Hiện tượng quang học nào bản chất sóng của ánh sáng giải thích được các hiện tượng

Thuyết sóng ánh sáng không thể giải thích được hiện tượng quang điện.

Chọn đáp án B

CÂU HỎI HOT CÙNG CHỦ ĐỀ

Tags:

(Bạn phải Đăng nhập hoặc Đăng ký để trả lời bài viết.)

Nghiên cứu chương trình Vật lí phổ thông- Phần Sóng ánh sángn = f ( λ ) = ϕ ( ω ) với λ = c / n [1]Tóm lại: “sự tán sắc ánh sáng là sự phân tích một chùm ánh sáng trắng (ánhsáng phức tạp) thành các chùm ánh sáng đơn sắc khác nhau”. Ánh sáng trắng khi điqua lăng kính thì bị phân tích thành các các chùm sáng đơn sắc khác nhau và lệch đinhững góc khác nhau, ánh sáng tím bị lệch nhiều nhất, ánh sáng đỏ bị lệch ít nhất,giữa hai màu này là tất cả các màu khác của quang phổ.2.1.4. Giải thích hiện tượng tán sắc ánh sángTheo thuyết êlectron cổ điển về sự tán sắc ánh sáng, hiện tượng này xảy ra dosự tương tác của ánh sáng với các hạt mang điện cấu tạo nên môi trường. Trongtrường điện từ xoay chiều của sóng ánh sáng, các điện tích này sẽ thực hiện các daođộng cưỡng bức. Biên độ của dao động cưỡng bức phụ thuộc vào hiệu (v-v 0) giữa tầnsố ánh sáng kích thích v và tần số dao động riêng v0 của điện tích. Đối với ánh sángnhìn thấy được ( v : 1015 Hz ) thì chỉ có êlectron vành ngoài, có liên kết yếu nhất vớicác nguyên tử, ion hay phân tử, mới có những dao động cưỡng bức đáng kể. Nhữngêlectron này gọi là các êlectron quang học. Dao động của các êlectron quang học kéotheo sự thay đổi mômen lưỡng cực điện của phân tử và do đó, có sự thay đổi của độphân cực điện, độ điện thẩm, hằng số điện môi. Mặt khác, chiết suất của mội trườnglại có liên quan đến hằng số điện môi n = εµ . Như vậy, ta đã giải thích được mộtcách gián tiếp sự phụ thuộc của chiết suất của môi trường vào tần số của ánh sángkích thích.Đi sâu hơn nữa vào cơ chế truyền sóng điện từ trong môi trường , ta thấy khicác êlectron quang học dao động cưỡng bức thì chúng phát ra các sóng điện từ thứcấp. Vì khoảng cách trung bình giữa các phân tử của môi trường rất nhỏ, so với chiềudài của một đoàn sóng, nên những sóng thứ cấp do các êlectron quang học nằm trongmột số rất lớn phân tử cạnh nhau là kết hợp với nhau và kết hợp với sóng sơ cấp. Dođó, khi gặp nhau, chúng sẽ giao thoa với nhau. Kết quả của sự giao thoa phụ thuộcvào sự tương quan biên độ và pha của sóng thành phần. Trong môi trường đồng tínhvà đẳng hướng về quang học, theo các phương khác với phương truyền sóng sơ cấpthì các sóng thứ cấp triệt tiêu lẫn nhau, chỉ còn lại sóng truyền theo phương truyềncủa sóng sơ cấp. Đồng thời, sóng tổng hợp cứ chậm pha dần, tức là vận tốc pha củaLớp LL&PPDH Vật lí. K2315Nghiên cứu chương trình Vật lí phổ thông- Phần Sóng ánh sángsóng giảm đi so với trường hợp truyền trong chân không. Vận tốc pha này rõ ràng phụthuộc vào tần số của ánh sáng kích thích.Như vậy, chiết suất của một môi trường không giống nhau đối với các ánhsáng thấy được. Chiết suất của một chất đối với ánh sáng đơn sắc bằng tỉ số giữa vậntốc ánh sáng truyền trong chân không (c) và vận tốc của ánh sáng truyền trong chất đó(v).n = c / v hay n=λ0T / λT = λ0 / λÁnh sáng đơn sắc khi truyền từ môi trường này sang môi trường khác tần sốkhông thay đổi, còn bước sóng có thể thay đổi, màu sắc được xác định bằng tần sốchứ không phải bằng bước sóng cho nên khi ánh sáng truyền qua những môi trườngkhác nhau thì nó vẫn không thay đổi màu. Theo định luật khúc xạ ánh sáng, góc lệchcủa một tia sáng đơn sắc khúc xạ qua lăng kính phụ thuộc vào chiết suất của lăngkính, chiết suất của lăng kính càng lớn thì góc lệch càng lớn và ngược lại.Như vậy, các chùm sáng đơn sắc có màu khác nhau trong chùm ánh sáng trắng,sau khi khúc xạ qua lăng kính, bị lệch các góc khác nhau, trở thành tách rời nhau. Kếtquả, chùm ánh sáng trắng sau khi đi qua lăng kính bị trải rộng ra thành nhiều chùmđơn sắc, tạo thành quang phổ của ánh sáng trắng.2.1.5. Ứng dụng hiện tượng tán sắc2.1.5. 1. Giải thích hiện tượng cầu vồngHiện tượng tán sắc xãy ra đồng thời với hiện tượng khúc xạ nên rất phổ biến.Tuy nhiên thường các màu hay bị lẫn với màu trắng nên ta không nhận thấy hiệntượng tán sắc. Để nhìn thấy hiện tượng tán sắc qua một lần khúc xạ, ta hãy nhìn mộthạt gạo hoặc mảnh sứ trắng trong nước sâu, mắt đặt gần mặt nước. Ta thấy ảnh hạtgạo nhòe thành dải nhiều màu. Một góc bể cá vàng hình hộp có thể coi như lăng kínhbằng nước, có góc chiết quang 90 0. Để mắt nhìn sát mặt bên, ta cũng thấy quang phổnhiều màu nếu ở phía mặt bên vuông góc có một ngọn đèn..Cũng tương tự nhưhiện tượng cầu vồng, đó làgiọt sương có màu rất đẹpkhi có ánh sáng mặt trờichiếu vào, nếu ta nhìn nó16Lớp LL&PPDH Vật lí. K23Hình 4. Cầu vồng đơn và cầu vồng képNghiên cứu chương trình Vật lí phổ thông- Phần Sóng ánh sángtừ một vị trí thích hợp. Bây giờ ta xét ví dụ về hiện tượng tán sắc ánh sáng trong tựnhiên là cầu vồng.Cầu vồng là hiện tượng tán sắc ánh sáng Mặt trời qua các giọt nước nhỏ cótrong khí quyển.Hình 5 minh họa nguyên tắc tạo ra cầu vồng. Tia sáng Mặt trời tới một giọt nước mưarơi xuống từ đám mây, bị khúc xạ lần đầu, sau đó bị phản xạ trong giọt nước, và cuốicùng bị khúc xạ lần thứ hai ra khỏi giọt nước đi tới mắt ta. Người ta chứng minh đượcrằng, chùm tia ló khỏi giọt nước đạt cường độ cực đại khi độ lệch trung bình của nóđối với chùm tia tới vào khoảng 400 ÷ 420 . Giọt nước đóng vai trò một hệ tán sắcgiống như lăng kính: chùm tia tím T bị lệch nhiều hơn chùm tia đỏ Đ.Một người muốn trông thấy cầu vồng phải đảm bảo hai điều kiện:-Người quan sát phải ở khoảng giữa Mặt trời và các giọt nước mưa.-Góc giữa mặt trời, giọt nước, người quan sát phải nằm trong khoảng400 ÷ 420 .Hình 5. Sự tạo thành cầu vồngB là đám mây tạo mưaS là chùm sáng Mặt trờiO là mắt quan sát viên đứng trên mặt đấtG là giọt nước, tại đó có sự khúc xạ và phảnxạ tia sáng mặt trời tới nó.O là mắtquan sátDo hai điều kiện đó, ta chỉ có thể trông thấy cầu vồng tạo nên bởi những giọt nướcmưa trên bầu trời vào buổi sáng và buổi chiều. Ở biên trên của cầu vồng là tia đỏ đếntừ những giọt nước mưa phía trên, ứng với góc 420 . Còn ở biên giới của cầu vồng làtia tím đến từ những giọt nước mưa ở phía dưới, ứng với góc 400 . Nằm ở giữa theothứ tự từ trên xuống là các tia sáng màu cam, vàng, lục và chàm, gộp với hai màungoài cùng đỏ và tím thành bảy sắc cầu vồng. Nếu tia sáng mặt trời phản xạ hai lầnbên trong các giọt nước thì sẽ hình thành cầu vồng kép. Chiếc cầu vồng thứ hai có thứtự ngược lại với chiếc cầu vồng thứ nhất, tức là màu tím ở trên cùng, rồi đến các màuchàm, lam, lục, vàng, cam, đỏ (Hình 4).2.1.5.2. Máy quang phổ lăng kínhHiện tượng tán sắc ánh sáng được ứng dụng trong các máy quang phổ để phântích thành phần quang phổ của nguồn sáng.Lớp LL&PPDH Vật lí. K2317Nghiên cứu chương trình Vật lí phổ thông- Phần Sóng ánh sángMáy quang phổ là dụng cụ dùng để phân tích chùm sáng có nhiều thành phần thànhnhững thành phần đơn sắc khác nhau. Nói khác đi, nó dùng để nhận biết các thànhphần cấu tạo của một chùm sáng phức tạp do một nguồn sáng phát ra.Máy quang phổ lăng kính là máy quang phổ dùng lăng kính để phân tích chùm sáng.Hình 13Xét cấu tạo của máy quang phổ lăng kính. Máy quang phổ lăng kính có cấu tạo gồmcó 3 bộ phận chính:Ống chuẩn trực CBộ phận này có tác dụng làm cho ánh sáng phát ra từ nguồn sáng J cần nghiêncứu trở thành chùm tia song song. Đầu ống chuẩn trực có khe hẹp S.Lăng kính PBộ phận này có tác dụng làm tán sắc ánh sáng. Trong máy quang phổ lăngkính, lăng kính P phải được đặt ở góc lệch cực tiểu đối với bức xạ trung bình. Nếulăng kính làm bằng thủy tinh thì máy quang phổ cho phép ta chụp được các vạchtrong dải từ 360 nm đến 800 nm. Bức xạ ứng với chiết suất bằng trung bình cộng củachiết suất ứng với hai bức xạ giới hạn trên được gọi là bức xạ trung bình. Trên kínhảnh, các vạch quang phổ ứng với nó sẽ nằm gần đúng ở giữa quang phổ.Lớp LL&PPDH Vật lí. K2318Nghiên cứu chương trình Vật lí phổ thông- Phần Sóng ánh sángLăng kính phải đặt ở góc lệch cực tiểu, vì theo lý thuyết về lăng kính, ảnh củakhe máy quang phổ tức là vạch quang phổ chỉ rõ nét với hai điều kiện:- Chùm sáng qua lăng kính là chùm song song- Lăng kính đặt ở góc lệch cực tiểuTrong thực tế, lăng kính chỉ đặt đúng ở góc lệch cực tiểu đối với bức xạ trung bình,nhưng đối với các bức xạ khác, góc lệch cũng không khác góc lệch cực tiểu baonhiêu.Buồng ảnhBộ phận này là hộp kín dùng để thu ảnh quang phổ của nguồn sáng J. Phíatrước buồng ảnh là một thấu kính hội tụ có tác dụng làm chùm tia ló sau khi ra khỏilăng kính P thì hội tụ ngay trên bề mặt của kính ảnh F. Người ta có thể thay thếbuồng ảnh bằng một ống ngắm để quan sát hình ảnh của quang phổ.Khi máy phân tích quang phổ hoạt động, ánh sáng phát ra từ nguồn J sau khiqua khỏi lăng kính bị tách ra thành các chùm sáng đơn sắc lệch theo các phương khácnhau. Thấu kính hội tụ L2 làm các chùm tia ló sau khi ra khỏi lăng kính P hội tụ ngaytrên bề mặt của kính ảnh F. Nếu nguồn sáng J gồm hai thành phần đơn sắc có bướcsóng λ1 và λ2 thì trên kính ảnh ta thu được hai vạch sáng đơn sắc S 1, S2 phân biệt trênnền tối. Nếu nguồn sáng J là một nguồn ánh sáng trắng thì trên kính ảnh ta thu đượcmột dải màu liên tục từ đỏ đến tím. Dải màu này là quang phổ liên tục của nguồn ánhsáng trắng.2.1.5.3. Quang phổ liên tụcĐịnh nghĩaQuang phổ liên tục là một dải sáng có màu biến đổi liên tục từ đỏ đến tím.Thực ra, quang phổ liên tục gồm các vạch màu đơn sắc riêng rẽ nhưng nằm sátnhau đến mức nối liền với nhau tạo thành một dải màu liên tục.Đối với các vật có nhiệt độ không quá cao thì quang phổ liên tục do vật ấy phátra chỉ có một phần - ví dụ chỉ có vùng đỏ, cam nếu nhiệt độ của vật khoảng 1000 0C.Hai quang phổ liên tục được gọi là giống nhau, khi cả hai chứa cùng dải màu, và độsáng (đúng ra là độ chói) của các dải màu đó phải bằng nhau.Lớp LL&PPDH Vật lí. K2319Nghiên cứu chương trình Vật lí phổ thông- Phần Sóng ánh sángVí dụ, nếu quang phổ thứ nhất chỉ trải dài từ màu đỏ cho đến màu lam (thiếumàu chàm và màu tím), thì quang phổ thứ hai cũng chỉ được trải dài đến màu lam, vàđộ sáng của mọi màu, từ màu đỏ đến màu lam, trên hai quang phổ phải bằng nhau.Hai quang phổ liên tục cho bởi hai vật khác nhau, tuy ở cùng một nhiệt độ, thì nóichung, vẫn khác nhau. Chỉ khi nào hai vật ấy cùng có thể được coi là vật đen tuyệt đối– ví dụ, một cục than và một thanh vonfam – thì quang phổ của chúng mới giốngnhau. Miếng sắt, và nhất là miếng sứ, khó có thể coi là vật đen. Để quang phổ chúnggiống nhau, miếng sứ phải có nhiệt độ cao hơn miếng sắt.Nguồn phát ra quang phổ liên tụcCác vật rắn, lỏng hoặc các khối khí có tỉ khối lớn khi bị nung nóng sẽ phát raquang phổ liên tục. Ví dụ như bóng đèn dây tóc, Mặt trời...Đặc điểm của quang phổ liên tục- Không phụ thuộc thành phần cấu tạo của nguồn sáng mà chỉ phụ thuộc nhiệtđộ của nguồn sáng.- Ở nhiệt độ càng cao quang phổ liên tục càng mở rộng dần về phía bước sóngngắn (đầu tím của dãy quang phổ). Ở nhiệt độ từ 2500 K đến 3000 K, quang phổ liêntục của vật phát sáng có đầy đủ màu sắc từ đỏ đến tím.- Quang phổ liên tục của các nguồn sáng khác nhau phát ra ở cùng nhiệt độ lànhư nhau.Nguyên nhânLớp LL&PPDH Vật lí. K2320Nghiên cứu chương trình Vật lí phổ thông- Phần Sóng ánh sángQuang phổ này do một hệ thống các nguyên tử của vật phát ra trong trạng tháitương tác với nhau (do ở gần nhau). Ở trạng thái này, theo Cơ học lượng tử, các mứcnăng lượng đều bị suy biến rất mạnh, và năng lượng của bức xạ nhiệt là do cácnguyên tử phát ra tuân theo phân bố thống kê lượng tử Bose-Einstein:Nf =Nhf exp  − 1 kT (trong đó N f là số nguyên tử phát ra bức xạ có tần số f , N là tổng số nguyên tử, h làhằng số Plăng, k là hằng số Bôn-xơ-man, T là nhiệt độ tuyệt đối của hệ (vật)). Sựphân bố này hoàn toàn không phụ thuộc vào cấu tạo của vật phát xạ mà chỉ phụ thuộcvào nhiệt độ của vật.Ứng dụngDùng để đo nhiệt độ của các vật có nhiệt độ rất cao như dây tóc bóng đèn, lòcao hoặc các thiên thể. Để đo nhiệt độ của một vật bị nung sáng, người ta so sánh độsáng của vật đó với độ sáng của một dây tóc bóng đèn ở một vùng bước sóng nào đó.Nhiệt độ của dây tóc bóng đèn ứng với những độ sáng khác nhau đã hoàn toàn đượcbiết trước.2.1.5.4. Quang phổ vạch phát xạĐịnh nghĩaQuang phổ vạch phát xạ là một hệ thống gồm các vạch màu riêng rẽ nằm trênmột nền tối.Lớp LL&PPDH Vật lí. K23Hình 18. Quang phổ vạch phát xạ của một sốnguyên tố21Nghiên cứu chương trình Vật lí phổ thông- Phần Sóng ánh sángNguồn phát ra quang phổ vạch phát xạQuang phổ vạch phát xạ do các chất khí hay hơi ở áp suất thấp được kích thíchđến phát sáng phát ra.Có thể kích thích cho một chất khí hay hơi phát sáng bằng cách đốt nóng hoặcphóng tia lửa điện qua khối khí đó.Đặc điểm của quang phổ vạch phát xạQuang phổ vạch phát xạ của các nguyên tố khác nhau thì khác nhau về sốlượng các vạch quang phổ, vị trí của các vạch, màu sắc và độ sáng tỉ đối của các vạch.Như vậy mỗi nguyên tố hóa học ở trạng thái khí hay hơi nóng sáng dưới áp suất thấpcho một quang phổ vạch đặc trưng cho nguyên tố đó.Ứng dụngQuang phổ vạch phát xạ dùng để xác định sự có mặt của một nguyên tố trongmột hợp chất hay hỗn hợp, tức là xác định thành phần cấu tạo của hợp chất hay hỗnhợp đó.2.1.5.5. Quang phổ vạch hấp thụ (Quang phổ hấp thụ nguyên tử)Định nghĩaQuang phổ vạch hấp thụ là hệ thống các vạch tối (vạch đen) trên nền quangphổ liên tục.Lớp LL&PPDH Vật lí. K2322Nghiên cứu chương trình Vật lí phổ thông- Phần Sóng ánh sángHình 15. Quang phổ vạch hấp thụĐiều kiện phát sinhTrên đường đi của một chùm ánh sáng trắng có một khối khí hay hơi ở áp suấtthấp trong trạng thái bị kích thích phát sáng.Điều kiện để thu được quang phổ vạch hấp thụ là n hiệt độ của khối khí hayhơi phát sáng phải nhỏ hơn nhiệt độ của nguồn phát ra ánh sáng trắng.Ví dụ như khikích thích cho mộtkhối hơi natri (Na)ở áp suất thấp phátsáng thì trên mànảnhcủamáyquang phổ xuấthiện hai vạch vàngHình 16. Quang phổ vạch hấp thụcủa Nađặc trưng của nguyên tố Na. Bây giờ chiếu ánh sáng Mặt Trời (là nguồn phát ánh sángtrắng có nhiệt độ rất cao) đi ngang qua khối hơi Na đó thì thấy trên màn ảnh của máyquang phổ xuất hiện hai vạch đen cùng vị trí với hai vạch màu vàng nói trên. Ta nóirằng khối khí Na đã hấp thụ hai bức xạ màu vàng. Nếu di chuyển khối hơi Na đó rakhỏi đường đi của chùm ánh sáng Mặt Trời ta lại có quang phổ liên tục đầy đủ củaánh sáng Mặt Trời.Thực ra quang phổ của ánh sáng Mặt Trời mà ta thu được trên Trái Đất làquang phổ vạch hấp thụ vì ánh sáng trắng phát ra từ bề mặt của Mặt Trời phải đingang qua bầu khí quyển của nó (đang phát sáng nhưng có nhiệt độ thấp hơn).Với máy quang phổ có độ phân giải cao người ta quan sát thấy có rất nhiều cácvạch đen trong quang phổ của ánh sáng Mặt Trời mà bình thường (với các máy quangphổ có độ phân giải thấp) ta không thấy được.Hình ảnh sau đây là một phần nhỏ của quang phổ vạch hấp thụ của ánh sángMặt Trời (có bề rộng 50 nm trong vùng đỏ)Lớp LL&PPDH Vật lí. K2323Nghiên cứu chương trình Vật lí phổ thông- Phần Sóng ánh sángHình 17. Quang phổ vạch hấp thụ của ánh sángmặt trờiNhờ nghiên cứu chi tiết quang phổ vạch hấp thụ của ánh sáng Mặt Trời màngười ta phát hiện ra khí hêli có trong khí quyển của Mặt Trời trước khi phát hiệnthấy hêli trên Trái Đất.Hiện tượng đảo sắc các vạch quang phổKhảo sát quang phổ hấp thụ của nhiều chất khác nhau, ta thấy chúng cũng làquang phổ vạch, nhưng vạch phổ sáng khi phát xạ trở thành vạch tối trong quang phổhấp thụ. Hiện tượng đó gọi là sự đảo vạch quang phổ.Đặc điểm của quang phổ vạch hấp thụ và ứng dụngQuang phổ vạch hấp thụ của mỗi nguyên tố có tính chất đặc trưng riêng chonguyên tố đó. Vì vậy, có thể căn cứ vào quang phổ vạch hấp thụ để nhận biết sự cómặt của nguyên tố đó trong hỗn hợp hay hợp chất.Giải thích sự hình thành quang phổ vạchQuang phổ vạch phát xạ hay hấp thụ do các nguyên tử phát ra hoặc hấp thụ khiở trong trạng thái cô lập nên tương tác giữa chúng rất nhỏ, coi như không đáng kể. Dođó các mức năng lượng của nguyên tử không bị suy biến, các vạch quang phổ phát xạhay hấp thụ xuất hiện do sự chuyển mức năng lượng của nguyên tử. Ta biết rằng cácnguyên tử khác nhau sẽ có hiệu mức năng lượng giữa các lớp K, L, M...là khác nhau.Lớp LL&PPDH Vật lí. K2324Nghiên cứu chương trình Vật lí phổ thông- Phần Sóng ánh sángVì vậy mỗi nguyên tố sẽ có các vạch quang phổ đực trưng và hiện tượng đảo sắc làđương nhiên.2.1.5.6. Phép phân tích quang phổĐịnh nghĩaPhân tích quang phổ là phương pháp Vật lí dùng để xác định thành phần hóahọc của một chất (hay hợp chất, dựa vào việc nghiên cứu quang phổ của ánh sáng dochất ấy phát ra hoặc hấp thụ .Ưu điểm của phép phân tích quang phổNhờ phép phân tích quang phổ người ta biết được thành phần cấu tạo và nhiệtđộ của các thiên thể như Mặt Trời và các ngôi sao ở rất xa, sự có mặt của các nguyêntố khác nhau trong mẫu vật nghiên cứu.Phép phân tích quang phổ gồm phép phân tích quang phổ định tính và phépphân tích quang phổ định lượng:- Phép phân tích quang phổ định tính được sử dụng khi muốn nhận biết sự cómặt của nguyên tố trong hỗn hợp hay hợp chất.- Phép phân tích quang phổ định lượng được sử dụng khi muốn đo nồng độcủa các thành phần trong mẫu cần phân tích.2.2. Hiện tượng nhiễu xạ2.2.1. Sơ đồ thí nghiệmTrên hình 6, khi ánh sáng truyền từ nguồn Squa một lỗ tròn trên màng chắn P, trên màn quan sát Enhận được một vệt sáng tròn. Nếu thu nhỏ kích thướccủa lỗ lại thì theo định luật truyền thẳng, kích thướccủa ab của lỗ cũng nhỏ lại.Lớp LL&PPDH Vật lí. K2325Hình 6