Title Chủ đề 4. Hiện tượng quang - phát quang. Sơ lược về Laze.doc ✅

CHỦ ĐỀ 4. HIỆN TƯỢNG QUANG - PHÁT QUANG. SƠ LƯỢC VỀ LAZE A. TÓM TẮT LÍ THUYẾT I−SƠ LƯỢC VỀ LAZE 1. Laze là gì? Laze là một nguồn sáng phát ra một chùm sáng cường độ lớn dựa trên việc ứng dụng hiện tượng phát xạ cảm ứng. Đặc điểm của tia laze: có tính đơn sắc, tính kết hợp, tính định hướng cao và có cường độ lớn. 2. Một số ứng dụng của tia laze − Tia laze có ưu thế đặc biệt trong thông tin liên lạc vô tuyến (như truyền thông tin bằng cáp quang, vô tuyến định vị, điều khiển con tàu vũ trụ,...). − Tia laze được dùng như dao mổ trong phẫu thuật mắt, để chữa một số bệnh ngoài da (nhờ tác dụng nhiệt),... − Tia laze được dùng trong các đầu đọc đĩa CD, bút trỏ bảng. Các laze này thuộc loại laze bán dẫn. − Ngoài ra, tia laze còn được dùng để khoan, cắt, tôi,... chính xác các vật liệu trong công nghiệp. II. SỰ PHÁT QUANG 1. Hiện tượng phát quang a. Sự phát quang. Sự phát quang là một dạng phát ánh sáng rất phổ biến trong tự nhiên. Có một số chất (ở thể rắn, lỏng, hoặc khí) khi hấp thụ năng lượng dưới một dạng nào đó, thì có khả năng phát ra các bức xạ điện từ trong miền ánh sáng nhìn thấy. Các hiện tượng đó được gọi là sự phát quang. b. Các loại phát quang. Hiện tượng quang−phát quang: là hiện tượng một số chất có khả năng hấp thụ ánh sáng kích thích có bước sóng này để phát ra ánh sáng có bước sóng khác. Ví dụ: Nếu chiếu một chùm bức xạ tử ngoại vào một ống nghiệm đựng dung dịch fluorexêin thì dung dịch này sẽ phát ra ánh sang màu lục. Ở đây, bức xạ tử ngoại là ánh sáng kích thích, còn ánh sáng màu lục do fluorexêin phát ra là ánh sáng phát quang. Hiện tượng hóa−phát quang. VD: phát quang ở con đom đóm, phát quang catôt ở màn hình tivi, sự phát ánh sáng của phôtpho bị ôxi hoá trong không khí. Hiện tượng điện − phát quang ở đèn LED... c. Hai đặc điểm quan trọng của sự phát quang. + Mỗi chất phát quang có một quang phổ đặc trưng cho nó. + 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 ngừng hẳn. Khoảng thời gian từ lúc ngừng kích thích cho đến lúc ngừng phát quang gọi là then gian phát quang. Tuỳ theo chất phát quang mà thời gian phát quang có thể kéo dài từ 10 −10 s đến vài ngày. Chú ý: Sự phát quang xảy ra ở nhiệt độ bình thường. 2. Các dạng quang−phát quang : lân quang và huỳnh quang Người ta thấy có hai loại quang−phát quang, tuỳ theo thời gian phát quang: đó là huỳnh quang và lân quang. a. Huỳnh quang là sự phát quang có thời gian phát quang ngắn (dưới 10 −8 s). Nghĩa là ánh sáng phát quang hầu như tắt ngay sau khi tắt ánh sáng kích thích. Nó thường xảy ra với chất lỏng và chất khí. b. Lân quang là sự phát quang có thời gian phát quang dài (10 −8 s trở lên); nó thường xảy ra với chất rắn. Các chất rắn phát quang loại này gọi là chất lân quang. Chú ý: + Chất lỏng fluorexein khi được chiếu sáng bằng tia tử ngoại thì phát ánh sáng màu lục và ngưng phát sáng rất nhanh sau khi ngừng chiếu sáng. + Tinh thể kẽm sunfua khi được chiếu sáng bằng tia tử ngoại, hoặc bằng tia Rơn−ghen, thì phát ra ánh sáng nhìn thấy. 3. Định luật xtốc về sự phát quang Ánh sáng phát quang có bước sóng λ’ dài hơn bước sóng của ánh sáng kích thích λ: λ’ > λ. Giải thích: Mỗi nguyên tử hay phân tử của chất phát quang hấp thụ hoàn toàn một photon của ánh sáng kích thích có năng lượng hc/λ 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 photon có năng lượng hc/ λ’ nhỏ hon: hc/ λ’ < hc/A  λ’> λ. 4. Ứng dụng
Các loại hiện tượng phát quang có rất nhiều ứng dụng trong khoa học, kĩ thuật và đời sống, như sử dụng trong các đèn ống để thắp 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. Chú ý: Các loại son vàng, xanh, đỏ... quét trên một số biển báo giao thông, hoặc ở đầu các cọc chỉ giới đường có thể là chất lân quang có thời gian kéo dài khoảng vài phần mười giây. BÀI TOÁN LIÊN QUAN ĐẾN SỰ PHÁT QUANG VÀ LASER 1. Hiện tượng phát quang Một số chất hấp thụ ánh sáng (hoặc bức xạ điện từ) bước sóng này để rồi phát ra ánh sáng có bước sóng khác, gọi là hiện tượng quang − phát quang. * Hai loại quang − phát quang: Sự huỳnh quang: sự phát quang có thời gian phát quang ngắn (dưới 10 −8 s). Nó thường xảy ra với chất lỏng và chất khí. Sự lân quang: là sự phát quang có thời gian phát quang dài (10 −8 s trở lên); nó thường xảy ra với chất rắn. *Định luật Xtốc: Bước sóng λ’ của ánh sáng phát quang bao giờ cũng lớn hơn bước sóng λ của ánh sáng kích thích: 'e' f < f. Gọi N, N’ lần lượt là số phôtôn kích thích chiếu vào trong 1 s và số phôtôn phát quang phát ra trong 1 s. Công suất của chùm sáng kích thích và chùm sáng phát quang lần lượt là: hc PNn P'N''N'' hcPNN P'N''N' '          Ví dụ 1: (ĐH − 2010) Một chất có khả năng phát ra ánh sáng phát quang với tần số 6.10 14 Hz. Khi dùng ánh sáng có bước sóng nào dưới đây để kích thích thì chất này không thể phát quang? A. 0,40 µm. B. 0,45 µm. C. 0,38 µm. D. 0,55 µm. Hướng dẫn 8 3.10 '0,5m f' Chọn D. Ví dụ 2: Một chất phát quang có khả năng phát ra ánh sáng màu vàng lục khi được kích thích phát sáng. Hỏi khi chiếu vào chất đó ánh sáng đơn sắc nào dưới đây thì chất đó sẽ phát quang? A. Vàng. B. Lục. C. Đỏ. D. Da cam. Hướng dẫn Ánh sáng kích thích phải có buóc sóng nhỏ hơn ánh sáng phát quang nên  Chọn B. Ví dụ 3: Khi chiếu chùm tia tử ngoại vào một ống nghiệm đựng dung dịch flucxêin thì thấy dung dịch này phát ra ánh sáng màu lục. Đó là hiện tượng  A. phản xạ ánh sáng. B. quang − phát quang, C. hóa − phát quang. D. tán sắc ánh sáng. Hướng dẫn Theo định nghĩa, Một số chất hấp thụ ánh sáng (hoặc bức xạ điện từ) bước sóng này để rồi phát ra ánh sáng có bước sóng khác, gọi là hiện tượng quang − phát quang  Chọn B. Ví dụ 4: Chiếu ánh sáng có bước sóng 0,3 µm vào một chất thì chất đó phát quang ánh sáng có bước sóng 0,5 µm. Cho rằng công suất của ánh sáng phát quang chỉ bằng 0,01 công suất của chùm sáng kích thích. Để có một phôtôn ánh sáng phát quang phát ra thì số phôtôn ánh sáng kích thích chiếu vào là A. 600. B. 60. C. 25. D. 133. Hướng dẫn hc N' W'N''10,3' 0,01.0,01.N60 hcWNN0,5 N      Chọn B. Ví dụ 5: Chiếu bức xạ đơn sắc có bước sóng λ vào một chất thì chất đó phát quang ánh sáng có bước sóng 0,5 µm. Cho rằng công suất của ánh sáng phát quang chỉ bằng 0,01 công suất của chùm kích thích và nếu có 3000 phôtôn ánh sáng kích thích chiếu vào thì có 75 phôtôn ánh sáng phát quang phát ra. Giá trị của λ là A. 0,18 µm. B. 0,25 µm. C. 0,2 µm. D. 0,3 µm.
Hướng dẫn 6 hc n' W'n''75' 0,01..0,2m hcWn30000,5.10 n        Chọn C. Ví dụ 6: Chiếu ánh sáng có bước sóng 0,26 µm vào một chất thì chất đó phát quang ánh sáng có bước sóng 0,52 µm. Nếu số phôtôn ánh sáng kích thích chiếu vào là 100 thì số phôtôn ánh sáng phát quang phát ra là 4. Hỏi công suất của ánh sáng phát quang bằng bao nhiêu phần trăm công suất của chùm sáng kích thích? A. 10%. B. 60%. C. 4%. D. 2%. Hướng dẫn hc n' W'n''40,26' 0,01..2% hcWn1000,52 n       Chọn D. Ví dụ 7: (ĐH−201 l) Một chất phát quang được kích thích bằng ánh sáng có bước sóng 0,26 µm thì phát ra ánh sáng có bước sóng 0,52 µm. Giả sử công suất của chùm sáng phát quang bằng 20% công suất của chùm sáng kích thích. Tỉ số giữa số phôtôn ánh sáng phát quang và số phôtôn ánh sáng kích thích trong cùng một khoảng thời gian là A. 4/5 B. 1/10. C. 1/5. D. 2/5. Hướng dẫn hc N' W'N''N'0,26N'2' 0,2.. hcWNN0,52N5 N      Chọn D. 2. Laser Laze là một nguồn sáng phát ra một chùm sáng cường độ lớn dựa trên việc ứng dụng hiện tượng phát xạ cảm ứng. 4 đặc điểm của cliùm tia laze: * Tia laze là chùm sáng kết hợp. * Tia laze có tính đon sắc. * Chùm tia laze khi truyền trong các môi trường thông thường (không khí, nước,..) là chùm sáng song song (có tính định hướng cao). * Chùm tia laze có cường độ lớn. Ứng dụng của laze: Trong y học, laze dùng như một dao mỗ trong các phẩu thuật tinh vi như mắt, mạch máu,... Ngoài ra laze dùng để chữa một số bệnh ngoài da nhờ vào tác dụng nhiệt. Trong thông tin liên lạc, laze dùng trong liên lạc vô tuyến, điều khiển các con tàu vũ trụ, truyền thông tin bằng cáp quang,... Trong công nghiệp, laze dùng để cắt, khoan, tôi kim loại,... Trong trắc địa, laze dùng trong các công việc đo khoảng cách, tam giác đạc, ngắm đường thẳng, * Laze còn được dùng trong các đầu đọc đĩa CD, bút trỏ bảng, trong thí nghiệm về quang học, Ví dụ 1: (TN − 2007) Đặc điểm nào sau đây không phải của tia laze? A. Có tính định hướng cao. B. Không bị khúc xạ khi đi qua lăng kính, C. Có tính đcm sắc cao. D. Có mật độ công suất lớn (cường độ mạnh). Hướng dẫn Tia laze cũng bị khúc xạ khi đi qua lăng kính  Chọn B. Ví dụ 2: Tìm phát biểu sai liên quan đến tia laze: A. Tia laze là chùm sáng có độ dmi săc cao. B. Tia laze là chùm sáng kết hợp. C. Tia laze là chùm sáng song song. D. Gây ra hiện tượng quang điện với hầu hết các kim loại. Hướng dẫn Hầu hết các kim loại có giới hạn quang điện nằm trong vùng tử ngoại mà laze nằm trong vùng nhìn thấy  Chọn D. Ví dụ 3: Dùng chùm tia laze có công suất P = 10 W để nấu chảy khối thép có khối lượng 1 kg. Nhiệt độ ban đầu của khối thép t 0 = 30°, nhiệt dung riêng của thép C = 448J/kg độ, nhiệt nóng chảy của thép L = 270
kJ/kg, điểm nóng chảy của thép T C = 1535°C. Coi rằng không bị mất nhiệt lượng ra môi trường. Thời gian làm nóng chảy hoàn toàn khối thép là A. 26 h. B. 0,94 h. C. 100 h. D. 94 h. Hướng dẫn Nhiệt lượng cần thiết để đưa khối thép lên điểm nóng chảy: Q 1 = mc(T C − t 0 ) = 1.448.(1535 − 30) = 674240 J. Nhiệt lượng cần thiết để chuyển khối thép từ thể rắn sang thể lỏng ở điểm nóng chảy: Q 2 = m.L = 1. 270.10 3 = 270000 J. Tổng nhiệt lượng để nấu chảy hoàn toàn khối thép: Q = Q1 + Q2 = 944240 J. Thời gian cần để nấu chảy khối thép: Q9442401htx26h P103600 Chọn A. Ví dụ 4: Người ta dùng một laze hoạt động dưới chế độ liên tục để khoan một tấm thép. Công suất của chùm laze là P = 10 W. Đường kính của một chùm sáng là d = 1 mm. Be dày của tấm thép là e = 2 mm. Nhiệt độ ban đầu là t 0 = 30°C. Khối lượng riêng của thép:  = 7 800 kg/m 3 . Nhiệt dung riêng của thép: C = 448 J/kg.độ. Nhiệt nóng chảy riêng của thép: λ = 270 kJ/kg. Điểm nóng chảy của thép: T C = 1 535°C. Bỏ qua mọi hao phí. Tính thời gian khoan thép. A. 2,16 s B. 1,16 s C. 1,18 s D. 1,26 s Hướng dẫn Thể tích thép cần nấu chảy là 293deV1,57.10m 4   Khối lượng thép cần nấy chảy là 17mV122,46.10kg (kg) Nhiệt lượng cần thiết để đưa khối thép từ nhiệt độ ban đầu lên điểm nóng chảy là 1c0QmcTt8,257J Nhiệt lượng cần thiết để chuyển khối thép từ thể rắn sang thể lỏng ở nhiệt độ nóng chảy là 2Qm3,306J Nhiệt lượng cần thiết để chuyển khối thép từ nhiệt độ ban đầu cho đên khi nóng chảy là 12QQQ11,563J Thời gian khoan thép là Qt1,16s P  Chọn B. Ví dụ 5: Nước có nhiệt dung riêng c = 4,18 kJ/kg.độ, nhiệt hóa hơi L = 2260 kJ/kg, khối lượng riêng D = 1000 kg/m 3 . Để làm bốc hơi hoàn toàn 1 mm 3 nước ở nhiệt độ ban đầu 37°C trong khoảng thời gian 1 s bằng laze thì laze này phải có công suất bằng A. 4,5 W. B. 3,5 W. C. 2,5 W. D. 1,5 W. Hướng dẫn Khối lượng của 1 mm 3 nước: m = VD = 10 −9 . 1000 = 10 −6 kg. Nhiệt lượng cần cung cấp để đưa 1mm 3 nước từ 37°C lên điểm hóa hơi: 631C0QmcTt10.4,18.10.100370,26334J. Sau đó, nhiệt lượng cần cung cấp để chuyển lmm 3 nước từ thể lỏng sang thể hơi: 63 2Qm.L10.2260.102,26J. Nhiệt lượng tổng cộng để chuyển toàn bộ lmm 3 nước từ thể lỏng sang thể hơi là: Q = Q 2 + Q 2 = 2,52334 J. Công suất của laze: Q2,52334P2,5W t1  Chọn C. Ví dụ 6: Một laze có công suất 10 W làm bốc hơi một lượng nước ở 30°C. Biết rằng nhiệt dung riêng của nước là C = 4,18 kJ/kg.độ, nhiệt hóa hơi của nước L = 22601cJ/kg, khối lượng riêng của nước D = 1000kg/m 3 . Thể tích nước bốc hơi được trong khoảng thời gian 1 s là A. 3,9 mm 3 . B. 4,4 mm 3 . C. 5,4 mm 3 . D. 5,6 mm 3 . Hướng dẫn Khối lượng của 1mm 3 nước: m = VD = 10 9.1000 = 10 −6 kg. Nhiệt lượng cần cung cấp để đưa 1mm 3 nước từ 30°C lên điểm hóa hơi: 631C0QmcTt10.4,18.10.100300,2926J. . Sau đó, nhiệt lượng cần cung cấp để chuyển lmm 3 nước từ the lỏng sang thể hơi: Q 2 = m.L = 10 −6 . 22 60.10 3 = 2,26 J. Nhiệt lượng tổng cộng để chuyên toàn bộ lmm 3 nước từ thể lỏng sang thể hơi là: