MODERN PHYSICS (Quantum Physics) Chapter 3

Chia sẻ: Nguyen Duy Long | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:21

Thêm vào BST

Báo xấu

82
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nền tảng vật lý? Hình. Chấm xanh dương trong bức ảnh là ánh sáng bức xạ ra từ đơn ion barium, được giữ rất lâu trong bẫy tại Trường Tổng hợp Washington. Một kỹ thuật đặc biệt giúp cho ion bức xạ ánh sáng liên tục - chỉ có chuyển dời lượng tử giữa một cặp mức năng lượng. Mục tiêu đầu tiên của vật lý – phát hiện và hiểu các tính chất của nguyên tử

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: MODERN PHYSICS (Quantum Physics) Chapter 3

References MODERN PHYSICS MODERN 1. Fundamentals of Physics; David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker, 7th Edition, (Quantum Physics) volume 2. John Wiley & Sons, Inc. 2005 2. William F. Smith, Professor of Engineering Chapter 3 University of Central Florida, Principles of Materials Science and Engineering, McGraw- Hill, Inc. 1996 Ass. Prof. Dr. Tran Thi Tam Ass. Prof. Faculty of Engineering Physics and Nano Technology, 3. Nguyễn Văn Hiệu, Giáo trình lý thuyết lượng University of Engineering and Technology, VNUH tử, Nhà Xuất bản Đại học Quốc gia Hà nội, Vietnam 2002 Email: drtranthitam@yahoo.com Modern Physics 2 Chapter 3: Nguyên tử Nội dung Chương 1: Photon và sóng vật chất Photon What is so different about What light from a laser? light Chương 2: Sóng vật chất trong các bẫy Chương 3: Nguyên tử Chương 4: Sự dẫn điện trong chất rắn Modern Physics 3 Modern Physics 4
3.1 Nền tảng vật lý? lý? 3.1 Nền tảng vật lý ? lý Mục tiêu đầu tiên của vật lý – lý 3. 2 Một vài tính chất của nguyên tử 3. phát hiện và hiểu các tính chất 3. 3 Spin của điện tử củ của nguyên t ử. củ 3. 4 Các moment góc và moment lưỡng cực từ Hình. Chấm xanh dương trong 3. 5 Thí nghiệm Stern-Gerlach bức ảnh là ánh sáng b ức xạ ra 3. 6 Cộng hưởng từ hạt nhân từ đơn ion barium, đ ược giữ đơn ion 3. 7 Nguyên lý loại trừ Pauli loạ Pauli rất lâu trong b ẫy t ại Trường Tổng hợp Washington. Một 3. 8 Đa điện tử trong bẫy chữ nhật trong nh kỹ thuật đặc biệt giúp cho ion 3. 9 Xây dựng Bảng tuần hoàn bức x ạ ánh sáng liên t ục - chỉ Chấm thể hiện b ức x ạ 3. 10 Tia X và sự sắp xếp các nguyên tố có chuyển dời lượng t ử giữa tích lũy của rất nhiều 3. 11 Lasers và anh sáng Laser ng một cặp mức năng lượng. photons 3.12 Laser làm việc như Modernnào thế Physics 3. 5 Modern Physics 6 Các nguyên tử được sắp xếp với nhau có hệ thống th 3.2 Một vài tính chất của nguyên tử Các nguyên tử là bền vững. Về cơ bản tất cả các nguyên tử tạo nên thế giới hữu hình của chúng ta đã tồn tại hàng tỷ năm. Thế giới sẽ như thế nào giả sử như các nguyên tử liên tục thay đ ổi sang dạng khác, trong từng một vài tuần hoặc từng một vài năm? Các nguyên tử kết hợp với các nguyên tử khác Chúng dính kết cùng nhau tạo nên các phân tử bền vững và dính kết tạo nên chất rắn. Vốn nguyên tử là không gian rỗng, nhưng ta có thể đứng trên sàn nhà được làm nên từ các nguyên tử và không bị ngã tọt xuống. Vật lý lượng tử có thể giải thích các tính chất cơ bản này của nguyên tử, cũng nhưModerníPhysicschất kém quan trọng hơn 3 t nh 7 Modern Physics 8 sau đây.
Các nguyên t ố được s ắp xếp trong Bảng tuần hòa theo sáu hòa chu kỳ ngang hoàn chỉnh (và chu kỳ thứ bẩy chưa hòan thiện): chu ngang th n): trừ chu kỳ đầu, mỗi chu kỳ: tr chu u, bắt đầu t ừ bên trái với kim loại kiềm hoạt tính cao (lithium, bên kim hoạ nh sodium, potassium, and so on) sodium, on) kết thúc bên phải là các khí trơ (neon, argon, krypton, and so p hả (neon, and on). Vật lý lượng tử giải thí ch các tính chất hóa học của các nguyên nguyên tố này. Số lượng các nguyên t ố trong sáu chu kỳ là trong Đồ thị năng l ượng ion hóa của các nguyên tố là hàm số của số 2, 8, 8, 18, 18, and 32. 2, nguyên tử, cho thấy sự lặp lại theo chu kỳ qua sáu chu kỳ ngang Vật lý lượng tử dự đoán trước các con s ố này. đo hoàn thiện của Bảng tuần hoàn. Số lượng nguyên tố trong từng chu Modern Physics 9 Modern Physics 10 kỳ được chỉ ra trong bảng. Các nguyên tử phát xạ và hấp thụ ánh sáng ph hụ Các nguyên tử có Moment góc và Từ tính  Các nguyên tử chỉ có thể tồn tại trong các trạng thái lượng chỉ ng Mô hì nh cổ điển cho thấy hạt có tử gián đoạn, từng trạng thái có năng lượng xác định. gi n, khối lượng m và điện tí ch -e  Nguyên tử có thể chuyển dời từ trạng thái này sang trạng chuy ng chuyển động với vận tốc υ trong thái khác bằng cách phát xạ ánh sáng (nhẩy xuống mức có th đường tròn bán kính. Các hạt năng lượng thấp hơn E1ow) hoặc b ằng cách hấp thụ ánh sáng năng hơn hụ ng chuyển động có moment góc     (nhẩy lên mức năng lượng cao hơn Ehigh). (nh ng ). L  r xp , trong đó p  m là  Ánh sáng đ ược phát xạ hay hấp thụ dưới dạng photon với hay hụ moment tuyến tính của nó. năng lượng: hv = Ehigh - Elow năng Chuyển đ ộng của hạt tương đương Như vậy, thay vì tì m t ần số của ánh sáng b ức xạ hay hấp thụ hay hụ với dòng theo mạch vòng và theo  đơn giản thành vấn đề tìm năng lượng của trạng thái lượng tử giả năng đó có moment t ừ  , với hướng của nguyên tử. củ ngược chiều với L. Vật lý lượng tử cho phép chúng ta – ít nhất về nguyên t ắc – cho nguyên tính toán các năng lượng này. Physics Modern 11 Modern Physics 12
Thí nghiệm Einstein – de Haas 3.3 Spin của điện tử Einstein Cho dù điện t ử bị bẫy trong nguyên tử hay t ự do đều có  moment góc spin nội S , đơn giản thường đ ược gọi là spin.  (nhắc lại “nội” nghĩa là S là đặc trưng căn bản của điện t ử, giống như khối lượng và điện tí ch của nó.)  Độ lớn của S bị lượng tử hóa, và phụ thuộc vào s ố lượng t ử spin s, luôn b ằng ½ cho điện t ử (và protons, neutrons).  Thêm vào đó, thành phần của S được đo dọc theo b ất kỳ trục nào b ị lượng tử hóa và phụ thuộc vào s ố lượng tử từ spin ms, vốn chỉ có thể có hai giá trị + ½ or - ½. Năm 1915, Albert Einstein và nhà vật lý người Hà lan W. J. de Haas đã tiến hành thí nghiệm thiết kế để chứng minh rằng moment góc và moment từ của các nguyên tử cá oderntPhysics t hợp. M biệ là kế 13 Modern Physics 14 Einstein và de Haas treo hình trụ bằng sắt lên 1 sợi dây mảnh. Trạng thái lượng tử của điện tử trong nguyên tử hydro hay bất kỳ nguyên tử khác nào đều hoàn toàn được đặc trưng trưng bởi bộ năm số lượng tử.  Một lớp được tạo nên bởi tất các các trạng thái có cùng giá trị n.  Bằng cách tính các giá trị được phép của ℓ và mℓ sau đó nhân đôi để tính cho hai giá trị được phép của ms Một lớp được xác định bởi số lượng tử n có 2n2 trạng ng thái. th i. Trong vật lý lượng tử, moment gó c spin t ốt nhất nên hiểu là  Một tiểu lớp được tạo thành bởi tất cả các trạng thái với một tính chất nội có thể đo được của điện tử; đơn giản là bạn đo củ giả cùng một bộ giá trị của n và ℓ và có cùng giá trị năng gi không thể hình dung nó với mô hì nh cổ điển. không đi lượng. Bây giờ ta có t hể mở rộng danh sách các số lượng tử bao gồm ta bao cả s và ms.  Tiểu lớp được xác định bằng số lượng tử ℓ có 2(2ℓ + 1) Modern Physics 15 Modern Physics 16 trạng thái.
Moment góc quỹ đạo và từ tính uỹ 3.4 Các moment góc và moment lưỡng cực từ  Độ lớn L của moment góc q uỹ đạo L của điện t ử trong Độ nguyên tử bị lượng tử hóa; nghĩa là, nó chỉ có thể có những giá nguyên Từng trạng thái lượng tử của điện tử trong trị xác đ ịnh. Những giá trị này b ằng: h nguyên tử luôn đi với moment góc quỹ đạo luôn L  (  1)  2 và moment lưỡng cực từ quỹ đạo tương  - Số lượng tử quỹ đạo ứng.  = 0,, 1, 2, 3…(n - 1) 0  Từng điện tử, cho dù bị bẫy trong nguyên trong  orb , vốn Lưỡng cực t ừ có moment lưỡng cực từ quỹ đạo tử hay là tự do, có moment góc spin và hay do, liên quan t ới moment gó c q uỹ đạo bởi: liên uỹ moment lưỡng cực từ spin tương ứng. e e    1 orb  orb   L 2m 2m Modern Physics 17 Modern Physics 18 L z  m  Ta hãy t ưởng tượng rằng nguyên tử đang nằm trong t ừ trường B; giả thiết rằng trục z mở rộng theo hướng của các đ ường sức tại vị trí của nguyên t ử. T iếp đó ta có thể đo thành phần z của µorb và L dọc theo t rục này. Thành phần µorb,z được tính bằng: orb, z    B m mℓ - s ố lượng tử từ quỹ đạo quỹ m  0, 1, 2,....   µB – Bohr magneton Lz cos  e eh L B   = 9,274 . 10-24 J /T =5,788 . 10-5 eV /T 4m 2m Fig. (a) Các giá trị được phép của Lz đối với điện tử trong trạng thái trong Thành phần Lz của moment gó c cũng bị lượng t ử hóa, và được với ℓ = 2. Đối với từng vector của moment góc quỹ đạo L trong uỹ trong  tính b ằng: hình, tồn tại một vector  chỉ theo hướng ngược lại, thể hiện độ hỉ theo i, th hi L z  m  Lượng tử hóa lớn và hướng của moment lưỡng cực từ quỹ đạo µorb. (b) Cá c hình quỹ nh  không gian 19 Modern Physics Modern Physics 20 côn của các hướng có thể của L côn
Hiệu ứng Zeeman  ng m  0, 1, 2,....   U  m  B B Hiệu ứng t ừ trường dịch chuyển năng lượng của từng trạng thái q uỹ đạo b ằng một lượng U – năng lượng tương tác.  Mức năng lượng với số lượng t ử quỹ đạo ℓ chứa (2ℓ + 1)  các t rạng thái q uỹ đạo khác nhau. Khi không có từ trường U    .B ngoài các t rạng thái này có cù ng năng lượng; nghĩa là, chúng bị suy biến. T ừ trường loại bỏ sự suy biến này. orb, z    B m Trong từ trường ngoài mℓ xác định đ ịnh hướng của chúng b ị tách thành 2ℓ + 1 moment t ừ quỹ đạo t ương đ ối các mức năng lượng khác với từ trường. biệt; Giản đ ồ các mức năng l ượ ng của  Các mức cạnh nhau khác m  0, 1, 2,....   hydro. Cho t h ấy sự tách các mức năng nhau theo năng lượng b ằng: lượ ng là kết quả của sự tương tác của  Sự phụ thuộc này là nguyên moment t ừ quỹ đạo củ a điện t ử với từ B B trườ ng ngoài. nhân mℓ được gọi là số lượng t ửPhysics Modern 21 Modern Physics 22 từ.    Cho dù 3 hay là p s , không thể đo được b ằng b ất kỳ cách nào. đo S Moment góc Spin và Moment lưỡng cực từ Tuy nhiên, ta có thể đo các thành phần của nó dọc theo bất kỳ Tuy đo Spin Spin trục cho trước nào – gọi là theo trục z. Thành phần Sz của trụ trụ Độ lớn S của moment gó c spin Độ spin  moment gó c spin b ị lượng t ử hóa và bằng: moment S  s( s  1) 3 của b ất kỳ điện tử nào, cho đi cho S ms = +½ electron is said to be spin up spin electron S z  ms . dù tự do hay bị bẫy, chỉ có một do hỉ (  1)  0.866 1 1 ms = -½ electron is said to be spin down down electron  giá trị bằng: gi 2 2 Thành phần µ s,z của moment lưỡng cực Điện t ử có lưỡng cực từ nội luôn đi cù ng moment gó c spin của  từ spin cũng b ị lượng t ử hóa và bằng: nó S , cho dù điện tử b ị giam giữ trong nguyên t ử hay t ự do. 3 bị giam trong hay   Lưỡng cực t ừ này có moment lưỡng cực t ừ 8 s , vốn liên quan liên   s , z  2m s . B tới moment góc spin S b ởi S e  e Hình. Các giá trị được phép của Sz và s s  1 s   S s  µz của điện tử. m Modern Physics m 23 Modern Physics 24
Sự kết hợp moment góc quỹ đạo và Moment uỹ Moment Các giá trị có thể của độ lớn J được gán cho số lượng góc Spin tử j bằng: Đối với nguyên tử chưa nhiều hơn một điện tử, ta định chưa nh  ra moment góc tổng 7 , chính là tổng vector của các moment J moment góc của điện tử cá biệt – cả moment góc quỹ moment cả moment uỹ  Có thể có những trạng thái trong đó j = |ℓ ± ½|. đạo và moment góc spin của điện tử đó. Đối với  Trạng thái ℓ + ½ tương ứng với trường hợp các nguyên tử trung tính: nguyên trung vectors L and S có thành phần z song song,  Trạng thái ℓ - ½, các vector L và S có thành phần z- ngược chiều nhau. Z – Số lượng hạt protons vốn được xác đ ịnh như số nguyên t ử nh nguyên  Ví dụ, khi ℓ = 1, j có thể là 1/2 hoặc 3/2 . (hay s ố điện tích) của nguyên t ố đi Modern Physics 25 Modern Physics 26 Checkpoint 3.1 Tương t ự như vậy, như y,  Moment lưỡng cực từ tổng của ng củ nguyên t ử nhiều điện t ử là vector tổng nguyên nhi ng Điện tử trong trạng thái lượng tử mà moment trong moment của các moment lưỡng cực t ừ (cả quỹ củ (c quỹ đạo và spin) của các điện tử riêng biệt riêng góc quỹ đạo của điện tử L có độ lớn bằng 2 3 . uỹ ng của nguyên tử đó. Moment lưỡng cực củ từ hiệu dụng µeff đ ối với nguyên t ử là hi ng Có bao nhiêu hình chiếu của moment lưỡng cực thành phần của vector tổng của các từ quỹ đạo của điện tử trên trục z là được phép? quỹ trên moment lưỡng cực t ừ cá biệt theo moment theo hướng của –J. Hình. Mô hình cổ điển chỉ cho thấy đi hỉ cho vector moment gó c t ổng J và vector vector ng moment t ừ hiệu dụng µeff. moment hi ng Modern Physics 27 Modern Physics 28
Lực từ trường làm lệch hướng nguyên tử bạc 3.5 Thí nghiệm Stern-Gerlach tr Thế năng U của lưỡng cực từ trong từ trường B. trong tr ng  µ – moment lưỡng cực từ U   .B Thành phần µz của moment lưỡng cực   từ của nguyên t ử dọc theo hướng của B B U    z .B  Lực tương tác giữa từ trường B của nam châm điện và lưỡng cực t ừ của nguyên t ử bạc cá biệt: Collimator Phương trình của lực từ làm lệch ch dU dB  z Fz   hướng của nguyên tử khi nguyên tử khi Electromagnet dz dz bạc đi qua từ trường bạ tr dB - Gradient của từ trường dọc theo trục 30 z. 1922 Modern Physics 29 Modern Physics dz Otto Stern Walther Gerlach Ý nghĩa của kết quả thực nghiệm Sự ngạc nhiên từ thí nghiệm uả th th Nguyên t ử bạc là nguyên tử nhiều điện t ử. Tất cả moment t ừ spin và các moment t ừ quỹ đạo triệt tiêu nhau theo vector chỉ trừ một điện tử đơn, và moment lưỡng cực quỹ đạo của điện t ử ấy cũng b ằng zero. → Moment lưỡng cực kết hợp µ của nguyên t ử bạc là moment lưỡng cực t ừ spin của điện tử đơn ấy. → Điều này nghĩa là µz chỉ có thể có hai giá trị dọc theo trục z: Kết quả của các thí nghiệm hiện đại lặp lại thí nghiệm của ms = +½ (điện tử đơn có spin up), và thành phần kia dành cho Stern - Gerlach. Khi nam châm điện tắt, trên lối ra chỉ có một t, trên hỉ số lượng tử ms = -½ (điện t ử đơn có spin down). chù m tia; bật nam châm điện, chù m tia đơn tách thành hai ch nh  s , z  2 1 . B    B  s , z  2 1 . B    B chù m nhỏ. Hai chù m nhỏ này tương ứng với s ự định hướng ch hỏ tương ng 2 2 của moment từ của nguyên t ử cesium song song và ngược củ nguyên s ong dB dB chiều với t ừ trường ngoài. chi tr 2 vết bạc trên tấm B Fz  Modern Physics & Fz    B dz 31 Modern Physics 32 dz thủy tinh thủ
3.6 Cộng hưởng từ hạt nhân Như vậy, hiệu năng lượng giữa hai Proton có moment lưỡng cực từ spin µ vốn liên đới trạng thái đó bằng:  với moment góc spin nội của proton S. E   z .B    z .B   2  z .B Hai vectors nà y kết hợp với nhau và, bởi proton có Hai điện tích dương. Chúng có cùng hướng. Ch ng. đi Hình. Thành phần z của µ của proton proton Giả thiết là proton nằm trong từ trường B định hướng thi tr ng trong (a) t rạng thái năng lượng thấp trong theo chiều dương của trục z. Thì µ có 2 thành phần bị theo dương củ th (spin-up) và (b) trạng thái năng lượng b) trạ ng lượng tử hóa khả thi dọc theo trục đó +µz và -µz hả thi cao (spin-down). (c) Giản đ ồ các mức cao năng lượng , cho thấy proton nhẩy năng ng cho Thế năng U của lưỡng cực từ trong từ trường ngoài B. trong tr  lượng t ử lên trên khi spin của nó đảo lên U    .B chiều từ “up” sang “down”. chi sang Modern Physics 33 Modern Physics 34 Nếu ta đ ặt mẫu nước vào t ừ trường B, các protons trong thành protons nh tr ng phần hydro của phân tử nước có thiên hướng vào trạng thái ph Hình ảnh cho thấy phổ NMR năng lượng thấp. Như vậy, proton có thể nhẩy lên t rạng thái ng th nh của ethanol CH3CH2OH, mà năng lượng cao bằng cách hấp thụ photon có năng lượng hv năng hụ photon ng phân tử của nó gồm ba nhó m bằng ΔE ng nguyên t ử: CH3, CH2, và O H. hv  2  z .B Proton trong t ừng nhó m có thể trải qua công hưởng từ, nhưng Sự hấp thụ này đ ược gọi là cộng hưởng từ (magnetic hụ magnetic từng nhó m có giá trị cộng resonance) hoặc là theo gốc, nuclear magnetic resonance c, nuclear resonance hưởng từ Bext duy nhất của nó (NMR), và cơ cấu đảo chiều thành phần Sz của spin đ ược gọi Bởi các nhó m nằm trong các trường nội khác nhau Bint, do s ự là đ ảo chiều spin (spin-flipping). spin sắp xếp của chú ng trong phân t ử CH3CH2OH. Trên thực t ế, các p hoton đòi hỏi cộng hưởng t ừ có tần số trong photon hỏ Như vậy, các đ ỉnh cộng hưởng trong phổ trên tạo nên chữ ký vùng tần số radio - (RF) và được cung ứng b ởi một cuộn dây ng cung dây duy nhất NMR để xác đ ịnh ethanol. nhỏ cuộn quanh mẫu s ẽ trải qua cộng hưởng. cu Toàn b ộ trục hoành trải dài cỡ nhỏ hơn 10-4 T. nhỏ 10 Modern Physics 35 Modern Physics 36
3.7 Nguyên lý loại trừ Pauli loạ Pauli Hình. Trứng hóa t hạch 70-triệu Hai điện tử bị giam trong cùng một bẫy không thể bị giam năm của khủng long (loại ăn củ ăn có cùng một bộ các số lượng tử. cỏ) được đ ặt trong máy MRI cỏ MRI Nguyên lý này không chỉ ứng dụng cho điện t ử mà còn ng đi còn quét để kiểm tra phía trong q uả qu ki uả protons và neutrons, t ất cả chúng có s = ½. protons ch trứng. tr Nguyên lý này nghĩa là không thể tồn tại hai điện t ử trong trong nguyên t ử có thể có giá trị của b ốn số lượng t ử n, ℓ, mℓ, and ms nguyên giống nhau. T ất cả các điện tử có cùng s ố lượng t ử s = ½. gi ng Bởi nhiều chất có chữ ký NMR duy nhất, cộng hưởng t ừ được sử dụng để giám đ ịnh các chất chưa biết, ví dụ như công việc → bất kỳ hai điện t ử nào trong một nguyên tử phải khác nhau hai nhau thuộc tòa án trong nghiên cứu t ội p hạm. Thêm vào đó, quy ít nhất một trong bốn s ố lượng t ử. trình magnetic resonance imaging (MRI) cũng đ ược ứng →Ở đâu mà điều này không đúng, thì nguyên tử s ẽ bị phá vỡ, đâu sẽ ph dụng trong dự đoán b ệnh trong y học với những kết quả lớn và như vậy bạn và thế giới này không thể tồn t ại. gi lao. Modern Physics 37 Modern Physics 38 3.8 Nhiều điện tử trong bẫy chữ nhật trong nh Để bàn luận nguyên tử nhiều điện tử, chú ng ta hãy xem xét 2 điện tử bị giam trong b ẫy chữ nhật của Chương 2. Các moment gó c spin của hai điện t ử, khi ta giả thiết rằng bẫy nằm trong t ừ trường đ ồng nhất. (Sz = msћ); ms = + ½ or ms = - ½ ; n and ms 1. Bẫy một chiều. Đ ể sóng điện tử phù hợp trong b ẫy có đ ộ rộng L đòi hỏi chỉ Chìa khóa để hiểu bảng tuần hoàn các nguyên t ố được một số lượng t ử n. Hai điện tử có thể Wolfgang Pauli (1900-1958) phát hiện nguyên lý loại trừ. có các giá trị n khác nhau, hoặc chúng Pauli received the 1945 Nobel Prize in physics for his có cù ng giá trị của n nếu một trong hai accomplishment. Bức ảnh này ông Pauli (bên trái) và Niels điện tử có spin up ms = + ½ và điện tử Bohr đang quan s át vật lý của con quay đ ồ chơi quay trên sàn kia có spin down ms = - Modern Physics ½. Modern Physics 39 40 nhà.
nx, ny and ms nx, ny, nz mà ms 3. Hộp chữ nhật. Để sóng điện t ử phù hợp trong hộp có các đ ộ rộng Lx, Ly và Lz đòi hỏi 3 số lượng t ử nx, ny và nz. ms = + ½ 2. Thành chữ nhật. Để sóng điện hoặc = - ½. Theo nguyên lý loại tử phù hợp trong thành có đ ộ trừ Pauli, hai điện t ử bị giam rộng Lx và Ly đòi hỏi 2 số lượng trong một bẫy ít nhất một trong tử nx và ny. ms = + ½ hoặc = - ½. bốn số lượng tử này p hải có các Theo nguyên lý loại trừ Pauli, giá trị khác nhau. hai điện t ử bị giam trong một bẫy ít nhất một trong ba số lượng tử này p hải có các giá trị khác nhau. Modern Physics 41 Modern Physics 42 Giả sử rằng thêm nhiều hơn 2 điện tử, từng điện t ử một, vào Giả ng Tìm năng lượng tổng bẫy chữ nhật nói trên. nh trên. Một hệ thống có hai điện tử hoặc nhiều hơn bị giam th ho hơn  Hai điện t ử đầu tiên t ất nhiên đi vào mức năng lượng thấp giữ trong bẫy chữ nhật. gi trong nh nhất có thể - chúng đ ược gọi là chi ếm mức năng lượng đó. nh Nguyên lý loại trừ Pauli không cho phép thêm b ất kỳ điện t ử Nguyên Pauli đi Để đơn giản, giả thiết rằng các điện tử không tương giản, thi ng vào chiếm mức năng lượng thấp nhất đó, và điện t ử tiếp theo ti theo tác điện với nhau; như vậy, ta sẽ bỏ qua được thế năng y, ta bỏ qua phải chiếm mức năng lượng cao hơn tiếp theo. phả theo. điện của cặp điện tử. đi  Mức năng lượng đầy hoặc là bị chiếm đầy, khi mức năng ng khi năng lượng không thể chứa thêm điện tử theo nguyên lý loại trừ  Điện tử bị bẫy phải tuân theo nguyên lý loại trừ ch theo bị Pauli. Pauli. Pauli; Pauli;  Mức năng lượng r ỗng hoặc là không bị chiếm – khi mức ng Trong trường hợp này, ta có thể tính năng lượng tổng y, ta ng năng lượng đó không bị chiếm b ởi b ất kỳ điện tử nào. năng chi đi cho cấu hình điện tử bất kỳ bằng cách tính năng lượng cho ng  Mức năng lượng bị chiếm một phần cho trường hợp ở giữa. ng cho gi a. của từng điện tử sau đó cộng các năng lượng đó lại. Cấu hình điện tử của hệ thống các điện t ử bị bẫy là danh củ sau củ th bị danh sách hoặc là hì nh vẽ của Modern Physicsc năng lượng các điệ43 t ử các mứ n Modern Physics 44 chiếm hay là của bộ các s ố lượng t ử của các điện t ử. chi
Hình. (a) Giản đồ các mức năng lượng của một điện tử trong thành hình a) Giả th nh chữ nhật có độ rộng L. (Năng lượng E được tính nhân với h2/8mL2.) iện ch nh ng ng tử spin-down chiếm mức năng lượng thấp nhất. spin (b) Hai điện tử (một spin down, điện tử thứ hai spin up) chiếm mức năng (b) Hai (m th hai năng lượng thấp nhất trong giản đồ năng lượng. năng (c) Điện tử thứ ba chiếm mức năng lượng tiếp theo. Đi th chi theo. (d) Cấu hình trạng thái cơ bản của hệ thống đối với cả 7 điện tử. cơ bả củ th đi Modern Physics 45 Modern Physics 46 3.9 Xây dựng Bảng tuần hoàn  Bốn số lượng t ử n, ℓ, mℓ, và ms xác đ ịnh các trạng thái lượngng tử của các điện t ử cá biệt trong các nguyên t ử nhiều điện t ử. nhi  Thế năng liên đới với điện tử đã cho đ ược xác định không năng nh chỉ bằng điện tích và vị trí của hạt nhân nguyên t ử mà còn điện tr tích và vị trí của t ất cả các điện tử khác trong nguyên tử → tr kh hàm sóng của các t rạng thái này không giống hàm só ng của các trạng thái tương ứng trong nguyên t ử hydro. tương hydro  Tất cả các trạng thái có cù ng n và ℓ tạo nên tiểu lớp. ng  Tất cả các trạng thái trong một tiểu lớp đã cho có cùng năng ng (e) Ba chuyển dời mà 7 điện tử của hệ thống có thể nhẩy lên (e) Ba đi th nh lên lượng, giá trị của nó được xác đ ịnh đầu tiên b ởi giá trị của n và trạng thái kích thích thứ nhất. trạ nh ít hơn bởi giá trị của ℓ. (f) G iản đồ năng lượng của hệ thống, đối với ba năng lượng năng th ng tổng thấp nhất của hệ thống (nhân với h2/8mL2). th Modern Physics 47 Modern Physics 48
Neon - Ne Neon Với mục đí ch đánh dấu các tiểu lớp, giá trị của ℓ, đ ược biểu Nguyên tử neon có 10 điện tử. diễn b ằng chữ: di  Tiểu lớp 1s (n = 1;  = 0; m = 0; ms = +½ & - ½): Tiểu lớp  = 0 1 2 3 4 5 ...... 1s chứa 2[2(0) + 1] = 2 trạng thái. Chỉ có 2 điện tử khớp vào s p d f g h ...... tiểu lớp có năng lượng thấp nhất. Bởi tiểu lớp này chứa tất cả Ví dụ, khi n = 3,  = 2 tiểu lớp sẽ được đánh dấu là tiểu lớp 3d khi 3, ti số điện tử được p hép theo nguyên lý loại trừ Pauli, tiểu lớp . rạng thái trong nguyên t ử nhiều điện tử phải đ ược dẫn bởi T này đ óng. nguyên lý loại trừ Pauli; nghĩa là, không có hai điện t ử trong  Tiểu lớp 2s (n = 2;  = 0; m = 0; ms = +½ & - ½): chứa nguyên t ử có thể có bộ các s ố lượng tử n, , m và ms giống 2[2(0) + 1] = 2 trạng thái. Chỉ có 2 điện t ử khớp vào tiểu lớp nhau . có năng lượng thấp nhất tiếp theo. Nếu như nguyên lý quan trọng này không làm việc, tất cả các như trọ c, điện t ử trong bất kỳ nguyên tử nào có thể nhẩy xuống mức đi trong nguyên nh  Tiểu lớp 2p (n = 2;  = 1; m = 0, ±1; ms = +½ & - ½): Tiểu năng lượng thấp nhất của nguyên tử, như vậy có thể loại trừ năng lớp này chứa 2[2(1) + 1] = 6 trạng thái = 6 điện t ử. hóa học của các nguyên t ử và phân tử, và như vậy loại trừ cả cả sinh hóa và ngay cả chúng ta. sinh ch Modern Physics 49 Modern Physics 50 Sodium - Na Sodium Trong tiểu lớp đóng, tất cả hìnhnh Nguyên tử natri có 11 điện tử. natri chiếu được p hép trên t rục z của chi 10 điện tử trong số đó tạo nên lõ i giống-neon đ óng, như 10 đi nên lõ vector moment góc q uỹ đạo L đều vector uỹ chú ng ta đã thấy, có moment góc b ằng zero. chú th moment zero. hiện diện hi Điện tử cò n lại nằm xa ngoài lõi trơ này, trong tiểu lớp 3s trơ nà trong 3s  Như vậy, tiểu lớp đóng không y, t i ng (n = 3;  = 0) –tiểu lớp có năng lượng thấp nhất tiếp theo. 3; 0) năng có bất kỳ loại moment góc và Moment góc và moment lưỡng cực t ừ của nguyên tử natri moment t ừ nào. moment o. moment thuộc hoàn t oàn về spin của điện t ử đơn này. thu spin nà Mật độ xác suất của nó có đối x ứng cầu. có  Natri kết hợp đ áng kể với các nguyên tử khác, loại có “chỗ c, loạ  Neon với 3 tiểu lớp đóng sẽ không có “điện tử loanh quanh không trống" để điện tử liên kết lỏng lẻo của natri có thể khớp vào. tr đi liên th kh o. lỏng lẻo" để khuyến khích tương tác hóa học với các nguyên lỏ khuy ch tá nguyên  Natri, giống như các kim loại kiềm khác t ạo nên cột bên tay ng cá kim bên tử khác. trái của bảng tuần hoàn và rất tích cực về hó a học. trá  Neon, giống như các khí trơ khác t ạo nên cột bên phải của ng cá trơ như Modern Physicsó 51 Modern Physics 52 bảng tuần hoàn, hầu như trơ trong hó a học. bả n, h
Chlorine - Cl Iron - Fe Chlorine Iron Nguyên tử sắt có 26 điện tử. Có thể được biểu diễn như sau: 26 Nguyên tử chlo có 17 điện tử. chlo đi 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2 10 điện t ử đầu tiên tạo nên lõi giống-neon đóng, như chú ng 10 đi chú ng ta đã thấy, có moment góc b ằng zero. 2điện tử tiếp theo trong ta th moment ti trong Tiểu lớp s ( = 0) có thể chứa 2 điện t ử, tiểu lớp p ( = 1): 6, tiểu lớp 3s (n = 3;  = 0) có năng lượng nhỏ nhất tiếp theo. ti 3; 0) năng nh và tiểu lớp d ( = 2) có thể chứa 10. 18 điện tử đầu tiên tạo nên 5 tiểu lớp đầy, đ ể lại 8 điện t ử: 6  5 điện t ử chiếm tiểu lớp 3p (n = 3;  = 1; m = 0, ±1; ms = đi chi vào tiểu lớp 3d, và 2 còn lại vào tiểu lớp 4s. và +½ & - ½): T iểu lớp này có thể chứa 2[2(1) + 1] = 6 trạng thái ch Nguyên nhân 2 điện t ử cuối cùng không vào tiểu lớp 3d (vốn cu = 6 điện t ử. Như vậy có chỗ khuyết hay “lỗ trống" trong tiểu tr có thể chứa 10 điện tử) là bởi cấu hình 3d6 4s2 tạo nên t rạng th ch đi ng lớp này. thái có năng lượng thấp hơn so với khi là cấu hình 3d8. thá năng  Cl dễ tiếp thu s ự tương tác với các nguyên tử khác mà có ti tá có Nguyên t ử sắt với 8 điện t ử (thường hơn 6) trong tiểu lớp 3d (t ng trong điện t ử hóa trị có thể lấp đầy lỗ trống này. Ví dụ như chloride đi rị th tr y. sẽ nhanh chóng chuyển dời t hành cấu hình 3d6 4s2, bức x ạ nhanh natri (NaCl), là một hợp chất rất bền vững. Chlo, cũng như các natri ), ng cá sóng điện từ trong quá trình đ ó. só trong loại halogens khác t ạo nên cột VIIA của bảng tuần hoàn, rất loạ halogens n, tích cực về hó a học. tí Modern Physics 53 Modern Physics 54 3.10 Tia X và sự sắp xếp các nguyên tố Ống phát tia X 5s 5p 5d 5f 4s 4p 4d 4f 3s 3p 3d 2s 2p 1s Modern Physics 55 Modern Physics 56
Phổ tia X liên tục tia tụ Xem xét một điện t ử có động  Phổ bước só ng của tia X năng ban đ ầu K0 va chạm (tương được tạo nên khi chù m điện tác) với một trong các nguyên t ử tử 35 keV bắn vào bia 35 bia của bia. Đ iện tử có thể mất đi molybden. một lượng năng lượng ΔK, và sẽ xuất hiện thành năng lượng của  Tồn t ại một phổ phát xạ ph một photon tia X b ức x ạ ra khỏi liên t ục, rộng, trên đó có hai liên c, chỗ xẩy ra va chạm. đỉnh nhọn có bước sóng xác Chỉ có rất ít năng lượng chuyển định. nh. sang nguyên tử để dội ngược lại Điện tử tán xạ có thể có rất nhiều  Phổ liên t ục và các đ ỉnh liên nh va chạm với nguyên tử của bia, va bởi khối lượng lớn của nguyên này xuất hiện theo các cơ chế tạo nên các photons, cho đến khi tạ đế khi tử; ở đây ta bỏ qua sự chuyển khác nhau. kh điện tử hầu như tĩnh lại, tạo nên đi như tĩ tạ nên năng lượng này. Modern Physicshần phổ tia X liên tục. ph p tia Modern Physics 57 58 Một tính chất nổi b ật của phổ đó là bước sóng cắt λmin được Checkpoint 3.2 xác đ ịnh rõ ràng, nhỏ hơn b ước sóng đó phổ liên t ục không tồn tại tương ứng với một va chạm đơn với nguyên t ử bia và điện Bước sóng cắt λmin của phổ tia X liên tục tăng, giảm, tử tới đánh mất hoàn toàn động năng K0 ban đầu của nó. Một hay giữ nguyên nếu ta photon đơn được t ạo nên: (a) tăng động năng của các điện tử đập vào bia tia X, hc hc  min  K 0  hv  Bước sóng cắt (b) cho phép các điện tử đập vào tấm mỏng thay vì K0 min một khối nặng của vật liệu bia, (c) thay vật liệu bia sang nguyên tố có số nguyên tử Bước sóng cắt hoàn toàn không phụ thuộc hụ thu vào vật liệu làm bia. cao hơn? Nếu như ta thay bia molybdenum b ằng ng bia đ ồng, t ất cả các đ ặc tính của phổ tia X bia cũng sẽ thay đ ổi chỉ trừ bước só ng cắt. cũ thay hỉ tr Modern Physics 59 Modern Physics 60
Phổ tia X đặc trưng Sự sắp xếp các nguyên tố Năm 1913, nhà vật lý người Anh H. G. J. 19 Moseley đã tạo tia X đ ặc trưng cho những (38) tạ 8) nguyên tố nào ông có thể tìm thấy - bằng cách s ử nguyên dụng chúng làm bia cho điện tử bắn phá trong dụ ống chân không do ông t ạo ra. Kết luận của H. G. J. Moseley Moseley về vạch Kα của các nguyên t ố đó là: Moseley ch (1887 - 1915) Đã chứng minh đ ược r ằng trong nguyên tử có một đại lượng cơ bản, đại lượng này tăng theo từng b ậc đều đặn khi chuyển từ nguyên t ố này sang nguyên t ố tiếp theo (trong Hai đ ỉnh phổ được đánh Bảng tuần hoàn). Đ ại lượng đó chỉ có thể là điện tích của dấu Kα and Kβ. hạt nhân. Các đ ỉnh t ạo nên phổ tia Nhờ công trì nh của Moseley, phổ tia X đặc trưng đã trở thành công tia th nh X đặc trưng của vật liệu “chữ ký” được mọi ngườiModern Physics ận của các nguyên tố, nó chấp nh ký bia. Modern Physics 61 62 cho phép giải đ ược nhiều câu đố của Bảng tuần hoàn. Tính toán cho đồ thị của Moseley Moseley Năng lượng của nguyên t ử hydro bằng: hydro me 4 1 13.60eV với n = 1, 2, 3, ..... Hình. Đ ồ thị của En    22 2 n2 8 0 h n Moseley về vạch Moseley ch Kα của phổ tia X Bây giờ ta xem xét một trong 2 điện tử của lớp trong cù ng – ta đi ng đặc trưng của 21 trưng củ lớp K - trong nguyên tử nhiều điện t ử. nhi nguyên t ố. Tần s ố nguyên Bởi sự tồn t ại của điện tử kia trong lớp K, điện t ử của chúng ta kia đi ng được tính từ các “thấy" điện tích hiệu dụng của hạt nhân gần bằng (Z - 1)e, bước sóng đo ng trong đó e là điện tí ch căn bản và Z là số nguyên tử của trong ch bả nguyên được. nguyên t ố. Điều này cho ta: nguyên 13.60eV Z  12 En   n2 Modern Physics 63 Modern Physics 64
Photon tia X – Kα (có năng lượng hv) xuất hiện b ởi chuyển dời tia xu 3.11 Lasers và ánh sáng Laser từ lớp L (với n = 2) đến lớp K (với n = 1). Như vậy, ta có thể Như ta •LASER - Light Amplification by Stimulated Light viết sự thay đổi năng lượng b ằng: vi thay Emission of Radiation. Emission E  E2  E1  13.60eV Z  1  13.60eV Z  1 2 2   22 12  10.2eV Z  1 2 Tần s ố v của vạch Kα: Lấy căn b ậc hai của cả ch Basov Nikolay Prokhorov Townes Theodore Harold Maiman hai vế: Gennadiyevich Aleksandr hai Charles Known for Inventing, Demonstrating, 2 E 10.2eV Z  1 Mikhailovich Hard and Patenting the World's first LASER v    v  C ( Z  1) In 1964 the Nobel Prize for physics was given Notable awards 4.14x10 15 eV .s h to Nikolay Gennadiyevich Basov, Aleksandr Stuart Ballantine Medal (1962)   Wolf Prize in Physics (1983)  2.46x1015 Hz Z odern Physics C = 4,96.107Hz1/2 - const 1 2 Mikhailovich Prokhorov and Charles Hard and the Japan Prize (1987) Townes for the invention of the maserModern Physics M 65 66 laser 3. Ánh sáng Laser có tính định hướng cao. Chùm 1. Ánh sáng Laser có tính đơn sắc cao. Ánh sáng từ laser mở rộng ra rất nhỏ; Xung laser được sử dụng laser ng bóng đèn dây đốt bình thường không đơn sắc. Bức c. đo khoảng cách tới Mặt trăng tạo nên 1 vết trên bề khoả xạ từ bóng đèn huỳnh quang neon cũng đơn sắc cỡ mặt mặt trăng có đường kính chỉ một vài mét. Ánh nh 10-6 m, nhưng vạch laser có thể thu hẹp cỡ 10-15m. hưng vạ thu 10 sáng từ bóng đèn bình thường có thể làm thành nh chùm song song tương đối bằng thấu kính, nhưng ch hưng 2. Ánh sáng Laser có độ kết hợp cao. Sóng dài cá độ phân kỳ của chùm tia lớn hơn rất nhiều so với phân biệt (chuỗi sóng) đối với ánh sáng laser có thể kéo bi chùm ánh sáng laser. Độ phân kỳ góc của chùm tia ch phân tia dài vài trăm km. Khi 2 chùm tia riêng biệt lan lan đó có cỡ của sợi đốt. truyền qua khoảng cách như vậy tái hợp lại, chúng truy ng 4. Ánh sáng Laser có độ tụ cao. Đối với ánh sáng tụ cao Đố ng có thể tạo nên các vân giao thoa. Độ dài kết hợp laser, vết hội tụ có thể nhỏ sao cho mật độ công laser, nhỏ sao tương ứng cho chuỗi sóng từ bóng đèn dây đốt 17 W/cm2. Ngọn lửa đèn oxyacetylene, suất đạt 10 su 10 thường nhỏ cỡ met. th met. chỉ có thể đạt cỡ 103 Modern Physics 10 W/cm2. Modern Physics 67 68
Laser có rất nhiều ứng dụng Laser http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_applications_for_lasers Khoa học Hệ chiếu sáng bằng Laser Thiên văn học Xử lý vật liệu Quang phổ học Quang hóa Lasers used for visual effects Levelling of ceramic tiles Lasers Levelling Chiếu quét trên b ề mặt mặt Làm l ạnh b ằng Laser during a musical performance. floor with a laser device trăng  Trong công nghệ hạ t nhân Công nghi ệp và thương Lasers được s ử dụng cho mại các hiệu ứng ánh sáng trong The surface of a test target is instantly vaporized and bursts into  Thông tin quang công nghệ giải trí flame upon irradiation by a high power continuous wave carbon dioxide laser emitting tens of kilowatts of far infraredlight. Modern Physics 69 Modern Physics 70 3.12 Lasers làm việc như thế nào 3. Bức xạ cưỡng bức (cảm ứng): Sự tương tác giữa vật liệu và ánh sáng tương • Đây là một quá trình cộng hưởng, 1. Hấp thụ. Hấp thụ là mộ t quá trình cũng như hấp thụ; cộng hưởng. Nghĩa là chỉ có các • Năng lượng photon ánh sáng tới phải photons có tần s ố xác đ ịnh (hoặc là phù hợp với hiệu năng lượng giữa hai bước sóng) s ẽ bị hấp thụ. mức năng lượng. Photon năng lượng Photon phát xạ có bằng Photon ng Từ định luật bảo toàn năng lượng ta có hv có thể kích thích (cưỡng bức-cả m cách nào cũng giống hệt ứng) nguyên tử chuyển dời xuống mức hv = E1- E0 photon kí ch thích. photon ch. cơ bả n, trong quá trình đó nguyên tử → Só ng đi cù ng ng phát xạ ra thêm một photon, mà năng 2. Bức xạ ngẫu nhiên (t ự phát). Đ iện t ử sau 1 chu kỳ thời photons có cù ng năng lượng của nó đúng bằng hv. photons ng gian tiêu biểu cỡ 10-6s. Sau đó một cách ngẫu nhiên trở về lượng, p ha, phân cực,c, • Gọi là quá trình bức xạ cưỡng bức – trạng thái thấp hơn, 0, với s ự bức xạ photon ánh sáng. và hướng lan truyền. cưỡng bức bởi sự kiện này được khởi Tương t ự vậy, photon b ức x ạ ra s ẽ có năng lượng b ằng hiệu sự bằng một photon ngoài. giữa hai mức năng lượng. Modern Physics 71 Modern Physics 72
Bởi Ex > E0, phương trình này cho thấy Nx < N0; Bình thường, t hời gian sống bình thường của nguyên t ử bị → luôn có ít nguyên t ử trong trạng thái kích thí ch hơn là trong trong kích thí ch là 10-8 s. trạng thái cơ bản. trạ cơ bả Tuy nhiên, đ ối với một số trạng thái kích thích, t hời gian s ống trung bình có thể đến 105 lần lâu hơn. Các t rạng thái này đ ược gọi là siêu bền (đối với laser ruby 4 x 10-3 s). Bây giờ cho là có một mẫu chứa s ố lượng lớn nguyên tử trong cho Einstein chỉ ra rằng xác suất trong một nguyên tử cho các quá chỉ ra cho trạng thái cân b ằng nhiệt tai nhiệt độ T. Có Nx nguyên t ử trong trạ trình hấp thụ và phát xạ cưỡng b ức là như nhau. hụ số đó ở trạng thái năng lượng Ex tương quan với N0 nguyên tử ng tương (a) Như vậy, do nhiều nguyên tử hơn trong trạng thái cơ bản, (a) Như y, do trạ cơ bản, khác ở trong trạng thái cơ bản của chúng E0: kh trong cơ bả hiệu ứng thực s ẽ là hấp thụ photons. hi hụ photons. (b) Đ ể tạo ra ánh sáng laser, cần có nhiều nguyên tử phát x ạ ra ng ph   E x  E0  Định luật Boltzmann hơn hấp thụ; cần có đ ảo ngược sự phân bố (phân b ố đảo). hơn phân kT N x  N 0e k – Boltzmann constant Điều này không phù hợp khi cân bằng nhiệt, cần p hải tìm ra giải pháp thông minh để tạo ra phân b ố đảo và giữ phân b ố Modern Physics 73 Modern Physics 74 đảo.  Cung cấp năng lượng cho môi trường khuếch đại: Để tăng cường độ chùm sáng đi qua môi trường Cấu trúc khuếch đại cần cho thêm năng lượng vào chùm tia. Năng lượng nà y đến từ môi trường khuếch đại và nó Laser Laser được cung cấp vào bằng cách nào đó. Trong thuật ngữ về laser, quá trình cung cấp năng lượng cho môi trường khuếch đại được gọi là “bơm".  Nguyên tử hấp thụ và bức xạ ánh sáng: ánh sáng có thể tương tác với các nguyên t ử cá biệt trong môi trường khuếch đại bằng phương thức • Bơm môi trường khuếch đại bằng cách chiếu sáng nó như vậy bằng ánh sáng cường độ cao được gọi là bơm quang  Khuếch đại ánh sáng: Tất cả lasers ch ứa hoạt chất được cung cấp học. năng lượng nên có thể làm tăng cường độ ánh sáng đi qua nó. Chất này được gọi là môi trường khuếch đại, hoặc môi trường hoạt tính, và nó có • Các môi trường khí cần chứa trong các dạng ống và thể là chất rắn, chất lỏng hay ch ất khí. Cho dù dưới dạng vật lý nào, môi thường được bơm bằng phương pháp phóng điện qua trường khuếch đại phải chứa các nguyên tử, phân tử hoặc các ions, phần Modern Physics 75 Modern Physics 76 lớn chúng có thể trữ năng lượng rồi sau đó phát ra dưới dạng ánh sáng. môi trường.
 Tạ o phân bố đảo: Thời gian s ống lâu của các mức siêu b ền Laser khí Helium-Neon Laser kh cho phép 1 t ỷ phần lớn (nhiều hơn một nửa) các ions hoạt tính nhẩy lên các mức siêu b ền và như vậy phân b ố đảo đ ược t ạo VDC nên giữa mức này và mức cơ bản. Sự đảo ngược phân bố này W là điều kiện đòi hỏi để bức xạ cưỡng bức vượt lên hấp thụ và M1 như vậy có thể làm khuếch đại ánh sáng. M2  Dao động Laser: Các thành phần của laser khí helium-neon. Hiệu điện thế VDC  Bơm năng lượng → bức x ạ ánh sáng ngẫu nhiên t ừ các áp vào làm cho các điện tử phóng qua ống chứa hỗn hợp khí nguyên tử bị kí ch thí ch trong lòng môi trường khuếch đại khởi helium và neon. Các điện t ử va chạm với các nguyên t ử động b ức x ạ ánh sáng cường độ thấp trong buồng laser. helium, sau đó chúng va chạm với các nguyên tử neon, các  Các gương của Buồng Cộng hưởng (BCH) laser phản x ạ nguyên t ử neon bức x ạ ánh sáng dọc theo chiều dài của ống. chù m sáng t ự khởi đ ộng này đi lại → tạo dao đ ộng laser. Ánh sáng đi qua cửa sổ trong suốt W và phản x ạ đi lại qua ống  Ánh sáng này đ ược tăng cường độ khi đi lại nhiều lần qua lạ qua từ gương M1 và M2 đ ể làm cho nhiều nguyên t ử neon phát môi trường hoạt tính nên nhanh chóng tạo nên một chùm ánh môi nh sáng hơn. Một phân ánh sModern Physicsỉ qua gương M2 tạo thành áng rò r Modern Physics 77 78 sáng cường độ mạ nh. chù m laser. Ống phó ng điện chứa hỗn Checkpoint 3.3 hợp khí helium và neon t ỷ lệ 20:80 , neon là môi trường Bước sóng ánh sáng từ laser A (laser khí xẩy ra hoạt động laser. helium - neon @632,8 nm; và từ laser B (laser Có 5 mức năng lượng cơ khí CO2) @10,6 µm: từ laser C (laser bán dẫn bản cho nguyên t ử khí GaAs) @840 nm. Hãy sắp xếp các lasers nà y helium và neon trong laser theo khoảng năng lượng giữa hai trạng thá i khí helium- neon. Các nguyên t ử helium trạng lượng tử tạo nên hoạt động laser, lớn đến nhỏ. thái E3 là siêu b ền. Hoạt động Laser xẩy ra giữa các mức E2 và E1 của neon khi nhiều nguyên tử trên mức E2 hơn trên mức E1. Modern Physics 79 Modern Physics 80