Lý thuyết và bài tập quang phổ, các loại tia

LÝ THUYẾT VÀ BÀI TẬP QUANG PHỔ, CÁC LOẠI TIA

I. MÁY QUANG PHỔ

1) Khái niệm

  Máy quang phổ là dụng cụ dùng để phân tích một chùm sáng phức tạp thành những thành phần đơn sắc. L

2) Cấu tạo

  Máy quang phổ lăng kính gồm có ba bộ phận chính:

  - Ống chuẩn trực (a): là một cái ống, một đầu có một thấu kính hội tụ L₁, đầu kia có một khe hẹp F đặt ở tiêu điểm chính của L₁. Ánh sáng đi từ F sau khi qua L₁ sẽ là một chùm sáng song song.

  - Hệ tán sắc (b): gồm một (hoặc hai, ba) lăng kính P. Chùm tia song song ra khỏi ống chuẩn trực, sau khi qua hệ tán sắc, sẽ phân tán thành nhiều tia đơn sắc, song song.

  - Buồng tối (c): là các hộp kín ánh sáng, một đầu có thấu kính hội tụ L₂, đầu kia có một tấm phim ảnh K đặt ở mặt phẳng tiêu diện của L₂. Các chùm sáng song song ra khỏi hệ tán sắc, sau khi qua L₂ sẽ hội tụ tại các điểm khác nhau trên tấm phim K, mỗi chùm cho ta một ảnh thật, đơn sắc của khe F. Vậy trên tấm phim K ta chụp được một loạt ảnh của khe F, mỗi ảnh ứng với một bước sóng xác định, và gọi là một vạch quang phổ.

3) Nguyên tắc hoạt động của máy quang phổ

  Máy quang phổ hoạt động dựa trên hiện tượng tán sắc ánh sáng.

II. CÁC LOẠI QUANG PHỔ

1) Quang phổ liên tục

a) Khái niệm

  Quang phổ liên tục là một dải sáng có màu biến thiên liên tục từ đỏ đến tím.

b) Nguồn phát

  Quang phổ liên tục do các chất rắn, lỏng hoặc khí có áp suất lớn, phát ra khi bị nung nóng.

c) Đặc điểm

  Đặc điểm quan trọng nhất của quang phổ liên tục là không phụ thuộc vào cấu tạo của nguồn phát mà chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của nguồn sáng.

Ví dụ: Một miếng sắt và một miếng sứ ở cùng nhiệt độ thì sẽ có cùng quang phổ liên tục với nhau.

d) Ứng dụng

  Xác định được nhiệt độ của các vật ở xa như các vì sao, thiên hà… bằng việc nghiên cứu quang phổ liên tục do chúng phát ra.

2) Quang phổ vạch phát xạ

a) Khái niệm

  Quang phổ vạch phát xạ một hệ thống những vạch sáng riêng lẻ, ngăn cách nhau bởi những khoảng tối.

b) Nguồn phát

  Quang phổ vạch do các chất khí ở áp suất thấp phát ra khi bị kích thích bằng nhiệt hay bằng điện.

c) Đặc điểm

  Quang phổ vạch phát xạ của các chất hay các nguyên tố khác nhau thì khác nhau về số lượng các vạch, về vị trí (hay bước sóng) và cường độ sáng của các vạch.

d) Ứng dụng

  Căn cứ vào quang phổ vạch phát xạ nhận biết thành phần định tính và cả định lượng của một nguyên tố trong một mẫu vật.

3) Quang phổ vạch hấp thụ

a) Khái niệm

  Quang phổ vạch hấp thụ là một hệ thống các vạch tối nằm trên nền quang phổ liên tục.

b) Nguồn phát

  Các chất rắn, lỏng và khí đều cho được các quang phổ hấp thụ.

c) Đặc điểm

  Vị trí các vạch tối nẳm đúng ở vị trí các vạch màu trong quang phổ vạch phát xạ của chất khí hay hơi đó.

d) Điều kiện để thu được quang phổ hấp thụ

  Nhiệt độ của đám khí hay hơi hấp thụ phải nhỏ hơn nhiệt độ của nguồn phát ra quang phổ liên tục

e) Sự đảo sắc các vạch quang phổ

  Mỗi nguyên tố hóa học chỉ hấp thụ những bức xạ nào mà nó có khả năng phát xạ, và ngược lại, nó chỉ phát ra những bức xạ nào mà nó có khả năng hấp thụ. Định luật trên còn được gọi là định luật

4) Phép phân tích quang phổ

  Là phép phân tích thành phần cấu tạo của các chất dựa vào việc nghiên cứu quang phổ của nó.

Ưu điểm:

  - Định tính: đơn giản cho kết quả nhanh.

  - Định lượng: rất nhạy, có thể phát hiện những nồng độ rất nhỏ.

  - Cho biết nhiệt độ và thành phần cấu tạo của các vật ở rất xa: mặt trời, các thiên thể…

III. TIA HỒNG NGOẠI. TIA TỬ NGOẠI. TIA X

1. Tia hồng ngoại

a) Định nghĩa

  - Tia hồng ngoại là những bức xạ không nhìn thấy được có bước sóng lớn hơn bước sóng ánh sáng đỏ (λ > 0,76 μm) đến vài mm.

  - Tia hồng ngoại có bản chất sóng điện từ

b) Nguồn phát

  - Mọi vật có nhiệt độ cao hơn 0K đều phát ra tia hồng ngoại. Môi trường xung quanh, do có nhiệt độ cao hơn 0K nên cũng phát ra tia hồng ngoại. Vật có nhiệt độ càng thấp thì phát càng ít tia có bước sóng ngắn, mà chỉ phát các tia có bước sóng dài. Thân nhiệt của con người có nhiệt độ khoảng 37⁰C (310 K) cũng là một nguồn phát tia hồng ngoại, nhưng chỉ phát chủ yếu là các tia có bước sóng từ 9 μm trở lên. Ngoài như những động vật máu nóng cũng phát ra tia hồng ngoại.

  - Bếp ga, bếp than cũng là những nguồn phát tia hồng ngoại. Để tạo những chùm tia hồng ngoại định hướng, dùng trong kỹ thuật, người ta thường dùng đèn điện dây tóc nhiệt độ thấp và đặc biệt là dùng điôt phát quang hồng ngoại.

  - Ánh sáng mặt trời có khoảng 50% năng lượng thuộc về tia hồng ngoại.

c) Tính chất và ứng dụng

  - Tính chất nổi bật nhất là có tác dụng nhiệt rất mạnh. Tia hồng ngoại dễ bị các vật hấp thụ, năng lượng của nó chuyển hóa thành nhiệt năng khiến cho vật nóng lên. Tính chất này được ứng dụng trong sấy khô hoặc sưởi ấm.

  - Tác dụng lên kính ảnh hồng ngoại. Được ứng dụng để chụp ảnh hồng ngoại ban đêm trong kĩ thuật quân sự.

  - Tia hồng ngoại có khả năng gây ra một số phản ứng hóa học. Vì vậy người ta chế tạo được phim ảnh có thể chụp được tia hồng ngoại để chụp ảnh ban đêm, chụp ảnh hồng ngoại của nhiều thiên thể.

  - Tia hồng ngoại cũng có thể biến điệu được như sóng điện từ cao tần. Tính chất này cho phép ta chế tạo được những bộ điều khiển từ xa.

  - Trong quân sự, tia hồng ngoại có rất nhiều ứng dụng đa dạng: ống nhòm hồng ngoại để quan sát và lái xe ban đêm, camêra hồng ngoại, tên lửa tự động tμm mục tiêu dựa vào tia hồng ngoại do mục tiêu phát ra…

  - Tia hồng ngoại còn có khả năng gây ra hiện tượng quang điện với một số chất bán dẫn. (Học ở chương Lượng tử ánh sáng).

2) Tia tử ngoại

a) Định nghĩa

  - Tia hồng ngoại là những bức xạ không nhìn thấy được có bước sóng nhỏ hơn bước sóng ánh sáng tím (λ < 0,38 μm) đến vài nm.

  - Tia tử ngoại cũng có bản chất sóng điện từ

b) Nguồn phát

  - Những vật có nhiệt độ cao (từ 2000⁰C trở lên) đều phát tia tử ngoại. Nhiệt độ của vật càng cao thì phổ tử ngoại của vật càng kéo dài về phía sóng ngắn.

  - Hồ quang điện có nhiệt độ trên 3000⁰C là một nguồn tử ngoại mạnh, bề mặt của Mặt Trời có nhiệt độ chừng 6000K là nguồn tử ngoại rất mạnh.

  - Trong các phòng thí nghiệm, nhà máy thực phẩm, bệnh viện,… nguồn tử ngoại chủ yếu là đèn hơi thủy ngân.

c) Tính chất

  - Tia tử ngoại tác dụng lên phim ảnh.

  -  Tia tử ngoại kích thích sự phát quang của nhiều chất (đèn huỳnh quang).

  -  Tia tử ngoại kích thích nhiều phản ứng hóa học.

  -  Tia tử ngoại làm ion hóa không khí và nhiều chất khí khác.

  -  Tia tử ngoại có tác dụng sinh học.

  -  Tia tử ngoại bị nước, thủy tinh,… hấp thụ rất mạnh nhưng lại có thể truyền qua được thạch anh.

d) Sự hấp thụ tia tử ngoại

  -  Thủy tinh thông thường hấp thụ mạnh tia tử ngoại. Thạch anh, nước và không khí đều trong suốt đối với các tia có bước sóng trên 200 nm, và hấp thụ các tia có bước sóng ngắn hơn.

  - Tầng ôzôn hấp thụ hầu hết các tia có bước sóng dưới 300 nm và là “tấm áo giáp” bảo vệ cho người và sinh vật trên mặt đất khỏi tác dụng hủy diệt của các tia tử ngoại của Mặt Trời.

e) Ứng dụng

  - Trong y học, tia tử ngoại được sử dụng để tiệt trùng các dụng cụ phẫu thuật, để chữa một số bệnh.

  - Trong công nghiệp thực phẩm, tia tử ngoại được sử dụng để tiệt trùng cho thực phẩm trước khi đóng gói hoặc đóng hộp.

  - Trong công nghiệp cơ khí, tia tử ngoại được sử dụng để tμm các vết nứt trên bề mặt các vật bằng kim loại.

3) Tia X (tia Rơn - ghen)

a) Phát hiện tia X -

  Mỗi khi một chùm tia Catôt – tức là chùm êlectron có năng lượng lớn – đập vào một vật rắn thì vật đó phát ra tia X.

b) Cách tạo tia X

  Để tạo tia X người ta dùng ống Cu-lít-giơ.

  Ống Cu-lít-giơ là một ống thủy tinh bên trong là chân không, gồm một dây nung bằng vonfam FF’ dùng làm nguồn êlectron và hai điện cực:

  Dây FF’ được nung nóng bằng một dòng điện. Người ta đặt giữa anôt và catôt một hiệu điện thế cỡ vài chục kilôvôn. Các êlectron bay ra từ dây nung FF’ sẽ chuyển động trong điện trường mạnh giữa anôt và catôt đến đập vào A và làm cho A phát ra tia X.

c) Khái niệm tia X

  Tia X, (hay còn gọi là tia Rơn-ghen) là các bức xạ điện từ có bước sóng ngắn hơn của tia tử ngoại (bước sóng nằm trong khoảng từ 10^–11 m đến 10^–8 m). Người ta phân biệt tia X làm hai loại: tia X cứng là các tia có bước sóng ngắn và tia X mềm là các tia có bước sóng dài hơn.

d) Tính chất

  - Tia X có khả năng đâm xuyên m ạnh, đây là tính chất nổi bật và quan trọng nhất của tia X. Tia X có bước sóng càng ngắn thì khả năng đâm xuyên càng lớn, ta nói là nó càng cứng.

  - Tia X làm đen kính ảnh, nên dùng để chụp điện trong y tế.

  - Tia X làm phát quang một số chất.

  - Tia X làm ion hóa không khí.

  - Tia X có tác dụng sinh lí, nó hủy diệt tế bào, nên dùng chữa bệnh ung thư.

e) Công dụng

  - Ngoài một số công dụng chuẩn đoán và chữa trị một số bệnh trong y học, tia X còn được sử dụng trong công nghiệp để tμm khuyết tật trong các vật đúc bằng kim loại và trong các tinh thể.

  - Được sử dụng trong giao thông để kiểm tra hành lí của hành khách đi máy bay.

  - Sử dụng trong các phòng thí nghiệm để nghiên cứu thành phần và cấu trúc của vật rắn.

4) Thang sóng điện từ

  Sóng vô tuyến, tia hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy, tia tử ngoại, tia X, 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. Giữa các vùng tia không có ranh giới rõ rệt:

  - Các sóng điện từ có bước sóng càng ngắn thì khả năng đâm xuyên càng mạnh , dễ tác dụng lên kính ảnh, dễ làm phát quang các chất và dễ ion hoá không khí .

  - Các sóng điện từ có bước sóng càng dài thì càng dễ quan sát hiện tượng giao thoa của chúng .

Tập hợp tất cả các loại tia trên thành một bảng sắp xếp thứ tự theo bước sóng hay tần số làm thành thang sóng điện từ.

Bảng thang sóng điện từ so sánh theo thứ tự tăng dần của bước sóng λ:

- Tia gamma γ: λ < 10^–11 m

  - Tia X: 10^–11 m < λ < 10^–8 m

  - Tia tử ngoại: 10^–9 m < λ < 0,38.10^–6 m

  - Ánh sáng nhìn thấy: 0,38.10^–6 m < λ < 0,76.10^–6 m

  - Tia hồng ngoại: 0,76.10^–6 m < λ < 10^–3 m

  - Sóng vô tuyến: 10^–4 m < λ < 10³ m

TRẮC NGHIỆM QUANG PHỔ

Câu 1: Hiện tượng quang học nào sau đây sử dụng trong máy phân tích quang phổ?

  A. Hiện tượng khúc xạ ánh sáng.                                       B. Hiện tượng phản xạ ánh sáng.

  C. Hiện tượng giao thoa ánh sáng.                                     D. Hiện tượng tán sắc ánh sáng.

Câu 2: Máy quang phổ là dụng cụ dùng để

  A. đo bước sóng các vạch quang phổ.

  B. tiến hành các phép phân tích quang phổ.

  C. quan sát và chụp quang phổ của các vật.

  D. phân tích một chùm ánh sáng phức tạp thành những thành phần đơn sắc.

Câu 3: Phát biểu nào sau đây là sai khi nói về máy quang phổ?

  A. Là dụng cụ dùng để phân tích chùm ánh sáng có nhiều thành phần thành những thành phần đơn sắc khác nhau.

  B. Nguyên tắc hoạt động dựa trên hiện tượng tán sắc ánh sáng.

  C. Dùng để nhận biết các thành phần cấu tạo của một chùm sáng phức tạp do một nguồn sáng phát ra.

  D. Bộ phận của máy làm nhiệm vụ tán sắc ánh sáng là thấu kính.

Câu 4: Ống chuẩn trực trong máy quang phổ có tác dụng

  A. tạo ra chùm tia sáng song song.                             B. tập trung ánh sáng chiếu vào lăng kính.

  C. tăng cường độ sáng.                                               D. tán sắc ánh sáng.

Câu 5: Khe sáng của ống chuẩn trực được đặt tại

  A. tiêu điểm ảnh của thấu kính.                                  B. quang tâm của kính.

  C. tiêu điểm vật của kính.                                           D. tại một điểm trên trục chính.

Câu 6: Phát biểu nào sau đây là không đúng?

  A. Trong máy quang phổ, ống chuẩn trực có tác dụng tạo ra chùm tia sáng song song.

  B. Trong máy quang phổ, buồng ảnh nằm ở phía sau lăng kính.

  C. Trong máy quang phổ, lăng kính có tác dụng phân tích chùm ánh sáng phức tạp song song thành các chùm sáng đơn sắc song song.

  D. Trong máy quang phổ, quang phổ của một chùm sáng thu được trong buồng ảnh luôn máy là một dải sáng có màu cầu vồng.