Tài liệu Luận văn tốt nghiệp tính chất lượng tử của ánh sáng và ứng dụng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 H T ĐINH THỊ TÚ NH TÍNH CHẤT ƯỢNG TỬ CỦ ÁNH SÁNG À ỨNG DỤNG Chuyên ngành: ật lý đại cương HÓ U N TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Người hướng dẫn khoa học TS. PH N THỊ TH NH HỒNG HÀ NỘI, 2017 ỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới cô giáo TS. Phan Thị Thanh Hồng, người đã hướng dẫn em nhiệt tình và hiệu quả trong suốt thời gian hoàn thành và thực hiện đề tài này. Qua đây, em cũng gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo trong Khoa Vật lý đã trang bị cho em hệ thống kiến thức trong suốt thời gian học tập vừa qua để em có thể hoàn thành tốt khóa luận này. Hà Nội, tháng 4 năm 2017 Sinh viên Đinh Thị Tú Anh ỜI C M Đ N Khóa luận tốt nghiệp này là kết quả nghiên cứu của bản thân em qua quá trình học tập và nghiên cứu, bên cạnh đó em được sự quan tâm và tạo điều kiện của các thầy cô giáo trong Khoa Vật lý, đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình của cô giáo TS.Phan Thị Thanh Hồng. Trong quá trình nghiên cứu hoàn thành bản khóa luận này em có tham khảo một số tài liệu tham khảo đã ghi trong phần Tài liệu tham khảo. Vì vậy em xin khẳng định kết quả của đề tài “Tính chất lượng tử của ánh sáng và ứng dụng” không có sự trùng lặp với các đề tài khác. Hà Nội, tháng 4 năm 2017 Sinh viên Đinh Thị Tú Anh MỤC ỤC MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................... 1 2. Mục đ ch nghiên cứu ..................................................................................... 1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu................................................................ 1 4. Nhiệm vụ nghiên cứu .................................................................................... 1 5. Phương pháp nghiên cứu............................................................................... 2 6. Cấu tr c khoá luận ........................................................................................ 2 CHƯƠNG 1: TÍNH CHẤT LƯỢNG TỬ CỦA ÁNH SÁNG .......................... 3 1.1. Thuyết lượng tử của Planck ....................................................................... 3 1.2. Hiện tượng quang điện ............................................................................... 4 1.2.1. Thí nghiệm Hertz .................................................................................... 5 1.2.1.1. Dụng cụ ................................................................................................ 5 1.2.1.2. Mô tả ................................................................................................... 5 1.2.1.3. Kết luận ................................................................................................ 6 1.2.2. Thí nghiệm với tế bào quang điện........................................................... 6 1.2.2.1. Cấu tạo tế bào quang điện .................................................................... 6 1.2.2.2. Mô tả .................................................................................................... 7 1.2.2.3. Kết luận ................................................................................................ 8 1.3. Thuyết lượng tử ánh sáng. Photon ............................................................. 8 1.3.1. Thuyết lượng tử năng lượng.................................................................... 8 1.3.1.1. Giả thuyết lượng tử của Planck ............................................................ 8 1.3.1.2. Lượng tử năng lượng............................................................................ 8 1.3.2. Thuyết lượng tử ánh sáng........................................................................ 9 1.4. Hiện tượng quang điện trong. Quang phát quang .................................... 10 1.4.1. Hiện tượng quang điện trong ................................................................ 10 1.4.2. Quang phát quang ................................................................................. 11 1.5. Hiệu ứng Compton ................................................................................... 15 1.6. Kết luận chương 1 .................................................................................... 18 CHƯƠNG 2: MỘT SỐ ỨNG DỤNG VỀ TÍNH CHẤT LƯỢNG TỬ CỦA ÁNH SÁNG .................................................................................................... 19 2.1. Tế bào quang điện. Ống nhân quang điện tử ........................................... 19 2.1.1. Tế bào quang điện ................................................................................. 19 2.1.2. Ống nhân quang điện tử ........................................................................ 21 2.2. Các dụng cụ quang điện bán dẫn ............................................................. 22 2.2.1. Quang điện trở ....................................................................................... 22 2.2.2. Pin quang điện ....................................................................................... 24 2.3. Laser ......................................................................................................... 27 2.4. Giải một số bài tập về lượng tử ánh sáng................................................. 31 2.4.1. T nh năng lượng, động lượng, khối lượng photon ................................ 31 2.4.2. Tìm các đại lượng thường gặp (công thoát, giới hạn quang điện, vận tốc ban đầu cực đại, hiệu điện thế hãm, hiệu suất lượng tử…) từ biểu thức tính động năng hay từ phương trình Einstein. ........................................................ 32 2.4.3. Bài tập về hiện tượng tán xạ Compton.................................................. 34 2.5. Kết luận chương 2 .................................................................................... 35 KẾT LUẬN CHUNG ...................................................................................... 36 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 37 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Quang học là môn học nghiên cứu về bản chất của ánh sáng, về sự lan truyền và tương tác của ánh sáng với môi trường mà nó đi qua. Các nghiên cứu về ánh sáng đã chứng tỏ rằng, ánh sáng vừa có t nh chất sóng (sóng điện từ) lại vừa có t nh chất hạt (lượng tử ánh sáng). Các hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ, phân cực là những bằng chứng thực nghiệm chứng tỏ ánh sáng có t nh chất sóng. Các hiện tượng quang điện, phát quang, tán xạ Compton,... là những bằng chứng thực nghiệm chứng tỏ ánh sáng có t nh chất lượng tử. Vì vậy, việc tìm hiểu về t nh chất sóng cũng như t nh chất lượng tử của ánh sáng và các ứng dụng của nó trong cuộc sống là đề tài có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Xuất phát từ quan điểm trên và niềm yêu th ch quang học của bản thân, đó ch nh là những l do để tôi tiến hành chọn đề tài nghiên cứu là “Tính chất lượng tử của ánh sáng và ứng dụng” nhằm nâng cao hiểu biết của riêng tôi, đồng thời có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo cho một số bạn sinh viên khác. 2. Mục đích nghi n cứ Tìm hiểu về t nh chất lượng tử của ánh sáng và các ứng dụng của nó trong thực tế. 3. Đối tượng và phạm vi nghi n cứ - Đối tượng nghiên cứu: ánh sáng - Phạm vi nghiên cứu: t nh chất lượng tử của ánh sáng và các ứng dụng của nó. 4. Nhiệm vụ nghi n cứ - Tìm, đọc, hiểu các tài liệu viết về t nh chất lượng tử của ánh sáng. 1 - Tìm hiểu các ứng dụng t nh chất lượng tử của ánh sáng trong thực tế. - Tìm và giải một số bài tập về t nh chất lượng tử của ánh sáng. - Tổng hợp các kiến thức thu được để viết khóa luận. 5. Phương pháp nghi n cứ - Đọc, tra cứu tài liệu - Phân t ch tổng hợp . Cấ t c khoá l ận Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, khóa luận dự kiến có hai chương: CHƯƠNG 1: TÍNH CHẤT LƯỢNG TỬ CỦA ÁNH SÁNG CHƯƠNG 2: MỘT SỐ ỨNG DỤNG VỀ TÍNH CHẤT LƯỢNG TỬ CỦA ÁNH SÁNG 2 CHƯƠNG 1 TÍNH CHẤT ƯỢNG TỬ CỦ ÁNH SÁNG 1.1. Th yết lượng tử của Planck Vào cuối thế kỷ 19, thuyết điện từ của Maxwell đã trở thành một lý thuyết thống nhất về các hiện tượng điện từ và các quá trình quang học. Tuy nhiên, khi áp dụng để nghiên cứu bức xạ nhiệt của các vật đen thì lý thuyết đó không giải th ch được các kết quả thực nghiệm. Năm 1884, Stefan và Boltzmann dựa trên các phép đo ch nh xác đã đi đến kết luận là đối với vật đen tuyệt đối cường độ bức xạ tỷ lệ với (1.1) Trong đó là hằng số Stefan – Boltzmann, có giá trị bằng 5,670.10-8 Wm-2K-4. Phải mất nhiều năm, người ta mới tìm ra dạng giải t ch của hàm . Cuối cùng, năm 1893, người ta đã chỉ ra rằng hàm này phải có dạng: Nếu thay biểu thức của hàm này vào (1.1), ta thu được cường độ bức xạ của một vật đen tuyệt đối bằng vô cùng: Đây là một điều vô lý mà lý thuyết cổ điển không giải th ch được, người ta còn gọi đây là “sự khủng hoảng ở vùng tử ngoại” hay “tai biến cực tím”. Để khắc phục điều vô lý trên và thu được sự phù hợp với các kết quả thực nghiệm, năm 1900, Max Planck (1858-1947) người Đức (Hình 1.1) đã đề xuất giả thuyết lượng tử như sau: 3 Hình 1.1: Max Planck Mọi trạng thái của bức xạ điện từ đơn sắc tần số υ đều chỉ có thể có năng lượng gián đoạn là bội của một lượng bằng hυ gọi là lượng tử năng lượng: Trong đó n = 1, 2,… và h là một hằng số gọi là hằng số Planck. Nhờ thuyết lượng tử của Planck, người ta có thể t nh được cường độ bức xạ của một vật đen tuyệt đối theo công thức: (1.2) Kết quả thu được là một giá trị hữu hạn, vấn đề khó khăn của vật lý cổ điển được khai thông. 1.2. Hiện tượng q ang điện Hiện tượng các electron bật ra khỏi tấm Zn trong th nghiệm Hertz không giải th ch được bằng Thuyết sóng ánh sáng. Và Thuyết lượng tử ánh sáng ra đời từ Nhà vật lý thiên tài Einstein. Theo mô hình của Einstein: Photon va chạm với electron trên bề mặt của tấm Zn và truyền năng lượng cho electron để bật ra khỏi tấm Zn. 4 1.2.1. Thí nghiệm Hertz 1.2.1.1. Dụng cụ Hồ quang điện, tấm Zn, điện nghiệm (Hình 1.2). Hình 1.2 1.2.1.2. Mô tả Chiếu chùm ánh sáng do hồ quang phát ra vào tấm Zn t ch điện âm gắn trên điện nghiệm E (Hình 1.3). Quan sát thấy lá của điện nghiệm cụp lại. Chứng tỏ Zn đã mất điện âm. Hiện tượng xảy ra tương tự nếu thay Zn bằng kim loại khác… Hình 1.3 5 1.2.1.3. Kết luận Khi đươc k ch th ch bằng bức xạ th ch hợp (bước sóng ngắn) vào một tấm kim loại thì nó làm các electron ở bề mặt tấm kim loại bật ra đó là hiện tượng quang điện. Các electron bị bật ra khỏi bề mặt kim loại gọi là electron quang điện (Hình 1.4). Hình 1.4 1.2.2. Thí nghiệm với tế bào quang điện 1.2.2.1. Cấu tạo tế bào quang điện Hình 1.5 Tế bào quang điện là bình chân không nhỏ có hai điện cực: + Anot là vòng dây kim loại. + Catot bằng kim loại có dạng chỏm cầu. 6 1.2.2.2. Mô tả Hình 1.6 Ánh sáng hồ quang chiếu vào catot được cho qua một k nh lọc để chỉ cho qua ánh sáng đơn sắc cần khảo sát (Hình 1.6). Hiệu điện thế giữa anot và catot có thể thay đổi giá trị và chiều nhờ con chạy T (không vẽ trong hình). Để phát hiện dòng điện người ta dùng miliampe kế. Thay đổi hiệu điện thế giữa anot và catot người ta vẽ được đường cong mô tả sự thay đổi cường độ dòng điện trong mạch (dòng quang điện) vào hiệu điện thế giữa anot và catot được gọi là đường đặc trưng Vôn - Ampe (Hình 1.7). Khi UAK Uh: I = 0 ; ne = 0 không có các e đến anot. Khi UAK = 0: I = I0 khác không; ne khác không, có các electron đến anot. Khi UAK > 0 và UAK tăng: I tăng. Khi UAK U: I = I bh Hình 1.7 7 1.2.2.3. Kết luận Khi tế bào quang điện được k ch th ch bằng ánh sáng th ch hợp thì dòng quang điện xuất hiện. Hiện tượng quang điện là hiện tượng một số electron bứt ra khỏi bề mặt kim loại khi được kích th ch bằng ánh sáng th ch hợp. Hiện tượng quang điện chứng tỏ ánh sáng có t nh chất hạt (lượng tử). 1.3. Th yết lượng tử ánh sáng. Photon 1.3.1. Thuyết lượng tử năng lượng 1.3.1.1. Giả thuyết lượng tử của Planck Khi nghiên cứu bằng thực nghiệm quang phổ của các nguồn sáng, người ta thu được những kết quả không thể giải th ch bằng các l thuyết cổ điển. Để giải quyết những khó khăn này, Planck đã cho rằng vấn đề mấu chốt nằm ở quan niệm không đ ng về sự trao đổi năng lượng giữa các nguyên tử và phân tử. Năm 1900, Planck đề ra giả thuyết sau đây: Lượng năng lượng mà mỗi nguyên tử hay phân tử nhận vào hay tỏa ra trong mỗi lần hấp thụ hay bức xạ ánh sáng có giá trị hoàn toàn xác định, không thể chia nhỏ được và bằng hf; trong đó f là tần số của ánh sáng, còn h là một hằng số. Giả thuyết Planck đã được rất nhiều sự kiện thực nghiệm xác nhận là đ ng. Nó là tiền đề của một thuyết vật l mới: Thuyết lượng tử. 1.3.1.2. Lượng tử năng lượng Lượng năng lượng nói ở trên gọi là lượng tử năng lượng và được k hiệu bằng chữ ε: ε = hf (1.3) Trong đó, h gọi là hằng số Planck và được xác định bằng thực nghiệm: Js. 8 V dụ: Lượng tử năng lượng ứng với ánh sáng t m (λ = 0,4μm) là ε = 4,965.10-19 J. Đó là một lượng rất nhỏ. Ta không thể chia nhỏ một lượng tử năng lượng thành những phần nhỏ hơn được. 1.3.2. Thuyết lượng tử ánh sáng Hình 1.8: Albert Einstein Năm 1905, dựa vào thuyết lượng tử năng lượng để giải th ch các định luật quang điện, Albert Einstein (1879-1955) là nhà vật lý lý thuyết người Đức (Hình 1.8) đã đề ra thuyết lượng tử ánh sáng (còn gọi là thuyết photon). Theo ông: 1. Chùm sáng là một chùm các photon (các lượng tử ánh sáng). Mỗi photon có năng lượng xác định (f là tần số của ánh sáng có bước sóng đơn sắc tương ứng). Cường độ của chùm ánh sáng tỉ lệ với số photon phát ra trong một giây. 2. Phân tử, nguyên tử, electron… phát xạ hay hấp thụ ánh sáng, cũng có nghĩa là ch ng hấp thụ hay phát xạ photon. 3. Các photon chuyển động với vận tốc c = 3.108 m/s trong chân không. Năng lượng của mỗi photon rất nhỏ. Một chùm ánh sáng dù yếu cũng chứa rất nhiều photon do rất nhiều nguyên tử phát ra. Vì vậy ta thấy chùm sáng như liên tục. 9 Một chùm sáng đơn sắc chứa các photon giống nhau (cùng năng lượng). Cường độ chùm sáng tại một điểm tỉ lệ với số photon trong chùm sáng đi qua một diện t ch 1m2 đặt tại điểm đó, vuông góc với tia sáng, trong một giây. Photon chỉ tồn tại trong trạng thái chuyển động. Không có photon đứng yên. Ta có công thức Einstein: (1.4) 1.4. Hiện tượng q ang điện t ong. Quang phát quang 1.4.1. Hiện tượng quang điện trong Khái niệm Hiện tượng ánh sáng giải phóng các electron liên kết để ch ng trở thành các electron dẫn đồng thời giải phóng các lỗ trống tự do gọi là hiện tượng quang điện trong. Đặc điểm Để gây được hiện tượng quang điện trong thì ánh sáng k ch th ch phải có bước sóng nhỏ hơn hoặc bằng một giá trị λ0qd gọi là giới hạn quang điện trong. Năng lượng cần thiết để giải phóng electron khỏi liên kết trong chất bán dẫn thường nhỏ hơn công thoát A của electron từ mặt kim loại nên giới hạn quang điện của các chất bán dẫn thường nằm trong vùng ánh sáng hồng ngoại. Ứng dụng Ứng dụng trong quang điện trở và pin quang điện. Điều kiện để xảy ra hiện tượng quang điện trong Năng lượng photon của ánh sáng k ch th ch phải lớn hơn hoặc bằng năng lượng k ch hoạt A (là năng lượng cần thiết để giải phóng electron liên kết thành các electron dẫn): 10 Bước sóng λ của ánh sáng k ch th ch phải nhỏ hơn hoặc bằng một bước sóng giới hạn đối với mỗi chất bán dẫn, bước sóng giới hạn này được gọi là giới hạn quang dẫn. Nói ngắn gọn: “ Hiện tượng quang điện trong xảy ra khi ” Giới hạn quang dẫn của đa số các chất bán dẫn đều ở trong miền hồng ngoại, do đó, chỉ cần dùng ánh sáng k ch th ch là ánh sáng thấy được là đủ để xảy ra hiện tượng quang dẫn. 1.4.2. Quang phát quang Hiện tượng quang phát quang là hiện tượng một chất hấp thụ ánh sáng có bước sóng này (màu này) phát ra ánh sáng có bước sóng khác (màu khác). 1.4.2.1. Sự phát quang Một số chất trong tự nhiên có khả năng tự phát ra ánh sáng gọi là sự phát quang, chất có khả năng tự phát sáng gọi là chất phát quang. Hình ảnh các loài thực vật, động vật có khả năng phát quang (Hình 1.9). Hình 1.9 Theo các nhà khoa học, có khoảng 85.000 loài nấm tồn tại trong thế giới tự nhiên, nhưng chỉ 65 loài trong số này được cho là có thể phát quang sinh học. 11 Hình 1.10 Nấm phát quang có thể phát ánh sáng xanh suốt 24 giờ mỗi ngày, nhưng nhìn rõ nhất vào ban đêm (Hình 1.10). Hầu hết các loài nấm này đều phát ra thứ ánh sáng xanh lục pha vàng. Hiệu ứng phát sáng trong bóng tối là kết quả của phản ứng hóa học giữa sắc tố phát sáng luciferin và enzyme luciferase. Phản ứng này cũng có thể xuất hiện ở một số loài động vật như sứa, mực, bọ cạp... Một số sinh vật phù du có chứa chất phát quang có khả năng phát sáng vào ban đêm, làm rực sáng cả một vùng biển trong đêm (Hình 1.11). Hình 1.11 12 Ảnh chụp lại hàng nghìn con đom đóm đang phát sáng (phát quang) trong đêm tại một công viên đom đóm nằm ở tỉnh Hồ Bắc Trung Quốc. Người ta ước t nh trong công viên có khoảng 10.000 con đom đóm (Hình 1.12). Hình 1.12 1.4.2.2. Hiện tượng quang phát quang Khi chiếu chùm tia tử ngoại (ánh sáng kích thích) vào dung dịch fluorescein đựng trong ống nghiệm (ở trạng thái bình thường fluorescein có màu vàng nhạt) sẽ phát ra ánh sáng màu xanh lục (Hình 1.13). Hình 1.13 Các nhà vật lý gọi hiện tượng trên là hiện tượng quang phát quang. 13 Kết luận: Hiện tượng quang phát quang là hiện tượng chất phát quang có thể hấp thụ ánh sáng có bước sóng này để phát ra ánh sáng có bước sóng khác. Các dạng quang phát quang Sự phát quang của một số chất khi có ánh sáng th ch hợp (ánh sáng k ch th ch) chiếu vào nó, gọi là hiện tượng quang phát quang. Nếu phân loại theo thời gian phát quang người ta thấy có hai loại quang phát quang: + Sự huỳnh quang: là sự phát quang có thời gian phát quang ngắn (dưới 10–8 (s)), nó thường xảy ra với chất lỏng và chất kh . + Sự lân quang: là sự phát quang có thời gian phát quang dài (10–6 (s) trở lên), nó thường xảy ra đối với chất rắn. Tuy nhiên sự phân loại này cũng chỉ là tương đối, không có ranh rới rõ rệt. Đặc điểm nổi bật của các sự quang phát quang là bước sóng λ’ của ánh sáng phát quang bao giờ cũng lớn hơn bước sóng λ của ánh sáng mà chất phát quang hấp thụ : λ' > λ (Định luật Stocke). Nếu phân loại theo cách k ch th ch người ta chia ra: + Quang phát quang, nếu k ch th ch bằng bức xạ quang học (tia tử ngoại, ánh sáng thấy được). + Điện phát quang, nếu k ch th ch bằng điện trường. + Âm cực phát quang, nếu k ch th ch bằng sự va chạm của chùm electron (sự phát quang của màn dao động k điện tử, màn truyền hình). + Hóa phát quang, nếu k ch th ch bằng năng lượng của phản ứng hóa học (sự phát quang của cây mục, của photpho, của một số sinh vật trong nước biển). 14 Ứng dụng Các hiện tượng phát quang có nhiều ứng dụng trong khoa học, kỹ thuật và đời sống như sử dụng trong các đèn ống thắp sáng, trong các màn hình chiếu sáng... 1.5. Hiệ ứng Compton Trong cơ học lượng tử, Hiệu ứng Compton hay tán xạ Compton xảy ra khi bước sóng tăng lên (và năng lượng giảm xuống), khi những hạt photon tia X (hay tia gamma) có năng lượng từ khoảng 0,5 MeV đến 3,5 MeV tác động với điện tử trong vật liệu. Độ lớn mà bước sóng tăng lên được gọi là dịch chuyển Compton. Hiệu ứng này được nhận thấy bởi Arthur Holly Compton vào năm 1923 và do sự quan sát này được trao Giải thưởng Nobel vật lý năm 1927. Cuộc th nghiệm của Compton là sự quan sát làm cho tất cả mọi nhà vật lý tin là ánh sáng có thể hành động như một dòng hạt có năng lượng cân xứng với tần số. Nội dung Hình 1.14 Dùng giả thuyết hạt photon ánh sáng, ta có thể giải th ch hiệu ứng quang điện và sự tạo thành tia X. Sau đó vào năm 1923, A. H. Compton thông báo về kết quả nghiên cứu tán xạ của tia X thì các nhà khoa học đã có cơ sở để giải th ch bản chất hạt của ánh sáng. 15