Bài giảng Vật lý đại cương - Chương 5: Quang học lượng tử - Đỗ Ngọc Uấn

Nội dung text: Bài giảng Vật lý đại cương - Chương 5: Quang học lượng tử - Đỗ Ngọc Uấn

1. Bμi giảng Vật lý đại c−ơng Tác giả: PGS. TS Đỗ Ngọc Uấn Viện Vật lý kỹ thuật Tr−ờng ĐH Bách khoa Hμ nội
2. Ch−ơng 5 Quang học l−ợng tử
3. 1. Bức xạ nhiệt 1.1.Các khái niệm mở đầu: Các nguyên tử bị kích thích phát ra bức xạ điện từ, bức xạ do kích thích nhiệt ->Bức xạ nhiệt Năng l−ợng bức xạ phát ra=năng l−ợng thu vμo bằng hấp thụ bức xạ =>Trạng thái cân bằng nhiệt động ứng với nhiệt độ xác định 1.2.Các đại l−ợng đặc tr−ng dS Năng l−ợng bức xạ phát ra từ dS trong đơn vị thời gian (năng thông bức xạ từ dS) bởi các bức xạ có tần số trong khoảng νữν+ dν lμ dWp(ν,T)
4. dWp(ν,T)=r(ν,T)dS.d ν r(ν,T)Năng suất phát xạ đơn sắc ứng với tần số ν ∞ R ( T )= r ν ( , TNăng ν ) suất d phát xạ toμn phần ∫ hay độ tr−ng của vật 0 dW (ν , T ) Hệ số hấp thụ đơn sắca (ν , T = ) t dW (ν , T ) dWt(ν,T) do dS hấp thụ dW(ν,T) chiếu đến dS a(ν,T)<1 a(ν,T)=1 Vật đen tuyệt đối
5. 1.3. Định lý Kirkhốp (Kirchoff) 1 Trong bình kín cách nhiệt có 3 2 vật -> Hấp thụ mạnh cũng bức xạ 3 mạnh r(ν,T)~a(ν,T) r (ν , Tr ) (ν , Tr )(ν , T ) f (ν , T = )1 = 2 = 3 a (1 ν ,a T ) (2 ν ,a T )(3 ν , T ) Định lý: Tỷ số giữa năng suất phát xạ đơn sắc vμ hệ số hấp thụ đơn sắc của cùng một vật ở nhiệt độ nhất định lμ một hμm chỉ phụ thuộc vμotần số bức xạ ν vμ nhiệt độ T mμ không phụ thuộc vμo bản chất của vật đó
6. r (ν , TH )μmphânbốlμ năng suất f (ν , T = ) phát xạ đơn sắc của vật đen a (ν , T ) tuyệt đối Nếu a(ν,T)=1 thì r(ν,T)= f(ν,T) f(ν,T) T >T >T 1 2 3 f(ν,T) xây dựng bằng thực nghiệm đo T ν νm3 νm1 νm2 vật đen tuyệt đối Hệ tách phổ bức xạ
7. Xây dựng f(ν,T) bằng thực nghiệm (ngμy ẫ) 2πν2 hν 2πc h f (ν,T) = = c2 hν λ3 hc 1− e k BI 1− e λk BT Detector Máy Cách tử tính AS trắng f(ν,T) T Đèn sợi đốt 2 thay đổi đ−ợc điện áp T1 λm λ
8. 2. Thuyết l−ợng tử của Planck 2.1. Sự thất bại của sóng ánh sáng trong việc giải thích hiện t−ợng bức xạ nhiệt Hμm phân bố theo thuyết điện từ cổ điển của Relay vμ Jeans k =1,38.10-23J/K 2πν2 B f (ν , T = ) k T Hằng số Boltzmann c2 B ∞ R ( T= )∫ ν r ( , ν T = ) d ∞ 0 “Sự khủng hoảng vùng tử ngoại” vμo cuối thế kỷ 19
9. 2.2. Thuyết l−ợng tử của Planck 1900 Planck đ−a ra thuyết LT: a. Các nguyên tử, phân tử phát xạ hay hấp thụ năng l−ợng điện từ một cách gián đoạn. Phần năng l−ợng phát xạ hay hấp thụ lμ bội nguyên lần của một l−ợng năng l−ợng nhỏ gọi lμ l−ợng tử năng l−ợng hay Quantum năng l−ợng b. Đối với bức xạ điện từ đơn sắc tần số ν, b−ớc sóng λ l−ợng tử năng l−ợng t−ơng ứng bằng c ε =h ν h = λ h=6,625.10-34Js HằngsốPlanck
10. c. Công thức hμm hânp bố Planck:phát xạ đơn sắc của vật đen tuyệt đối πν2 2 h ν f (ν , T = ) 2.3. Các định luật bức xạ c2 hν kB I của vật đen tuyệt đối 1− e a. Năng∞ suất phát xạ toμn phần hν 4 R ( T )= f ν ( , T νx )= d R(T)T= σ ∫ k T 2π0 k4 4T∞ x 3 2B π k4 4T R = B dx = B6 ,= 5 σ 4 T T 2 3 ∫ x 2 3 c h 0e− 1 c h σ=5,67.10-8W/m2K4 hằng số Steffan-Boltzmann ĐL1: Năng suất phát xạ toμn phần ủac vật đen tuyệt đối ~ T4 của nó