Chương 19: Ánh sáng trong các môi trường

Khi một chùm sáng truyền qua một môi trường vật chất như chất rắn, chất lỏng hoặc khí, nó bị ảnh hưởng theo 2 cách chính: Một là cường độ của nó bao giờ cũng bị giảm trong quá trình đi qua môi t

CHƯƠNG 19 : ÁNH SÁNG TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG

I SỰ HẤP THỤ ÁNH SÁNG

1 Hiện tượng hấp thụ ánh sáng TOP

2 Giải thích theo quan niệm cổ điển TOP

Sự hấp thụ ánh sáng làì kết qủa của sự tương tác của sóng điện từ (sóng ánhsáng) với chất Dưới tác dụng của điện trường của sóng ánh sáng có tần số (, cácelectron của nguyên tử và phân tử dịch chuyển đối với hạt nhân tích điện dương vàthực hiện dao động điều hòa với tần số ( Electron dao động trở thành nguồn phátsóng thứ cấp Do sự giao thoa của sóng tới và sóng thứ cấp mà trong môi trườngxuất hiện sóng có biên độ khác với biên độ của sóng tới Do đó, cường độ của ánhsáng sau khi qua môi trường cũng thay đổi: không phải toàn bộ năng lượng bị hấpthụû bởi các nguyên tử và phân tử được giải phóng dưới dạng bức xạ mà có sự haohụt do sự hấp thụ ánh sáng Năng lượng bị hấp thụ có thể chuyển thành các dạngnăng lượng khác, ví dụ năng lượng nhiệt, khi đó vật sẽ bị nóng lên

3 Ðịnh luật Bouguer về sự hấp thụ ánh sáng

TOP

Ðịnh luật nầy do Bouguer thiết lập năm 1729 nên được gọi là định luật Bouguer

Ở đây ( là hệ số, đặc trưng cho độ giảm của cường độ ánh sáng khi đi qua môi trường, được gọi là

hệ số hấp thụû của môi trường Nó không phụ thuộc vào cường độ của ánh sáng

Như vậy, cường độ ánh sáng truyền qua môi trường hấp thụû giảm theo hàm

Khi tăng áp suất của chất khí, các vạch hấp thụû rộng ra và khi áp suất rất caothì phổ hấp thụ của chất khí rất giống với phổ hấp thụ của nó ở trạng thái lỏng.Ðiều đó cho thấy sự mở rộng các vạch quang phổ là biểu hiện của sự tương tác giữacác phân tử

Nếu một chất có hệ số hấp thụ nhỏ với mọi bức xạ khả kiến ví dụ như không khí hay thủy tinh, thìvật sẽ không có màu sắc Ngược lại, nếu vật hấp thụû hòan toàn mọi ánh sáng thấy được thì vật có màuđen

Màu sắc của các dung dịch màu và các kính lọc sắc được giải thích bằng sự hấp thụû có chọn lựa

Ví dụ kính lọc sắc đỏ thì ít hấp thụ ánh sáng đỏ và màu da cam nhưng đồng thời lại hấp thụ các bức xạthấy được còn lại

Trong trường hợp phản xạ,û màu sắc của các vật phản xạ ánh sáng được giải thích bằng sự phản xạ chọn lọc ánh sáng trên bề mặt của chúng Lưu ý : màu sắc của các vật không phụ thuộc vào tính chất quang học của bề mặt (thí dụ như màu sơn quét trên nó) mà phụ thuộc vào thành phần quang phổ của ánh sáng tới, như khi vật được quét sơn đỏ sẽ có màu đen khi chiếu nó bằng ánh sáng màu lục

Chúng ta thường giả thiết rằng ánh sáng truyền trong môi trường đồng tính trong thực tế lại không

có môi trường nào hoàn toàn đồng tính, mà bao giờ cũng xuất hiện độ chênh lệch của mật độ, nhiệt độ dochuyển động nhiệt của các nguyên tử, phân tử cấu tạo nên môi trường Trong môi trường như thế ánh sángkhông những truyền thẳng mà còn theo các phương khác, tức là bị tán xạ Ðó là sự tán xạ thường được gọi

là tán xạ phân tử

Một số môi trường còn có thể có các hạt lạ, mà chiết suất và hệ số hấp thụû của chúng khác vớichiết suất và hệ số hấp thụû của các nguyên tử và phân tử cấu tạo nên môi trường Môi trường chứa cáchạt lạ như vậy được gọi là môi trường vẫn đục và nó tán xạ ánh sáng theo mọi phương gọi là tán xạ bởicác hạt nhỏ hay là tán xạ Tyndall Các hạt lạ đó có thể là các hạt rắn trong không khí như khói, bụi, cáchạt nước trong sương mù, các hạt keo trong dung dịch keo Vậy nguyên nhân làm tán xạ ánh sáng trong

cả hai trường hợp trên đều là sự không đồng tính quang học của môi trường

Ngoài hai loại tán xạ nói trên, Raman còn phát hiện ra một hiện tượng tán xạ mới được gọi là tán xạ tổ hợp ánh sáng

1 Sự tán xạ ánh sáng bởi các hạt nhỏ TOP

a) Thí nghiệm

Nếu quan sát theo phương OA (phương của chùm tia tới) sẽ thấy có ánh sáng; còn theo phươngkhác, chẳn hạn phương OB vuông góc với phương ánh sáng tới sẽ không nhìn thấy chùm tia sáng trongống Nước tinh khiết là môi trường đồng tính quang học, nên nó không tán xạ ánh sáng Bây giờ nhỏ vàigiọt sữa vào ống và lắc đều Nhìn vào ống theo phương OB ta sẽ nhìn thấy ánh sáng trong ống Vậy chấtlỏng trong ống bây giờ là một môi trường vẫn đục, tán xạ ánh sáng đi qua nó

Hình 19.5

Ðường cong (Hình 19.5) biểu diễncông thức (19.4) được gọi là giản đồ chỉ thịtán xạ Nó có tính đối xứng đối với phươngcủa tia tới và phương vuông góc với nó

b) Lý thuyết tán xạ của Rayleigh

Hiện tượng tán xạ Tyndan luôn luôn xảy ra trong dung dịch có các hạt lơ lửng,đặc biệt là dung dịch keo, trong bầu khí quyển, trong nhiều đồ uống v.v Do đó,nghiên cứu màu sắc của ánh sáng tán xạ có thể đoán nhận được kích thước của cáchạt có mặt trong dung dịch nghiên cứu Ðo cường độ của ánh sáng tán xạ có thể xácđịnh một cách định lượng những chất lơ lửng trong dung dịch, độ trong suốt của khíquyển v.v

2 Sự tán xạ phân tử

TOP Hiện tượng tán xạ còn quan sát được cả trong các môi trường tinh khiết, nghĩa là môi trường không chứa một hạt lạ nào như không khí, nước tinh khiết v.v Thực nghiệm cho thấy rằng, cường độ ánh sáng tán xạ càng lớn nếu nhiệt độ càng cao Như vậy hiện tượng tán xạ này xảy ra do chuyển động nhiệt của các phân tử cấu tạo nên môi trường, nên người ta gọi nó là tán xạ phân tử

Cường độ của ánh sáng tán xạ phân tử bé hơn nhiều so với tán xạ Tyndall Tuyvậy ta vẫn quan sát được nó trong khí quyển, trong nước biển Sự thăng giáng mật

độ xảy ra mạnh nhất trong các chất khí ở trạng thái tới hạn, tức là ở trạng thái màchất khí về tính chất trở nên đồng nhất với chất lỏng Khi đó ánh sáng bị tán xạ rấtmạnh

3 Sự tán xạ tổ hợp ánh sáng - Tán xa Raman

TOPNăm 1928, độc lập với nhau, hai nhà vật lý Manderstam và Raman đã phát hiện một dạng tán xạđặc biệt trong chất lỏng và chất khí Manderstam và Raman nhận thấy rằng, trong các thành phần quangphổ của ánh sáng tán xạ, ngoài các vạch có tần số bằng tần số của ánh sáng kích thích, ở hai bên của mỗivạch mạnh còn xuất hiện một vạch yếu hơn gọi là vạch tùy tùng, có tần số bằng tổ hợp của tần số ánh sángkích thích và tần số dao động riêng của nguyên tử, đặc trưng cho chất tán xạ Vì vậy, hiện tượng tán xạnày được gọi là tán xạ tổ hợp ánh sáng

Tán xạ tổ hợp ánh sáng có những quy luật sau đây:

1.Mỗi vạch quang phổ của ánh sáng kích thích đều có vạch tùy tùng

4.Khi tăng nhiệt đô, cường độ của các vạch tùy tùng "tím" tăng nhanh; còncường độ của các vạch tùy tùng "đỏ" giảm đi

Hình 19.6

Vạch tùy tùng "đỏ" còn gọi là vạch Stock,

và vạch tùy tùng "tím" gọi làü vạch đối Stock

Sự xuất hiện các vạch Stock và đối Stock trongquang phổ tán xạ ánh sáng có thể giải thích đượctheo lý thuyết cổ điển, nhưng không giải thíchđược sự phân bổ cường độ của chúng Chẳnghạn, từ lý thuyết cổ điển sẽ suy ra được

cường độ của vạch Stock và đối Stock bằngnhau Ðó là điều trái với thực nghiệm

Các hiện tượng tán xạ tổ hợp ánh sáng cho ta một phương pháp quan trọng để nghiên cứu cấu tạophân tử, đặc biệt là phân tử các chất hữu cơ Tần số hấp thụû hồng ngoại của một chất chính là tần số daođộng riêng của các nguyên tử trong phân tử của chất đó Nhờ hiện tượng tán xạ tổ hợp ánh sáng nên ta cóthể thay thế việc nghiên cứu phổ hấp thụû hồng ngoại khó khăn và phức tạp bằng phổ tán xạ tổ hợp ánhsáng đơn giản hơn Nhờ quang phổ tán xạ tổ hợp ánh sáng, ta có thể xác định nhanh chóng tần số daođộng riêng của nguyên tử trong phân tử, từ đó có thể đóan nhận tính chất đối xứng của phân tử, về lực nộiphân tử và sự tương tác giữa các phân tử Với phổ tán xạ tổ hợp ánh sáng, có thể phân tích các hỗn hợpphân tử phức tạp mà các phép phân tích hóa học tiến hành rất khó khăn, đôi khi không thể làm được

Ngoài hiện tượng tán xạ tổ hợp ánh sáng nói trên gọi là sự tán xạ tổ hợp tự phát, còn có sự tán xạ

tổ hợp cưỡng bức xảy ra do kích thích chất nghiên cứu bằng tia Laser công suất lớn

III SỰ TÁN SẮC ÁNH SÁNG

1 Hiện tượng tán sắc ánh sáng

TOPNăm 1672, Newton đã nghiên cứu thực nghiệm thấy rằng một chùm ánh sáng trắng đi qua lăngkính thủy tinh bị phân tích thành một dải nhiều màu trên màn quan sát đặt sau lăng kính Các màu xếptheo thứ tự :đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím Dải nhiều màu đó được gọi là quang phổ liên tục và hiệntượng đó được gọi là hiện tượüng tán sắc ánh sáng Quan sát kỹ ta thấy chùm tia đỏ bị lệch ít nhất, trái lạichùm tia tím bị lệch nhiều nhất, chứng tỏ chiết suất của chất làm lăng kính phụ thuộc vào bước sóng củaánh sáng (hình 19.7) Tóm lại : chiết suất của chất làm lăng kính phụ thuộc vào bước sóng của ánh sánghay chiết suất là mộüt hàm số của bước sóng

2 Ðộ tán sắc và đường cong tán sắc TOP

Ðại lượng trên cho biết tốc độ và chiều biến thiên của chiết suất theo bước sóng tại bước sóng đã cho

3.Tán sắc thường và tán sắc vị thường TOP

Sự phụ thuộc của chiết suất vào bước sóng trong vùng phổ ánh sáng là rất phức tạp Ðối vớinhững chất ít hấp thụ ánh sáng qua nó thì sự phụ thuộc của chiết suất vào bước sóng gần như tuân theocông thức Cauchy

Ðối với các chất có sự hấp thụ ánh sáng đáng kể, thì ở vùng phổ hấp thụ ta thấy:

Chiết suất tăng khi bước sóng tăng Chiết suất biến thiên theo bước sóng nhanh hơn theo công thức Cauchy Hiện tượng đó được gọi là tán sắc dị thường

Hiện tượng tán sắc dị thường khơng những cĩ ở chất khí mà cịn quan sát ở các chất lỏng, chất rắn nhưng, nĩi chung ở chất khí là mạnh hơn cả Tĩm lại, hiện tượng tán sắc dị thường chỉ xảy ra với những chất cĩ độ hấp thụ ánh sáng mạnh Các chất trong suốt như thủy tinh, thạch anh khơng gây ra tán sắc dị thường trong miền bước sĩng khả kiến

4 Phương pháp quan sát hiện tượng tán sắc

TOP

a) Tán sắc thường

Phương pháp đầu tiên do Newton nghiên cứu là dùng lăng kính bắt chéo Nĩ cho phép quan sáthiện tượng tán sắc thường và dị thường Aïnh sáng phát ra từ khe S qua thấu kính L1 biến thành chùm tiasong song đập vào lăng kính thứ nhất p1, cho quang phổ I1 trên màn E

Nếu đặt thêm lăng kính P2 sao cho cạnh của nĩ là vuơng gĩc với cạnh của lăng kính P1, ta thấyquang phổ lúc đo ï sẽ cĩ dạng bị uốn cong, càng đi về phía tia tím độ cong càng tăng chứng tỏ chiết suấtcàng tăng khi bước sĩng giảm, đĩ là hiện tượng tán sắc thường

Hình 19.4

b) Tán sắc dị thường

5 Ứng dụng hiện tượng tán sắc TOP

Hiện tượng tán sắc ánh sáng được ứng dụng trong các máy quang phổ lăng kính để phân tích thànhphần quang phổ của nguồn sáng Cấu tạo máy quang phổ lăng kính được vẽ ở hình 19.11 cấu tạo giốngnhư máy quang phổ cách tử, chỉ khác ở bộ phận tán sắc dùng lăng kính P thay cho cách tử nhiễu xạ

Giảì sử nguồn S phát ra ánh sáng gồm nhiều ánh sáng đơn sắc có bước sóng khác nhau Lăngkính P sẽ phân tích ánh sáng nầy thành các chùm tia sáng đơn sắc song song Mỗi chùm ứng với một bướcsóng xác định Các chùm đơn sắc nầy sau khi qua thấu kính L3 sẽ hội tụ tại các điểm khác nhau trên tiêudiện của thấu kính L3 Như vậy trên kính ảnh M ta thụ được một dải vạch S1, S2, S3 nằm rời rạc Mỗivạch là ảnh của khe S với ánh sáng có bước sóng tương ứng Dải vạch đó được gọi là quang phổ vạch

Sự phân bố các vạch trong quang phổ tuân theo một qui luật nhất định Mỗi quang phổ vạch đặc trưngcho một nguyên tố hóa học Nghiên cứu quang phổ vạch phát xạ của một chất, cụ thể là xác định vị tríbước sóng và cường độ các vạch trong quang phổ, ta có thể đoán nhận được các nguyên tố hóa học cómặt trong chất đó cũng như hàm lượng của chúng Ðó là phép phân tích quang phổ phát xạ, nó được dùngrộng rãi trong các ngành luyện kim, địa chất, chế tạo cơ khí để phân tích thành phần hóa học của nguyên

liệu và thành phẩm

IV SỰ PHÂN CỰC ÁNH SÁNG

1 Tính chất ngang của sóng ánh sáng TOPa) Thí nghiệm:

b) Ðịnh luật Maluyt

c) Ánh sáng tự nhiên và ánh sáng phân cực

Ta biết bản tinh thể tuamalin chỉ cho truyền qua những ánh sáng có dao động của véctơ điệntrường cùng phương với trục quang học của nó và giữ lại hòan toàn những sóng ánh sáng có véctơ daođộng điện trường vuông góc với trục quang học Như vậy khi ánh sáng qua bản tinh thể T1 véctơ cường

độ điện trường theo những phương khác nhau sẽ có độ lớn khác nhau Gía trị cực đại là theo phương củatrục quang học 001

Ta gọi ánh sáng có dao động của véctơ cường độ điện trường thực hiện theo mọi phương với xácsuất như nhau là ánh sáng không phân cực Phần lớn ánh sáng đó được phát ra từ các nguồn sáng thôngthường nên còn được gọi là ánh sáng tự nhiên

d) Biểu diễn

Người ta biểu diễn ánh sáng tự nhiên bằng cách vẽ rất nhiều véctơĠ cùng độ dài theo bán kính củađường tròn nằm trong mặt phẳng vuông góc với tia sáng (hình 19.15a) Nếu ta chọn hệ tọa độ vuông gócbất kỳ trong mặt phẳng vuông góc tia sáng tới rồi chiếu tất cả véctơ điện trường lên phương 0x và 0ytương ứng thì ta luôn có tổng điện trường theo phương OX bằng tổng điện trường theo phương OY cũng

có thể xem đó là định nghiã của ánh sáng tự nhiên

Nếu cho hai chùm tia sáng tự nhiên và phân cực phẳng thì ta sẽ được chùm tia sáng hỗn hợp là ánhsáng phân cực một phần khi đó độ lớn của véctơ cường độ điện trường không đều theo các phương Khibiểu diễn ta vẽ nhiều véctơ có độ dài khác nhau trong mặt phẳng phân cực và đầu mút của các véctơ đó

tạo thành một đường elíp Ánh sáng phân cực một phần là dạng phân cực phổ biến nhất Nó được đặttrưng bởi một đại lựơng gọi là độ phân cực P

a) Thí nghiệm Brewster

Chiếu một chùm ánh sáng tự nhiên vào mặt phân giới của hai chất điện môi (chẳng hạn không khí và thủytinh), một phần ánh sáng sẽ bị phản xạ phần còn lại khúc xạ vào môi trường thứ hai Ðể khảo sát sự phâncực của tia phản xạ và khúc xạ, ta đặt dụng cụ phân tích T (bản tuamalin) trên đường truyền của chúng vàquay bản quanh tia sáng, ta thấy:

Cường độ của tia phản xạ và cả tia khúc xạ tăng giảm một cách tuần hoàn, tuy nhiên gía trị cực tiểucủa cường độ sáng khác không Như vậy, ta kết luận rằng tia phản xạ và tia khúc xạ là những tia phân cựcmột phần, còn véctơ điện trường dao động ưu tiên theo một phương trong mặt phẳng vuông góc với tiasáng

Ðịnh luật Brewter không được nghiệm đúng khi ánh sáng phản xạ trên bề mặt vật dẫn, kim loạichẳng hạn, vì khi đó trạng thái phân cực của chùm tia phản xạ phụ thuộc một cách phức tạp vào chiết suấtcủa kim loại

Thí nghiệm cũng chứng tỏ, khi tia phản xạ bị phân cực hoàn toàn thì độ phân cực P của tia khúc xạ đạtđến giá trị cực đại nhưng nó vẫn là tia phân cực một phần Véctơ cường độ điện trường của nó dao động

ưu tiên trong mặt phẳng tới Muốn cho chùm tia khúc xạ phân cực hòan toàn phải cho nó đi qua một loạtcác bản điện môi liên tiếp (từ 8 đến 10 bản điện môi) thì tia khúc xạ mới bị phân cực hoàn toàn

Lưu ý khi đó véctơ cường độ điện trường trong ánh sáng khúc xạ và phản xạ dao động theo hai phươngvuông góc nhau

b) Giải thích:

Tại điểm I, có sự tương tác giữa ánh sáng và môi trường làm cho các điện tử của môi trường dao động

và phát ra sóng thứ cấp, sóng thứ cấp giao thoa với nhau cho sóng phản xạ và khúc xạ

a) Thí nghiệm: khi cho một tia sáng truyền qua tinh thể băng lan ta thấy tia sáng bị tách thành 2

tia khi ra khỏi tinh thể Hiện tượng đó gọi là hiện tượng lưỡng chiết Thí nghiệm cũng cho thấy 2 tia rakhỏi tinh thể song song với nhau và song song với tia tới (Hình 19.19) Cả hai tia đều là tia phân cựcphẳng nhưng trong hai mặt phẳng vuông góc nhau và có cường độ như nhau Một trong hai tia tuân theođịnh luật khúc xạ ánh sáng thông thương nên gọi là tia thường và được ký hiệu bằng chữ 0 Tia thứ haikhông tuân theo định luật khúc xạ ánh sáng nên gọi là tia bất thường và được ký hiệu bằng chữ e