Bài giảng Vật lý hiện đại - Chương 3: Nguyên tử - Trần Thị Tâm

11 Ch−¬ng III: Nguyªn töCh−¬ng III: t 3.1 Nguyªn tö vµ c¸c tÝnh chÊt cña nguyªn tö Nguyên tử là gì? Nguyên tử là những block cơ bản của vật chất, xây dựng nên tất cả mọi vật xung quanh chúng ta. Cái bảng, không khí và ngay cả chúng ta đều được cấu tạo từ những nguyên tử. Người ta đã tìm ra được 90 loại nguyên tử tồn tại tự nhiên và các nhà khoa học đã chế tạo ra được quãng 25 loại trong các phòng thí nghiệm. Ngày 23/07/2004 đã phát hiện ra nguyên tố thứ 113 tại Riken, Nhật bản. g yê t là gì?u n ử guyên t là nh ng block c bản của vật chất, xây d ng ử ữ ơ ự nên tất cả ọi vật xung quanh chúng ta. ái bảng, không khí và ngay cả chúng ta đều đ c cấu tạo t nh ng ượ ừ ữ nguyên t .ử g i ta đã tì ra đ c 90 loại nguyên t tồn tại t nhiên ườ ượ ử ự và các nhà khoa học đã chế tạo ra đ c quãng 25 loại ượ trong các phòng thí nghiệ . gày 23/07/2004 đã phát hiện ra nguyên tố th 113 tại ứ iken, hật bản. 2 Một số tÝnh chÊt của nguyªn tử: a. Các nguyên tử được sắp xếp theo một sơ đồ hệ thống. b. Các nguyên tử phát xạ và hấp thụ ánh sáng. Tần số v của ánh sáng được phát xạ (hấp thụ) đáp ứng điều kiện tần số của Bohr: hv = Ej – Ek c. Các nguyên tử có moment xung lượng và từ tính. 3 24 §å thÞ biÓu diÔn n¨ng l−îng ion hãa 5 3.2 Ph−¬ng tr×nh SchrÖdinger (SE) vµ nguyªn tö Hydro → SE - Là định đề cơ bản của QM thay vào chổ của các định luật chuyển động của Newton trong thế giới lượng tử. Các yêu cầu cơ bản đối với phương trình Schrodinger ¾ phải là phương trình chứa đạo hàm của theo thời gian của hàm sóng, bởi nó mô tả sự phụ thuộc theo thời gian của hàm sóng. ¾ phải là phương trình tuyến tính bởi nếu như ψ1 và ψ2 là lời giải của phương trình, thì tổ hợp tuyến tính c1ψ1+c2ψ2 cũng phải là lời giải của phương trình. ¾ các hệ số không được chứa các thành phần phụ thuộc vào trạng thái như năng lượng, moment xung lượng, nếu không sự áp dụng của phương trình sẽ bị giới hạn. 6 Ta đã có hàm sóng đối với hạt tự do: ( ) )(0, rptE i p Petr rr hr −−Ψ=Ψ ψψ Ei t h−=∂ ∂ ψψ h xip x −=∂ ∂ ψψ 2 2 2 2 h xp x −=∂ ∂ ψψψψψ 2 2 2 2 2 2 2 2 2 h p zyx −=∇=∂ ∂+∂ ∂+∂ ∂ ⇒ ⇒ 37 Ta thấy phương trình này đáp ứng được các yêu cầu đối với SE. Nhận thấy: → Các toán tử này là toán tử năng lượng và moment m pE 2 2 = ψψ 2 2 2 ∇−=∂ ∂ mt i hh ∇−→∂ ∂→ hrh ip t iE , ⇒ 8 Nếu khi hạt không tự do và nằm trong trường thế Ta có Phương trình này do nhà bác học người Áo Ervin Schrodinger đưa ra đầu tiên năm 1926. ( )rU r )( 2 2 rU m pE r+= ( )ψψψ rU mt i rhh +∇−=∂ ∂ 22 2 ⇓ Hàm thế năng của hệ à thế năng của hệ p.t. Schrodingerp.t. Schrodinger -Hàm sóng -Năng lượng -Moment xung lượng - Moment từ - à sóng - ăng lượng - o ent xung lượng - o ent từ →→ 9 3.3 N¨ng l−îng cña c¸c tr¹ng th¸i cña nguyªn tö hydro Với n =1, 2, 3 . là các số nguyên và được gọi là số lượng tử chính. eV nn E nh meEn 22 1 222 0 4 6,131. 8 −=−=   −= ε 410 3.4 Moment quü ®¹o vµ tõ tÝnh ƒđộ lớn của moment quỹ đạo bằng với ƒ được gọi là số lượng tử quỹ đạo ƒ = 0, 1, 2, 3(n - 1) l hll )1( +=L π2 h=h l Số lượng tử từ lm •độ lớn của vectơ trên trục z:L r hlmL z= lm• là số lượng tử từ, nó chỉ có thể nhận được các giá trị: ll ±±±= ,....2,1,0m •Sự hạn chế đối với hướng của vectơ moment xung lượng được gọi là sự lượng tử hoá không gian. 11 12 Mét m« h×nh vect¬ h÷u Ých hL ≅∆∆ θ. L z µ hlmL z= Bz m µµ ., ll −= Một khi chúng ta xác định được số lượng tử từ, có nghĩa là Lz được biết chính xác; tức là = 0. Phương trình trên khi đó yêu cầu rằng ∆θ cần phải lớn vô hạn, tức là chúng ta hoàn toàn không có thông tin gì về vị trí góc của vectơ moment xung lượng chuyển động tuế sai chung quang trục z. Chúng ta chỉ biết được độ lớn của L và hình chiếu Lz của nó trên trục z. ột khi chúng ta xác định được số lượng tử từ, có nghĩa là Lz được biết chính xác; tức là = 0. Phương trình trên khi đó yêu cầu rằng ∆θ cần phải lớn vô hạn, tức là chúng ta hoàn toàn không có thông tin gì về vị trí góc của vectơ o ent xung lượng chuyển động tuế sai chung quang trục z. Chúng ta chỉ biết được độ lớn của L và hình chiếu Lz của nó trên trục z. 513 Moment tõ quü ®¹o ll h mm m e Bz µµ −=−= 2 Magnetôn Bohr : m eh B πµ 4= = 9,274 . 10-24 J /T =5,788 . 10-5 eV /T L r h r Bµµ −= 14 3.5 Moment spin vµ moment tõ spin • Dù có bị nhốt trong nguyên tử hay không, các điện tử đều có moment xung lượng nội tại của riêng mình. Đây hoàn toàn là kết quả của QM - được Goldsmith & Uhlenbeck đưa ra dựa trên kết quả thực nghiệm. • Người ta gọi nó là moment spin và nó cũng bị lượng tử hoá không gian với các thành phần khả dĩ theo phương z được cho bởi • ù có bị nhốt trong nguyên tử hay không, các điện tử đều có o ent xung lượng nội tại của riêng ình. ây hoàn toàn là kết quả của - được olds ith hlenbeck đưa ra dựa trên kết quả thực nghiệ . • gười ta gọi nó là o ent spin và nó cũng bị lượng tử hoá không gian với các thành phần khả dĩ theo phương z được cho bởi h.zz mS = số lượng tử spin mz = +1/2 và –1/2 15 Các số lượng tử của nguyên tử hiđrô ∞ n (2 +1) 2 Năng lượng Moment quỹ đạo Moment quỹ đạo Moment spin 1, 2, 3 . 0, 1, 2 (n-1) 0, ±1, ±2,.. . .± ± 1/2 nSố lượng tử chính Số lượng tử quỹ đạo Số lượng tử từ Số lượng tử spin Số các giá trị khả dĩLiên quan với Các giá trị cho phépKý hiệuTên sm lm l l l 616 Hầu hết các số liệu thực nghiệm đều đòi hỏi rằng moment từ spin tương ứng của điện tử chỉ có các giá trị được cho bởi: Bszs m µµ .2, −= ⇒ Moment từ spin hai lần hiệu quả hơn moment quỹ đạo trong việc làm phát sinh ra từ tính. Moment tõ spin • Điện tử không bao giờ có thể tự xoay tròn (spin) với moment từ sắp đúng theo trục z. 17 3.6 Hµm sãng cña nguyªn tö hydro Hàm sóng toàn phần của nguyên tử hyđro được xác định bằng cách giải SE. • Mỗi trạng thái tương ứng với một bộ của 4 số n, l, ml ,và ms. • Một khi đã biết được hàm sóng ta có thể tính xác suất của từng trạng thái trong nguyên tử hyđro. 18 Ta bắt đầu từ trạng thái cơ bản, có các số lượng tử là: n = 1; l = 0 và ml = 0. Hàm sóng của trạng thái này, như chúng ta đã thấy từ chương II chỉ phụ thuộc vào r. Trạng thái có tính đối xứng cầu này có moment xung lượng bằng không là điều hợp lí, bởi vì tất cả các hướng đi qua tâm của nguyên tử nằm ở trạng thái này đều là hoàn toàn tương đương. Mật độ xác suất theo bán kính đối với trạng thái cơ bản là: Brr B er r rP /223 4)( −= 719 Giống như tất cả các trạng thái có l = 0, trạng thái này cũng có tính đối xứng cầu, mật độ xác suất theo bán kính của nó được cho bởi: Brr BB e r r r rrP / 2 3 2 2* 8 )( −    −   = Khảo sát hàm số này cho thấy P( r) = 0 khi r = 2rB. n = 2; l = 0 và ml = 0 20 Đối với n = 2, các trạng thái l = 1 cũng được phép. Có 3 trạng thái như thế được xác định bởi các số lượng tử ml sau: 0, + 1 và –1. Các giá trị của ml biểu diễn ba định hướng cho phép của vectơ moment quỹ đạo tương ứng với l = 1 Mật độ xác suất của ba trạng thái này không còn là đối xứng cầu nữa. Mật độ xác suất ở một điểm bất kỳ phụ thuộc không chỉ vào r tới điểm đó mà còn phụ thuộc vào góc θ giữa bán kính và trục z. n = 2; l = 1 và ml = 0; ± 1 21 lm = 0 822 3.7 ThÝ nghiÖm Stern-Gerlach • Những cố gắng phát hiện ra sự lượng tử hoá ml này bằng cách tìm ra sự khác nhau về năng lượng E bắt đầu từ năm 1920. • Stern – Gerlach (1922) đã thông báo về kết quả thực nghiệm với các nguyên tử Ag, đã chứng minh rõ ràng về sự lượng tử hoá không gian. 23 Họ đã làm như thế nào? • Cho một chùm nguyên tử đi qua một từ trường ngoài (Bext) không đều – moment từ của các nguyên tử có thể được được xem như những cục nam châm nhỏ với các cực N & S. 24 925 Lực tổng hợp FZ tác động lên nguyên tử là và bằng dz dU θµ cos  =−= dz dB dz dUFz Kết quả thực nghiệm 26 3.8 Céng h−ëng tõ h¹t nh©n (bài đọc thêm ở nhà) 27 3.9 Nguyªn tö nhiÒu ®iÖn tö – Nguyªn lý Pauli vµ b¶ng tuÇn hoµn Bốn số lượng tử xác định trạng thái của nguyên tử hyđro cũng được dùng để xác định trạng thái của các điện tử riêng biệt trong các nguyên tử có nhiều điện tử hơn. s l t c ị tr t i c yê ốn ố ợng xá đ nh ạng há ủa ngu n t y r c c ể c ị tr t i h đ o ũng đ ợ dùng đ xá đ nh ạng há c c c iệ t riê iệt tr c c yê t ủa á đ n ng b ong á ngu n c iề iệ t .ó nh u đ n hơn ⇒ Nguyên lí loại trừ Pauli: Hai điện tử không thể ở cùng trong một trạng thái lượng tử (n, l , ml , ms). 10 28 Ví dụ như nguyên tử He: ™ Có 2 điện tử ™ Trạng thái cơ bản là n = 1, l = 0, ml = 0, ms = +1/2 hay –1/2 ™ nếu ms1 = ms2 thì giá trị tổng ms = 1 ™ nếu ms1 ≠ ms2 thì giá trị tổng ms = 0 ™ nhưng giá trị ms quan sát được bằng thực nghiệm cho thấy ms = 0 ⇒ (1, 0, 0, +1/2) và (1, 0, 0, -1/2) í t dụ nh nguyên e: ó 2 điện t rạng thái c bản là n 1, l 0, l 0, s 1/2 hay –1/2 nếu s1 s2 thì giá trị tổng s 1 nếu s1 s2 thì giá trị tổng s 0 nh ng giá trị s quan sát đ c bằng th c nghiệ cho thấy s 0 (1, 0, 0, 1/2) và (1, 0, 0, -1/2) 29 Orbital •Nhóm các trạng thái của điện tử trong nguyên tử nhiều điện tử thành các orbital, mỗi orbital được đặc trưng bởi giá trị đã cho n và l. • Thông thường người ta gán cho mỗi giá trị số của l một chữ cái như sau: l = 0 1 2 3 4 5. chữ = s p d f g h • Trạng thái của nguyên tử thường được biểu thị giá trị của n bằng số, còn của l bằng chữ, thí dụ như 2s nghĩa là n = 2, còn l bằng 0. • hó các trạng thái của điện tử trong nguyên tử nhiều điện tử thành các orbital, ỗi orbital được đặc trưng bởi giá trị đã cho n và l. • hông thường người ta gán cho ỗi giá trị số của l ột chữ cái như sau: l = 0 1 2 3 4 5 . chữ = s p d f g h • rạng thái của nguyên tử thường được biểu thị giá trị của n bằng số, còn của l bằng chữ, thí dụ như 2s nghĩa là n = 2, còn l bằng 0. 30 • Số lượng tử chính n: số lượng tử chính n tương ứng với số n trong phương trình Bohr. Nó thể hiện mức năng lượng chính cho điện tử và có thể được xem như là lớp trong không gian, trong đó xác suất tìm thấy điện tử với giá trị n cá biệt cao • Số lượng tử quỹ đạo l : Số lượng tử này đặc trưng cho các mức năng lượng phụ nằm trong mức năng lượng chính và cũng đặc trưng cho các lớp phụ mà xác suất tìm thấy điện tử cao nếu như mức năng lượng đó bị chiếm • Số lượ tng ử chí nh n: số lượng tử chính n tương ứng với số n trong phương trình ohr. ó thể hiện ức năng lượng chính cho điện tử và có thể được xe như là lớp trong không gian, trong đó xác suất tì thấy điện tử với giá trị n cá biệt cao • Số lượ tng ử quỹ ạđ o l : Số lượng tử này đặc trưng cho các ức năng lượng phụ nằ trong ức năng lượng chính và cũng đặc trưng cho các lớp phụ à xác suất tì thấy điện tử cao nếu như ức năng lượng đó bị chiế 11 31 Sự kh¸c nhau giữa mức năng lượng và orbital • hạt nhân • Mức 1 s p d f • Mức 2 s p p • Mức 3 s p p p d d d d • Mức 4 s p p p d d d d d f f f f f f 32 •Số lượng tử từ ml là số lượng tử thứ 3. ml đặc trưng cho định hướng không gian của orbital nguyên tử đơn và có tác động nhỏ lên năng lượng của điện tử. Khi l = 0 thì ml chỉ có một giá trị được phép là 0. Khi l = 1 thì ml có 3 giá trị -1, 0, +1. Với tên s, p, d, f,.. của các orbital nêu trên thì có một s-orbital, 3 p-orbital. •Số lượng tử spin chỉ có tác động rất nhỏ lên năng lượng của điện tử. Hai điện tử có thể chiếm cùng một orbital ⇒ chúng phải có spin ngược nhau. •Số lượng cực đại các điện tử trong từng lớp tương ứng với một giá trị của n bằng 2n2 . •Số lượ tng ử từ l là số lượng tử thứ 3. l đặc trưng cho định hướng không gian của orbital nguyên tử đơn và có tác động nhỏ lên năng lượng của điện tử. hi l = 0 thì l chỉ có ột giá trị được phép là 0. hi l = 1 thì l có 3 giá trị -1, 0, +1. ới tên s, p, d, f,.. của các orbital nêu trên thì có ột s-orbital, 3 p-orbital. •Số lượ tng ử s ip n chỉ có tác động rất nhỏ lên năng lượng của điện tử. ai điện tử có thể chiế cùng ột orbital chúng phải có spin ngược nhau. •Số lượng cực đại các điện tử trong từng lớp tương ứng với ột giá trị của n bằng 2n2 . 33 Bảng tuần hoàn Mendeleev • Năm 1869 Mendeleev sắp xếp các nguyên tố vào bảng tuần hoàn dựa trên các tính chất hoá học của chúng. Cấu trúc điện tử của nguyên tử dẫn đến sự sắp xếp trất tự trong bảng tuần hoàn có thể hiểu được bởi áp dụng 2 nguyên tắc sau đây: 1. Các điện tử trong nguyên tử hướng tới chiếm mức năng lượng thấp nhất tương ứng với chúng. 2. Chỉ có một điện tử có thể ở trong trạng thái với hệ các số lượng tử đã cho (nguyên lí loại trừ Pauli) Chúng ta sẽ xem xét một vài nguyên tố làm thí dụ 12 34 Hydrogen (H) • Có các số lượng tử: (1, 0, 0, ±1/2) ở trạng thái cơ bản. Điện tử có thể ở một trong hai trạng thái này. • Khi không có từ trường bên ngoài, các trạng thái ms = +1/2 và ms = -1/2 là suy biến. • Điện tử ở trong lớp K (n = 1) và orbital 1s1. • Điện tử trong trạng thái cơ bản của nguyên tử hyđro được gọi là 1s1. y roge ( )d n • ó các số lượng tử: (1, 0, 0, ±1/2) ở trạng thái cơ bản. iện tử có thể ở ột trong hai trạng thái này. • hi không có từ trường bên ngoài, các trạng thái s = +1/2 và s = -1/2 là suy biến. • iện tử ở trong lớp (n = 1) và orbital 1s1. • iện tử trong trạng thái cơ bản của nguyên tử hyđro được gọi là 1s1. 35 Helium (He) • Trong nguyên tử He trung tính, 2 điện tử phải ở trong 2 trạng thái khác nhau. • Hai trạng thái điện tử là: (1, 0, 0, +1/2) và (1, 0, 0, -1/2) . Mỗi điện tử phải ở trong trạng thái này hay trạng thái kia của nguyên tử He ở trong trạng thái cơ bản. •Thực nghiệm chứng tỏ rằng hai điện tử có spin ngược nhau (moment spin đối chiều) hơn là có spin cùng chiều. • Hai điện tử tạo nên mối liên kết chặt chẽ khi chúng có spin ngược chiều -> chúng được gọi là tạo đôi -> và tổng moment spin bằng 0. • Trạng thái cơ bản của nguyên tử He là 1s2, như vậy có hai điện tử trong lớp K. eli ( e)u • Trong nguyên tử e trung tính, 2 điện tử phải ở trong 2 trạng thái khác nhau. • ai trạng thái điện tử là: (1, 0, 0, +1/2) và (1, 0, 0, -1/2) . ỗi điện tử phải ở trong trạng thái này hay trạng thái kia của nguyên tử e ở trong trạng thái cơ bản. •Thực nghiệ chứng tỏ rằng hai điện tử có spin ngược nhau ( o ent spin đối chiều) hơn là có spin cùng chiều. • ai điện tử tạo nên ối liên kết chặt chẽ khi chúng có spin ngược chiều -> chúng được gọi là tạo đôi -> và tổng o ent spin bằng 0. • Trạng thái cơ bản của nguyên tử e là 1s2, như vậy có hai điện tử trong lớp . 36 Lithium (Li) • Li có 3 điện tử, do vậy 2 điện tử đầu tiên sẽ ở trong lớp K với hai trạng thái (1, 0, 0, ±1/2) , còn điện tử thứ 3 sẽ ở trong lớp L (n = 2). • Trong lớp L, hai orbital có thể là 2s hoặc 2p – nguyên tắc 1 nói rằng điện tử sẽ chiếm trạng thái có mức năng lượng thấp nhất. • Như vậy điện tử sẽ nằm trong orbital 2s – có năng lượng thấp hơn. •Cấu trúc điện tử của Lithium là 1s22s1, và điện tử thứ 3 có các số lượng tử: (2, 0, 0, ±1/2). it i ( i)h u • i có 3 điện tử, do vậy 2 điện tử đầu tiên sẽ ở trong lớp với hai trạng thái (1, 0, 0, ±1/2) , còn điện tử thứ 3 sẽ ở trong lớp L (n = 2). • rong lớp L, hai orbital có thể là 2s hoặc 2p – nguyên tắc 1 nói rằng điện tử sẽ chiế trạng thái có ức năng lượng thấp nhất. • hư vậy điện tử sẽ nằ trong orbital 2s – có năng lượng thấp hơn. • ấu trúc điện tử của ithiu là 1s2 s1, và điện tử thứ 3 có các số lượng tử: (2, 0, 0, ±1/2). 13 37 1s 2p2s 3d3p3s 4f4d4p4s 5f5d5p5s 38 3.10 Tia X, sù ®¸nh sè nguyªn tö cña Moseley vµ phæ tia X • Tia X là các photon có bước sóng từ 0,1 ÷ 100 Å, được William Roentgen phát hiện ra năm 1895. • Tia X được tạo ra khi các điện tử năng lượng lớn đập vào một bia chất rắn, va chạm với nguyên tử của bia, truyền năng lượng cho các điện tử của ngtử. • Tia X được ứng dụng rất nhiều trong y tế, công nghiệp và còn cho chúng ta biết về cấu trúc nguyên tử khi nguyên tử hấp thụ hoặc bức xạ nó. • ia là các photon có bước sóng từ 0,1 ÷ 100 , được illia oentgen phát hiện ra nă 1895. • ia được tạo ra khi các điện tử năng lượng lớn đập vào ột bia chất rắn, va chạ với nguyên tử của bia, truyền năng lượng cho các điện tử của ngtử. • ia được ứng dụng rất nhiều trong y tế, công nghiệp và còn cho chúng ta biết về cấu trúc nguyên tử khi nguyên tử hấp thụ hoặc bức xạ nó. 39 èng ph¸t x¹ tia X 14 40 Phæ bøc x¹ tia X Phổ tia X của hai loại bia W và Mo tại cùng một hiệu điện thế gia tốc. Chú ý rằng tần số cắt vmax bằng nhau trong cả hai phổ. 41 Phæ liªn tôc cña tia X 42 Tồn tại một bước sóng cắt λmin, mà ngắn hơn nó không có bức xạ tia X. Giá trị của bước sóng cắt: minλ hchveV == ⇒ eV hc=minλ • Thay đổi theo thế gia tốc • Không phụ thuộc vào vật liệu bia • phổ liên tục khi λ > λmin ⇒Tồn tại bước sóng cắt λmin – đây hoàn toàn là hiệu ứng của QM & chỉ có thể giải thích bằng QM. Đây là hiệu ứng ngược lại với hiệu ứng quang điện 15 43 Phæ tia X ®Æc tr−ng Phổ vạch chồng lên phổ liên tục là năng lượng bức xạ đặc trưng cho các nguyên tố tạo thành bia, mà chùm điện tử năng lượng cao đập vào. Bởi vậy chúng mang tên bức xạ đặc trưng hay phổ tia X đặc trưng. 44 Moseley và phæ tia X 45 Nhờ công trình của Moseley, phổ tia X đặc trưng đã trở thành “chữ ký” được mọi người chấp nhận của các nguyên tố, nó cho phép giải được nhiều câu đố của Bảng tuần hoàn. Trước thời gian đó (1913) vị trí các nguyên tố được sắp xếp theo trọng lượng nguyên tử , mặc dù có một số trường hợp phải đảo lại vị trí do những bằng chứng hoá học ép buộc. Moseley đã chứng minh được rằng cơ sở thực sự để đánh số các nguyên tố là điện tích hạt nhân nguyên tử của các nguyên tố đấy. hờ cô trng ì cnh ủa sele , o y phổ tia ặđ c trư ng đã trở thà nh “chữ k ”ý được ọi người chấ p nhậ n của các nguyê tn ố, nó c ho phé ip g ải được inh ề u câ u đố của ả tng uầ n hoà . rn ước thời ia g n đó ( ) 1913 vị trí các nguyê tn ố được sắ p xế t e p h o trọ ng lượ yng ngu ê tn ử , ặc dù có ột số trườ ng hợ p phải ảđ lo ại vị trí do nhữ ng bằ cng hứ ng hoá học é p buộc. sele o y đã chứ i ng nh được rằ cng ơ sở thực sự ểđ đá snh ố các nguyê tn ố là điệ tn íc h hạt nhâ yn ngu ê tn ử của các nguyê tn ố ấđ .y 16 46 §å thÞ Moseley vµ lý thuyÕt Bohr Công thức Bohr cho tần số bức xạ tương ứng với chuyển dời giữa hai mức nguyên tử bất kỳ trong các nguyên tử đồng dạng với nguyên tử hiđrô (nói chính xác hơn là các ion đồng dạng với nguyên tử hiđrô): đối với chuyển dời cần phải thay Z bằng Z – 1 và đặt n1 = 1 và n2 = 2. Lấy căn hai vế ta được:     −= 2 2 2 1 32 0 24 11 8 nnh Zmev ε )1( 32 3 32 0 4 −= Z h mev ε ⇒ )1( −= Zv α 47 3.11 Sù t−¬ng t¸c cña ¸nh s¸ng vµ m«i tr−êng. Nguyªn lý ho¹t ®éng, tÝnh chÊt vµ øng dông cña laser . 3 11 t t i t . r l t , tÝ t l r •LASER - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation có nghĩa là khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cảm ứng. • Einstein đã đưa ra khái niệm này vào năm 1913; như chỉ đến năm 1960 Theodore Maiman mới có thể tạo ra được một laser hoạt động. 48 Sự tương tác giữa ánh sáng và vật liệu 17 49 a. Sự hấp thụ: Nguyên tử ban đầu ở trong trạng thái thấp hơn có năng lượng E1. Nếu một photon có năng lượng hv đi vào và tương tác với nguyên tử đang xét nguyên tử sẽ chuyển lên trạng thái có năng lượng cao hơn. Đây là một quá trình cộng hưởng. Quá trình này được gọi là sự hấp thụ. b. Bức xạ tự phát: Sau khoảng thời gian τ trung bình nào đó, nguyên tử tự động chuyển sang trạng thái thấp hơn - sự bức xạ tự phát, vì nó không xẩy ra dưới một tác động bên ngoài nào. . a S hấ tp hụ: guyên tử ban đầu ở trong trạng thái thấp hơn có năng lượng 1. ếu ột photon có năng lượng hv đi vào và tương tác với nguyên tử đang xét nguyên tử sẽ chuyển lên trạng thái có năng lượng cao hơn. ây là ột quá trình cộng hưởng. uá trình này được gọi là sự hấ tp hụ. . b c xạ t phát: Sau khoảng thời gian τ trung bình nào đó, nguyên tử tự động chuyển sang trạng thái thấp hơn - sự bức xạ tự phát, vì nó không xẩy ra dưới ột tác động bên ngoài nào. 12 EEhv −= 50 c. Bức xạ cảm ứng: 51 c. Bức xạ cảm ứng: Photon được phát xạ hoàn toàn đồng nhất với photon kích thích. Đây cũng là một quá trình cộng hưởng, photon có cùng năng lượng, cùng hướng, cùng pha và cùng phân cực. Quá trình này được gọi là bức xạ cảm ứng. Ánh sáng laser được tạo ra bằng cách này. c. c xạ cả ng: hoton đ c phát xạ hoàn toàn đồng nhất v i photon kích thích. ây cũng là ột quá trình cộng h ng, photon có cùng năng l ng, cùng h ng, cùng pha và cùng phân c c. uá trình này đ c gọi là b c xạ cả ng. nh sáng laser đ c tạo ra bằng cách này. 18 52 Sự đảo ngược độ cư trú (hay còn gọi là phân bố đảo). Phân bố Boltzmann kT EE e n n )( 1 2 12−−= kT E x x Cen −= 53 d. Laser hoạt động như thế nào? 1. Người ta có thể dùng nhiều kỹ thuật khác nhau cung cấp năng lượng kích thích (bơm) cho môi trường để tạo ra sự đảo ngược độ cư trú. Bơm quang học 54 Bơm bằng phóng điện qua chất khí 19 55 2. Để có được hiệu ứng laser, tức là có hiệu ứng khuếch đại - thời gian sống của nguyên tử tại mức laser phải là siêu bền, cỡ 10-3 s (so với mức bình thường cỡ 10-8 s). Môi trường: chất rắn, chất lỏng, hoặc chất khícó các nguyên tử đáp ứng được yêu cầu này được gọi là môi trường hoạt tính hoặc gọi cách khác là môi trường khuếch đại. 56 57 3. Chúng ta cần đặt môi trường hoạt tính đó vào trong một buồng cộng hưởng quang học - thường được tạo thành từ hai gương phản xạ M1 và M2 (phẳng hoặc cầu) đặt song song với nhau. 3. húng ta cần đặt ôi tr ng hoạt tính đó vào trong ột b ồ g cộ g g q a g ọ c - th ng đ c tạo thành t hai g ng phản xạ 1 và 2 (phẳng hoặc cầu) đặt song song v i nhau. 20 58 Các tính chất của tia laser a. Ánh sáng laser có độ đơn sắc cao: cỡ 10-15 m. b. Ánh sáng laser có độ kết hợp cao: c. Ánh sáng laser có tính định hướng cao: d. Ánh sáng laser có thể hội tụ với đôi tụ cao: á tc í c ất c ti l sa a a er a. nh sáng laser có độ đ n sắc cao: c 10-15 . .b snh á l s r ng a e có độ kết h p cao: .c snh á l s r ng a e có tí nh ịđ nh h ng cao: .d snh á l s r ng a e có thể hội tụ v i đôi tụ cao: n f .. . 0 1 ωπ λω = 59 Các ứng dụng của tia laser: • Được dùng trong công nghiệp: khoan các lỗ siêu nhỏ trong kim cương để kéo các dây mảnh, cắt vải trong công nghiệp may mặc, tạo khuôn thật tinh trên kim loại, đo vẽ chính xác, đo chiều dài chính xác bằng phép đo giao thoa. • Dùng trong quân sự để dẫn đường cho máy bay và tên lửa..LIDAR • Dùng trong y tế: để chữa bệnh và phẫu thuật. á c g g c ti l s :a a a er • c dùng trong công nghiệp: khoan các lỗ siêu nhỏ trong ki c ng để kéo các dây ảnh, cắt vải trong công nghiệp ay ặc, tạo khuôn thật tinh trên ki loại, đo vẽ chính xác, đo chiều dài chính xác bằng phép đo giao thoa . • ùng trong quân s để dẫn đ ng cho áy bay và tên l a.. I • ùng trong y tế: để ch a bệnh và phẫu thuật. 60 •Dùng trong thông tin quang sợi: Các laser AsGa kích thước nhỏ như những chiếc đinh ghim được dùng để truyền tin trong thông tin quang sợi. •Trong nghiên cứu phản ứng tổng hợp hạt nhân. •Trong các nghiên cứu khoa học: các laser được dùng như các nguồn ánh sáng để kích thích huỳnh quang, bơm laser. (Phần này tự đọc kỹ theo David Halliday) • ùng trong thông tin quang s i: ác laser s a kích th c nhỏ nh nh ng chiếc đinh ghi đ c dùng để truyền tin trong thông tin quang s i. • rong nghiên c u phản ng tổng h p hạt nhân. • rong các nghiên c u khoa học: các laser đ c dùng nh các nguồn ánh sáng để kích thích huỳnh quang, b laser . ( hần này t đọc kỹ theo avid alliday)