Quang học trong vật lý phần 9 pps

a là tỷ số giữa hai đại lượng cùng thứ nguyên, do đó không có đơn vị. Với mọi vật, ta có

0 ( a( ≤ 1.

§§4. VẬT ĐEN.

Vật đen là những vật hấp thụ hoàn toàn năng lượng bức xạ chiếu tới, đối với mọi độ dài

sóng và đối với mọi góc tới. Nghĩa là với vật đen ta có a( = 1 với tất cả các độ dài sóng. Như

vậy nếu ta chiếu tới vật đen một tia sáng thì tất cả đều bị vật hấp thụ, không có ánh sáng

phản xạ, không có ánh sáng khuyếch tán, cũng không có ánh sáng truyền qua. Vì vậy, gọi là

vật đen (thực ra danh từ này không chỉnh lắm, vì, mặc dù vậy, vật có thể phát xạ).

Trong thực tế, ta không có được một vật đen tuyệt đối theo đúng định nghĩa, vì không có

vật nào hấp thụ hoàn toàn năng lượng tới. Tuy nhiên một bình kín C có đục một lỗ thủng

nhỏ, bên trong bôi đen bằng mồ hóng, có thể coi là một vật đen, bức xạ khi đi qua lỗ hổng

vào bên trong bình, phản xạ nhiều lần liên tiếp bên trong bình, do đó hầu hết năng lượng

bức xạ đều bị hấp thụ. Diện tích lỗ hổng vừa là bề mặt hấp thụ vừa là bề mặt phát xạ (khi

phát xạ, bức xạ từ trong thoát ra cũng qua lỗ hổng này).

§§5.ĐỊNH LUẬT KIRCHHOFF.

Xét một bình kín C không cho bức xạ đi qua, bên trong là chân không và được giữ ở một

nhiệt độ không đổi T. Trong bình là một vật M.

Thí nghiệm cho thấy dù vật M làm bằng chất gì

và có nhiệt độ ban đầu là bao nhiêu thì sau một

thời gian, nhiệt độ của M cũng bằng với nhiệt độ

T của bình. Trong trường hợp này, sự truyền

nhiệt không thể xảy ra do hiện tượng dẫn nhiệt

hay hiện tượng đối lưu, mà sự cân bằng được

thực hiện là do sự trao đổi năng lượng dưới dạng

bức xạ giữa bình C và vật M. Thành trong của

bình phát ra bức xạ (hoặc phản chiếu). Năng

lượng bức xạ này khi chiếu tới M thì một phần bị vật M hấp thụ, biến thành nhiệt năng của

các nguyên tử bên trong M. Nhưng đồng thời, vật M cũng phát ra bức xạ (năng lượng bức

xạ này được chuyển hóa từ nhiệt năng của các nguyên tử của M). Giả sử lúc đầu nhiệt độ

của vật M thấp hơn nhiệt độ của bình C. Hiện tượng hấp thụ ở M mạnh hơn hiện tượng phát

xạ, nhiệt độ của M tăng lên. Nhiệt độ của M càng cao thì hiện tượng phát xạ càng mạnh. Tới

một lúc năng lượng do M phát ra bằng năng lượng thu vào trong cùng một thời gian ta có sự

cân bằng nhiệt độ của vật M và của bình C bằng nhau.

Gọi eλ và aλ lần lượt là hệ số chói năng lượng đơn sắc và hệ số hấp thụ của vật M tại

một điểm A đối với phương AA’ và đối với độ dài sóng λ. Xét chùm tia bức xạ phát ra bởi

một diện tích vi phân ds bao quanh điểm A, có gốc khối dωvà phương trung bình AA’.

C

H.2

H.3

A’

dS

M dω

Năng lượng mang bởi chùm tia này trong một đơn vị thời gian và đối với các độ dài sóng ở

trong khoảng λ và λ + dλ là:

dWλ = eλ . dσ . dω . dλ

(d δ = ds.cosi là hình chiếu của ds xuống mặt phẳng thẳng góc với phương AA’).

Bây giờ ta xét chùm tia trên nhưng theo chiều ngược lại, nghĩa là xét năng lượng do bình

C bức xạ vào diện tích ds của vật M. Năng lượng này (trong một đơn vị thời gian và ứng với

cùng các độ dài sóng trên) truyền qua khoảng chân không trong bình và có trị số là:

dW’

λ = Eλ . dσ . dω . dλ (5.1)

Eλ là hệ số tỉ lệ. Người ta chứng minh được Eλ không tùy thuộc bản chất của thành bình

và phương của chùm tia sáng, mà chỉ tùy thuộc nhiệt độ T và độ dài sóng λ. Như vậy Eλ = E

(T, λ) là một hàm phổ biến theo nhiệt độ T và độ dài sóng λ (phổ biến vì chung cho mọi

vật). Eλ được gọi là cường độ riêng của bức xạ nhiệt trong chân không.

Phần năng lượng bị diện tích ds hấp thụ là : dW’’λ = aλ . dW’== aλ. E= . dδ . dω . dλ.

Trong điều kiện cân bằng ta phải có :

dW’

λ = dW’’

λ

Suy ra : eλ = aλ . Eλ

Vậy (5.2)

Dựa vào hệ thức trên, định luật Kirchhhoff được phát biểu như sau :

Tỉ số giữa hệ số chói năng lượng đơn sắc eλ và hệ số hấp thụ aλ tại một điểm trên bề mặt

của một vật, lấy theo cùng một độ dài sóng và cùng một phương là một hằng số. Hằng số

này độc lập đối với bản chất của vật, với điểm khảo sát trên bề mặt của vật và với phương

phát xạ. Nó chỉ tùy thuộc độ dài sóng λ và nhiệt độ của vật.

§§6. Ý NGHĨA CỦA ĐỊNH LUẬT KIRCHHHOFF.

1. Từ hệ thức (2.6) định nghĩa eλ, ta thấy hệ số chói năng lượng đơn sắc eλ biểu thị khả

năng phát xạ theo một phương xác định và đối với độ dài sóng λ, của một điểm trên bề mặt

một vật ở một nhiệt độ xác định. Vậy theo định luật Kirchhoff, một vật phát ra bức xạ λ

càng mạnh nếu nó hấp thụ bức xạ này càng mạnh. Nói cách khác, đối với một bức xạ λ, một

vật bức xạ tốt nếu nó là một vật hấp thụ tốt.

2. Cho eλ và aλ theo thứ tự là hệ số chói năng lượng đơn sắc và hệ số hấp thụ của một

vật bất kỳ; vd eλ là hệ số chói năng lượng đơn sắc của vật đen, theo định luật Kirchhoff, tỉ số

giữa hệ số chói năng lương đơn sắc và hệ số hấp thụ không tùy thuộc bản chất của vật nên

xét cùng một nhiệt độ và cùng một độ dài sóng λ, ta có :

λ

λ

a

e

= evñ

λ

Vậy tỉ số giữa hệ số chói năng lượng đơn sắc và hệ số hấp thụ (ứng với cùng một độ dài

sóng và xét cùng một phương) của một vật bất kỳ thì bằng hệ số chói năng lượng đơn sắc

của vật đen đối với cùng một độ dài sóng và ở cùng một nhiệt độ.

3. Ngoài ra với một vật bất kỳ, hệ số hấp thụ luôn luôn nhỏ hơn 1 (aλ < 1) nên luôn ta có

:

vd

eλ > eλ

Vậy ứng với cùng một độ dài sóng và cùng một nhiệt độ, vật đen là vật có khả năng phát

xạ mạnh nhất.

Ta cũng suy ra từ định luật Kirchhoff

E ( ,T )

a

e λ

λ

λ =