- Trang Chủ
- Vật lý
- Giáo trình phân tích cấu tạo đường đi vận tốc ánh sáng bằng thuyết tương đối bức xạ nhiệt p9
Xem mẫu
- h a n g e Vi h a n g e Vi
XC XC
e e
F- F-
w w
PD
PD
er
er
!
!
W
W
O
O
N
N
y
y
bu
bu
Từ công thức I = Io e -t/(, suy ra:
to
to
k
k
lic
lic
C
C
w
w
m
m
w w
w
w
o
o
c .c
.
.d o .d o
ack c u -tr a c k
1
c u -tr
LogI = log I o −
2Nnτ
Cho N thay đổi một loạt trị số và đo các cường độ I tương ứng. Vẽ đường biễu diễn của
Log I theoĠ, ta được một đường thẳng. Biết được hệ số góc của đường này ta suy ra thời
gian (.
Với lân quang nghiệm này, người ta đã có thể đo được những thời gian ( khá ngắn (10-
4s).
Các thí nghiệm sau này thực hiện bởi Wood có thể đo được những thời gian ( ngắn hơn
nhiều. Wood để chất phát quang trên một đĩa quay và tạo trên chất này ảnh điểm của nguồn
sáng kích thích. Nếu sự phát quang xảy ra tức thời, khi quan sát đĩa quay ta chỉ thấy một
điểm sáng. Nếu sự phát quang kéo dài, ta được một cung sáng. Dựa vào chiều dài của cung
này, Wood xác định được thời gian. Thí dụ, trong một thí nghiệm với platino cyanua
barium, Wood đo được Ġ.
Những thời gian phát quang cực ngắn của các chất lỏng có thể đo bằng phương pháp của
Gaviola, các dụng cụ thiết bị như hình vẽ 5.
O
N ’2 (II)
C’
N’1
C
S
P
N1 N2
(I)
H. 5
Ánh sáng kích thích phát xạ từ nguồn S, đi qua tế bào Ker C chứa nitrobenzen đặt giữa
hai nicol chéo góc N1 và N2, tới chất phát quang P. Ánh sáng từ P phát ra đi qua tế bào Ker
C’(chứa nitrobenzen) đặt giữa nicol chéo góc N’1 và N’2 tới quan sát viên ở O. Các tế bào
Ker C và C’ được đặt đồng bộ với một điện trường cao tần, giả sử có tần số N = 5.106 hertz.
Như vậy đốivới chùm tia kích thích và chùm tia phát quang, các hệ thống (I) và (II) cho ánh
sáng đi qua một cách đồng bộ với chu kỳ làĠ giây. Gọi ( = thời gian ánh sáng đi qua
quãng đường CPC’ (( < T).
Nếu sự phát quang xảy ra tức thời thì sẽ không có ánh sáng tới 0. Nếu hiện tượng phát
quang kéo dài thì chính ánh sáng phát ra bởi p, sau khi p bị kích thích một thời gian t = T - (,
sẽ tới c’ sau khi ánh sáng kích thích tới C một thời gian là T, do đó đi qua được hệ thống (II)
và tới 0. Bằng cách giảm quãng đường CFC’, nghĩa là giảm (, ta làm tăng t. Khi không còn
ánh sáng tới 0, ta có t = (. Với phương pháp này ta có thể đo được các thời gian ( khá nhỏ so
với chu kỳ T.
Khảo sát dung dịch fluoresein, Gaviola đo được thời gian phát quang trung bình vào
khoảng từ 10-8 giây tới 10-9 giây.
- h a n g e Vi h a n g e Vi
XC XC
e e
F- F-
w w
PD
PD
er
er
!
!
W
W
O
O
N
N
y
y
bu
bu
to
§§8. HIỆN TƯỢNG PHÁT HUỲNH QUANG CHẬM VÀ PHÁT LÂN QUANG.
to
k
k
lic
lic
C
C
w
w
m
m
w w
w
w
o
o
c .c
.
.d o .d o
ack c u -tr a c k
Trong phần trên, ta đã xét một loại phát quang trong đó chỉ có sự tham gia của các mức
c u -tr
năng lượng thường (mức căn bản và mức kích thích). Các hiện tượng phát quang như vậy
được gọi là phát huỳnh quang đơn giản. Một loại hiện tượng phát quang thứ hai trong đó có
sự tham gia của mức năng lượng giới ẩn (metastable), đó là trường hợp phát huỳnh quang
chậm, hoặc phát lân quang.
Một hạt không thể trực tiếp từ mức năng lượng cơ bản E nhảy lên mức năng lượng giới
ẩn E’ mà phải qua trung gian của một mức năng lượng kích thích E* cao hơn. Từ mức năng
lượng giới ẩn, hai cơ chế sau đây có thể xảy ra.
E* E*
E’ E’
E E
(a) (b)
Huyønh quang chaäm Laân quang
H. 6
- Hoặc hạt tự động rơi trở về mức căn bản (hình 6a). Đó là một loại hiện tượng phát
huỳnh quang, nhưng có thời gian phát quang kéo dài hơn (so với phát huỳnh quang đơn
giản). Vì vậy được gọi là phát huỳnh quang chậm. Thời gian phát huỳnh quang trung bình
ứng với hiện tượng phát quang chậm ở vào khoảng từ 10-4 giây tới 1 phút, trong khi thời
gian này ứng với hiện tượng phát huỳnh quang đơn giản ở trong khoảng từ 10-10 giây tới
10-4 giây.
- Hoặc hạt do tác động bên ngoài, nhảy lên mức kích thích E* cao hơn, rồi tự động rơi
trở về mức căn bản. Đó là hiện tượng phát lân quang (hình 6b), trong hiện tượng này, mức
năng lượng giới ẩn được coi là hoàn toàn bền nếu không có tác động của bên ngoài. Ngoài
ra, ta thấy từ mức căn bản lên mức giới ẩn, hay từ mức giới ẩn xuống mức căn bản, đều xảy
ra một cách gián tiếp. Thời gian hạt nằm ở mức giới ẩn có thể kéo dài vô hạn.. Ta thấy mức
này giống như một cái “bẫy” năng lượng.
Nếu ta hạ nhiệt độ xuống thấp để làm giảm tần số đụng giữa các hạt, thời gian phát lân
quang sẽ tăng lên. Đời sống trung bình của hạt ở mức giới ẩn có thể kéo dài vô hạn nếu ta
hạ nhiệt độ xuống tới một mức nào đó.
Người ta còn phân biệt hai loại phát lân quang
Phát lân quang Perrin, xảy ra với chất lỏng và chất khí. Giữa hai quá trình hấp thụ và
phát xạ, các phân tử trải qua một trạng thái trung gian và chỉ phát lân quang khi nhận
được một sự cung cấp năng lượng của môi trường.
Phát lân quang Becquerel - Lenard, xảy ra với các chất rắn kết tinh. Trong quá trình
phát lân quang này có một sự “ion hóa nội”. Một điện tử bị bứt ra khỏi nguyên tử
phát quang để có một độ tự do nào đó. Khi điện tử này tái hợp với nguyên tử thì sự
phát xạ lân quang xảy ra.
- h a n g e Vi h a n g e Vi
XC XC
e e
F- F-
w w
PD
PD
er
er
!
!
W
W
O
O
N
N
y
y
bu
bu
to
§§9. CHẤT TĂNG HOẠT - TÂM ĐỘC.
to
k
k
lic
lic
C
C
w
w
m
m
w w
w
w
o
o
c .c
.
.d o .d o
ack c u -tr a c k
Khi khảo sát sự phát quang của một chất, người ta thấy rằng nếu trộn vào chất này một
c u -tr
chất kim thích hợp thì sự phát quang mạnh hơn rất nhiều so với chất phát quang nguyên chất
lúc đầu.
Thí dụ : Trộn thật đều bột CdI2 và PbI2 trong aceton và để cho kết tinh. Ta được một
phẩm vật có tính phát quang mạnh hơn nhiều so với CdI2 tính chất. Ta bảo chất CdI2 đã
được tăng hoặt chất kim đưa vào (Pb) được gọi là chất tăng hoạt. Chất ban đầu (CdI2) được
gọi là chất căn bản. Một chất phát quang có chất tăng hoặt, thí dụ trường hợp CdI2 tăng hoạt
bởi chì, được ký hiệu như sau : CdI2 (Pb).
Tương tự ta có thể tăng hoạt CdI2 bởi đồng hay Mn.Sulfur kẽm có thể tăng hoạt bởi Ag,
Cu, ......
Tỷ lệ của chất tăng hoạt trong chất căn bản có ảnh hưởng rõ rệt tới cường độ phát quang
và ta có một tỷ lệ xác định để cường độ phát quang mạnh nhất. Sự hiện diện của chất tăng
hoạt không những làm tăng cường độ phát quang mà còn có thể làm thay đổi phổ phát
quang.
Ngược lại với sự tăng hoặt, sự hiện diện của các chất như Fe, Co, Ni có thể làm mất tính
phát quang của một chất. Các kim chất trên được gọi là các “tâm độc“. Thí nghiệm cho thấy
rõ hiện tượng này nhưng người ta chưa thể giải thích được tại sao.
§§10. SỰ NHẠY HÓA.
Ta xét sự phát quang của phốt phát calci Ca3(PO4)2. Nếu chất tăng hoạt là Mangan và
nếu kích thích bằng tia âm cực thì phát quang ánh sáng đỏ. Nhưng khi kích thích bằng tia tử
ngoại 2500Ao thì lại không phát quang.
Nếu tăng hoạt bằng Sêri (Ce) và kích thích bằng tia tử ngoại trên (2500Ao) thì thấy phát
quang ánh sáng tử ngoại 3500Ao.
Bây giờ tăng hoạt cả Ce và Mn và kích thích bằng ánh sáng 2500Ao thì ta thấy ánh sáng
phát quang gồm cả vạch 3500Ao và vạch đó nói trên.
Người ta giải thích như sau: Khi được kích thích bằng tia 2500Ao, Ce chuyển năng
lượng kích thích cho chất tăng hoạt Mn, như vậy, một cách gián tiếp, phốt phát calci với
chất tăng hoạt là Mn đã bị kích thích bởi tia 2500Ao. Sự chuyển năng lượng giữa hai tâm
sáng như trên (từ tâm sáng có chứa Ce sang tâm sáng có chứa Mn) được gọi là sự nhạy hóa.
Ce đợc gọi là chất nhạy hóa.
- h a n g e Vi h a n g e Vi
XC XC
e e
F- F-
w w
PD
PD
er
er
!
!
W
W
O
O
N
N
y
y
bu
bu
to
to
k
k
Chương XII
lic
lic
C
C
w
w
m
m
w w
w
w
o
o
.c .c
.d o .d o
c u -tr a c k c u -tr a c k
LASER
§§1. SỰ PHÁT MINH LASER.
Việc phát minh ra tia Laser bắt nguồn từ các cố gắng của các nhà khoa học muốn tìm
được cách sản xuất các luồng sóng vô tuyến có bước sóng thật ngắn. Trong kỹ thuật vô
tuyến, người ta biết rằng : Muốn tạo được các luồng sóng vô tuyến có bước sóng càng ngắn
thì phải có các máy phát sóng có kích thước càng nhỏ. Như vậy, các kỹ thuật gia trước một
vấn đề nan giải là : Không thể chế tạo được các máy phát sóng có kích thước quá nhỏ. Để
giải quyết khó khăn này, người ta đã nghỉ tới loại máy phát sóng vô cùng nhỏ có sẵn trong
thiên nhiên : Đó là các nguyên tử, các phân tử vật chất. Thực vậy, chúng ta đã biết ánh sáng
là loại sóng điện từ có độ dài sóng ngắn phát ra bởi các nguyên tử hay phân tử. Vậy sự bế
tắc nói trên của ngành vô tuyến, trên nguyên tắc có thể được giải quyết. Tuy nhiên, một vấn
đề rất khó đặt ra trước các nhà khoa học, kỹ thuật là: Làm thế nào bắt các máy phát sóng tí
hon đó hoạt động theo ý muốn của con người. Vì chúng ta đã biết, sự phát sóng ánh sáng
của các nguyên tử, phân tử xảy ra hoàn toàn ngẫu nhiên, tự phát, không điều khiển được.
Các nguyên tử trong một nguồn sáng phát ra ánh sáng theo tất cả mọi phương với vô số
bước sóng khác nhau. Các sóng được phát ra không có liên hệ gì với nhau về biên độ cũng
như về pha. Một nguồn sáng như vậy không có lợi ích gì trong kỹ thuật vô tuyến.
Quá trình giải quyết vấn đề này (điều khiển được các bức xạ phát ra bởi các nguyên tử,
phân tử) đưa đến sự phát minh ra MASER (viết tắt của Microwave Amplification by
Stimulated Emission of Radiation) và LASER (Light Amplification by Stimulated Emission
of Radiation).
Hai nhà bác học Liên Xô Prôkhôrôp và Basôp và nhà bác học Mỹ Townes là những
người đã đóng góp rất nhiều trong việc đưa đến các phát minh trên (lãnh chung giải Nobel
về vật lý năm 1964).
Máy Maser đầu tiên được thực hiện năm 1954 ở Mỹ và Liên Xô.
Tháng 7/1960, máy Laser đầu tiên xuất hiện do công trình của Maimain.
§§2. SỰ PHÁT XẠ KÍCH ĐỘNG.
Ta đã biết rằng sự phát xạ bởi các hạt (nguyên tử, phân tử, ion) trong các nguồn sáng
thông thường là các quá trình xảy ra một cách tự phát, hoàn toàn ngẫu nhiên. Khi nhận được
một năng lượng thích hợp, hạt sẽ từ trạng thái bền nhảy lên trạng thái kích thích có mức
năng lượng cao hơn. Sau một thời gian, hạt sẽ rơi trở về trạng thái bền và phóng thích năng
lượng (đã hấp thụ) dưới dạng ánh sáng, nghĩa là phát ra photon.
Năm 1917, khi nghiên cứu quá trình tương tác giữa ánh sáng và vật chất, Einstein cho
rằng : Không những các hạt phát xạ một cách ngẫu nhiên như trên mà còn có thể phát xạ do
tác động của bên ngoài. Khi ta chiếu vào hệ một bức xạ, thì các hạt đang ở mức năng lượng
kích thích E2 sẽ rơi trở về căn bản E1 và phát ra bức xạ : Đó là hiện tượng bức xạ kích thích
động (hay bức xạ ứng, bức xạ cưỡng bức). Đây là cơ sở hoạt động của máy Laser.
Bây giờ ta xét trường hợp đơn giản : các hạt thay đổi giữa hai mức năng lượng E1 (căn
bản) và E2 (kích thích). Khi ta kích thích bằng quang tử (photon) có năng lượng.
- h a n g e Vi h a n g e Vi
XC XC
e e
F- F-
w w
PD
PD
er
er
!
!
W
W
O
O
N
N
y
y
bu
bu
hν = E2 – E1
to
to
k
k
lic
lic
C
C
w
w
m
m
w w
w
w
o
o
.c .c
.d o .d o
c u -tr a c k c u -tr a c k
Thì các hạt từ mức E1 sẽ nhảy lên mức E2. Giả sử vào một thời điểm t, hệ khảo sát có n1
hạt ở mức căn bản E1 và n2 hạt ở mức kích thích E2. Số hạt từ mức E1 nhảy lên mức E2
trong thời gian từ thời điểm t tới thời điểm t’ = t + dt là :
- dn1 = Bn1 ζ dt
B : là một hệ số dương, được gọi là xác xuất hấp thụ.
( : là mật độ năng lượng kích thích.
Số hạt ngẫu nhiên rơi trở về mức căn bản trong thời gian trên là:
- dn2 = A n2 dt
A : hệ số dương, được gọi là xác xuất phát xạ tự nhiên.
Số hạt phát xạ do kích động trong cùng thời gian trên là:
- dn*2 = Bn2 ζ dt
B: xác xuất phát xạ kích động, giả thuyết bằng xác xuất hấp thụ.
Khi hệ đạt tới sự cân bằng nhiệt động lực học, số hạt ở mức E2 không thay đổi, vậy số
hạt đi lên mức E2 phải bằng số hạt rơi trở về mức căn bản.
= - dn2 – dn*2
- dn1
Bn1 ζ dt = A n2 dt + Bn2 ζ dt
Hay
Bn1 ζ = (A + B ζ) n2
Suy ra
Vậy ĉ
Nghĩa là số hạt ở mức năng lượng kích thích E2 (cao hơn) bao giờ cũng ít hơn ở mức
năng lượng căn bản E1 (thấp hơn).
Tóm lại, khi ta chiếu vào hệ một chùm tia sáng kích thích có năng lượng photon là h( thì
trong một thời gian dt sẽ làm cho một số hạt từ trạng thái cơ bản E1 nhảy lên trạng thái kích
thích E2 (sự hấp thụ), trong thời gian đó, một số hạt từ mức E2 tự phát rơi trở về E1, một số
hạt khác bị đụng với photon kích thích cũng rơi trở về E1 (sự phát xạ ngẫu nhiên và phát xạ
kích động). Nhưng luôn luôn n2 < n1. Do đó, các photon kích thích h( gặp các hạt ở mức E1
nhiều hơn gặp các hạt ở mức E2, nghĩa là hiện tượng hấp thụ mạnh hơn hiện tượng phát xạ
ánh sáng. Vì vậy, ở điều kiện bình thường, khi đi qua một môi trường vật chất bao giờ ánh
sáng cũng bị yếu đi.
Khi một photon h( gặp một hạt ở trạng thái kích thích và làm hạt này rơi trở về mức căn
bản thì photon được hạt phóng thích cũng là h( (năng lượng do hạt hấp thụ khi đi từ E1 lên
E2), photon mới sinh ra này hoàn toàn giống photon kích
hv
động (về hướng đi, bước sóng, sóng, pha, tính phân cực).
E2
Như vậy kết quả của sự kích động là từ một photon tới
hv
hạt, ta được hai photon phát xạ.
hv
E1
H. 1
nguon tai.lieu . vn
