Quang phổ và các loại tia - Vật lí 12
Lý thuyết
1. Máy quang phổ lăng kính
− Là dụng cụ dùng để phân tích một chùm ánh sáng phức tạp thành những thành phần đơn sắc.
− Gồm 3 bộ phận chính:
a. Ống chuẩn trực
− Gồm TKHT L1, khe hẹp F đặt tại tiêu điểm chính của L1.
− Tạo ra chùm song song.
b. Hệ tán sắc
− Gồm 1 (hoặc 2, 3) lăng kính.
− Phân tán chùm sáng thành những thành phần đơn sắc, song song.
c. Buồng tối
− Là một hộp kín, một đầu có TKHT L2, đầu kia có một tấm phim ảnh K (hoặc kính ảnh) đặt ở mặt phẳng tiêu của L2.
− Các chùm sáng song song ra khói hệ tán sắc. sau khi qua L2 sẽ hội tụ tại các điểm khác nhau trân tấm phim K, mồi chùm cho ta một ánh thật, đơn sắc của khe F. Vậy trên tấm phim K, ta chụp được một loạt ảnh của khe F, mỗi ánh ứng với một bước sóng xác định và gọi là một vạch quang phổ.
− Tập hợp các vạch quang phổ chụp được làm thành quang phổ của nguồn sáng.
2. Quang phổ phát xạ
+ Mọi chất rắn, lỏng, khí được nung nóng đến nhiệt độ cao, đều phát ánh sáng. Quang phổ của ánh sáng do các chất đó phát ra gọi là quang phổ phát xạ của chúng.
+ Để khảo sát quang phổ của một chất, ta đặt một mẫu nhỏ (vài miligam) chất đó lên đầu một điện cực than, rồi cho phóng một hồ quang điện giữa cực ấy với một cực than khác, và cho ánh sáng của hồ quang ấy rọi vào khe F của một máy quang phố, đế chụp quang phổ của chất ấy.
− Có thể chia thành 2 loại:
a. Quang phổ liên tục
+ Quang phổ liên tục là một dải có màu có máu từ đỏ đến tím nối liền nhau một cách liên tục.
+ Quang phổ liên tục do các chất rắn, chất lỏng hoặc chất khí có áp suất lớn, phát ra khi bị nung nóng.
+ Quang phổ liên tục của các chất khác nhau ở cùng một nhiệt độ thì giống nhau và phụ thuộc nhiệt độ của chúng.
b. Quang phổ vạch
+ Quang phổ vạch là một hệ thống những vạch sáng riêng lẻ, ngăn cách nhau bởi những khoảng tối.
+ Quang phổ vạch do chất khí ở áp suất thấp phát ra, khi bị kích thích bằng nhiệt, hay bằng điện.
+ Quang phổ vạch của các nguyên tố khác nhau thì rất khác nhau (số lượng các vạch, vị trí (hay bước sóng) và độ sáng ti đối giữa các vạch).
+ Mỗi nguyên tố hóa học có một quang phổ vạch đặc trung của nguyên tố đó.
3. Quang phổ hấp thụ
+ Dùng một bóng đèn điện dây tốc chiếu sang khe F của một máy quang phổ. Trên tiêu diện của thấu kính buồng tối, có một quang phổ liên tục của dây tốc đèn.
+ Đặt xen giữa đèn và khe F một cốc thúy tinh đựng dung dịch màu, thì trên quang phổ liên tục ta thấy có một dải đen. Ta kết luận rằng, các vạch quang phổ trong các dài đen ấy đã bị dung dịch hấp thụ.
+ Quang phổ liên tục, thiếu các bức xạ do bị dung dịch hấp thụ, được gọi là quang phổ hấp thụ của dung dịch.
+ Các chất rắn, lỏng và khí đều cho quang phổ hấp thụ.
+ Quang phổ hấp thụ của chất khí chỉ chứa các vạch hấp thụ. Quang phổ của chất lỏng và chất rắn chứa các “đám” gồm cách vạch hấp thụ nối tiếp nhau một cách liên tục.
4. Tia hồng ngoại và tia tử ngoại
a. Phát hiện tia hồng ngoại và tia tử ngoại
− Đưa mối hàn của cặp nhiệt điện:
+ Vùng từ Đ → T: kim điện kế bị lệch.
+ Đưa ra khỏi đầu Đ (A): kim điện kế vẫn lệch.
+ Đưa ra khỏi đầu T (B): kim điện kế vẫn tiếp tục lệch.
+ Thay màn M bằng một tấm bìa có phủ bột huỳnh quang → ở phàn màu tím và phần kéo dài của quang phổ khỏi màu tím phát sáng rất mạnh.
− Vậy, ở ngoài quang phổ ánh sáng nhìn thấy được, ở cả hai đầu đỏ và tím, còn có những bức xạ mà mắt không trông thấy, nhưng mối hàn của cặp nhiệt điện và bột huỳnh quang phát hiện được.
− Bức xạ ở điểm A: bức xạ (hay tia) hồng ngoại.
− Bức xạ ở điểm B: bức xạ (hay tia) tử ngoại.
b. Bản chất và tính chất chung của tia hồng ngoại và tử ngoại
* Bản chất
− Tia hồng ngoại (0,76 µm – 10−3 m) và tia tử ngoại (0,38 µm – 10−9 m) có cùng bản chất với ánh sáng thông thường (bân chất là sóng điện từ), và chỉ khác ở chỗ, không nhìn thấy được.
* Tính chất
− Chúng tuân theo các định luật: truyền thẳng, phản xạ, khúc xạ, và cũng gây được hiện tượng nhiễu xạ, giao thoa như ánh sáng thông thường.
5. Tia hồng ngoại
a. Cách tạo
− Mọi vật có nhiệt độ cao hon 0 K đều phát ra tia hồng ngoại.
− Vật có nhiệt độ cao hon môi trường xung quanh thì phát bức xạ hồng ngoại ra môi trường.
− Nguồn phát tia hồng ngoại thông dụng: bóng đèn dây tóc, bếp ga, bếp than, điôt hồng ngoại...
b. Tính chất và công dụng
− Tác dụng nhiệt rất mạnh → sấy khô, sưởi ấm...
− Gây một số phản ứng hoá học → chụp ảnh hồng ngoại.
− Có thể biến điệu như sóng điện từ cao tần → điều khiển dùng hồng ngoại.
− Trong lĩnh vực quân sự.
6. Tia tử ngoại
a. Nguồn tia tử ngoại
− Những vật có nhiệt độ cao (từ 2000°C trở lên) đều phát tia tử ngoại.
− Nguồn phát thông thường: hồ quang điện, Mặt trời, phổ biến là đèn hơi thuỷ ngân.
b. Tính chất
− Tác dụng lên phim ảnh.
− Kích thích sự phát quang của nhiều chất.
− Kích thích nhiều phản ứng hoá học.
− Làm ion hoá không khí và nhiều chất khí khác.
− Tác dụng sinh học.
c. Sự hấp thụ
− Bị thuỷ tinh, nước hấp thụ mạnh.
− Thạch anh trong suốt với vùng tử ngoại gần ().
− Tần ozon hấp thụ hầu hết các tia tử ngoại có bước sóng dưới 300 nm.
d. Công dụng
− Trong y học: tiệt trùng, chữa bệnh còi xương.
− Trong CN thực phẩm: tiệt trùng thực phẩm.
− CN cơ khí: tìm vết nứt trên bề mặt các vật bằng kim loại.
7. Tia X
a. Phát hiện về tia X
− Mỗi khi một chùm catôt − tức là một chùm êlectron có năng lượng lán − đập vào một vật rắn thì vật đó phát ra tia X.
b. Cách tạo tia X
− Dùng ống Cu−lít−giơ là một ống thuỷ tinh bên trong là chấn không, có gắn 3 điện cực.
+ Dây nung bằng vonfram FF’ làm nguồn êlectron. FF’ được nung nóng bằng một dòng điện
→ làm cho các êlectron phát ra.
+ Catôt K, bằng kim loại, hình chỏm cầu.
+ Anôt A bằng kim loại có khối lượng nguyên tử lớn và điểm nóng chảy cao.
+ Hiệu điện thế giữa A và K cỡ vài chục kV, các êlectron bay ra từ FF’ chuyển động trong Tia X điện trường mạnh giữa A và K đến đập vào A và làm cho A phát ra tia X.
c. Bản chất và tính chất của tia X
* Bản chất
− Tia X là sóng điện từ có bước sóng nằm trong khoảng từ 10−11 m đến 10−8 m.
* Tính chất
− Tính chất nổi bật và quan trọng nhất là khả năng đâm xuyên. Tia X có bước sóng càng ngắn thì khả năng đâm xuyên càng lớn (càng cứng).
− Làm đen kính ảnh.
− Làm phát quang một số chất.
− Làm ion hoá không khí.
− Có tác dụng sinh lí.
* Công dụng
Tia X được sử dụng nhiều nhất để chiếu điện, chụp điện (vì nó bị xương và các lỗ tổn thương bên trong cơ thể cản mạnh hơn da thịt), để chuẩn đoán bệnh hoặc tìm chỗ xương gãy, mảnh kim loại trong người..., để chữa bệnh (chữa ung thư). Nó còn được dùng trong công nghiệp để kiểm tra chất lượng các vật đúc, tìm các vết nứt, các bọt khí bên trong các vật bằng kim loại; để kiểm tra hành lí của hành khách đi máy bay, nghiên cứu cấu trúc vật rắn...
8. Thang sóng điện từ
+ Sóng vô tuyến điện, tia hồng ngoại, ánh sáng thông thường, tia tử ngoại, tia X và tia gamma, đều có cùng bản chất, cùng là sóng điện từ, chỉ khác nhau về tần số (hay bước sóng). Các sóng này tạo thành một phổ liên tục gọi là thang sóng điện từ.
+ Sự khác nhau về tần số (bước sóng) của các loại sóng điện từ đã dẫn đến sự khác nhau về tính chất và tác dụng của chúng.
+ Toàn bộ phổ sóng điện từ, từ sóng dài nhất (hàng chục km) đến sóng ngắn nhất (cỡ 10−12 + 10−15m) đã được khám phá và sử dụng.
Các dạng bài tập về quang phổ và các loại tia
Trên màn vẫn xuất hiện các cực đại, cực tiểu nhưng mắt không quan sát được. Có thể phát hiện các cực đại, cực tiểu này bằng cách dùng pin nhiệt điện hoặc phim chụp hoặc đối với tia tử ngoại và tia X có thể phủ lên màn ảnh một chất phát quang.
(Xem thêm trong file pdf)
Bài tập tự luyện có hướng dẫn
(Xem thêm ở file pdf)
Xem thêm các dạng bài tập Vật lí chi tiết và hay khác:
80 bài tập về giao thoa ánh sáng (có đáp án năm 2023)
80 bài tập về hiện tượng quang điện. thuyết lượng tử ánh sáng (có đáp án năm 2023)
100 bài tập về hiện tượng quang điện trong (có đáp án năm 2023)
100 bài tập về mẫu nguyên tử Bo. quang phổ nguyên tử Hidro (có đáp án năm 2023)
90 bài tập về hiện tượng quang - phát quang. Sơ lược về laze (có đáp án năm 2023)
