CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYET 1. Đôi nét lịch sử Thể ki XIX sắp kết thúc thi các nha khoa học liên tục công bố các phát minh mới của mình. Cuộc sống trong phòng thí nghiệm vẫn bình yên không cỏ sự kiện gi đặc biệt xảy ra, Huân Tước Kenvin một nhà khoa học lão thành va uyên bac luôn được mọi người kính né đã tuyên bé rằng con thuyền khoa học đã cập vào một bến bờ yên tĩnh, đã giải quyết xong những vin dé cơ bản nhất của khoa học. Tuy nhiên hai đám mây đen lớn đã xuất hiện làm van bau trời khoa học trong xanh, và cũng từ hai đám mây đen này đã nỗ ra hai cơn giông lớn làm nảy sinh ra “thuyết lượng tử và thuyết tương đối” tạo ra một bước ngoat lớn trong vật lý học thời bay giờ.
Đám mây den thứ nhất đã gợn lên sau kết quả “am” của thi nghiệm Michelson, đám mây đen thứ hai gon lên sau kết quả nghiên cứu “Bite xạ của Vật Đen Tuyệt Đối”. Trước hết chúng ta cn chú ý rằng vào những năm $0 của thé ki XIX việc nghiên cứu về hiện tượng phát xạ và hấp thụ đã đạt được những kết quả thực nghiệm quan trọng, những kết quả này gắn liền với tên tuổi của các nha bác học người Đức như Kirchhoff (1824-1887) cụ thế vào năm 1860 khi ông nghiên cứu về mối liên hệ giữa khả năng phat xạ vả hap thụ của một vật vả ông đã tim ra một định luật mang tên ông (định luật Kirchhoff) mm = E(A:T) với E(A;T) là mật độ năng lượng bức xạ hay mật độ năng lượng. Khi nghiên cứu bằng thực nghiệm thì các nhà khoa học đã tìm ra được đồ thị biểu điển đường đặc trưng phổ phát xạ của vật đen tuyệt đối biểu diễn sự phụ thuộc của £(2;7) vào bước sóng A SVTH: Lưu S$ Hiệp Đồ thị biểu sự phụ thuộc của năng lượng bức xạ vào bước sóng A có dạng hình chuông úp ngược, khi thí nghiệm với nhiều loại vật khác nhau và đặc biệt với vật mang tính chất lý tưởng gọi là “Vat Den Tuyệt Doi” người ta cũng thấy kết quả tương tự như vậy. Kết quả thu được từ thực nghiệm lả đáng tin cậy vấn để đặt ra là phải giải thích các kết quả đỏ về mặt lý thuyết, các nhà khoa học đã cố gắng xây dựng nên một ly thuyết để giải thích kết quả thu được từ thực nghiệm ve sự phat xạ của Vật Den Tuyệt Đối.
Vào năm 1896 Wien (1864-1928) là nhà vật lý người Đức khi ông nghiên cứu bing lý huyết và 48 tim rà được phương tình Ư, = ar e trong đó C, và C; là những hằng số. Tuy nhiên công thức của Wien chỉ phù hợp với đường cong thực nghiệm vẻ phía bước sóng ngẫn nhưng vẻ phía bước sóng dải thi bị lệch Năm 1900 Raylcigh (1842-1919) là nhà vật lý người Anh đã tìm ra được định luật bức xạ mới, định luật này về sau (1905) được Jeans (1877-1946) nghiên cứu một cách tí mi va do đó định luật này được gọi là định luật Rayleigh-Jeans, định luật nảy có dạng như sau: U, = a , trai với định luật bức xạ của Wien định luật của Rayleigh-Jeans lại chi phủ hợp với đường cong thực nghiệm về phia bước SVTH: Lưu Sỹ Hiệp Trang 15 sóng dai còn vẻ phía bước sóng ngắn thi sai hoản toan=> sự khủng hoảng ở vùng tử ngoại. lập luận đẻ rút ra hai công thức trên là rất đúng đẳn vả dựa trên những cơ sở vững vàng, nhưng không ai giải thích được tại sao mỗi công thức chỉ đúng với một miễn sóng va ld hoàn toản sai đếi với miền kia Sau đỏ nhiều công thức bức xạ khác đã được đưa ra với những sửa đổi này nọ so với công thức của Wien va Rayleigh-Jeans nhưng tat cả đều không hoàn toàn phủ hợp với đường cong thực nghiệm. Vi vậy vấn để phế bức xạ của Vật Den Tuyệt Doi đã trở thành một đám mây den thứ hai mà trước đó là đám mây den thứ nhất đã gon lên sau kết quả “am” của thí nghiệm Michelson Như vậy chúng ta có thé thấy rằng thé ki thứ XIX chấm đứt trong những diéu kiện khá kì thú, trong nhiều lĩnh vực thì vật lý học đã đạt được những thảnh tựu khá xuất sắc, nhưng còn nhiều lĩnh vực khác thi các nha vật lý học phải thừa nhận là còn có sự bế tắc, mù mit.
Tất cá những khó khăn bể tắc đó đã tạo nên một sự khủng hoảng lớn trong vật lý học cuối thé ki XIX, để giải quyết khủng hoảng nay đòi hỏi các nhả khoa học phái có những biến đổi cách mạng trong quan điểm của chính họ, phải tim ra những lý thuyết vật lý hoàn toàn mới 1. Sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất Các nhận biết của chúng ta về thế giới vật lý được chí phối bởi tương tác giữa ánh sáng vả vật chất, một tương tác diễn ra tại võng mạc mắt về mặt sinh lí đưa tới thị giác, ánh sáng tới mắt tạo ra vô số hình ảnh là kết quá của tương tác giữa ánh sáng vả vật chất. Khi ánh sáng tới bề mặt của một vật liệu không trong suốt một phần ánh sáng thâm nhập vào bên trong vật liệu và bị hap thụ, phần ánh sáng còn lại sẽ được phan chiếu từ bề mặt, cái ma ta quan sát được chính là ánh sáng phản chiếu này, nghĩa là chúng ta nhìn thấy vật bằng ánh sáng phản chiếu tir nỏ. tuy nhiên phan anh sáng được phản chiếu từ bẻ mặt phụ thuộc vảo bước sóng Ví dụ: Bề mặt của một vật có khả năng hấp thụ phần lớn ánh sáng màu đỏ và phản xạ phan lớn ánh sáng màu lam, như vậy nếu ánh sáng tring đi tới bẻ mặt thi ảnh sảng phan xạ sẽ chứa mau lam với ti phan lớn hơn mau đỏ, kết quả là mau thu SVTH: Lưu SP Hiệp Trang l6 nhận được của vật là mau lam hay có thể là màu lục, một đái rộng gồm các màu sắc khác nhau ma mắt ta có thé phân biệt được là đo sự nhạy cảm của mắt đối với các bước sóng khác nhau được phản xạ Các mặt có mau tối hơn sẽ hap thụ ánh sáng mạnh hơn các màu sáng hơn Ví dụ: Khi mặc áo dưới ánh nẵng mặt trời ta mặc áo đen sé nóng hơn khi mặc áo trắng (vì khi mặc áo den sẽ hap thụ ánh sáng mặt trời tết hon mặc áo trắng) Ví du: + Mặt hap thụ kém va phan xa tốt như kim loại được đánh bóng lam tử chất liệu nhự: Nhôm, Bạc.
+ Mặt hap thụ tốt va phan xạ kém như: Hắc in, Ming hong, Mực in. Ngoài các vật ma ta thấy được do chúng phản xạ ánh sáng tới mắt ta, ta còn có thé thấy một số vật do ánh sảng từ chúng phát ra Ví dụ; Cục than đang cháy phát ra một phần ánh sáng nhin thay (vùng khả kiến) ta có thể nhìn thấy nó trong một phòng tối, các vật trong phòng có nhiệt độ thắp hơn nhiều cùng phát xạ nhưng với cường độ rất nhỏ trong vùng ánh sảng nhìn thấy => Như vậy tit cả các vật đều phát ra bức xạ điện tir với cudng độ phụ thuộc vio nhiệt độ bể mặt của vật đó, chỉ ở các nhiệt độ cao hơn nhiệt độ phòng rất nhiễu thì bề mặt của vật mới phát ra một lượng bức xạ trong vùng ánh sáng nhìn thấy đủ để ta để dàng quan sát được. Người ta gọi dạng bức xạ mà vật phát ra do tác dụng nhiệt gọi là bức xạ nhiệt, nó là dạng bức xạ phổ biến nhất. Khi vật phat ra bức xạ thi năng lượng của vật giảm va nhiệt độ cũng giảm theo, ngược lại khi vật hap thụ bức xạ thi năng lượng của nó tăng và nhiệt độ cũng tăng theo.
Tuy nhiên nếu phần năng lượng của vật mat đi do phát xạ được bù lại bằng phần năng lượng mà vật nhận được do hắp thy thi nhiệt độ của vật sẽ không đổi, bức xạ nhiệt của vật cũng không đổi và được gọi là bức xạ nhiệt cân bằng. SVTH: Lưu Sỹ Hiệp Trang 17 1. Bức xạ nhiệt 1. Định nghĩa - Khi một vật phát ra bức xạ gọi là nguồn bức xạ, vật phat ra bức xạ cỏ thé do nhiều nguyên nhân như: vật bị kích thích bởi ánh sáng, phóng điện cho vật, do tác dụng hoá học.
Người ta gọi đạng bức xạ phát ra do tác dụng nhiệt gọi là bức xạ nhiệt, nó là dạng bức xạ phổ biến nhất. Khí vật phát ra bức xạ thi năng lượng của nó giảm và nhiệt độ giảm theo, ngược lại khi vật hap thy bức xạ thi năng lượng của nó tăng va nhiệt độ cũng tăng theo. Thông thường dé nhìn thấy được bức xạ do vật phat ra (thuộc vùng ánh sáng nhìn thấy) thi nhiệt độ của vat phái trên 500°C, ở nhiệt độ thấp hơn vật phát ra bức xạ thuộc vùng hồng ngoại nên mắt ta không thấy được, trong trường hợp nếu phan năng lượng của vật mắt đi do phát xạ được bù lại bằng phan năng lượng mà vật nhận được do hấp thụ thì nhiệt độ của vật sẽ không đổi, bức xạ nhiệt của vật cũng không đổi và được gọi là bức xạ nhiệt cắn bằng. _ Vị dụ; Khi một vật một vật rắn được nung nóng đến vài trăm °C nó sẽ trở nên phát sáng.
Bức xạ do vật bị nung nóng phát ra gồm một day liên tục các bước sóng, một phần của bức xạ này thuộc vùng ánh sáng nhin thấy. Khi nhiệt độ của vật tăng lên phân bó cường độ theo bước sóng thay đổi theo, qua mau sắc của vật thay đỗi ta có thể đoán được nhiệt độ của vật Bang 1.2 Bang thang màu các nhiệt độ $0 - 550 0 650 - 670 85 - 950 0 SVTH: Lưu Sỹ Hiệp Trang 18 1. Các đại lượng đặc trưng trong phép do năng lượng bức xạ 1. Công suất bức xạ - Trong khoảng thời gian Ar nguồn phát ra năng lượng bức xạ toàn phẩn AW (bao gồm mọi bước sóng ánh sáng vả phát ra theo mọi phương) thì người ta định nghĩa công suất bức xạ toản phan la p= 1.2, Năng suất bức xạ toàn phần - Ta xét một vật bị đốt nóng được giữ ở một nhiệt độ không đổi T, giả sử phan diện tích dS của bể mặt vật phát ra năng lượng bức xạ độ; trong một đơn vị thời gian.