Trang chủ

Trắc nghiệm

Phụ lục

Lịch sử vật lí

Bài đọc thêm

 

 

 

 

 

 

 

I - HIỆN TƯỢNG QUANG – PHÁT QUANG

 

Hình 49.1

1. Hiện tượng quang – phát quang

 

Một số chất có khả năng hấp thụ ánh sáng có bước sóng này để phát ra ánh sáng có bước sóng khác. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng quang – phát quang. Chất có khả năng phát quang là chất phát quang.

Ví dụ : Nếu chiếu một chùm ánh sáng tử ngoại vào một ống nghiệm đựng dung dịch fluorexêin (chất diệp lục) thì dung dịch này sẽ phát ra ánh sáng màu lục (H.49.4). Ở đây, ánh sáng tử ngoại là ánh sáng kích thích, còn ánh sáng màu lục là do fluorexêin phát ra là ánh sáng phát quang.

 

Thành trong của các đèn ống thông thường có phủ một lớp bột phát quang. Lớp bột này sẽ phát quang ánh sáng trắng khi bị kích thích bởi ánh sáng giàu tia tử ngoại do hơi thủy ngân trong đèn phát ra lúc có sự phóng điện qua nó.

Một đặc điểm quan trọng của sự phát quang là nó còn kéo dài một thời gian sau khi tắt ánh sáng kích thích. Thời gian này dài ngắn khác nhau phụ thuộc vào chất phát quang.

Sự phát quang có nhiều điểm khác biệt với các hiện tượng phát sáng khác, trong số đó có 2 đặc điểm quan trọng sau:

+ Một là, bức xạ phát quang là bức xạ riêng của mỗi vật: mỗi chất phát quang có phổ đặc trưng cho nó.

+ Hai là, sau khi ngừng kích thích, sự phát quang của một số chất còn tiếp tục kéo dài thêm một khoảng thời gian nào đó, rồi mới ngưng hẳn, Khoảng thời gian từ lúc kích thích cho đến lúc ngừng phát quang gọi là toời gian phát quang. Tùy theo chất phat quang mà thời gian phát quang có thể kéo dài từ 10-10s đến vài giây.

 

Chú ý: Ngoài hiện tượng quang – phát quang còn có các hiện tượng phát quang khác như: hoá – phát quang ở con đom đóm, phát quang catôt ở màn hình vô tuyến, điện – phát quang ở LED.

C1. Căn cứ vào các đặc điểm của sự phát quang thì sự phản xạ, sự bức xạ nhiệt (bức xạ do vật bị đốt nóng) có phải là sự phát quang hay không?

 

2. Huỳnh quang và lân quang

 

+ Huỳnh quang là sự phát quang có thời gian phát quang ngắn dưới 10-8s . Nghĩa là ánh sáng phát quang hầu như tắt ngay sau khi ánh sáng kích thích tắt.

+ Lân quang là hiện tượng phát quang có thời gian phát quang kéo dài từ 10-8s trở lên.

Sự phát quang của các chất lỏng và khí, có đặc điểm là ánh sáng kích thích. Sự phát quang này gọi là sự huỳnh quang.

Sự phát quang của nhiều chất rắn còn lại có đặc điểm là ánh sáng phát quang có thể kéo dài một khoảng thời gian nào đó sau khi tắt ánh sáng kích thích. Sự phát quang này gọi là sự lân quang. Các chất rắn phát quang loại này gọi là chất lân quang.

Các loại sơn xanh, đỏ, vàng... quét trên một số biển báo giao thông hoặc ở các cọc chỉ giới đường có thể là các chất lân quang có thời gian kéo dài khoảng một phần mười giây.

 

3. Định luật Xtốc (Stoke) về sự huỳnh quang

 

Ánh sáng phát quang có bước sóng dài hơn bước sóng của ánh sáng kích thích: λhq > λkt.

Dựa vào thuyết lượng tử ta có thể giải thích được định luật Xtốc. Thực vậy, mi nguyên tử hay phân tử của chất huỳnh quang hấp thụ hoàn toàn một phôtôn của ánh sáng kích thích có năng lượng hfkt để chuyển sang trạng thái kích thích. Khi ở trong trạng thái kích thích, nguyên tử hay phân tử này có thể va chạm với các nguyên tử hay phân tử khác và bị mất một phần năng lượng.. Khi trở về trạng thái bình thường nó sẽ phát ra một phôtôn hfhq có năng lượng nhỏ hơn : hfhq < hfkt λhq > λkt.

C2. Tại sao các loại sơn quét trên các biển báo giao thông hoặc trên đầu các cọc chỉ giới phải là sơn phát quang mà không phải là sơn phản quang (sơn phản xạ ánh sáng)?

4. Ứng dụng

Các hiện tượng phát quang có rất nhiều ứng dụng trong khoa học kỹ thuật và trong đời sống, như sử dụng trong các bóng đèn thấp sáng, trong các màn hình của dao động kí điện tử, của tivi, máy tính, sử dụng sơn phát quang quét trên các biển báo giao thông.

II - CẤU TẠO HOẠT ĐỘNG CỦA LAZE

Các loại laze

 

 

Hình 49.2 Laze bán dẫn

1. Laze là gì?

 

    Laze là từ phiên âm của tiếng Anh LASER. Thuật ng LASER được ghép bằng những chữ cái đứng đầu của cụm từ Light Amplier by Stimulated Emision of Radiation. Chúng có nghĩa là: Máy khuếch đại ánh sáng bằng sự phát xạ cảm ứng.

    Có thể nói laze là một nguồn sáng phát ra một chùm sáng có tính đơn sắc, tính định hướng, tính kết hợp rất cao và cường độ lớn. Chùm sáng phát ra được gọi là tia laze.

    Ta sẽ hiểu rõ tất cả các đặc điểm này khi nghiên cứu các nguyên tắc tác động của laze.

Năm 1958 các nhà bác học Nga, Mỹ nghiên cứu đọc lập nhau aà đã chế tạo thành công Laze đầu tiên. Dó là nguồn phát sáng mới phát ra chum sáng gọi là laze, có đặc điểm khác với chum sáng thong thường:

-      Tia laze có tính đơn sức cao. Độ sai lệch tương đối  

của tần số ánh sáng do laze phát ra chỉ có thể bằng 10-15.

-     Tia laze là chùm sáng kết hợp (các photon trong chum có cùng tần số và cùng pha).

-   Tia laze là cmùmsáng song song (có tính định hướng cao).

-  Tia laze có cường độ lớn. Chẳng hạn tia laze rubu (hồng ngọc) có cường độ 106 W/cm2.

 Như vậy: Laze là nguồn sáng phát ra chum sáng song song, kết hợp có tính đơn sắc cao và có cường độ lớn.

·         * Nguyên tắc phát quang của laze dựa trên ứng dụng hiện tượng phát xạ cảm ứng.

 

2. Các nguyên tắc hoạt động của laze

a. Sự phát xạ cảm ứng

 

Hình 49.3

    Năm 1917, khi nghiên cứu lí thuyết phát xạ, Anh-xtanh đã chứng minh rằng: ngoài hiện tượng phát xạ tự phát còn có hiện tượng phát xạ mà ông gọi là phát xạ cảm ứng. Hiện tượng đó như sau:

    Nếu một nguyên tử đang ở trong trạng thái kích thích, sẵn sàng phát ra một phôtôn có năng lượng ε = hf, bắt gặp một phôtôn có năng lượng ε đúng bằng hf, bay lướt qua nó, thì lập tức nguyên tử này cũng phát ra phôtôn ε. Phôtôn ε có cùng năng lượng và bay cùng phương với phôtôn ε. Ngoài ra, sóng điện từ ứng với phôtôn e hoàn toàn cùng pha với sóng điện từ ứng với phôtôn ε (H.49.2).   

Hình 49.4

Như vậy, nếu có một phôtôn ban đầu bay qua một loạt nguyên tử đang ở trạng thái kích thích thì số phôtôn sẽ tăng lên theo cấp số nhân (H.46.3).

Các phôtôn này có cùng năng lượng (ứng với sóng điện từ có cùng bước sóng; do đó tính đơn sắc của chùm sáng rất cao); chúng bay theo cùng một phương (tính định hướng của chùm sáng rất cao); tất cả các sóng điện từ trong chùm sáng do các nguyên tử phát ra điều cùng pha (tính kết hợp của chùm sáng rất cao). Ngoài ra, vì số phôtôn bay theo cùng một hướng rất lớn nên cường độ của chùm sáng có cường độ rất mạnh.

 

C3. Hãy mô tả cụ thể quá trình nhân phôtôn vẽ trên hình 49.4

 

b. Sự đảo mật độ

 

   Bình thường tuyệt đại đa số các nguyên tử của môi trường ở trạng thái cơ bản. Do đó, khi một phôtôn năng lượng phù hợp bay qua, nó sẽ bị hấp thụ ngay. Muốn quá trình khuếch đại ánh sáng xảy ra, phải làm cho số nguyên tử ở trạng thái kích thích nhiều hơn số nguyên tử ở trạng thái cơ bản, tức là tạo ra sự đảo mật độ trong môi trường. Lúc đó môi trường có khả năng khuếch đại ánh sáng.

Hình 49.5

   Ở mi loại laze có một cách tạo ra sự đảo mật độ riêng. Dưới đây là một cách ở laze rubi.

   Rubi (hồng ngọc) là tinh thể Al2O3 có pha Cr3O3, màu đỏ của rubi do ion Cr tạo ra. Ta hãy quan tâm đến ba mức năng lượng E1, E2, E3 của Cr. E1 là mức cơ bản, E2 là mức năng lượng ứng với trạng thái kích thích giả - bền; thi gian sống của Cr ở trạng thái này c 5.10-3s, dài hơn hẳn thời gian sống ở các trạng thái kích thích khác (cở 10-8s). Mức kích thích E3 tương đối rộng, nghĩa là nguyên tử Cr có thể hấp thụ các phôtôn có năng lượng lân cận giá trị 2,23 eV (H.49.4).

   Người ta dùng ánh sáng xanh (0,556 mm, ứng với năng lượng 2,23 eV) của một đèn xenon chiếu vào rubi để làm cho phần lớn nguyên tử Cr chuyển từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích E3. Sau khoảng thời gian cỡ 10-8s, chúng chuyển một cách tự phát về trạng thái E2 và sống ở đó trong khoảng 5.10-3s. Trong khoảng thời gian này có sự đảo lộn mật độ khối rubi.

     Khi chuyển từ trạng thái E2 về trạng thái cơ bản thì nguyên tử Cr phát ra ánh sáng đỏ (0,694μm, ứng với năng lượng 1,79eV).

    C2. Nếu thời gian chiếu sáng khối rubi dài hơn 5.10-3s thì có còn trạng thái đảo lộn mật độ hay không? Tại sao?

c. Dùng buồng cộng hưởng

Hình 49.6

      Để có sự khuếch đại mạnh ánh sáng, phải cho chùm sáng đi qua lại nhiều lần khối chất có tính khuếch đại ánh sáng, theo cùng một phương.

      Muốn vậy, người ta đặt khối chất nói trên giữa hai gương phẳng song song với nhau, có mặt phản xạ quay vào nhau; gương G1 phản xạ tốt, gương G2 bán mạ (H.49.5). Chùm tia laze được lấy từ gương G2.

       Sóng tới phản xạ là các sóng kết hợp nên sẽ tạo thành sóng dừng. Tại các gương G1 và G2 là các nút sóng. Như vậy, khoảng cách giữa hai gương phải bằng một số nguyên lần bước sóng:

G1G2 = l = k(λ/2)          (49.1)

    Hai gương G1 và G2 tạo thành một buồng cộng hưởng.

    C3. Tại sao ở trong gương G2 là nút sóng mà ta vẫn lấy tia laze ra được từ đó?

3. Cấu tạo của laze

Hình 49.7 Laze rubi

Ta hãy xét cấu tạo của laze rubi. Laze này gồm một thanh rubi hình trụ (1) (H.46.6) có chiều dài thỏa mãn hệ thức (46.1). Hai mặt được mài nhẳn, vuông góc với trục của thanh. Mặt (3) được mạ bạc; mặt (4) là mặt bán mạ. Một bóng đèn xeon (2) được quấn quanh thanh rubi. Khi laze hoạt động thì thanh rubi sẽ rất nóng, nên người ta phải gắn nó vào những cánh tỏa nhiệt (5).

Tuy vậy, laze rubi cũng chỉ hoạt động ở chế độ xung, lúc phát, lúc nghỉ.

4. Các loại laze

Có ba loại chính :

    - Laze khí như laze heli-nêon, laze CO2...

    - Laze rắn như laze rubi.

    - Laze bán dẩn như laze Ga-Al-As.

 

5- MỘT VÀI ỨNG DỤNG CỦA LAZE

 

Laze được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực.

 

Laze dùng trong phòng thí nghiệm

Laze dùng trong công nghiệp

    - Trong y học, lợi dụng khả năng có th tập trung năng lượng của chùm tia laze vào một vùng rất nhỏ, người ta đã dùng tia laze như một dao mổ trong các phẩu thuật tinh vi như mắt, mạch máu... Ngoài ra, người ta cũng dùng tác dụng nhiệt của tia laze để chữa một số bệnh ngoài da...

    - Trong thông tin liên lạc, do có tính định hướng và tần số rất cao nên tia laze có ưu thế đặc biệt trong liên lạc vô tuyến (vô tuyến định vị, liên lạc vệ tinh, điều khiển các con tàu vũ trụ...). Do có tính kết hợp và cường độ cao nên các tia laze được sử dụng rất tốt trong việc truyền tin bằng cáp quang.

    - Trong công nghệp, vì tia laze có cường độ mạnh và có tính định hướng cao nên nó được dùng trong các công việc như cắt, khoan, tôi... chính xác trên nhiều chất liệu như kim loại, compôdit... Người ta có thể khoan được những lỗ có đường kính rất nhỏ và rất sâu mà không thể thực hiện bằng các phương pháp cơ học.

    - Trong trắc địa, laze được dùng trong các công việc như đo khoảng cách, tam giác đạc, ngắm các đường thẳng...

    - Laze còn được dùng trong các đầu đọc đĩa CD, trong các bút trỏ bảng, bản đồ, trong các thí nghiệm quang học ở trường phổ thông...

 

 
   

Quá trình thụ ánh sáng có bước sóng này để phát ra ánh sáng có bước sóng khác gọi là hiện thượng phát quang

Hiện tượng phát quang gồm hai loại: Huỳnh quang và lân quang

Huỳnh quang có thời gian phát quang dưới 10-8s

Lân quang có thời gian phát quang trên 10-8s

Laze là nguồn sáng phát ra chum sáng song song, kết hợp có tính đơn sắc cao và có cường độ lớn

Nguyên tắc phát quang của laze dựa trên ứng dụng hiện tượng phát xạ cảm ứng.

Trang chủ

Trắc nghiệm

Phụ lục

Lịch sử vật lí

Bài đọc thêm