Lượng tử ánh sáng

Tóm tắt lý thuyết >> Bài tập cơ bản >> Bài tập ôn luyện >> Bài tập trắc nghiệm >>

I. TÓM TẮT LÝ THUYẾT

1. Thuyết lượng tử về ánh sáng

Khi chiếu ánh sáng vào một tấm kim loại tích điện âm, Hec-xơ phát hiện thấy ánh sáng làm mất điện tích của tấm kim loại đó. Ông cho rằng ánh sáng đã làm bật các electron ra khỏi tấm kim loại.

Làm thí nghiệm chi tiết hơn với tế bảo quang điện, người ta rút ra những điều cơ bản sau đây, gọi là các định luật quang điện:

• Với mỗi kim loại dùng làm catot trong tế bào quang điện, có một bước sóng λ₀ gọi là giới hạn quang điện của kim loại đó: ánh sáng kích thích phải có bước sóng nhỏ hơn hoặc bằng λ₀ thì hiện tượng quang điện mới xảy ra.
• Khi hiện tượng quang điện xảy ra, cường độ dòng bão hòa tỉ lệ với cường độ của chùm sáng kích thích.

Khi tăng hiệu điện thế giữa catot và anot (anot là cực dương) người ta thấy dòng quang điện tăng lên. Tuy nhiên khi hiệu điện thế vượt quá một giá trị nào đó, dòng quang điện không tăng nữa. Giá trị của dòng quang điện lúc đó gọi là dòng bão hòa.

• Động năng ban đầu cực đại của các electron quang điện không phụ thuộc cường độ của chùm sáng kích thích mà chỉ phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng kích thích và bản chất của kim loại.

Ta thấy các định luật thứ nhất và thứ ba có gì đó mâu thuẫn với hiểu biết của chúng ta về ánh sáng. Thật vậy, khi ánh sáng chiếu càng lâu, nó càng cung cấp nhiều năng lượng cho vật. Vậy nếu đủ thời gian chiếu sáng, nguyên tử sẽ nhận đủ năng lượng để thoát electron ra khỏi bề mặt kim loại chứ. Hơn nữa, tăng cường độ của ánh sáng chiếu vào thì năng lượng catot nhận được sẽ tăng nhưng tại sao động năng của các electron không tăng?

Định luật thứ hai tuy không mâu thuẫn nhưng chưa cho chúng ta biết cơ chế phát ra các electron quang điện.

Để giải thích những mâu thuẫn đó, Anhxtanh đã dùng thuyết lượng tử của Plank cho ánh sáng. Thuyết lượng tử ánh sáng có những nội dung sau đây:

• Chùm ánh sáng là một chùm các hạt photon. Mỗi photon có năng lượng xác định ε = hf với f là tần số của ánh sáng đơn sắc tương ứng. Cường độ của chùm sáng tỉ lệ với số photon phát ra trong một giây.
• Phân tử, nguyên tử, electron… phát xạ hay hấp thụ electron cũng có nghĩa là chúng phát xạ hay hấp thụ photon
• Các photon bay dọc theo tia sáng với tốc độ c = 3.10⁸ m/s trong chân không.

Với hiện tượng quang điện, ông cho rằng electron hấp thụ photon của ánh sáng kích thích cùng với toàn bộ năng lượng của nó. Năng lượng cung cấp công thoát cho electron và chuyển phần còn lại thành động năng ban đầu cho electron.

ε = A₀ + W_0đmax

Thuyết ánh sáng của Anhxtanh dựa trên sự thừa nhận ánh sáng là một sóng nhưng nó cũng thể hiện tính chất như một chùm hạt. Đó là đặc trưng vốn có của ánh sáng, ta không thể thay đổi mà chỉ có thể tìm hiểu các cách thể hiện đặc trưng của nó mà thôi. Ngày nay người ta đã mô tả ánh sáng với sự kết hợp hai đặc tính sóng và hạt.

2. Thuyết cấu tạo nguyên tử Bo

Theo mô hình của Rơ-dơ-pho, nguyên tử cấu thành từ hạt nhân và các electron quay xung quanh hạt nhân. Hạt nhân và các electron tương tác với nhau bằng lực điện từ.

Với sự phát triển trong lĩnh vực điện từ, người ta thấy rằng một điện tích dao động sẽ phát ra sóng điện từ. Vậy các electron khi quay quanh hạt nhân cũng phải phát ra sóng điện từ. Nhưng nếu vậy, năng lượng của chúng sẽ giảm dẫn đển electron sẽ phải rơi vào hạt nhân nguyên tử.

Hơn nữa, khi electron giảm dần năng lượng và bức xạ ra các sóng điện từ thì không có ràng buộc gì về năng lượng của bức xạ phát ra. Nhưng quan sát quang phổ của các chất thì chúng ta thấy các vạch phổ của chúng luôn có giá trị xác định.

Đó là hai mâu thuẫn chính trước khi mô hình nguyên tử Bo ra đời. Thuyết nguyên tử của Bo giải quyết được các vướng mắc kể trên đồng thời đưa ra các dự đoán hoàn toàn chính xác về nguyên tử Hidro. Nội dung của nó nằm trong hai tiên đề:

• Nguyên tử chỉ tồn tại trong một số trạng thái có năng lượng xác định gọi là các trạng thái dừng. Ở trạng thái dừng, nguyên tử không bức xạ.
• Nếu nguyên tử ở trạng thái năng lượng cao E_n chuyển sang trạng thái năng lượng thấp E_m thì nó sẽ phát xạ một photon có năng lượng  = E_n – E_m. Ngược lại nếu nguyên tử đang ở trạng thái năng lượng thấp E_m và nó hấp thụ một năng lượng  = E_n – E_m, nó sẽ chuyển sang trạng thái năng lượng E_n.

Theo lý thuyết Bo ta thấy:

Nguyên tử không hấp thụ photon nếu photon có năng lượng không phù hợp, tức là không bằng độ chênh lệch các mức năng lượng.

Nguyên tử cũng không bao giờ hấp thụ hai photon cùng năng lượng trừ khi nó đã phát xạ photon đã hấp thụ đó.

3. Hấp thụ và phản xạ lọc lựa ánh sáng. Tia lazer

Khi ánh sáng đi qua một môi trường, cường độ của nó bị giảm do môi trường hấp thụ các photon. Có một đặc điểm là sự hấp thụ này mang tính lọc lựa: mức độ bị hấp thụ của các bức xạ khác nhau là khác nhau. Do đó có thể xảy ra tình huống chiếu và vật anh sáng có màu này thì ta lại nhìn thấy ánh sáng phản xạ có màu kia.

Phát xạ cảm ứng – lazer: Khi electron chuyển lên mức năng lượng cao, về mặt lý thuyết nó sẵn sàng chuyển về mức năng lượng thấp hơn và phát ra bức xạ có năng lượng ε, nhưng sự phát xạ sẽ dễ dàng hơn nếu lúc đó có một photon khác bay qua với năng lượng cũng là ε. Hiện tượng phát xạ này gọi là phát xạ cảm ứng. Dựa trên hiện tượng đó, người ta tạo ra một môi trường kích thích rồi chiếu ánh sáng cảm ứng qua, khi đó môi trường sẽ phát ra ánh sáng với ánh sáng có độ đơn sắc cao, gọi là tia lazer.