Tương tác giữa môi trường và ánh sáng

Tương tác giữa môi trường và ánh sángSự hấp thụ ánh sángĐịnh luật hấp thụ ánh sángSự tán sắc ánh sáng

Bài 1 TƯƠNG TÁC GIỮA ÁNH SÁNG VÀ MÔI TRƯỜNG

1 Sự hấp thụ ánh sáng

1.1 Hiện tượng

Khi cho một chùm tia sáng song song đơn sắc đi qua một môi trường vật chất có độ dày nào đó người ta thấy ngoài các hiện tượng phản xạ, tán xạ cường độ chùm sáng sau khi ra khỏi môi trường còn bị giảm đi do sự hấp thụ của chính môi trường đó Người ta gọi đó là hiện tượng hấp thụ ánh sáng

Nguyên nhân của sự hấp thụ ánh sáng là quá trình tương tác giữa sóng ánh sáng với môi trường vật chất Khi ánh sáng truyền qua trong môi trường, dưới tác dụng của điện trường ánh sáng các electron bị kích thích dao động cưỡng bức với tần số bằng tần số của ánh sáng tới và các electron này lại trở thành nguồn phát sóng thứ cấp Đồng thời các phân tử, nguyên tử trong môi trường cũng bị kích thích dao động và tỏa nhiệt Như vậy năng lượng ánh sáng đã được sử dụng trong quá trình kích thích các electron, phân tử, nguyên tử của môi trường và chỉ thu lại một phần trong ánh sáng thứ cấp do các electron phát ra, còn một phần đã bị tiêu hao dưới dạng năng lượng khác nhau mà chủ yếu là dưới dạng chuyển động nhiệt hỗn loạn của các nguyên tử, phân tử Do đó cường độ ánh sáng bị giảm đi khi đi qua môi trường và người ta gọi hiện tượng này là sự hấp thụ ánh sáng

1.2 Định luật hấp thụ ánh sáng

x dx d

Hình 2-15

Quá trình hấp thụ ánh sáng được Bouguer,Lanvertrut và Beer nghiên cứu

ra một số định luật quan trọng

a Định luật Bouguer – Lambert

Cho một chùm ánh sáng song song đơn sắc cường độ I0, chiếu vuông góc với một môi trường giới hạn bởi mặt phẳng song song cách nhau một khoảng Sau khi qua khỏi môi trường này thì cường độ ánh sáng còn lại là I, ta tìm mối liên hệ giữa I và I0

Gọi Ix là cường độ ánh sáng sau khi đi được quãng đường x trong môi trường

Nếu ánh sáng truyền tiếp thêm quãng đường dx thì cường độ ánh sáng sẽ bị giảm đi một lượng dIx tương ứng, rõ ràng độ giảm cường độ ánh sáng dIx này tỉ lệ thuận với bề dày của lớp dx, và bản thân cường độ ánh sáng Ix, tại đó có nghĩa là:

x x

 k: hằng số tỉ lệ Từ (1) suy ra: kdx

I

dI x

x 

Khi ánh sáng đi hết quãng đường ta có:

kl

l l x x

e I I

kl I

I ln

kdx I

dI

o



























0 0

1 0

Vậy khi ánh sáng đơn sắc truyền sau một môi trường dầy hấp thụ thì cường độ của nó giảm theo hàm mũ của bề dày Đó là nội dung của định luật Bouguer – Lambert

b Định luật Bouguer – Lambert – Beer

Độc lập với Bouguer – Lambert nhà bác học Đức Beer đã nghiên cứu sự phụ thuộc của cường độ ánh sáng ló vào nồng độ của dung dịch Ông nhận thấy rằng khi cố định chiều dầy và cường độ, bước sóng ánh sáng tới thì cường độ của chùm tia ló (tia ra khỏi dung dịch) càng giảm khi nồng độ của dung dịch càng tăng Như vậy số tỉ lệ k trong biểu thức (1) của định luật Bouguer – Lambert còn tỉ lệ với nồng độ C nữa Do đó :

c e I I c a

Chuyển cơ số logarit ta có :

c

I

I  0 10

Với  = .lge – là hệ số hấp thụ phân tử, hệ số này phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng tới với bản chất và nhiệt độ môi trường

Từ đó Beer rút ra định luật bổ sung cho định luật Bouguer – Lambert (gọi là định luật Bouguer – Lambert) như sau :

Cường độ của một chùm ánh sáng đơn sắc sau khi đi qua khỏi một lớp dung dịch có chiều dày nồng độ C sẽ bị giảm đi theo hàm mũ của C bởi biểu thức:

Error! Not a valid link

 Io: cường độ ánh sáng tới

 I : cường độ suất ánh sáng ra khỏi dung dịch

 C: nồng độ dung dịch Đối với các dung dịch đậm đặc, định luật trên chỉ gần đúng mà thôi

 Mật độ quang D, độ truyền qua T:

Theo hệ thức (2) ta có:

D c I

I lg I







1

10

0 0





Vậy ứng với một bề dày 1, nồng độ C cho trước của dung dịch với một bước sóng cố định của ánh sáng tới thì đại lượng là c

I

I lg





 một đại lượng không đổi Người ta gọi đại lượng D là mật độ quang của dung dịch

Vậy mật độ quang D là một hàm tuyến tính với nồng độ C của một dung dịch (không quá đậm đặc có bề dày cố định ứng với một chùm ánh sáng tới đơn sắc có cường độ không đổi (Hình A))

Một tính chất quan trọng của mật độ quang là tính cộng được

Nếu hai dung dịch có mật độ quang D1 và D2 tương ứng thì mật độ quang

D của hỗn hợp hai dung dịch này (với điều kiện chung không phản ứng nhau) bằng tổng mật độ quang của dung dịch thành phần :

2

D

Ngoài ra người ta còn gọi tỉ số

I

I

T  0 là độ truyền qua của dung dịch, nó đặc trưng cho mức độ truyền qua của ánh sáng qua dung dịch đó, ta có :

Error! Not a valid link

2 Sự tán sắc ánh sáng

2.1 Hiện tượng

Khi chiếu một chùm ánh sáng trắng như ánh sáng mặt trời chẳng hạn truyền qua một lăng kính ta thấy chùm tia này sau khi đi qua lăng kính nó bị phân tán thành nhiều chùm có màu sắc khác nhau :đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím

Hiện tượng chùm bức xạ phức tạp (tức là gồm nhiều chùm bức xạ đơn sắc bị phân tán thành các thành phần đơn sắc khi truyền trong một môi trường (khác chân không) nào đó gọi là hiện tượng tán sắc của ánh sáng trong môi trường có thể được giải thích bằng tương tác của sóng điện từ với các electron của chất Các electron tác dụng của sóng tới sẽ dao động cưỡng bức với tần số bằng nửa tần số của sóng tới và phát ra sóng điện từ, các sóng này cộng vào với sóng ban đầu kết quả là pha và biên độ của sóng tổng hợp biến thiên so với sóng ban đầu

Do sự phụ thuộc của chiết suất n vào bước sóng nên khi một chùm tia ánh sáng trắng đi qua lăng kính các tia có bước sóng khác nhau sẽ ló ra theo phương khác nhau và tạo nên trên màn đặt sau lăng kính một dãy màu khác nhau gọi là phô tán sắc qua lăng kính

2.2 Tán sắc thường và tán sắc dị thường

0



n



Hình 2-17

Các môi trường trong đó có sự phụ thuộc của chiết suất n vào bước sóng: n= f() Gọi là môi trường tán sắc

Nếu chiết suất môi trường giảm khi bước sóng ánh sáng tăng thì sự tán sắc gọi là tán sắc thường

Đỏ Cam Vàng Xanh lục Lam Chàm Tím

Hình 2-16

Nếu chiết suất môi trường tăng khi bước sóng ánh sáng tăng thì sự tán sắc gọi là tán sắc bất thường

2.3 Ứng dụng

Người ta sử dụng hiện tượng tán sắc để chế tạo các thiết bị tách chùm sáng

đa sắc thành các chùm đơn sắc riêng lẻ Các thiết bị này thường được dùng trong các máy phân tích quang phổ (sẽ nói rõ ở phần sau) để lập lại các phổ quang học của các chất từ đó có thể tiến hành phân tích các định tính hoặc định lượng (xác định nồng độ các chất này)

Trên cơ sở lí thuyết tán sắc ta có thể giải thích dễ dàng một số hiện tượng quang học trong tự nhiên như hiện tượng cầu vồng v.v

Sự tán sắc đó đã gây ra hiện tượng tán sắc sai trong các thiết bị quang học đó là hiện tượng ảnh bị nhòe khi vật phát ra ánh sáng đa sắc Nguyên nhân hiện tượng này là do các tia sáng có bước sóng khác nhau sẽ bị khúc xạ khác nhau khi đi qua mặt phân cách hai môi trường, do đó ảnh của một vật điểm (phát ánh sáng đa sắc) sẽ không còn là một điểm nữa mà thường là những đường viền nâu sắc khác nhau chung quanh ảnh

Nhờ hiểu được lí thuyết tán sắc người ta có thể khắc phục được hiện tượng sắc sai – thí dụ như ghép các thấu kính hội tụ và phân kì với nhau để bù trừ sắc sai .v.v

3 Sự tán xạ ánh sáng

3.1 Hiện tượng

Khi cho một chùm ánh sáng song song truyền thẳng qua một chậu thuỷ tinh chứa nước thật tinh khiết quan sát theo phương vuông góc với chùm ánh sáng thì hầu như ta không thấy được chùm sáng Nhưng nếu ta nhỏ vài giọt nước hoa hoặc sữa vào nước ta sẽ thấy rõ đường truyền của chùm sáng Điều đó chứng tỏ ánh sáng từ môi trường, môi trường chiếu đến ta, người ta nói môi trường này đã tán xạ ánh sáng Nguyên nhân của hiện tượng tán xạ ánh sáng là

do sự không đồng nhất về mặt quang học của môi trường mà ánh sáng truyền qua khi ánh sáng truyền qua môi trường không đồng nhất quang học như các dung dịch keo như tương (có những hạt lơ lửng) sương mù, khói…v.v… một phần ánh sáng sẽ tiếp tục truyền thẳng phần còn lại bị phân tán về mọi phía trong các hạt nhỏ của môi trường không đồng nhất quang học gọi là hiện tượng tán xạ ánh sáng

Hình 2-18

Cơ chế của hiện tượng tán xạ là các điện tử trong môi trường bị kích thích

ra những ánh sáng thứ cấp, các sóng này lại giao thoa với nhau làm cho ánh sáng phát theo phương này thì được tăng cường lên theo phương kia thì bị giảm yếu đi

Chính sự giao thoa của các sóng ánh sáng thứ cấp theo các phương khác nhau đó gây ra hiện tượng tán xạ ánh sáng

3.2 Tán xạ Tyndall và tán xạ phân tử

a Tán xạ Tyndall

 Khái niệm:

Tán xạ Tyndall là hiện tượng ánh sáng bị phân tán về mọi phía trong môi trường không đồng nhất có những hạt chất rắn, chất lỏng nổi lơ lửng trong môi trường

 Định luật Rayleigh

Cường độ ánh sáng tán xạ tỷ lệ nghịch với luỹ thừa bậc của bước sóng ánh sáng tới

4 0



I b

I 

 I0: cường độ chùm sáng tới

 b: hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào nồng độ và kích thước các hạt trong môi trường

 : bước sóng

 Định luật Tyndall

Nếu ánh sáng đi tới là ánh sáng tự nhiên thì sự phân bố cường độ theo góc tán xạ (góc hợp bởi phương ánh sáng tới và phương tán xạ được xác định theo công thức :

I o = I  /2 (1+cos 2  )

I/2:cường độ ánh sáng khi =/2

Các công thức trên chỉ đúng khi kích thước các hạt bé hơn bước sóng ánh

sáng tới

b Tán xạ phân tử

Đối với môi trường tinh khiết môi trường không chứa các hạt người ta vẫn quan sát được hiện tượng tán xạ (ánh sáng tán xạ ở đây rất yếu phải dùng các thiết bị phức tạp mới quan sát được) Sự tán xạ ở đây là do bản thân các phân tử trong môi trường gây ra nếu gọi là tán xạ phân tử

Nguyên nhân của hiện tượng tán xạ phân tử sự thăng giáng mật độ phân tử trong môi trường, do chuyển động nhiệt các phân tử phân bố không đều đặn trong môi trường làm cho môi trường trở nên không đồng tính quang học từ đó gây ra hiện tượng tán xạ ánh sáng

Cường độ ánh sáng tán xạ phân tử cùng tuân theo định luật Rayleigh tức là

tỉ lệ nghịch với luỹ thừa bậc 4 bước sóng

I ~ 1/  4

c Ứng dụng hiện tượng tán xạ

Nhờ có hiện tượng tán xạ ánh sáng mà ta có thể quan sát được dễ dàng đường truyền của chùm sáng trong môi trường

Nghiên cứu màu sắc của ánh sáng tán xạ ta có thể xác định được kích thước của các hạt có mặt trong môi trường Đồng thời kết hợp với việc đo lường của ánh sáng tán xạ ta có thể định lượng các hạt lơ lửng trong dung dịch

Áp dụng hiện tượng tán xạ có thể giải thích được màu xanh của bầu trời, màu đỏ của mặt trời lúc mới mọc hoặc sắp lặn

4.HIỆN TƯỢNG PHÂN CỰC ÁNH SÁNG

Tính chất sóng của ánh sáng đã được xác định qua các thí nghiệm về hiện tượng giao thoa và nhiễu xạ của ánh sáng Tuy nhiên, hai hiện tượng này không giúp ta xác định được đó là sóng ngang hay sóng dọc Hiện tượng phân cực ánh sáng sẽ giúp ta, kết luận một cách đúng ắn về vấn đề này: sóng ánh sáng là sóng ngang

4.1Ánh sáng tự nhiên và ánh sáng phân cực

d Thí nghiệm về sự phân cực – định lí Malus

Chiếu một chùm tia sáng song song vuông góc với bề mặt của bản tinh thể Tourmaline (Tuamalin) Bản tinh thể này có hai mặt song song với quang trục của 1 tinh thể (quang trục là 1 phương đặc biệt của tinh thể và khi ánh sáng truyền theo phương này sẽ không gây ra hiện tượng lưỡng chiết) Người ta xoay

bảng tourmaline xung quanh truyền sóng và nhận thấy cường độ ánh sáng ló không thay đổi theo góc quay và bằng một nửa cường độ ánh sáng

2

0 1

I

I 

Điều này chứng tỏ ánh sáng trước khi đến T1 có tính đối xứng tròn xoay quanh phương truyền

Nếu đặt thêm bảng tourmaline T2 đứng sau và song song với bảng tourmaline T1 (2 bảng này có cấu tạo giống nhau) có quang trục 2, cố định T1, xoay T2 quanh phương truyền sáng, khảo sát sự thay đổi cường độ I2 của ánh sáng sau khi qua T2

Người ta nhận thấy rằng cường độ ánh sáng I2 thay đổi theo góc quay 

(là góc hợp bởi 1, 2) Theo công thức :



2 1

I 

Hình 2-8

Đó là công thức biểu diễn định luật Malus: khi có một chùm ánh sáng tự nhiên chiếu qua hai bản tourmaline (hay các tinh thể tương tự) có quang trục hợp với nhau một góc  thì cường độ ánh sáng nhận được sau hai bản có tỷ lệ với cos2

Thí nghiệm này chứng tỏ sau khi qua T1 đối xứng trục của ánh sáng bị mất, chính do bản T1 gây ra Người ta gọi chùm tia sóng sau khi qua T1 là chùm tia bị phân cực Bản T1 gây ra sự phân cực ấy gọi là kính phân cực Bản T2 dùng để nhận biết chùm sáng phân cực gọi là kính phân tích

e Ánh sáng tự nhiên và ánh sáng phân cực

Hiện tượng phân cực nói trên chỉ được giải thích dễ dàng khi ánh sáng là sóng ngang với giả thiết sau :

 Ánh sáng tự nhiên: là ánh sáng có các véctơ cường độ điện trường E dao động một cách đều đặn theo tất cả mọi phương vuông góc với tia sáng (không có phương nào ưu tiên hơn)

 Ánh sáng phân cực: bao gồm ánh sáng phân cực toàn phần và ánh sáng

phân cực một phần:

Ánh sáng phân cực toàn phần: là ánh sáng có véctơ cường độ điện trường

E chỉ dao động theo một phương xác định vuông góc với phương truyền

Mặt phẳng chứa tia sáng và phương dao động gọi là mặt phẳng dao động Mặt phẳng chứa tia sáng và vuông góc với mặt phẳng dao động gọi là mặt phẳng phân cực

Hiện tượng phân cực toàn phần còn gọi là phân cực thẳng (hay phẳng)

Ánh sáng phân cực một phần là trường hợp ánh sáng có véctơ cường độ điện trường cũng dao động theo mọi phương vuông góc với tia sáng nhưng có phương mạnh phương yếu

Từ đó ta có thể giải thích thí nghiệm trên về sự phân cực như sau:

Do ánh sáng đến bản T1 là ánh sáng tự nhiên có E dao động đối xứng đều quanh phương truyền nên dù ta có quay bản T1 quanh phương truyền như thế nào đi nữa thì cường độ ánh sáng sau khi qua T1 vẫn không đổi

Do tính chất của tinh thể tourmaline chỉ cho qua các chấn động theo một phương song song trục 1 nên để thấy rằng ánh sáng sau khi đi qua T1 là ánh sáng phân cực

Sự giảm cường độ còn một phần nửa sau khi T 1 có thể giải thích như sau :

1

2

E

1

E

a

Hình 2.11

Hình 2.12

Theo quy tắc hình bình hành ta có thể phân tích bất kì một véctơ dao động E nào ra thành hai phần :một theo phương 1 và theo một phương vuông góc với 1, thành phần theo phương vuông góc 1 thì không qua được theo tính chất của bản tourmaline

Như ta đã biết véctơ cường độ điện trường E trong ánh sáng tự nhiên phân bố đều đặn quanh tia sáng nên tổng thành phần dao động theo phương 1 sẽ bằng tổng hợp thành phần dao động vuông góc với 1, có nghĩa là một phân nửa qua được T1 còn một phân nửa không qua được, hay nói cách khác cường độ ánh sáng qua T1 bị giảm một nửa

Gọi E1 là véctơ cường độ điện trường của ánh sáng sau khi qua T1, gọi 1 là góc hợp bởi 1 và 2 E1//1 nên  cũng chính là góc hợp bởi E1 và 2

Tương tự như trên ta phân tích E1 thành hai phần theo phương 2 (kí hiệu

E1//) một phương vuông góc với 2 ( kí hiệu E1 )

Để thấy rằng: E 1 = E1 // cos(*)

Do tính chất của bản tourmaline T2 nên chỉ có thành phần E1// là qua được

T2

Mà ta đã biết cường độ ánh sáng tỉ lệ với bình phương biên độ dao động nên cường độ ánh sáng sau khi qua T2 là:

I 1E 1 2 //

Ta có cường độ ánh sáng sau khi qua T1 là :

I 1 = KE 2 1 (k:hệ số tỷ lệ) Từ (*) ta suy ra I 2 = I 1 cos 2 x

Định luật Malus đã được chứng minh

f Sự phân cực ánh sáng đo lưỡng tiết

Ở đa số tinh thể, khi một tia sáng truyền qua chúng thì tia này bị tách thành hai tia sau khi đi qua tinh thể Hiện tượng này gọi là hiện tượng lưỡng chiết