1.Hiện tượng hấp thụ ánh sáng 1.1 Hiện tượng
Xét trong môi trường vật chất nào đó : Khi chiếu 1 chùm ánh sáng (Photon ) vào môi trường, giữa chùm Photon và các phân tử của môi trường ( các nguyên tử hay phân tử cấu tạo nên vật chất của môi trường vật chất đó ) sẽ có sự tương tác qua lại với nhau, kết quả là :
+Về phía chùm photon : Tuỳ thuộc vào năng lượng (hay bước sóng ) của nó mà toàn bộ hoặc 1 phần năng lượng của nó sẽ bị mất mát vào môi trường tức là chùm photon, sau khi ra khỏi môi trường sẽ bị yếu đi hoặc bị triệt tiêu .
+ Về phía môi trường vật chất :Do tương tác với photon, các electron nằm trên các quỹ đạo bên ngoài của các nguyên tử , phân tử của môi trường vật chất sẽ nhận được năng lượng mà photon truyền cho, khi đó các electron hoặc tăng tốc độ chuyển động trên quỹ đạo hoặc nhảy ra các lớp quỹ đạo bên ngoài hơn nghĩa là nguyên tử hay phân tử đang từ trạng thái cơ bản vốn có sẽ chuyển sang các trạng thái mới có năng lượng lớn hơn gọi là trạng thái kích thích.
Quá trình tương tác và trao đổi năng lượng nói trên được gọi là quá trình hấp thụ ánh sáng của môi trường .
Lưu ý: Trong quá trình tương tác nói trên, thường chỉ có các electron nằm trên các quỹ đạo bên ngoài của nguyên tử, phân tử mới tham gia vào tương tác ,vì thế các electron này được gọi là Quang electron .
1.2.Tính chất
* Hiện tượng hấp thụ ánh sáng phụ thuộc vào bản chất và cấu trúc của môi trường, nghĩa là: với cùng một nguồn ánh sáng các môi trường khác nhau sẽ hấp thụ chúng một cách khác nhau.
Ví dụ: Với chùm ánh sáng trắng (ánh sáng khả kiến) thì:
- Nước và thuỷ tinh hấp thụ ít.
- Bột than hấp thụ mạnh.
- Máu rất ít hấp thụ thành phần ứng với màu đỏ.
- Lá cây rất ít hấp thụ thành phần ứng với màu lục v.v…
* Hiện tượng hấp thụ ánh sáng phụ thuộc vào bản chất của chùm ánh sáng tới, nghĩa là cùng với một môi trường vật chất: ánh sáng có bước sóng khác nhau sẽ bị hấp thụ một cách khác nhau. Ví dụ:
- Máu : Ít hấp thụ ánh sáng có bước sóng ứng với màu đỏ trong vùng ánh sáng khả kiến nhưng hấp rất mạnh ánh sáng có bước sóng ứng với các màu lam, lục…
- Nước: Ít hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến nhưng lại hấp thụ mạnh ánh sáng trong vùng hồng ngoại …
- Thuỷ tinh: Hầu như không hấp thụ ánh sáng khả kiến nhưng hấp thụ rất mạnh ánh sáng vùng cực tím, tử ngoại …
* Hiện tượng hấp thụ ánh sáng phụ thuộc vào bề dày lớp vật chất hấp thụ , nghĩa
Ta nói sự hấp thụ có tính chất lọc lựa.
Tính chất hấp thụ lọc lựa có thể giải thích cơ chế về màu sắc của các sự vật , hiện tượng xung quanh ta.
Ví dụ: - Máu có màu đỏ là do các phân tử Hêmôglôbin trong máu có khả năng hấp thụ rất mạnh ánh sáng trong vùng khả kiến ứng với các màu tím, lục, lam…, mà hầu như rất ít hấp thụ các ánh sáng màu đỏ, da cam, do đó một chùm ánh sáng trắng khả kiến sau khi đi qua dung dịch này, thành phần có bước sóng ứng với các màu tím, màu đỏ, da cam…không bị hấp thụ và tán xạ trở lại môi trường và từ đó cho ta cảm giác màu đỏ của máu.
- Tương tự lá cây có màu xanh do các chất diệp lục được chứa trong các hạt lục lạp của lá cây có đặc tính rất ít hấp thụ các ánh sáng có bước sóng ứng với màu xanh, lục và hấp thụ mạnh các màu khác…
- Mặt nước ở trong các ao hồ hoặc ở biển có màu xanh đậm ở những chỗ sâu và màu nhạt hơn ở những chỗ nông, nước trong ao trông có vẻ đục lờ lờ nhưng khi ta múc một ít vào trong một ống nghiệm nhỏ ta có cảm giác như trong hơn…
- Ngoài ra chính tính chất hấp thụ lọc lựa là cơ sở cho một loạt các ứng dụng trong y học : Kĩ thuật chụp chiếu Rơnghen, liệu pháp xạ trị…
Để đặc trưng cho khả năng hấp thụ ánh sáng của môi trường vật chất người ta đã đưa ra khái niệm về hệ hấp thụ M và định luật về sự hấp thụ ánh sáng của các môi trường như sau: Ix=I0.e-μxx
Định luật này cũng phản ánh một cách tổng quát tính chất hấp thụ lọc lựa mà chúng ta đã trình bày ở trên
2. Hiện tượng phát quang.
Như đã biết : Khi chiếu một chùm photon vào một môi trường vật chất, do có sự tương tác giữa các photon với các phân tử vật chất của môi trường dẫn đến kết quả là năng lượng của chùm photon bị suy giảm, nghĩa là nó đã truyền năn lượng của mình cho các phân tử của môi trường .
Bình thường, các nguyên tử hay phân tử luôn tồn tại ở trạng thái căn bản, là trạng thái có năng lượng cực tiểu. Khi nhận năng lượng do photon truyền cho các phân tử, nguyên tử của môi trường sẽ nhảy từ trạng thái cơ bản vốn có với mức năng lượng thấp nhất lên các trạng thái có mức năng lượng lớn hơn ,những trạng thái đó được gọi là trạng thái kích thích .
Tuy nhiên, trạng thái kích thích là trạng thái không bền ,các nguyên tử hay phân tử chỉ tồn tại ở trạng thái này trong một thời gian ngắn, sau đó chung luôn có xu hướng trở về trạng thái cơ bản ban đầu, hoặc đang ở trạng thái kích thích có mức năng lượng lớn hơn trở về trạng thái kích thích có mức năng lượng nhỏ hơn . Khi đó, nó giải phóng ra phần năng lượng thừa mà nó vừa nhận được từ các photon truyền cho.
Tuỳ thuộc giá trị của lượng năng lượng giải phóng ra đó , mà có thể xảy ra các trường hợp sau :
- Nếu năng lượng giải phóng không đủ lớn (không đạt số nguyên lần h ) thì năng lượng được giải phóng ra ở dưới dạng nhiệt năng khi đó ta nói hệ phát xạ nhiệt hay toả nhiệt .
- Nếu năng lượng giải phóng ra đủ lớn (bằng một số nguyên lần h ) thì năng lượng được giải phóng ra ở dưới dạng các photon thứ cấp( tức là các hạt ánh sáng). ta nói: Môi trường phát xạ photon thứ cấp hay phát quang .
Một cách định tính, người ta phân biệt 2 loại phát quang:
* Huỳnh quang: Là sự phát quang xảy ra đồng thời với thời gian chiếu sáng và chấm dứt ngay khi chiếu sáng vào môi trường (ví dụ như sự phát xạ của bóng đèn huỳnh quang, đèn chiếu của tivi, máy vi tính)
*Lân quang: Là sự phát quang có thể tiếp tục được duy trì một thời gian dài sau khi đã ngừng chiếu sáng vào môi trường (ví dụ như sự phát quang của một số loại gỗ mục,xương, xác động vật, các chất dạ quang trên các đồng hồ, la bàn…)
3. Sơ đồ mức năng lượng – giải thích hiện tượng hấp thụ và phát quang.
Tập hợp các đường ngang dưới đây được gọi là một sơ đồ mức năng lượng. Trong đó;
So: đường mức năng lượng ứng với trạng thái cơ bản.
S : Đường mức năng lượng ứng với trạng thái kích thích triplet
s
s0
Từ sơ đồ mức năng lượng có thể giải thích quá trình hấp thụ và phát quang như sau :
- Khi chưa thấy sự tương tác – các nguyên tử, phân tử tồn tại ở trạng thái cơ bản – có mức năng lượng thấp nhất và được biểu diễn ở đường So.
- Dưới tác dụng của chùm photon, tức là khi xảy ra sự tương tác giữa các chùm photon và các quang electron của môi trường, khi đó các nguyên tử hay phân tử của môi trường sẽ chuyển từ trạng thái cơ bản sang trạng thái kích thích ứng với các mức năng lượng cao hơn và được biểu diễn bởi các đường mức năng lượng : Si* (i=1,2,3,…)
- Nhưng trạng thái kích thích là không bền vững nên các nguyên tử và phân tử chỉ tồn tại trong một thời gian rất ngắn, sau đó nó luôn có xu hướng trở về trạng thái cơ bản hoặc từ trạng thái có mức năng lượng cao hơn trở về trạng thái có mức năng lượng thấp hơn. Theo nguyên lí bảo toàn năng lượng khi đó chúng sẽ giải phóng ra một phần năng lượng. Có hai khả năng xảy ra:
- Khi nguyên tử hay phân tử thực hiện các bước nhảy ngắn( từ các mức kích thích cao về các mức kích thích thấp hơn) thì chúng sẽ phóng ra một phần năng lượng dưới dạng nhiệt vì vậy ta có môi trường phát xạ nhiệt.
-Khi nguyên tử hay phân tử thực hiện bước nhảy dài ( Từ các mức kích thích nhảy thẳng về mức cơ bản ) thì năng lượng mà các nguyên tử, phân tử giải phóng ra có dạng các lượng tử năng lượng hay các photon. Khi đó ta nói môi trường phát xạ photon thứ cấp hay quang phát.
Lưu ý: Các nguyên tử hay phân tử không thể nhảy thẳng từ mức So lên mức T (Bước nhảy cấm hay T còn được gọi là đường mức năng lượng ứng với trạng thái cấm ). Vậy nên muốn ở trạng thái T nguyên tử hay phân tử phải thực hiện một chu trình vòng từ So đến Si* rồi từ các mức Si*
thông qua các bước nhảy ngắn trở về T rồi mới từ T trở về So để phát quang được. Điều này giải thích tại sao lân quang có thể tồn tại một khoảng thời gian khá dài sau khi đã dừng chiếu sáng môi trường.