì T’ =
2
T
+ Năng lượng điện từ mạch: W = WC + WL =
2 1
C qo2
cos2(t + ) + 2 1
C qo2
sin2(t + ).
=
2 1
C qo2
=
2 1
LIo2 = 2 1
CUo2 = số
+ Liên hệ q0, I0 U0 mạch dao động:
qo = CUo =
o
I
= Io LC
15 ĐIỆN TỪ TRƯỜNG * Liên hệ điện trường biến thiên từ trường biến thiên
+ Nếu nơi có từ trường biến thiên theo thời gian nơi xuất điện trường xoáy Điện trường xoáy điện trường có đường sức đường cong kín
+ Nếu nơi có điện trường biến thiên theo thời gian nơi xuất từ trường Đường sức từ trường ln khép kín
* Điện từ trường
Mỗi biến thiên theo thời gian từ trường sinh không gian xung quanh điện trường xoáy biến thiên theo thời gian, ngược lại biến thiên theo thời gian điện trường sinh từ trường biến thiên theo thời gian không gian xung quanh
Điện trường biến thiên từ trường biến thiên tồn khơng gian Chúng chuyển hóa lẫn trường thống gọi điện từ trường
16 SĨNG ĐIỆN TỪ.
THƠNG TIN LIÊN LẠC BẰNG SĨNG VƠ TUYẾN
Sóng điện từ điện từ trường lan truyền không gian
* Đặc điểm sóng điện từ
+ Sóng điện từ lan truyền chân khơng Vận tốc lan truyền sóng điện từ chân khơng vận tốc ánh sáng (c 3.108m/s) Sóng điện từ lan truyền điện môi Tốc độ lan truyền sóng điện từ
trong điện môi nhỏ chân không phụ thuộc vào số điện mơi
+ Sóng điện từ sóng ngang Trong q trình lan truyền E Bln ln vng góc với vng góc với phương truyền sóng Tại điểm dao động điện trường từ trường sóng điện từ ln ln pha với
(13)+ Sóng điện từ mang lượng Nhờ có lượng mà sóng điện từ truyền đến anten, làm cho electron tự anten dao động
Nguồn phát sóng điện từ đa dạng, vật thể tạo điện trường từ trường biến thiên, tia lửa điện, dây dẫn dòng điện xoay chiều, cầu dao đóng, ngắt mạch điện
* Thơng tin liên lạc sóng vơ tuyến
+ Sóng vơ tuyến sóng điện từ dùng vơ tuyến Chúng có bước sóng từ vài m đến vài km Theo bước sóng, người ta chia sóng vơ tuyến thành loại: sóng cực ngắn, sóng ngắn, sóng trung sóng dài
+ Tầng điện li lớp khí bị ion hóa mạnh ánh sáng Mặt Trời nằm khoảng độ cao từ 80 km đếm 800 km, có ảnh hưởng lớn đến truyền sóng vơ tuyến điện
+ Các phân tử khơng khí khí hấp thụ mạnh sóng dài, sóng trung sóng cực ngắn hấp thụ vùng sóng ngắn Các sóng ngắn phản xạ tốt tầng điện li mặt đất
+ Ngun tắc chung thơng tin liên lạc sóng vơ tuyến điện:
- Biến âm (hoặc hình ảnh) muốn truyền thành dao động điện từ có tần số thấp gọi tín hiệu âm tần (hoặc tính hiệu thị tần)
- Dùng sóng điện từ tần số cao (cao tần) để mang tín hiệu âm tần thị tần xa, sóng gọi sóng mang Muốn phải trộn sóng điện từ âm tần thị tần với sóng điện từ cao tần (biến điệu chúng) Qua anten phát, sóng điện từ cao tần biến điệu truyền không gian
- Dùng máy thu với anten thu để chọn thu lấy sóng điện từ cao tần muốn thu
- Tách tín hiệu khỏi sóng cao tần (tách sóng) dùng loa để nghe âm truyền tới dùng hình để xem hình ảnh
Để tăng cường độ sóng truyền tăng cường độ tín hiệu thu người ta dùng mạch khuếch đại
+ Sơ đồ khối mạch phát vô tuyến đơn giãn gồm: micrơ, phát sóng cao tần, mạch biến điệu, mạch khuếch đại anten
+ Sơ đồ khối máy thu đơn giãn gồm: anten, mạch khuếch đại dao động điện từ cao tần, mạch tách sóng, mạch khuếch đại dao động điện từ âm tần loa
B CÁC CƠNG THỨC
Chu kì, tần số, tần số góc mạch dao động T = 2 LC ; f =
LC
2
1
; = LC
1
Bước sóng điện từ: Trong chân khơng: =
f c
; mơi trường có chiết suất n: = f v
=
nf c
Mạch chọn sóng máy thu vơ tuyến thu sóng điện từ có bước sóng: =
f c
= 2c LC
Nếu mạch chọn sóng có L C biến đổi bước sóng mà máy thu vơ tuyến thu thay đổi giới hạn từ:
min = 2c LminCmin đến max = 2c LmaxCmax
Biểu thức điện tích tụ: q = qocos(t + ) Khi t = tụ điện tích điện: q tăng i = q’ > => <
Khi t = tụ điện phóng điện: q giảm i = q’ < => >
Cường độ dòng điện mạch dao động: i = Iocos(t + + 2
) Điện áp tụ điện: u =
C q
=
C q0
cos(t + ) = Uocos(t + )
Năng lượng điện trường: WC = 2 1
Cu2 = 2 1
C q2
Năng lượng từ trường: Wt =
2 1
(14)Năng lượng điện từ: W= WC + Wt = 2 1
C q2
0 = 2 1
CU02 =
2 1
LI20
Năng lượng điện trường lượng từ trường biến thiên tuần hồn với tần số góc ’ = 2 = LC
2
, với chu kì T’ =
2
T
= LC
Nếu mạch có điện trở R dao động tắt dần Để trì dao động cần cung cấp cho mạch
lượng có cơng suất:
P = I2R =
L RC U R U C
2 2
2
0 2
Liên hệ qo, Uo, Io: qo = CUo =
o I
= Io LC
Bộ tụ mắc nối tiếp : 1 1 1
2
C C
C + Cn
1
Bộ tụ mắc song song: C = C1 + C2 + …+ Cn V TÍNH CHẤT SÓNG ÁNH SÁNG
17 TÁN SẮC ÁNH SÁNG * Sự tán sắc ánh sáng
Tán sắc ánh sáng phân tách chùm sáng phức tạp thành chùm sáng đơn sắc
* Ánh sáng đơn sắc, ánh sáng trắng
Ánh sáng đơn sắc ánh sáng không bị tán sắc qua lăng kính Mỗi ánh sáng đơn sắc có màu gọi màu đơn sắc
Mỗi màu đơn sắc mơi trường có bước sóng xác định
Khi truyền qua môi trường suốt khác vận tốc ánh sáng thay đổi, bước sóng ánh sáng thay đổi tần số ánh sáng khơng thay đổi
Ánh sáng trắng tập hợp vô số ánh sáng đơn sắc khác có màu biến thiên liên tục từ đỏ đến tím Dải có màu cầu vồng (có có vơ số màu chia thành màu đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím) gọi quang phổ ánh sáng trắng
Chiết suất chất lỏng suốt biến thiên theo màu sắc ánh sáng tăng dần từ màu đỏ đến màu tím
* Ứng dụng tán sắc ánh sáng
Hiện tượng tán sắc ánh sáng dùng máy quang phổ để phân tích chùm sáng đa sắc, vật sáng phát ra, thành thành phần đơn sắc
Nhiều tượng quang học khí quyển, cầu vồng chẳng hạn xảy tán sắc ánh sáng Đó trước tới mắt ta, tia sáng Mặt Trời bị khúc xạ phản xạ giọt nước
Hiện tượng tán sắc làm cho ảnh vật ánh sáng trắng qua thấu kính khơng rỏ nét mà bị nhòe, lại bị viền màu sắc (gọi tượng sắc sai)
18 NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG GIAO THOA ÁNH SÁNG * Nhiểu xạ ánh sáng
Nhiễu xạ ánh sáng tượng truyền sai lệch với truyền thẳng ánh sáng qua lỗ nhỏ gặp vật cản Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng chứng tỏ ánh sáng có tính chất sóng
* Hiện tượng giao thoa ánh sáng
Hai chùm sáng kết hợp hai chùm phát ánh sáng có tần số pha có độ lệch pha khơng đổi theo thời gian
Khi hai chùm sáng kết hợp gặp chúng giao thoa với nhau: Những chổ sóng gặp mà pha với nhau, chúng tăng cường lẫn tạo thành vân sáng Những chổ hai sóng gặp mà ngược pha với nhau, chúng triệt tiêu tạo thành vân tối
(15)gọi vân trắng Ở hai bên vân trắng giữa, vân sáng khác sóng ánh sáng đơn sắc khác khơng trùng với nữa, chúng nằm kề sát bên cho quang phổ có màu cầu vồng
Hiện tượng giao thoa ánh sáng chứng thực nghiệm quan trọng khẵng định ánh sáng có tính chất sóng
* Vị trí vân, khoảng vân
+ Vị trí vân sáng: xs = k
a D
; với k Z
+ Vị trí vân tối: xt = (2k + 1)
a D
2
; với k Z
+ Khoảng vân khoảng cách vân sáng (hoặc vân tối) liên tiếp: i =
a D
Giữa n vân sáng liên tiếp có (n – 1) khoảng vân
* Bước sóng màu sắc ánh sáng
+ Ánh sáng đơn sắc ánh sáng có bước sóng xác định Màu ứng với bước sóng ánh sáng gọi màu đơn sắc
+ Mọi ánh sáng đơn sắc mà ta nhìn thấy có bước sóng chân khơng (hoặc khơng khí) khoảng từ 0,38m (ánh sáng tím) đến 0,76m (ánh sáng đỏ)
+ Những màu quang phổ ánh sáng trắng (đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím) ứng với vùng có bước sóng lân cận
Bảng màu bước sóng ánh sáng chân khơng:
Màu Đỏ Cam Vàng Lục Lam Chàm Tím
(m) 0,640
0,760
0,590
0,650
0,570
0,600
0,500
0,575
0,450
0,510
0,430
0,460
0,380
0,440
(16)19 QUANG PHỔ * Máy quang phổ lăng kính
+ Máy quang phổ dụng cụ phân tích chùm sáng có nhiều thành phần thành thành phần đơn sắc khác
+ Máy dùng để nhận biết thành phần cấu tạo chùm sáng phức tạp nguồn phát + Máy quang phổ có ba phận chính:
- Ống chuẫn trực phận tạo chùm sáng song song
- Hệ tán sắc có tác dụng phân tích chùm tia song song thành nhiều chùm tia đơn sắc song song - Buồng buồng ảnh dùng để quan sát hay chụp ảnh quang phổ
+ Nguyên tắc hoạt động máy quang phổ lăng kính dựa tượng tán sắc ánh sáng
* Quang phổ liên tục
+ Quang phổ liên tục dải màu liên tục từ đỏ đến tím
+ Quang phổ liên tục chất rắn, chất lỏng chất khí có áp suất lớn, phát bị nung nóng
+ Quang phổ liên tục chất khác nhiệt độ hồn toàn giống phụ thuộc vào nhiệt độ chúng
* Quang phổ vạch phát xạ
+ Quang phổ vạch phát xạ hệ thống vạch sáng riêng lẻ, ngăn cách khoảng tối + Quang phổ vạch phát xạ chất khí hay áp suất thấp phát bị kích thích điện hay nhiệt
+ Quang phổ vạch nguyên tố khác khác số lượng vạch, vị trí độ sáng tỉ đối vạch Mỗi nguyên tố hóa học có quang phổ vạch đặc trưng ngun tố Ví dụ, quang phổ vạch phát xạ hiđrơ, vùng ánh sáng nhìn thấy có bốn vạch đặc trưng vạch đỏ, vạch lam, vạch chàm vạch tím + Phân tích quang phổ vạch, ta xác định có mặt nguyên tố hàm lượng chúng mẫu vật
* Quang phổ hấp thụ
+ Quang phổ hấp thụ vạch hay đám vạch tối quang phổ liên tục
+ Quang phổ hấp thụ chất lỏng chất rắn chứa đám vạch, đám gồm nhiều vạch hấp thụ nối tiếp cách liên tục
+ Quang phổ hấp thụ chất khí chứa vạch hấp thụ đặc trưng cho chất khí
20 TIA HỒNG NGOẠI TIA TỬ NGOẠI * Phát tia hồng ngoại tử ngoại
Ở ngồi quang phổ ánh sáng nhìn thấy được, hai đầu đỏ tím, cịn có xạ mà mắt khơng nhìn thấy, nhờ mối hàn cặp nhiệt điện bột huỳnh quang mà ta phát Các xạ gọi tia hồng ngoại tia tử ngoại
Tia hồng ngoại tia tử ngoại có chất với ánh sáng
Tia hồng ngoại tia tử ngoại tuân theo định luật: truyền thẳng, phản xạ, khúc xạ, gây tượng nhiễu xạ, giao thoa ánh sáng thông thường
* Tia hồng ngoại
+ Các xạ khơng nhìn thấy có bước sóng dài 0,76m đến khoảng vài milimét gọi tia hồng ngoại
+ Mọi vật có nhiệt độ cao nhiệt độ mơi trường phát tia hồng ngoại Nguồn phát tia hồng ngoại thơng dụng lị than, lị điện, đèn điện dây tóc
+ Tính chất:
- Tính chất bật tia hồng ngoại tác dụng nhiệt: vật hấp thụ tia hồng ngoại nóng lên
- Tia hồng ngoại có khả gây số phản ứng hóa học, tác dụng lên số loại phim ảnh, loại phim hồng ngoại dùng để chụp ảnh ban đêm
- Tia hồng ngoại điều biến sóng điện từ cao tần
- Tia hồng ngoại gây hiệu ứng quang điện số chất bán dẫn + Ứng dụng:
- Tia hồng ngoại dùng để sấy khô, sưởi ấm
- Sử dụng tia hồng ngoại để chụp ảnh bề mặt Trái Đất từ vệ tinh
(17)- Tia hồng ngoại có nhiều ứng dụng đa dạng lĩnh vực quân sự: Tên lửa tự động tìm mục tiêu dựa vào tia hồng ngoại mục tiêu phát ra; camera hồng ngoại dùng để chụp ảnh, quay phim ban đêm; ống nhòm hồng ngoại để quan sát ban đêm
* Tia tử ngoại
+ Các xạ khơng nhìn thấy có bước sóng ngắn 0,38m đến cở vài nanômét gọi tia tử ngoại
+ Nguồn phát: Những vật nung nóng đến nhiệt độ cao (trên 20000C) phát tia tử ngoại Nguồn phát tia tử
ngoại phổ biến đèn thủy ngân hồ quang điện + Tính chất:
- Tác dụng mạnh lên phim ảnh, làm ion hóa khơng khí nhiều chất khí khác
- Kích thích phát quang nhiều chất, gây số phản ứng quang hóa phản ứng hóa học - Có số tác dụng sinh lí: hủy diệt tế bào da, làm da rám nắng, làm hại mắt, diệt khuẩn, diệt nấm mốc, … - Có thể gây tượng quang điện
- Bị nước, thủy tinh… hấp thụ mạnh lại truyền qua thạch anh + Sự hấp thụ tia tử ngoại:
Thủy tinh hấp thụ mạnh tia tử ngoại Thạch anh, nước khơng khí suốt với tia có bước sóng 200 nm, hấp thụ mạnh tia có bước sóng ngắn
Tầng ơzơn hấp thụ hầu hết tia có bước sóng 300 nm “tấm áo giáp” bảo vệ cho người sinh vật mặt đất khỏi tác dụng hủy diệt tia tử ngoại Mặt Trời
+ Ứng dụng: Thường dùng để khử trùng nước, thực phẩm dụng cụ y tế, dùng chữa bệnh (như bệnh còi xương), để tìm vết nứt bề mặt kim loại, …
21 TIA X THUYẾT ĐIỆN TỪ ÁNH SÁNG THANG SÓNG ĐIỆN TỪ * Tia X
Tia X sóng điện từ có bước sóng từ 10-11 m đến 10-8 m. * Cách tạo tia X
Cho chùm tia catôt – tức chùm electron có lượng lớn – đập vào vật rắn vật phát tia X
Có thể dùng ống Rơn-ghen ống Cu-lít-dơ để tạo tia X
* Tính chất
+ Tính chất đáng ý tia X khả đâm xuyên Tia X xuyên qua giấy, vải, gổ, chí kim loại Tia X dễ dàng xuyên qua nhôm dày vài cm, lại bị lớp chì vài mm chặn lại Do người ta thường dùng chì để làm chắn tia X Tia X có bước sóng ngắn khả đâm xuyên lớn; ta nói cứng
+ Tia X có tác dụng mạnh lên phim ảnh, làm ion hóa khơng khí + Tia X có tác dụng làm phát quang nhiều chất
+ Tia X gây tượng quang điện hầu hết kim loại + Tia X có tác dụng sinh lí mạnh: hủy diệt tế bào, diệt vi khuẩn, …
* Công dụng
Tia X sử dụng nhiều để chiếu điện, chụp điện, để chẩn đốn tìm chổ xương gãy, mảnh kim loại người…, để chữa bệnh (chữa ung thư) Nó cịn dùng công nghiệp để kiểm tra chất lượng vật đúc, tìm vết nứt, bọt khí bên vật kim loại; để kiểm tra hành lí hành khách máy bay, nghiên cứu cấu trúc vật rắn
* Thang sóng điện từ
+ Sóng vơ tuyến, tia hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy, tia tử ngoại, tia Rơnghen, tia gamma sóng điện từ Các loại sóng điện từ tạo cách khác nhau, chất thì chúng chúng khơng có ranh giới rỏ rệt
Tuy vậy, có tần số bước sóng khác nhau, nên sóng điện từ có tính chất khác (có thể nhìn thấy khơng nhìn thấy, có khả đâm xun khác nhau, cách phát khác nhau) Các tia có bước sóng ngắn (tia X, tia gamma) có tính chất đâm xun mạnh, dễ tác dụng lên kính ảnh, dễ làm phát quang chất dễ ion hóa khơng khí Trong đó, với tia có bước sóng dài ta dễ quan sát tượng giao thoa + Người ta xếp phân loại sóng điện từ theo thứ tự bước sóng giảm dần, hay theo thứ tự tần số tăng dần, gọi thang sóng điện từ
B CÁC CÔNG THỨC
(18)xs = k
a D
; xt = (2k + 1)
a D
2
; i =
a D
; với k Z
Nếu khoảng vân khơng khí i mơi trường suốt có chiết suất n có khoảng vân i’ =
n i
Giữa n vân sáng (hoặc vân tối) liên tiếp (n – 1) khoảng vân
Tại M có vân sáng khi:
i OM i
xM
= k, vân sáng bậc k
Tại M có vân tối khi:
i xM
= (2k + 1)
Số vân sáng - tối miền giao thoa có bề rộng L: lập tỉ số N =
i L
2 Số vân sáng: Ns = 2N + 1; với N Z
Số vân tối: Nt = 2N phần thập phân N < 0,5; Nt = 2N + phần thập phân N > 0,5
Giao thoa với ánh sáng trắng (0,38m 0,76m)
Ánh sáng đơn sắc cho vân sáng vị trí xét nếu: x = k
a D
; kmin =
d D
ax
; kmax = D t ax
; = Dk ax
; với k Z
Ánh sáng đơn sắc cho vân tối vị trí xét nếu: x = (2k + 1)
a D
2
; kmin = 2
1
d D
ax
; kmax =
t D
ax
; = (2 1) k D ax Bề rộng quang phổ bậc n giao thoa với ánh sáng trắng:
xn = n a D t d ) ( Bước sóng ánh sáng chân khơng: = cf
Bước sóng ánh sáng môi trường: ’ = vf nfc n.
Trong ống Culitgiơ:
mv2
max = eU0AK = hfmax =
hc
VII LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG A LÝ THUYẾT
22 HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN THUYẾT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG * Hiện tượng quang điện
Hiện tượng ánh sáng làm bật electron khỏi mặt kim loại gọi tượng quang điện (gọi tắt tượng quang điện)
* Định luật giới hạn quang điện
Đối với kim loại ánh sáng kích thích phải có bước sóng ngắn hay giới hạn quang điện0
kim loại đó, gây tượng quang điện: 0 * Thuyết lượng tử ánh sáng
+ Chùm ánh sáng chùm phôtôn (các lượng tử ánh sáng) Mỗi phơtơn có lượng xác định = hf (f
tần số sóng ánh sáng đơn sắc tương ứng) Cường độ chùm sáng tỉ lệ với số phôtôn phát giây + Phân tử, nguyên tử, electron… phát xạ hay hấp thụ ánh sáng, có nghĩa chúng phát xạ hay hấp thụ phôtôn
+ Các phôtôn bay dọc theo tia sáng với tốc độ c = 3.108 m/s chân không.
Năng lượng phôtôn nhỏ Một chùm sáng dù yếu chứa nhiều phôtôn nhiều nguyên tử, phân tử phát Vì ta nhìn thấy chùm sáng liên tục
Phơtơn tồn trạng thái chuyển động Khơng có phơtơn đứng yên
* Giải thích định luật giới hạn quang điện thuyết lượng tử
Công thức Anhxtanh tượng quang điện: hf =
hc
= A +
(19)Để có tượng quang điện lượng phơtơn phải lớn cơng thốt: hf =
hc A
=
0
hc
=> 0; với 0 =
A hc
* Lưỡng tính sóng - hạt ánh sáng
Ánh sáng vừa có tính chất sóng, vừa có tính chất hạt Ta nói ánh sáng có lưỡng tính sóng - hạt
Trong tượng quang học, ánh sáng thường thể rỏ hai tính chất Khi tính chất sóng thể rỏ tính chất hạt lại mờ nhạt, ngược lại
Sóng điện từ có bước sóng ngắn, phơtơn ứng với có lượng lớn tính chất hạt thể rỏ, tượng quang điện, khả đâm xuyên, khả phát quang…, tính chất sóng mờ nhạt Trái lại sóng điện từ có bước sóng dài, phơtơn ứng với có lượng nhỏ, tính chất sóng lại thể rỏ (ở tượng giao thoa, nhiễu xạ, tán sắc, …), cịn tính chất hạt mờ nhạt
23 HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN BÊN TRONG * Chất quang dẫn
Chất quang dẫn chất bán dẫn, dẫn điện không bị chiếu sáng dẫn điện tốt bị chiếu ánh sáng thích hợp
* Hiện tượng quang điện trong
Hiện tượng ánh sáng giải phóng electron liên kết chúng trở thành electron dẫn đồng thời tạo lỗ trống tham gia vào trình dẫn điện, gọi tượng quang điện
* Quang điện trở
Quang điện trở chế tạo dựa hiệu ứng quang điện Đó bán dẫn có giá trị điện trở thay đổi cường độ chùm ánh sáng chiếu vào thay đổi
* Pin quang điện
Pin quang điện nguồn điện quang biến đổi trực tiếp thành điện Hoạt động pin dựa tượng quang điện bên số chất bán dẫn đồng ôxit, sêlen, silic, … Suất điện động pin thường có giá trị từ 0,5V đến 0,8V
Pin quang điện (pin mặt trời) trở thành nguồn cung cấp điện cho vùng sâu vùng xa, vệ tinh nhân tạo, tàu vũ trụ, máy đo ánh sáng, máy tính bỏ túi …
24 HIỆN TƯỢNG QUANG – PHÁT QUANG * Sự phát quang
+ Có số chất hấp thụ lượng dạng đó, có khả phát xạ điện từ miền ánh sáng nhìn thấy Các tượng gọi phát quang
+ Mỗi chất phát quang có quang phổ đặc trưng cho
+ Sau ngừng kích thích, phát quang số chất tiếp tục kéo dài thêm thời gian đó, ngừng hẵn Khoảng thời gian từ lúc ngừng kích thích lúc ngừng phát quang gọi thời gian phát quang
* Huỳnh quang lân quang
+ Sự huỳnh quang phát quang có thời gian phát quang ngắn (dưới 10-8 s), nghĩa ánh sáng phát quang hầu
như tắt sau tắt ánh sáng kích thích Nó thường xảy với chất lỏng chất khí
+ Sự lân quang phát quang có thời gian phát quang dài (từ 10-8 s trở lên); thường xảy với chất rắn Các
chất rắn phát quang loại gọi chất lân quang
* Đặc điểm ánh sáng huỳnh quang
Ánh sáng phát quang có bước sóng ’ dài bước sóng ánh sáng kích thích : ’ >
* Ứng dụng tượng phát quang
Sử dụng đèn ống để thắp sáng, hình dao động kí điện tử, tivi, máy tính, sử dụng sơn phát quang quét biển báo giao thông
25 MẪU NGUYÊN TỬ BO * Mẫu nguyên tử Bo
Tiên đề trạng thái dừng
Nguyên tử tồn số trạng thái có lượng xác định En, gọi trạng thái dừng Khi
(20)Trong trạng thái dừng nguyên tử, electron chuyển động quanh hạt nhân quỹ đạo có bán kính hồn toàn xác định gọi quỹ đạo dừng
Bo tìm cơng thức tính quỹ đạo dừng electron nguyên tử hydro: rn = n2r0, với n số
nguyên r0 = 5,3.10-11 m, gọi bán kính Bo Đó bán kính quỹ đạo dừng electron, ứng với trạng thái
cơ
Bình thường, nguyên tử trạng thái dừng có lượng thấp gọi trạng thái Khi hấp thụ lượng nguyên tử chuyển lên trạng thái dừng có lượng cao hơn, gọi trạng thái kích thích Thời gian nguyên tử trạng thái kích thích ngắn (cỡ 10-8 s) Sau nguyên tử chuyển trạng thái dừng có lượng
thấp cuối trạng thái
Tiên đề xạ hấp thụ lượng nguyên tử
Khi nguyên tử chuyển từ trạng thái dừng có lượng En sang trạng thái dừng có lượng Em nhỏ
thì ngun tử phát phơtơn có lượng: = hfnm = En – Em
Ngược lại, nguyên tử trạng thái dừng có lượng Em mà hấp thụ phơtơn có lượng hf
đúng hiệu En – Em chuyển sang trạng thái dừng có lượng En lớn
Sự chuyển từ trạng thái dừng Em sang trạng thái dừng En ứng với nhảy electron từ quỹ đạo dừng có
bán kính rm sang quỹ đạo dừng có bán kính rn ngược lại * Quang phổ phát xạ hấp thụ ngun tử hidrơ
+ Ngun tử hiđrơ có trạng thái dừng khác EK, EL, EM, Khi electron chuyển động quỹ đạo
dừng K, L, M,
+ Khi electron chuyển từ mức lượng cao (Ecao) xuống mức lượng thấp (Ethấp) phát
phơtơn có lượng hồn tồn xác định: hf = Ecao – Ethấp
Mỗi phơtơn có tần số f ứng với sóng ánh sáng đơn sắc có bước sóng = cf , tức vạch quang phổ
có màu (hay vị trí) định Điều lí giải quang phổ phát xạ nguyên tử hiđrô quang phổ vạch
Ngược lại nguyên tử hiđrô mức lượng Ethấp mà nằm chùm ánh
sáng trắng, có tất phơtơn có lượng từ lớn đến nhỏ khác nhau, ngun tử hấp thụ phơtơn có lượng phù hợp = Ecao – Ethấp để chuyển lên mức lượng Ecao Như vậy, sóng ánh sáng
đơn sắc bị hấp thụ, làm cho quang phổ liên tục xuất vạch tối Do quang phổ hấp thụ nguyên tử hiđrô quang phổ vạch
26 SƠ LƯỢC VỀ LAZE
Laze nguồn sáng phát chùm sáng cường độ lớn dựa việc ứng dụng tượng phát xạ cảm ứng
* Sự phát xạ cảm ứng
Nếu nguyên tử trạng thái kích thích, sẵn sàng phát phơtơn có lượng = hf, bắt
gặp phơtơn có lượng ’ hf bay lướt qua nó, ngun tử phát phơtơn
Phơtơn có lượng bay phương với phôtôn ’ Ngồi sóng điện từ ứng với phơtơn hồn toàn
cùng pha dao động mặt phẵng song song với mặt phẵng dao động sóng điện từ ứng với phôtôn ’
Như vậy, có phơtơn ban đầu bay qua loạt ngun tử trạng thái kích thích số phôtôn tăng lên theo cấp số nhân
Tùy theo vật liệu phát xạ, người ta tạo laze rắn, laze khí laze bán dẫn Laze rubi (hồng ngọc) biến đổi quang thành quang
* Cấu tạo laze rubi
Rubi (hồng ngọc) Al2O3 có pha Cr2O3
Laze rubi gồm rubi hình trụ Hai mặt mài nhẵn vng góc với trục Mặt (1) mạ bạc trở thành gương phẵng (G1) có mặt phản xạ quay vào phía Mặt (2) mặt bán mạ, tức mạ lớp
mỏng khoảng 50% cường độ chùm sáng chiếu tới bị phản xạ, khoảng 50% truyền qua Mặt trở thành gương phẳng (G2) có mặt phản xạ quay phía G1 Hai gương G1 G2 song song với
Dùng đèn phóng điện xenon để chiếu sáng mạnh rubi đưa số lớn ion crôm lên trạng thái kích thích Nếu có ion crơm xạ theo phương vng góc với hai gương ánh sáng phản xạ phản xạ lại nhiều lần hai gương làm cho loạt ion crôm phát xạ cảm ứng Ánh sáng khuếch đại lên nhiều lần Chùm tia laze lấy từ gương bán mạ G2
(21)+ Laze có tính đơn sắc cao Độ sai lệch tương đối ff tần số ánh sáng laze phát 10-15.
+ Tia laze chùm sáng kết hợp (các phôtôn chùm có tần số pha) + Tia laze chùm sáng song song (có tính định hướng cao)
+ Tia laze có cường độ lớn Chẵng hạn laze rubi (hồng ngọc) có cường độ tới 106 W/cm2.
Như vậy, laze nguồn sáng phát chùm sáng song song, kết hợp, có tính đơn sắc cao có cường độ lớn (trên 106 W/cm2).
* Một số ứng dụng laze
+ Tia laze có ưu đặc biệt thơng tin liên lạc vô tuyến (như truyền thông thông tin cáp quang, vô tuyến định vị, điều khiển tàu vũ trụ, )
+ Tia laze dùng dao mổ phẩu thuật mắt, để chữa số bệnh da (nhờ tác dụng nhiệt), + Tia laze dùng đầu đọc đĩa CD, bút bảng, đồ, dùng thí nghiệm quang học trường phổ thơng,
+ Ngồi tia laze cịn dùng để khoan, cắt, tơi, xác vật liệu cơng nghiệp
B CÁC CƠNG THỨC.
Năng lượng phơtơn ánh sáng: = hf =
hc
Công thức Anhxtanh, giới hạn quang điện, điện áp hãm: hf =
hc
= A +
mv2 max =
0
hc
+ Wdmax; o =
A hc
; Uh = - e Wdmax
Điện cực đại cầu kim loại cô lập điện đạt chiếu chùm sáng có o vào nó: Vmax = e Wdmax
Cơng suất nguồn sáng, cường độ dịng quang điện bảo hoà, hiệu suất lượng tử: P = n
hc
; Ibh = ne|e| ; H =
n ne
Lực Lorrenxơ, lực hướng tâm: Flr = qvBsin ; Fht = maht =
R mv2
Quang phổ vạch nguyên tử hyđrô: En – Em = hf =
hc
Bán kính quỹ đạo dừng thứ n electron nguyên tử hiđrô:
rn = n2r1; với r1 = 0,53.10-11m bán kính Bo (ở quỹ đạo K)
Năng lượng electron nguyên tử hiđrô: En = - 2
6 , 13
n eV VẬT LÝ HẠT NHÂN
A LÝ THUYẾT
27 TÍNH CHẤT VÀ CẤU TẠO HẠT NHÂN * Cấu tạo hạt nhân
+ Hạt nhân cấu tạo từ hạt nhỏ gọi nuclơn Có hai loại nuclơn: prơtơn, kí hiệu p, khối lượng mp =
1,67262.10-27 kg, mang điện tích nguyên tố dương +e, nơtron kí hiệu n, khối lượng m
n = 1,67493.10-27 kg,
khơng mang điện Prơtơn hạt nhân ngun tử hiđrô
+ Số prôtôn hạt nhân số thứ tự Z nguyên tử; Z gọi nguyên tử số Tổng số nuclôn hạt nhân gọi số khối, kí hiệu A Số nơtron hạt nhân là: N = A – Z
+ Kí hiệu hạt nhân: AX
Z Nhiều khi, gọn, ta cần ghi số khối, có kí hiệu hóa học xác định
được Z
* Đồng vị
Đồng vị nguyên tử mà hạt nhân chứa số prơtơn Z (có vị trí bảng hệ thống tuần hồn), có số nơtron N khác
(22)* Đơn vị khối lượng nguyên tử
Trong vật lí hạt nhân, khối lượng thường đo đơn vị khối lượng nguyên tử, kí hiệu u Một đơn vị u có giá trị
12 1
khối lượng đồng vị cacbon 126C; u = 1,66055.10-27 kg.
Khối lượng nuclơn xấp xĩ u Nói chung ngun tử có số khối A có khối lượng xấp xĩ A.u
* Khối lượng lượng
Hệ thức Anhxtanh lượng khối lượng: E = mc2.
Từ hệ thức Anhxtanh suy m = 2
c E
chứng tỏ khối lượng đo đơn vị lượng chia cho c2,
cụ thể eV/c2 hay MeV/c2 Ta có: u = 1,66055.10-27 kg = 931,5 MeV/c2.
Theo lí thuyết Anhxtanh, vật có khối lượng m0 trạng thái nghỉ chuyển động với tốc độ
v, khối lượng tăng lên thành m với: m =
2
1
c v m
m0 gọi khối lượng nghỉ m gọi khối
lượng động
* Lực hạt nhân
Lực tương tác nuclôn hạt nhân lực hút, gọi lực hạt nhân, có tác dụng liên kết nuclơn lại với Lực hạt nhân lực tĩnh điện, khơng phụ thuộc vào điện tích nuclơn So với lực điện từ lực hấp dẫn, lực hạt nhân có cường độ lớn (gọi lực tương tác mạnh) tác dụng nuclôn cách khoảng nhỏ kích thước hạt nhân (khoảng 10-15 m).
* Độ hụt khối lượng liên kết
+ Độ hụt khối hạt nhân hiệu số tổng khối lượng nuclôn cấu tạo nên hạt nhân khối lượng hạt nhân đó: m = Zmp + (A – Z)mn – mhn
+ Năng lượng liên kết hạt nhân lượng toả nuclơn riêng rẽ liên kết thành hạt nhân lượng cần cung cấp để phá hạt nhân thành nuclôn riêng rẽ: Wlk = m.c2
+ Năng lượng liên kết tính cho nuclơn =
A Wlk
gọi lượng liên kết riêng hạt nhân, đặc trưng cho bền vững hạt nhân Hạt nhân có lượng liên kết riêng lớn bền vững
28 PHẢN ỨNG HẠT NHÂN * Phản ứng hạt nhân
+ Phản ứng hạt nhân trình dẫn đến biến đổi hạt nhân + Phản ứng hạt nhân thường chia thành hai loại:
- Phản ứng tự phân rã hạt nhân không bền vững thành hạt khác
- Phản ứng hạt nhân tương tác với nhau, dẫn đến biến đổi chúng thành hạt khác Phản ứng hạt nhân dạng tổng quát: A + B C + D
* Các định luật bảo toàn phản ứng hạt nhân
+ Định luật bảo tồn số nuclơn (số khối A): Trong phản ứng hạt nhân, tổng số nuclôn hạt tương tác tổng số nuclôn hạt sản phẩm
+ Định luật bảo tồn điện tích: Tổng đại số điện tích hạt tương tác tổng đại số điện tích hạt sản phẩm
+ Định luật bảo toàn lượng toàn phần (bao gồm động lượng nghỉ): Tổng lượng toàn phần hạt tương tác tổng lượng toàn phần hạt sản phẩm
+ Định luật bảo toàn động lượng: Véc tơ tổng động lượng hạt tương tác véc tơ tổng động lượng hạt sản phẩm
+ Lưu ý: phản ứng hạt nhân khơng có bảo toàn khối lượng
* Năng lượng phản ứng hạt nhân
Xét phản ứng hạt nhân: A + B C + D
(23)+ Khi m0 > m: Phản ứng tỏa lượng: W = (m0 – m)c2 Năng lượng tỏa thường gọi lượng
hạt nhân Các hạt nhân sinh có độ hụt khối lớn hạt nhân ban đầu, nghĩa hạt nhân sinh bền vững hạt nhân ban đầu
+ Khi m0 < m: Phản ứng khơng thể tự xảy Muốn cho phản ứng xảy phải cung cấp cho hạt A B
một lượng W dạng động Vì hạt sinh có động Wđ nên lượng cần cung cấp phải
thỏa mãn điều kiện: W = (m – m0)c2 + Wđ Các hạt nhân sinh có độ hụt khối nhỏ hạt nhân ban đầu,
nghĩa bền vững hạt nhân ban đầu
* Hai loại phản ứng hạt nhân tỏa lượng
+ Hai hạt nhân nhẹ (A < 10) hiđrô, hêli, … kết hợp với thành hạt nhân nặng Vì tổng hợp hạt nhân xảy nhiệt độ cao nên phản ứng gọi phản ứng nhiệt hạch
+ Một hạt nhân nặng vỡ thành hai mãnh nhẹ (có khối lượng cỡ) Phản ứng gọi phản ứng phân hạch
29 PHÓNG XẠ * Hiện tượng phóng xạ
Phóng xạ tượng hạt nhân không bền vững tự phát phân rã, phát tia phóng xạ biến đổi thành hạt nhân khác
Q trình phân rã phóng xạ nguyên nhân bên gây hoàn tồn khơng phụ thuộc vào tác động bên ngồi
Người ta quy ước gọi hạt nhân phóng xạ hạt nhân mẹ hạt nhân dược tạo thành hạt nhân
* Các tia phóng xạ
+ Tia : chùm hạt nhân hêli 42He, gọi hạt , phóng từ hạt nhân với tốc độ khoảng 2.107 m/s Tia
làm ion hóa mạnh nguyên tử đường lượng nhanh Vì tia tối đa
8 cm khơng khí khơng xun qua tờ bìa dày mm
+ Tia : hạt phóng xạ phóng với vận tốc lớn, đạt xấp xĩ vận tốc ánh sáng Tia làm
ion hóa mơi trường yếu so với tia Vì tia quãng đường dài hơn, tới hàng trăm
mét khơng khí xun qua nhơm dày cỡ vài mm Có hai loại tia :
- Loại phổ biến tia - Đó electron (kí hiệu01e)
- Loại tia + Đó pơzitron, hay electron dương (kí hiệu01e, có khối lượng electron
nhưng mang điện tích nguyên tố dương
+ Tia : sóng điện từ có bước sóng ngắn (dưới 10-11 m), hạt phơtơn có lượng cao Vì tia
có khả xuyên thấu lớn nhiều so với tia Trong phân rã , hạt nhân trạng
thái kích thích phóng xạ tia để trở trạng thái
* Định luật phóng xạ :
Trong q trình phân rã, số hạt nhân phóng xạ giảm theo thời gian theo định luật hàm mũ với số mũ âm Các công thức biểu thị định luật phóng xạ:
N(t) = N0 T
t
2 = N0 e-t m(t) = m0 T
t
2 = m0 e-t
Với =
T T
693 , 0 2 ln
gọi số phóng xạ; T gọi chu kì bán rã: sau khoảng thời gian T số lượng hạt nhân chất phóng xạ lại 50% (50% số lượng hạt nhân bị phân rã)
* Độ phóng xạ
Độ phóng xạ lượng chất phóng xạ đặc trưng cho tính phóng xạ mạnh hay yếu nó, xác định số hạt nhân bị phân rã giây:
H = -
t N
= N = N0 T
t
2 = N0e-t = H0 T
t
2 = H0e-t
Đơn vị đo độ phóng xạ becơren (Bq): Bq = phân rã/giây Trong thực tế dùng đơn vị curi (Ci): Ci = 3,7.1010 Bq, xấp xĩ độ phóng xạ gam rađi.
* Đồng vị phóng xạ
(24)thuộc loại phân rã Các đồng vị phóng xạ ngun tố hóa học có tính chất hóa học đồng vị
bền nguyên tố
Ứng dụng: Đồng vị 2760Co phóng xạ tia dùng để soi khuyết tật chi tiết máy, diệt khuẫn để bảo vệ nông sản,
chữa ung thư Các đồng vị phóng xạ A1
ZX gọi nguyên tử đánh dấu, cho phép ta khảo sát tồn tại,
phân bố, vận chuyển nguyên tố X Phương pháp nguyên tử đáng dấu có nhiều ứng dụng quan trọng sinh học, hóa học, y học, Đồng vị cacbon 146C phóng xạ tia - có chu kỳ bán rã 5730 năm dùng để định
tuổi vật cổ
30 PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH * Sự phân hạch
Dùng nơtron nhiệt (còn gọi nơtron chậm) có lượng cở 0,01 eV bắn vào 235U ta có phản ứng phân
hạch: 10n + 13592U 1
A
Z X1 + AZ22X2 + k10n
Đặc điểm chung phản ứng phân hạch: sau phản ứng có hai nơtron phóng ra, phân hạch giải phóng lượng lớn Người ta gọi lượng hạt nhân
* Phản ứng phân hạch dây chuyền
+ Các nơtron sinh sau phân hạch urani (hoặc plutoni, …) lại bị hấp thụ hạt nhân urani (hoặc plutoni, …) khác gần đó, thế, phân hạch tiếp diễn thành dây chuyền Số phân hạch tăng lên nhanh thời gian ngắn, ta có phản ứng phân hạch dây chuyền
+ Điều kiện xảy phản ứng phân hạch dây chuyền: muốn có phản ứng dây chuyền ta phải xét tới số nơtron trung bình k cịn lại sau phân hạch (cịn gọi hệ số nhân nơtron) gây phân hạch
- Nếu k < phản ứng dây chuyền khơng xảy
- Nếu k = phản ứng dây chuyền tiếp diễn không tăng vọt, lượng tỏa khơng đổi kiểm sốt Đó chế độ hoạt động lị phản ứng hạt nhân
- Nếu k > dòng nơtron tăng liên tục theo thời gian, phản ứng dây chuyền không điều khiển được, lượng tỏa có sức tàn phá dội (dẫn tới vụ nổ nguyên tử)
Để giảm thiểu số nơtron bị ngồi nhằm đảm bảo có k 1, khối lượng nhiên liệu hạt
nhân phải có giá trị tối thiểu, gọi khối lượng tới hạn mth Với 235U mth vào cỡ 15 kg; với 239Pu mth vào
cỡ kg
* Phản ứng nhiệt hạch
Khi hai hạt nhân nhẹ kết hợp lại để tạo nên hạt nhân nặng có lượng tỏa Ví dụ: 1H + 21
H 32He + 01n + 4MeV
Phản ứng kết hợp hạt nhân xảy nhiệt đô cao nên gọi phản ứng nhiệt hạch
* Phản ứng nhiệt hạch vũ trụ
Phản ứng nhiệt hạch lịng Mặt Trời ngơi nguồn gốc lượng chúng
* Thực phản ứng nhiệt hạch Trái Đất
Trên Trái Đất, người thực phản ứng nhiệt hạch dạng khơng kiểm sốt Đó nổ bom nhiệt hạch hay bom H (còn gọi bom hiđrơ hay bom khinh khí)
Vì lượng tỏa phản ứng nhiệt hạch lớn lượng tỏa phản ứng phân hạch nhiều tính theo khối lượng nhiên liệu, nhiên liệu nhiệt hạch coi vơ tận thiên nhiên, nên vấn đề quan trọng đặt là: làm để thực phản ứng nhiệt hạch dạng kiểm soát được, để đảm bảo cung câó lượng lâu dài cho nhân loại
B CÁC CƠNG THỨC.
Hạt nhânZAX , có A nuclon; Z prôtôn; N = (A – Z) nơtrôn Số hạt nhân, khối lượng chất phóng xạ cịn lại sau thời gian t:
N = No T
t
2 = No e-t ; m(t) = mo T
t
(25)Số hạt nhân tạo thành (bằng số hạt nhân bị phân rã) sau thời gian t: N’ = N0 – N = N0 (1 – T
t
2 ) = N0(1 –
e-t).
Khối lượng chất tạo thành sau thời gian t: m’ = m0 A
A'
(1 – T
t
2 ) = m0 A
A'
(1 – e-t).
Độ phóng xạ: H = N = No e-t = Ho e-t = Ho T
t 2 . Với: T T 693 , 0 2 ln
số phóng xạ; T chu kì bán rã
Số hạt nhân m gam chất đơn nguyên tử: N = NA A m
Liên hệ lượng khối lượng: E = mc2.
Khối lượng động: m =
2 1 c v m
Một hạt có khối lượng nghĩ m0, chuyển động với vận tốc v có động Wđ = E – E0 = mc2 – m0c2 =
2 1 c v m c 2 – m
0c2
Độ hụt khối hạt nhân : m = Zmp + (A – Z)mn – mhn
Năng lượng liên kết: Wlk = mc2
Năng lượng liên kết riêng: = A Wlk
Các định luật bảo toàn phản ứng hạt nhân: 1
A
Z X1 + ZA22X2 AZ33X3 + ZA44X4
Bảo tồn số nuclơn: A1 + A2 = A3 + A4
Bảo toàn điện tích: Z1 + Z2 = Z3 + Z4
Bảo toàn động lượng: m1
1
v + m2
2
v = m3
3
v + m4
4
v
Bảo toàn lượng: (m1 + m2)c2 +
2 1
m1v12+ 2 1
m2v22 = (m3 + m4)c2 + 2 1
m3v23+ 2 1
m4v24
Năng lượng tỏa thu vào phản ứng hạt nhân:
W = (m1 + m2 – m3 – m4)c2 = W3 + W4 – W1 – W2 = A33 + A44 – A11 – A22
Trong Wi i lượng liên kết lượng liên kết riêng hạt nhân thứ i
Các số liệu đơn vị thường sử dụng vật lí hạt nhân: Số Avơgađrơ: NA = 6,022.1023mol-1
Đơn vị lượng: 1eV = 1,6.10-19 J; MeV = 106 eV = 1,6.10-13 J.
Đơn vị khối lượng nguyên tử: 1u = 931,5 MeV/c2.
Điện tích nguyên tố: e = 1,6.10-19 C.
Khối lượng prôtôn, nơtrôn: mp = 1,0073 u; mn = 1,0087 u
Khối lượng electron: me = 9,1.10-31 kg = 0,0005 u IX TỪ VĨ MÔ ĐẾN VI MÔ
A LÝ THUYẾT
(26)Các hạt sơ cấp hạt vi mơ có kích thước cở hạt nhân trở xuống khảo sát trình biến đổi chúng, ta tạm thời không xét đến cấu tạo bên chúng
* Tạo hạt sơ cấp mới
Để tạo hạt sơ cấp mới, người ta làm tăng vận tốc số hạt cách dùng máy gia tốc cho chúng bắn vào hạt khác
* Phân loại hạt sơ cấp
Dựa vào độ lớn khối lượng đặc tính tương tác, người ta phân hạt sơ cấp thành loại sau: + Phơtơn: hạt có khối lượng tĩnh
+ Leptôn (các hạt nhẹ): có khối lượng từ đến 200me: nơtrinơ, electron, pôzitron, mêzôn
+ Hađrôn: gồm hai lo?i mêzơn barion
- Mêzơn: có khối lượng 200me nhỏ khối lượng nuclôn g?m hai nhĩm mêzơn (0,+,-)
mêzơn K (K0, K+).
- Barion: hạt có khối lượng lớn khối lượng nuclơn, gồm hai nhóm: nuclơn p, n hipêrôn (^0, 0, +, -: khối lượng lớn khối lượng nuclôn) phản hạt chúng
* Tính chất hạt sơ cấp
+ Một số hạt sơ cấp bền, cịn đa số không bền: chúng tự phân hủy biến thành hạt sơ cấp khác
+ Mỗi hạt sơ cấp có phản hạt tương ứng Phản hạt hạt sơ cấp có khối lượng điện tích trái dấu giá trị tuyệt đối Trường hợp hạt sơ cấp khơng mang điện phản hạt có mơmen từ độ lớn ngược hướng
* Tương tác hạt sơ cấp
Các hạt sơ cấp biến đổi tương tác với Có bốn loại tương tác bản: Tương tác điện từ; tương tác mạnh (tương tác hađrôn); tương tác yếu (tương tác leptôn); tương tác hấp dẫn (tương tác hạt có khối lượng khác 0)
32 CẤU TẠO VŨ TRỤ * Hệ Mặt Trời
Hệ Mặt Trời gồm Mặt Trời, hành tinh vệ tinh + Mặt Trời:
- Là màu vàng có nhiệt độ bề mặt 60000K, nhiệt độ lịng Mặt Trời lên đến hàng chục
triệu độ
- Có bán kính lớn 109 lần bán kính Trái Đất, có khối lượng gấp 333.103 khối lượng Trái Đất Thành
phần chủ yếu hiđrô (75%) hêli (23%)
- Năng lượng Mặt Trời có phản ứng nhiệt hạch: phản ứng tổng hợp hạt nhân hiđrô thành hêli
+ Các hành tinh
- Có hành tinh, theo thứ tự từ ngoài: Thủy tinh, Kim tinh, Trái Đất, Hỏa tinh, Mộc tinh, Thổ tinh, Thiên vương tinh Hải vương tinh Chúng chuyển động quanh Mặt Trời theo chiều quay thân Mặt Trời quanh Xung quanh hành tinh có vệ tinh
- Được chia thành hai nhóm: nhóm Trái Đất gồm Thủy tinh, Kim tinh, Trái Đất, Hỏa tinh nhóm Mộc tinh gồm Mộc tinh, Thổ tinh, Thiên vương tinh Hải vương tinh
+ Các tiểu hành tinh: hành tinh có bán kính từ vài km đến vài trăm km, chuyển động quỹ đạo có bán kính từ 2,2 đến 3,6 đvtv (1 đvtv = 150.106km: khoảng cách trung bình từ Trái Đất đến Mặt Trời).
+ Sao chổi: khối khí đóng băng lẫn với đá, đường kính vài km, chuyển động quanh Mặt Trời theo quỹ đạo elip dẹt
+ Thiên thạch: tảng đá chuyển động quanh Mặt Trời
* Các thiên hà
+ Mỗi ta nhìn thấy bầu trời ban đêm khối khí nóng sáng Mặt Trời Nhiệt độ lòng lên đến hàng chục triệu độ, xảy phản ứng nhiệt hạch Khối lượng khoảng từ 0,1 đến vài chục lần khối lượng Mặt Trời
Các cặp sao có khối lượng tương đương nhau, quay xung quanh khối tâm chung, gọi đôi
(27)Có khơng phát sáng, punxa lỗ đen Punxa cấu tạo tồn nơtron Chúng có từ trường mạnh quay nhanh quanh trục Lỗ đen cấu tạo từ nơtron, xếp khít với tạo loại chất có khối lượng riêng lớn, nên hút khối chất lại gần
Ngồi cịn có “đám mây” sáng Đó tinh vân Tinh vân đám bụi khổng lồ rọi sáng ngơi gần đám khí bị ion hóa phóng từ hay siêu
+ Thiên hà hệ thống gồm nhiều loại tinh vân Đa số thiên hà có dạng hình xoắn ốc Đường kính thiên hà khoảng 100.000 năm ánh sáng
+ Ngân Hà: thiên hà có chứa hệ Mặt Trời Thiên Hà có cấu trúc hình xoắn ốc, đường kính khoảng 100.000 năm ánh sáng
+ Các đám thiên hà: tập hợp thiên hà
+ Các quaza: loại cấu trúc mới, nằm thiên hà, phát xạ mạnh cách bất thường sóng vơ tuyến tia X Cơng suất phát xạ quaza lớn đến mức phản ứng nhiệt hạch khơng đủ cung cấp lượng cho q trình phát xạ
* Vũ trụ
Vũ trụ gồm thiên hà đám thiện hà
+ Sự chuyển động quanh tâm: Các thành viên hệ thống chuyển động quanh thiên thể hay khối trung tâm Chuyển động tuân theo định luật vạn vật hấp dẫn định luật Keple
(28)