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


Theo Compton, hạt lượng tử năng lượng của tia X khi va chạm vào các
hạt khác cũng bị tán xạ giống như hạt electron. Ở đây sự tán xạ của hạt
photon là sự thay đổi đường đi của chùm tia photon khi gặp phải một môi
trường có sự không đồng nhất về chiết suất với những khoảng cách mà chiết
suất thay đổi gần bằng độ dài bước sóng photon. Thực ra sự tán xạ là sự lan
truyền của sóng trong những môi trường có hằng số điện và hằng số từ thay
đổi hỗn loạn, rất phức tạp nếu sử dụng các hệ phương trình Maxwell để giải
và tìm chiết suất hiệu dụng của môi trường. Sự tán xạ có thể xem đơn giản

như sự va chạm đàn hồi của các quả bóng trong một môi trường. Khi xem xét
sự va chạm đó, định luật bảo toàn năng lượng và xung lượng vẫn được áp
dụng.
Ví dụ: Ta có một lượng tử năng lượng của tia X, va chạm vào
một electron đứng yên. Một phần năng lượng và xung lượng của tia X chuyển
vào cho electron và sau khi tán xạ thì lượng tử năng lượng tán xạ (hạt hình
thành sau tán xạ) có năng lượng và xung lượng nhỏ hơn của lượng tử năng
lượng ban đầu (tia X). Vì năng lượng của lượng tử tán xạ nhỏ hơn năng lượng
của lượng tử ban đầu nên tần số của lượng tử tán xạ nhỏ hơn tần số của lượng
tử ban đầu và khi đó bước sóng của lượng tử tán xạ lại lớn hơn bước sóng của
lượng tử ban đầu.
Cơ chế tán xạ Compton
Trong tán xạ Compton, năng lượng của lượng tử tia X đã chuyển hóa
một phần thành năng lượng của electron. Electron dao động phát ra sóng điện
từ, sóng điện từ chuyển một phần năng lượng cho một lượng tử, vì thế lượng
tử bức xạ có bước sóng lớn hơn lượng tử ban đầu.
Như đã trình bày, khi tia X va chạm, một phần năng lượng tia X chuyển
hóa cho electron. Năng lượng này phụ thuộc vào góc tán xạ tức là phương
của lượng tử năng lượng tán xạ so với phương ban đầu:

16


Hình 1.15
Áp dụng công thức bảo toàn năng lượng và xung lượng ta t nh được độ
biến thiên của bước sóng của lượng tử năng lượng (Hình 1.15) sau khi tán xạ
và lệch đi một góc θ so với phương ban đầu là:
(1.5)
Lưu ý, công thức trên có thể viết dưới dạng:


Công thức này được xây dựng từ sự bảo toàn năng lượng và xung lượng
trong hệ quy chiếu gắn với khối tâm của hệ; mo là khối lượng nghỉ
của electron, đại lượng

được hiểu là bước sóng Compton, nếu thay

các giá trị này và t nh toán thì độ lớn λc là: λc = 2,42.10−12 m.
Giá trị này là rất nhỏ so với bước sóng của ánh sáng khả kiến vì thế nếu
dùng ánh sáng khả kiến làm th nghiệm Compton ta sẽ không thấy sự biến đổi
của độ dài sóng. Tức là không quan sát được hiệu ứng Compton.
Ngược lại, nếu dùng bước sóng của tia X trong khoảng (10−9m đến
10−12m) thì độ biến thiên bước sóng trong trường hợp này là khá lớn nên có
thể quan sát được.
Hiệu ứng Compton đã thực sự thuyết phục các nhà vật lý rằng sóng điện
từ thực sự thể hiện một t nh chất giống như một chùm hạt chuyển động
với vận tốc ánh sáng. Hay nói khác đi sóng và hạt là hai thuộc t nh cùng tồn
tại trong các quá trình biến đổi năng lượng.

17


1.6.

ết l ận chương 1
Qua chương này chúng ta đã biết thêm được rất nhiều kiến thức bổ ch

về t nh chất lượng tử của ánh sáng. Ch ng ta có thể thấy rằng cốt lõi của
thuyết lượng tử ánh sáng là giả thuyết Flanck và khái niệm về lượng tử năng
lượng. Áp dụng thuyết lượng tử cho các quá trình tương tác của ánh sáng với
các nguyên tử, Einstein đã đề ra thuyết lượng tử ánh sáng.

Dùng thuyết lượng tử ánh sáng ch ng ta có thể giải th ch được một loạt
các hiện tượng quang học như:
+ Hiện tượng quang điện.
+ Hiện tượng quang điện trong.
+ Hiện tượng quang phát quang.
+ Hiệu ứng Compton.
+ Áp suất ánh sáng.

18


CHƯƠNG 2
MỘT SỐ ỨNG DỤNG Ề TÍNH CHẤT ƯỢNG TỬ CỦ ÁNH SÁNG
2.1. Tế bào q ang điện. Ống nhân q ang điện tử
2.1.1. Tế bào quang điện
Có hai loại tế bào quang điện: Tế bào quang điện chân không và tế bào
quang điện chứa kh .
Tế bào quang điện chân không là một bóng bằng thủy tinh hay thạch anh
đã h t chân không. Bộ phận mặt trong của nó phủ một lớp kim loại nhạy sáng
như xêsi, natri, bạc hay những hợp kim phức tạp nhạy sáng. Lớp này được
dùng làm cực âm của tế bào quang điện và còn gọi là quang catot K. Chính
giữa bóng là một vòng dây kim loại được dùng làm cực dương và gọi là anot
A (Hình 2.1).

Hình 2.1
Anot và catot của tế bào được mắc vào nguồn điện một chiều. Hiệu điện
thế giữa hai cực phải đủ lớn để tạo được dòng điện bão hòa.
Khi rọi quang catot bằng ánh sáng có tần số th ch hợp, electron được giải
phóng khỏi catot sẽ chuyển dời đến anot dưới tác dụng của điện trường giữa
hai điện cực và xuất hiện dòng quang điện bão hòa trong mạch. Nhờ điện kế

G ta đo cường độ dòng quang điện. Tế bào quang điện chân không có thể
nhạy tới 150 µA/lm nghĩa là nếu rọi vào quang catot của nó một quang thông
1 lm, sẽ cho dòng quang điện bão hòa 150 µA.

19


Có thể tăng độ nhạy của tế bào quang điện lên nhiều lần bằng cách cho
kh trơ vào bóng của tế bào quang điện chân không (thường là kh acgôn ở áp
xuất từ 0,01 đến 0,1 mmHg). Ta gọi tế bào quang điện loại này là tế bào
quang điện chứa kh . Độ nhạy của tế bào quang điện chứa kh có thể đạt tới
1000 µA/lm. Sở dĩ tế bào quang điện chứa kh có độ nhạy cao là vì các
electron giải phóng khỏi catot được tăng tốc trong điện trường giữa hai điện
cực, có động năng đủ lớn để ion hóa nguyên tử acgôn. Các electron được giải
phóng khỏi acgôn khi nguyên tử acgôn bị ion hóa, cùng với electron bức ra từ
mặt kim loại của catot tạo nên dòng quang điện. Mặt khác, các ion dương
acgôn cũng được tăng tốc trong điện trường theo chiều từ anot đến catot và
bắn phá catot cũng giải phóng electron khỏi nó. Các electron này lại tăng
cường sự ion hóa kh acgôn.
Ta cũng cần lưu ý thêm rằng khi chưa rọi sáng catot, trong mạch của tế
bào quang điện vẫn có một dòng điện bé, ta gọi đó là dòng tối. Dòng tối lớn
sẽ làm cản trở phép đo các quang thông yếu. Dòng tối tồn tại do hai nguyên
nhân chủ yếu: dòng electron nhiệt và dòng rò giữa các điện cực, được xác
định bởi điện trở của chất cách điện dùng làm bóng và làm đế tế bào quang
điện. Có thể giảm dòng tối bằng cách làm lạnh (giảm chuyển động nhiệt),
chống ẩm, chọn cấu tạo đế và chân tế bào cho th ch hợp.
Như vậy, trong các phép trắc quang đòi hỏi độ ch nh xác cao, ta phải
hiệu chỉnh dòng tối:
Trong đó is và it là cường độ dòng quang điện khi rọi sáng và không rọi
sáng.

Tế bào quang điện thường được dùng trong các th nghiệm hoặc trong
các nghiên cứu khoa học.

20