Vật lý chất rắn - Chương 8: Quang lượng tử

Chương 8: QUANG LƯỢNG TỬ § 8.1. BỨC XẠ NHIỆT § 8.2. HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN 1. Một số khái niệm  Bức xạ nhiệt (BXN) là bức xạ mà vật phát ra khi được nung nóng (năng lượng cung cấp dưới dạng nhiệt).  Đặc điểm:  BXN là bức xạ có thể đạt trạng thái cân bằng. Khi đó năng lượng do vật bức xạ phát ra đúng bằng năng lượng dưới dạng nhiệt mà vật thu vào.  BXN xảy ra ở mọi nhiệt độ ngoại trừ 0 K  Khi vật phát BXN nó không phát ra một bức xạ có tần số (hay bước sóng) duy nhất, mà phát một dải các bức xạ có nhiều tần số (hay bước sóng) khác nhau gọi là phổ bức xạ của vật; § 8.1. BỨC XẠ NHIỆT 0    Năng suất bức xạ đơn sắc: r(,T) d    là năng lượng phát ra trong một đơn vị thời gian (năng thông) từ một diện tích dS trên bề mặt của vật ứng với khoảng bước sóng từ  Các đại lượng đặc trưng ( , ) . T dE r dS d    Đơn vị của r(,T) là: W/m 3 § 8.1. BỨC XẠ NHIỆT dS 1. Một số khái niệm là năng lượng phát ra trong một đơn vị thời gian từ một diện tích dS trên bề mặt của vật ứng với mọi bước sóng bức xạ. ( ) ( , ) 0 .T TR r d     Đơn vị của R(T ) là: W/m2 § 8.1. BỨC XẠ NHIỆT  Các đại lượng đặc trưng 1. Một số khái niệm  Năng suất bức xạ toàn phần: R(,T ) dS Ý nghĩa: Năng suất bức xạ toàn phần là công suất bức xạ phát ra từ một đơn vị diện tích bề mặt vật. Giả sử một bức xạ đơn sắc có bước sóng nằm trong khoảng  đến ( + d) gửi tới một đơn vị diện tích của vật một năng lượng dE(,T) nhưng vật chỉ hấp thụ được năng lượng dE’(,T) thì tỷ số sau được gọi là hệ số hấp thụ đơn sắc a(,T ) .  Hệ số hấp thụ đơn sắc a,T 0  a(,T )  1 § 8.1. BỨC XẠ NHIỆT  Các đại lượng đặc trưng 1. Một số khái niệm ( , ) ( , ) ( , ) ' T T T dE a dE     dE’(,T) dE’’(,T) dE(,T) • Khi a (,T) = 0 với bước sóng nào thì vật không hấp thụ năng lượng của bước sóng đó. • Khi a (,T) = 1 thì vật hấp thụ hoàn toàn bức xạ chiếu đến vật. • Nếu a (,T) = 1 với mọi bước sóng tức là vật hấp thụ hoàn toàn tất cả các bước sóng chiếu đến vật, thì được gọi là vật đen tuyệt đối (VĐTĐ). • Năng suất bức xạ đơn sắc của VĐTĐ ký hiệu là e (,T) § 8.1. BỨC XẠ NHIỆT  Các đại lượng đặc trưng 1. Một số khái niệm  Hệ số hấp thụ đơn sắc a,T 0  a (,T)  1 ( , ) ( , ) ( , ) ' T T T dE a dE     Xét một hệ cô lập gồm nhiều vật có hình dáng, bản chất khác nhau. Hệ ở trạng thái cân bằng nhiệt động với nhiệt độ T. T 2 1 n § 8.1. BỨC XẠ NHIỆT 2 . Định luật Kiếc-sốp (Kirchhoff): Nếu vật 1 hấp thụ mạnh tia bức xạ có bước sóng  và phát xạ mạnh tia bức xạ có bước sóng ’ thì: ' HT PX hc hc E E      Như vậy trạng thái cân bằng của vật và của hệ sẽ bị phá vỡ. Do đó, vật nào hấp thụ mạnh tia bức xạ có bước sóng  thì cũng phải phát xạ mạnh chính tia bức xạ này. Phát biểu định luật: ở nhiệt độ như nhau, với mỗi bước sóng xác định, tỉ số giữa năng suất bức xạ đơn sắc và hệ số hấp thụ đơn sắc là như nhau đối với mọi vật.               1 2 3 , , , 1 2 3 , , , ... , T T T T T T r r r f T a a a           § 8.1. BỨC XẠ NHIỆT 2 . Định luật Kiếc-sốp (Kirchhoff): Hàm f (,T ) gọi là hàm phổ biến, chỉ phụ thuộc  và nhiệt độ T mà không phụ thuộc vào bản chất của các vật. ( ,T) ( ,T) ( ,T) ( ,T) ( ,T)r .a r 0 a 0f khi        § 8.1. BỨC XẠ NHIỆT 2 . Định luật Kiếc-sốp (Kirchhoff): Nhận xét:  Vật chỉ phát ra bức xạ nằm trong miền mà nó hấp thụ, vì:  VĐTĐ là vật hấp thụ mạnh nhất nhưng nó cũng là vật phát xạ mạnh nhất: ( ,T) ( ,T) ( ,T) ( ,T) ( ,T) ( ,T) ( ,T) a 1 .a r e f f e                Năng suất bức xạ của các vật luôn nhỏ hơn năng suất bức xạ của vật đen tuyệt đối ở cùng nhiệt độ và bước sóng. § 8.1. BỨC XẠ NHIỆT 3. Đường cong thực nghiệm về BXN của VĐTĐ  Phổ bức xạ của VĐTĐ là một đường cong, có một đỉnh cực đại.  Khi nhiệt độ tăng, vật bức xạ càng mạnh và đỉnh cực đại dịch chuyển về phía sóng ngắn. e (,T) 4. Công thức Planck Theo Planck thì các nguyên tử, phân tử bức xạ hay hấp thụ năng lượng một cách gián đoạn, có năng lượng xác định gọi là lượng tử năng lượng. Năng lượng bức xạ hay hấp thụ của vật là một bội số nguyên của lượng tử năng lượng. hc h     § 8.1. BỨC XẠ NHIỆT 4.1. Giả thuyết Plank Mac Plank (1858 – 1947) nhà vật li Đức, được giải Nô-bel 1918 h gọi là hằng số Plank, h = 6,625.10-34 J.s k - là hằng số Boltzman, k = 1,38.10-23 J/K c - là vận tốc bức xạ trong chân không, c = 3.108 m/s h - là hằng số Planck, h = 6,625.10-34 J.s 1 1 . 2 ),( 5 2 ,        kT hcT e hc eTf § 8.1. BỨC XẠ NHIỆT 4. Công thức Planck 4.2. Công thức Planck Từ giả thuyết, Planck đã tìm được công thức xác định năng suất phát xạ đơn sắc của vật đen tuyệt đối: Mac Plank (1858 – 1947) nhà vật li Đức, được giải Nô-bel 1918 ( ) , 0 ( ).T TR e d     2 , 5 2 1 ( , ) ( ) . 1 T hc kT hc f T e e         Bằng cách thay e(,T) từ công thức Plank ở trên vào công thức sau: Đối với VĐTĐ thì: § 8.1. BỨC XẠ NHIỆT 5. Hệ quả từ giả thuyết và công thức Planck 5.1. Nghiệm lại định luật Stefan- Boltzman Đặt: Vì: 4 3 4 2 3 0 3 4 0 4 5 4 8 2 4 2 3 2 1 1 15 2 5,6687.10 / . . 15 T x x T h x kT k x dx R T c h e x dx e R T k J m s K c h                      § 8.1. BỨC XẠ NHIỆT 5. Hệ quả từ giả thuyết và công thức Planck 5.1. Nghiệm lại định luật Stefan- Boltzman § 8.1. BỨC XẠ NHIỆT 5. Hệ quả từ giả thuyết và công thức Planck 5.1. Nghiệm lại định luật Stefan- Boltzman 4 ( ) .TR T  = 5,67. 10-8 W/m2.K4 , gọi là hằng số Stefan- Boltzman Năng suất bức xạ toàn phần của VĐTĐ tỷ lệ với lũy thừa bậc 4 của nhiệt độ tuyệt đối T của vật. 1844-1906 Bằng cách tính đạo hàm của e(,T) theo , sau đó giải phương trình ,( ) 0 Tde d    Tức là xác định bước phổ bức xạ tại đỉnh cực đại. Ta thu được kết quả: § 8.1. BỨC XẠ NHIỆT 5. Hệ quả từ giả thuyết và công thức Planck 5.2. Nghiệm lại định luật Wien Đối với VĐTĐ thì: 2 , 5 2 1 ( , ) ( ) . 1 T hc kT hc f T e e         T b m  § 8.1. BỨC XẠ NHIỆT 5. Hệ quả từ giả thuyết và công thức Planck 5.2. Nghiệm lại định luật Wien T b m  Bước sóng m ứng với cực đại của năng suất bức xạ đơn sắc của VĐTĐ tỉ lệ nghịch với nhiệt độ tuyệt đối của vật . 1864-1928 Với b = 2,8987.10-3 m.K § 8.2. HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN • Năm 1921, Albert Einstein đạt giải Nobel Vật lý khi nghiên cứu hiện tượng này 8.2.1. Hiện tượng quang điện ngoài • Bố trí thí nghiệm § 8.2. HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN Tế bào quang điện § 8.2. HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN Chiếu ánh sáng đơn sắc thích hợp vào catốt của tế bào quang điện và điều chỉnh giá trị của UAK người ta thu được đường biểu diễn sau đây (gọi là đường đặc trưng vôn - ampe) - Đường đặc trưng Vôn- Ampe § 8.2. HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN Giải thích đường đặc trưng V-A • Khi UAK nhỏ thì Iqđ tăng tuyến tính với UAK. • Khi UAK lớn trên một giá trị nào đó thì Iqđ sẽ giữ giá trị không đổi. Giá trị đó gọi là cường độ dòng quang điện bão hòa (Ibh). • Khi UAK = 0 thì Iqđ chưa triệt tiêu mà còn có một giá trị nào đó. Điều này chứng tỏ khi bị ánh sang làm bật ra khỏi mặt kim loại, các êlectron có vận tốc ban đầu nào đó. • Muốn cho dòng quang điện triệt tiêu hoàn toàn thì phải đặt giữa anôt và catôt một hiệu điện thế UAK < 0 gọi là hiệu điện thế hãm (Uh). § 8.2. HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN Giải thích các định luật quang điện • Năm 1905, dựa vào thuyết lượng tử để giải thích các định luật quang điện, Einstein đã đề ra thuyết phôtôn. Theo ông: Chùm sáng là một chùm các phôtôn (các lượng tử ánh sáng). Mỗi phôtôn có năng lượng xác định ε = hf (f là tần số của ánh sáng có bước sóng đơn sắc tương ứng). Cường độ của chùm ánh sáng tỉ lệ với số phôtôn phát ra trong một giây. • Đây là công thức Einstein về hiện tượng quang điện 2 2v m hc WA hc hf o đth   § 8.2. HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN 2. Các định luật quang điện 1.Định luật quang điện thứ nhất (Định luật về giới hạn quang điện) • Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi ánh sáng kích thích chiếu vào kim loại có bước sóng nhỏ hơn hoặc bằng bước sóng λ0 (λ < λ0) , λ0 được gọi là giới hạn quang điện của kim loại đó 2. Định luật quang điện thứ hai (Định luật cường độ dòng quang điện bão hòa) • Đối với mỗi ánh sáng thích hợp có λ < λ0 cường dộ dòng quang điện bõa hòa tỉ lệ thuận với cường độ của chùm sáng kích thích 3. Định luật quang điện thứ ba (Định luật về động năng cực đại của các elelctron) • Động năng ban đầu cực đại của các electron không phụ thuộc vào cường độ của chùm sáng kích thích, mà chỉ phụ thuộc vào bước § 8.2. HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN 3.Giải thích các định luật quang điện • Năm 1905, dựa vào thuyết lượng tử để giải thích các định luật quang điện, Einstein đã đề ra thuyết phôtôn. Theo ông: Chùm sáng là một chùm các phôtôn (các lượng tử ánh sáng). Mỗi phôtôn có năng lượng xác định ε = hf (f là tần số của ánh sáng có bước sóng đơn sắc tương ứng). Cường độ của chùm ánh sáng tỉ lệ với số phôtôn phát ra trong một giây. • Đây là công thức Einstein về hiện tượng quang điện 2 2v m hc WA hc hf o đth   § 8.2. HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN 3.Hiện tượng quang điện trong • Hiện tượng tạo thành các electron dẫn và lỗ trống trong chất bán dẫn, do tác dụng của ánh sáng có bước sóng thích hợp gọi là hiện tượng quang điện trong. • Hiện tượng giảm điện trở suất, tức là tăng độ dẫn điện của chất bán dẫn khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào gọi là hiện tượng quang dẫn • Khi chất bán dẫn được chiếu sáng bằng ánh sáng thích hợp sẽ làm đứt các mối liên kết giữa các electron và mạng tinh thể tạo thành các lỗ trống và electron tự do. Do đó mật độ các hạt dẫn điện tăng, tức điện trở suất nó giảm. Cường độ ánh sáng chiếu vào chất bán dẫn càng mạnh thì điện trở suất của nó càng nhỏ. • § 8.2. HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN 4. Ứng dụng • Ứng dụng làm Pin quang điện § 8.2. HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN Tranzito trong các thiết bị điều khiển tự động bằng ánh sáng • Tranzito và mạch điều khiển tự động § 8.2. HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN