CHƯƠNG V: SÓNG ÁNH SÁNG1. HIỆN TƯỢNG TÁN SẮC ÁNH SÁNG CÁC LOẠI QUANG PHỔ 1. Hiện tượng tán sắc ánh sáng Thí nghiệm: Chiếu tia sáng trắng qua lăng kính, phía sau lăng kính ta đặt màn hứng M. Trên M ta quan sát được dải màu biến thiên liên tục từ đỏ đến tím. Kết luận: Hiện tượng tán sắc ánh sáng là hiện tượng mà khi một chùm sáng khi đi qua lăng kính thì nó bị phân tích thành nhiều ánh sáng đơn sắc khác nhau. Ánh sáng đơn sắc là ánh sáng khi đi qua lăng kính chỉ bị lệch mà không bị tán sắc: Ánh sáng đa sắc là ánh sáng gồm hai ánh sáng đơn sắc trở lên. Thí nghiệm về hiện tượng tán sắc ánh sáng. Ánh sáng đơn sắc là ánh sáng có một tần số nhất định và không bị tán sắc khi truyền qua lăng kính. Ánh sáng trắng là hỗn hợp của nhiều ánh sáng đơn sắc có màu biến thiên liên tục từ đỏ đến tím. (0,76μm > > 0,38 μm) Chiết suất của các chất trong suốt biến thiên theo tần số của ánh sáng đơn sắc và tăng dần từ đỏ đến tím. Khi một ánh sáng đơn sắc truyền từ môi trường này sang môi trường khác (ví dụ truyền từ không khí vào nước) thì vận tốc truyền, phương truyền, bước sóng có thể thay đổi nhưng tần số, chu kì, màu sắc, năng lượng photon thì không đổi.
Trang 1CHƯƠNG V: SÓNG ÁNH SÁNG
1 HIỆN TƯỢNG TÁN SẮC ÁNH SÁNG - CÁC LOẠI QUANG PHỔ
1 Hiện tượng tán sắc ánh sáng
Thí nghiệm: Chiếu tia sáng trắng qua lăng kính, phía sau lăng kính ta đặt màn hứng M Trên M ta quan
sát được dải màu biến thiên liên tục từ đỏ đến tím
Kết luận: Hiện tượng tán sắc ánh sáng là hiện tượng mà khi một chùm sáng khi đi qua lăng kính thì nó
bị phân tích thành nhiều ánh sáng đơn sắc khác nhau
*Ánh sáng đơn sắc là ánh sáng khi đi qua lăng kính chỉ bị lệch mà không bị tán sắc:
*Ánh sáng đa sắc là ánh sáng gồm hai ánh sáng đơn sắc trở lên.
Thí nghiệm về hiện tượng tán sắc ánh sáng.
- Ánh sáng đơn sắc là ánh sáng có một tần số nhất định và không bị tán sắc khi truyền qua lăng kính
- Ánh sáng trắng là hỗn hợp của nhiều ánh sáng đơn sắc có màu biến thiên liên tục từ đỏ đến tím (0,76μm > λ > 0,38 μm)
- Chiết suất của các chất trong suốt biến thiên theo tần số của ánh sáng đơn sắc và tăng dần từ đỏ đến tím
- Khi một ánh sáng đơn sắc truyền từ môi trường này sang môi trường khác (ví dụ truyền từ không khí vào nước) thì vận tốc truyền, phương truyền, bước sóng có thể thay đổi nhưng tần số, chu kì, màu sắc, năng lượng photon thì không đổi
- Chiết suất: n c
v
= → vtím < vđỏ
Bước sóng của ánh sáng đơn sắc khi truyền trong chân không là
0
c f
λ =
Trong môi trường có chiết suất n là
v f
λ=
Tóm tắt tần số, bước sóng, chiết suất, vận tốc, góc lệch của ánh sáng khả kiến
Trang 2Hiện tượng tán sắc ánh sáng được giải thích như sau:
- Ánh sáng trắng là hỗn hợp của nhiều ánh sáng đơn sắc khác nhau, có màu liên tục từ đỏ đến tím
- Chiết suất của thủy tinh (và của mọi môi trường trong suốt khác) có giá trị khác nhau đối với ánh sáng đơn sắc có màu khác nhau, giá trị nhỏ nhất đối với ánh sáng đỏ và lớn nhất đối với ánh sáng tím Mặc khác,
ta đã biết góc lệch của một tia sáng đơn sắc khúc xạ qua lăng kính phụ thuộc vào chiết suốt của lăng kính: chiết suốt lăng kính càng lớn thì góc lệch càng lớn Vì vậy sau khi khúc xạ qua lăng kính, bị lệch các góc khác nhau, trở thành tách rời nhau Kết quả là, chùm sáng trắng ló ra khỏi lăng kính bị trải rộng ra thành nhiều chùm đơn sắc, tạo thành quang phổ của ánh sáng trắng mà ta quan sát được trên màn
3 Ứng dụng của tán sắc ánh sáng
- Ứng dụng trong máy quang phổ để phân tích chùm sáng đa sắc, do vật phát ra thành các thành phần đơn sắc
- Giải thích về nhiều hiện tượng quang học trong khí quyển, như cầu vồng…
II - MÁY QUANG PHỔ:
1 Máy quang phổ cấu tạo gồm ba bộ phận
- Bộ phận thứ nhất là ống truẩn trực, ống chuẩn trực là một cái ống một đầu là một thấy kính hội tụ
L1, đầy kia là khe hẹp có lỗ ánh sáng đi qua nằm tại tiêu điểm vật của thấu kính hội tụ có tác dụng tạo ra các chùm sáng song song đến lăng kính
- Lăng kính P: là bộ phận chính của máy quang phổ nhằm tán sắc ánh sáng trắng thành các dải màu
biến thiên liên tục từ đỏ đến tím
- Màn M hay gọi là buồng ảnh dùng để hứng ảnh trên màn
* Nguyên tắc hoạt động dựa trên hiện tượng tán sắc ánh sáng
2 Các loại quang phổ
Quang phổ Quang phổ liên tục Quang phổ vạch phát xạ Quang phổ vạch hấp thụ Định nghĩa
Gồm nhiều dải màu sắc biến thiên liên tục (không nhất thiết phải đủ từ đỏ đến tím).
Gồm các vạch màu riêng lẻ ngăn cách nhau bằng những khoảng tối.
Là một hệ thống gồm những vạch tối riêng lẻ nằm trên nền quang phổ liên tục.
Nguồn phát
Do chất rắn, lỏng, khí có tỷ khối lớn ở áp suất cao khi được kích thích (bị nung nóng) phát ra.
Do chất khí hay hơi ở áp suất thấp khi được kích thích (nung nóng hay phóng tia lửa điện) phát ra.
Nhiệt độ của đám khí hay hơi hấp thụ phải thấp hơn nhiệt độ của nguồn phát sáng.
Tính chất
Không phụ thuộc vào bản chất (thành phần cấu tạo) của nguồn
sáng, chỉ phụ thuộc vào nhiệt
độ của nguồn sáng Nhiệt độ
càng cao, miền phát sáng càng
mở rộng về vùng ánh sáng có bước sóng ngắn.
Mỗi nguyên tố hóa học có
quang phổ vạch đặc trưng
riêng của nó (về số vạch,
màu vạch, vị trí vạch, độ sáng tỉ đối giữa các vạch).
Ở một nhiệt độ nhất định một vật có khả năng phát xạ những bức xạ đơn sắc nào thì đồng thời cũng có khả năng hấp thụ những bức xạ đơn sắc đó Quang phổ vạch hấp thụ của mỗi nguyên tố có tính chất đặc trưng riêng cho nguyên tố đó.
Ứng dụng
Xác định nhiệt độ các vật, đặc biệt những vật không thể tiếp cận như mặt trời, ngôi sao ở xa,
lò nung
Nhận biết sự có mặt của nguyên tố trong hợp chất cho
dù thành phần của nguyên tố rất ít (nhanh, nhạy hơn phương pháp hóa học).
Nhận biết sự có mặt của nguyên tố trong hợp chất, khối chất cho dù thành phần của nguyên tố rất ít hoặc khối chất không thể tiếp cận như mặt trời, ngôi sao ở xa…
Hiện tượng đảo vạch quang phổ:
Hiện tượng mà vạch sáng của quang phổ phát xạ, trở thành vạch tối của quang phổ hấp thụ hoặc ngược lại gọi là hiện tượng đảo vạch quang phổ
Trang 32 CÁC LOẠI TIA (BỨC XẠ) KHÔNG NHÌN THẤY
I THUYẾT ĐIỆN TỪ VỀ ÁNH SÁNG
Bản chất của ánh sáng là sóng điện từ có bước sóng rất ngắn lan truyền trong không gian
THANG SÓNG ĐIỆN TỪ
- Các sóng vô tuyến điện, tia hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy, tia tử ngoại, tia X và tia gamma đều có cùng một bản chất là sóng điện từ, chúng chỉ khác nhau về bước sóng (tần số)
- Nếu sắp xếp theo thứ tự bước sóng giảm dần (tần số tăng dần) ta được một thang sóng điện từ như sau:
nếu bức xạ có bước sóng càng dài tần số nhỏ thì năng lượng photon càng nhỏ và tính chất sóng như giao thoa, phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ… thể hiện càng rõ Nếu bức xạ có bước sóng càng ngắn tần số lớn thì năng lượng photon càng lớn và tính chất hạt như, quang điện, ion hóa, quang hóa, đâm xuyên… thể hiện càng rõ
- Mặt trời là nguồn phát ra quang phổ liên tục nhưng quang phổ của mặt trời mà ta thu được trên mặt đất lại là
Bức xạ
(tia) Tia Hồng ngoại Tia Tử ngoại Tia Rơn ghen (Tia X)
Định
nghĩa
Là bức xạ không nhìn
thấy, có bản chất là sóng điện từ, có bước
sóng dài hơn bước sóng ánh sáng đỏ, nhỏ hơn bước sóng của sóng vô tuyến (1mm ≥ λ ≥ 0,76μm)
Là bức xạ không nhìn thấy, có
bản chất là sóng điện từ, có
bước sóng ngắn hơn bước sóng ánh sáng tím 0,38 μm ≥ λ ≥ 10 -9 m
Là bức xạ không nhìn thấy,
có bản chất là sóng điện từ,
có bước sóng rất ngắn, ngắn hơn bước sóng tia tử ngoại,
từ 10 -11 m đến 10 -8 m
Nguồn
phát
Mọi vật có nhiệt độ
> -273 0 C (0K) đều phát
ra tia hồng ngoại.
Các vật nung nóng là nguồn phát hồng ngoại thông dụng.
Đèn hơi thủy ngân Mặt trời Vật nóng trên 2000 0 C
Hồ quang điện, hoặc vật nóng sáng trên 3000 0 là nguồn tự ngoại phổ biến.
Ống rơn-ghen Máy phát tia X Tia X cứng có bước sóng nhỏ, tần số và năng lượng lớn, đâm xuyên tốt Tia X mềm thì ngược lại
Tính
chất
Tác dụng nhiệt Tác dụng lên kính ảnh hồng ngoại.
Có thể biến điệu như SĐT
Gây ra hiện tượng quang điện
Bị hơi nước hấp thụ mạnh.
Tác dụng mạnh lên kính ảnh Tác dụng làm phát quang, ion hóa không khí
Tác dụng sinh học
Gây phản ứng quang hóa,
quang hợp
Có tác dụng sinh học
Gây ra hiện tượng quang điện
Bị nước, thủy tinh hấp thụ mạnh nhưng ít bị thạch anh hấp thụ.
Có khả năng đâm xuyên Tác dụng mạnh lên kính ảnh Tác dụng phát quang, ion háo không khí
Tác dụng sinh lí, hủy diệt tế bào, diệt vi khuẩn, …
Gây ra hiện tượng quang điện
Công
dụng
Dùng sấy khô, sưởi ấm Chụp ảnh vào ban đêm Dùng điều khiển từ xa
Dùng tiệt trùng, chữa bệnh còi xương
Dò tìm vết nứt trên bề mặt kim loại.
Dùng chiếu, chụp điện, chữa bệnh ung thư
Kiểm tra khuyết tật của sản phẩm đúc
Dùng trong màn huỳnh quang, máy đo liều lượng tia Rơn-ghen.
Trang 43 HIỆN TƯỢNG PHẢN XẠ - KHÚC XẠ - LĂNG KÍNH
1 Lăng kính
Công thức lăng kính:
− +
=
=
+
=
=
A i i D r n i
r r A r n i
2 1 2
2
2 1 1 1
; sin sin
; sin sin
* Chiết suất chất làm lăng kính
2 sin 2
sin min
A
D A n
+
=
Góc chiết quang nhỏ thì i= n.r và góc lệch giữa tia tới và tia ló là D = (n - 1) A
Với ánh sáng trắng t d
n nλ n
λ λ λ
≥ ≥
Bài toán cần chú ý:
Bài toán xác định góc lệch của tia đỏ so với tia tím khi ló ra khỏi lăng kính (với A nhỏ):
∆Drad = (n tím – n đỏ ).A rad và ∆ x rad = (n tím – n đỏ ).A rad d
2 Hiện tượng khúc xạ ánh sáng
n 1 sini 1 = n 2 sini 2
3 Hiện tượng phản xạ toàn phần
Điều kiện xảy ra phản xạ toàn phần
gh
i i
>
≥
Xác định góc phản xạ toàn phần sinigh =
1
2
n n
Trang 54 GIAO THOA SÓNG ÁNH SÁNG
1 Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng
Nhiễu xạ ánh sáng là hiện tượng ánh sáng không tuân theo định luật
truyền thẳng, quan sát được khi ánh sáng truyền qua lỗ nhỏ hoặc gần mép
những vật trong suốt hoặc không trong suốt Nhờ hiện tượng nhiễu xạ ánh
sáng mà các tia sáng đi qua các khe hẹp sẽ trở thành nguồn sáng mới
- Chúng ta chỉ có thể giải thích được hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng nếu
thừa nhận ánh sáng có tính chất sóng
2 Hiện tượng giao thoa ánh sáng
Gọi ∆d là khoảng hiệu quang lộ từ hai nguồn S 1 và S 2 tới màn:
⇒∆d = d 2 - d 1 =
a) Vị trí vân sáng (Hai sóng cùng pha)
d2 - d1 = = k.λ⇒ xs = k = k.i
Trong đó:
k là vân sáng bậc k (k = 0, ± 1, ± 2, ± 3….)
λ là bước sóng ánh sáng (m)
D là khoảng cách từ mặt phẳng S1S2 đến màn M
a là khoảng cách giữa hai khe S1S2
b) Vị trí vân tối (Hai sóng ngược pha)
d2 - d1 = (k + )λ = ⇒ xt = (k+ )= (k + )i trong đó (k = 0, ± 1, ± 2, ± 3 …)
- Nếu k > 0: thì k là vân tối thứ (k + 1)
Vd: k = 5 vân tối thứ (5 + 1) = 6
- Nếu k < 0 thì k là vân tối thứ (- k)
Vd: k = -5 là vân tối thứ 5
- Đối với vân tối không có khái niệm bậc của vân tối
i là khoảng cách giữa hai vân sáng hoặc hai vân tối liên tiếp
i =
d) Bước sóng ánh sáng và màu sắc ánh sáng.
- Mỗi ánh sáng đơn sắc có một bước sóng trong chân không xác định
- Các ánh sáng đơn sắc có bước sóng trong khoảng từ 0,38 0,76 μm
- Ánh sáng mặt trời là hỗn hợp của vô số ánh sáng có bước sóng biến thiên liên tục từ 0 ∞
- Bảng màu sắc - bước sóng (Trong chân không)
Trang 6CÁC BÀI TOÁN CƠ BẢN
Dạng 1: Giao thoa với ánh sáng đơn sắc
Loại 1 Số vân sáng – vân tối trong miền giao thoa có bề rộng L
Đặt n = và n chỉ lấy phần nguyên Ví dụ: n = 6,3 lấy giá trị 6
- Nếu n là số chẵn thì: Vân ngoài cùng là vân sáng, số vân sáng là n + 1, số vân tối là n
- Nếu n là số lẻ thì: Vân ngoài cùng là vân tối, số vân tối là n + 1, số vân sáng là n
Loại 2 Xác định số vân sáng, vân tối giữa hai điểm M, N có toạ độ x 1 , x 2 bất kì (x 1 < x 2 )
Vân sáng: x1 < k.i < x2;
Vân tối: x1 < (k + 0,5).i < x2
(Số giá trị k ∈ Z là số vân sáng (vân tối) cần tìm)
Loại 3 Xác định khoảng cách giữa hai vị trí M, N có toạ độ x 1 , x 2
∆x = x 1 – x 2
Lưu ý: M và N cùng phía với vân trung tâm thì x1, x2 cùng dấu M và N khác phía với vân trung tâm thì x1, x2
khác dấu
Loại 4 Xác định khoảng vân i trong khoảng có bề rộng L Biết trong khoảng L có n vân sáng.
- Nếu 2 đầu là hai vân sáng thì: i =
- Nếu 2 đầu là hai vân tối thì: i =
- Nếu một đầu là vân sáng còn một đầu là vân tối thì: i =
Loại 5 Tại một điểm bất kì trên màn cho vân sáng hay vân tối?
Ta lập tỉ số x
k
i = +lẻ
- Nếu lẻ = 0: tại đó là vân sáng bậc k.
- Nếu lẻ ≠ 0: tại đó là vân tối bậc k+1.
Dạng 2: Bài toán xác định vị trí trùng nhau
Thực hiện giao thoa ánh sáng với hai bước sóng λ1 và λ2
Loại 1: Trùng nhau của hai vân sáng
Gọi x là vị trí vân sáng trùng nhau của 2 ánh sáng giao thoa trên ⇒ x1 = x2⇒ k1λ1 = k2λ2 hay =
Loại 2: Vị trí trùng nhau của hai vân tối
x1 = x2 ⇒ (k1 + )λ1 = (k2 + )λ2 hay
1 2 2
1
2 1 2
1 λ
λ
= +
+
k k
Loại 3: Ví trí trùng nhau của 1 vân sáng - 1 vân tối
xs1 = xt2 (k1 + ) = k2 Hay (k1 + ) λ1= k2λ2
Loại 4: Vị trí trùng nhau của 3 vân sáng
Thực hiện giao thoa ánh sáng với ba ánh sáng đơn sắc λ1; λ2; λ3
⇒ x1 = x2 = x3 ⇒ k1λ1 = k2λ2 = k3λ3
Dạng 3: Giao thoa ánh sáng trắng
Loại 1: Bài toán xác định bề rộng quang phổ bậc k.
Gọi xd là vị trí vân sáng thứ k của ánh sáng đỏ x đ = k
Gọi xt là vị trí vân sáng thứ k của ánh sáng tím x t = k
∆x = x đ - x t = k(λ đ - λ t )
Loại 2: Bài toán xác định số bước sóng cho vân sáng tại vị trí x o hoặc cho vân tối tại vị trí x o
a Số bức xạ cho vân sáng tại x o
Đề bài: Thực hiện giao thoa với ánh sáng trắng có (λt ≤ λ ≤ λđ) Trong đó D là khoảng cách từ mặt phẳng
S1 S2 tới màn, a là khoảng cách giữa hai khe S1S2 Hãy xác định số ánh sáng cho vân sáng tại vị trí xo
Trang 7Ta có: x= k λ =
Vì λt≤λ≤λđ⇒λt≤λ = ≤λđ giải ra tìm k, bao nhiêu giá trị của k chính là số vân sáng tại x0
b Số bức xạ cho vân tối tại vị trí x o
Đề bài: Thực hiện giao thoa với ánh sáng trắng có (λt ≤ λ ≤ λđ) Trong đó D là khoảng cách từ mặt phẳng
S1S2 tới màn, a là khoảng cách giữa hai khe S1S2 Hãy xác định số ánh sáng cho vân tối tại vị trí xo
Giải:
Ta có: xt = (k + 0,5) ⇒λ =
Vì λt≤λ≤λđ⇒λt≤λ = ≤λđ giải ra tìm k, bao nhiêu giá trị của k chính là số vân tối tại x0
Dạng 4: S ự xê dịch của hệ vân giao thoa
Loại 1: Do sự xê dịch của nguồn sáng S
Nếu ta cho nguồn S dịch chuyển 1 đoạn ∆y theo phương song song với màn thì hệ vân sẽ dịch chuyển ngược lại với hướng dịch chuyển của S một đoạn ∆x = ∆y trong đó d là khoảng cách từ S đến hai khe
Loại 2: Do bản mặt song song đặt trước một trong hai khe
Khi đặt bản mỏng có chiết suất n, có bề dày e sát sau 1 khe thì hệ vân (hay vân trung tâm) sẽ dịch chuyển về phía khe có bản mỏng một đoạn ∆x so với lúc chưa đặt bản mỏng
∆x =