Bài giảng chương 10 ánh sáng trong các môi trường

Cường độ của ánh sáng sau khi qua môi trường cũng thay đổi: không phải toàn bộ năng lượng bị hấp thụ bởi các nguyên tử và phân tử được giải phóng dưới dạng bức xạ mà có sự hao hụt do sự

Chương 10 ÁNH SÁNG TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG

Chương 10 ÁNH SÁNG TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG

Vận tốc truyền trong môi trường nhỏ hơn c (hiện tượng tán sắc)

trường

2 Giải thích theo quan niệm cổ điển

Sự hấp thụ ánh sáng là kết qủa của sự tương tác của sóng điện từ (ánh sáng) với vật chất.

Giao thoa của sóng tới và sóng thứ cấp nên trong môi trường xuất hiện sóng có biên độ khác với biên độ của sóng tới

Cường độ của ánh sáng sau khi qua môi trường cũng thay đổi: không phải toàn bộ năng lượng bị hấp thụ bởi các nguyên tử và phân tử được giải phóng dưới dạng bức xạ mà có sự hao hụt do sự hấp thụ ánh sáng

Dưới tác dụng của điện trường của sóng ánh sáng

có tần số ω, các electron của nguyên tử và phân tử dịch chuyển đối với hạt nhân và thực hiện dao động điều hòa với tần số ω Electron dao động trở thành nguồn phát

sóng thứ cấp.

3 Định luật Bouguer về sự hấp thụ

ánh sáng

Chia vật (hình 10.1) thành vô số các lớp mỏng có độ dày là dx

Độ giảm cường độ dI trong lớp mỏng có độ dày dx của chất hấp thụ tỉ lệ với độ dày dx và với cường độ của ánh sáng tới:

Trong đó: α là hệ số, đặc trưng cho độ

giảm cường độ gọi là

hệ số hấp thụ của môi trường, không phụ thuộc vào cường

độ của ánh sáng

Cường độ ánh sáng truyền qua môi trường hấp thụ giảm theo hàm số mũ.

I = I 0 exp( −α L)

4 Màu sắc của các vật

4 Màu sắc của các vật

Một chất có hệ số hấp thụ

nhỏ với mọi bức xạ khả kiến Vật sẽ không có màu sắc

Vật hấp thụ hoàn toàn mọi

ánh sáng thấy được Vật có màu đen

Màu sắc của các dung dịch

màu và các kính lọc màu

được giải thích bằng sự hấp

thụ có chọn lựa

Ví dụ kính lọc màu đỏ thì ít hấp thụ ánh sáng

đỏ và màu da cam

Cho một chùm tia sáng song

song đi qua một ống thủy

tinh đựng nước tinh khiết

trường vẫn đục, tán xạ ánh sáng đi qua nó.

900 , bị phân cực một phần và theo phương vuông góc: ϕ =

900, bị phân cực thẳng hoàn toàn

Sự phân bổ cường độ của ánh sáng tán xạ theo góc tán xạ ϕ được xác định theo công thức:

Iϕ = Iπ/2 (1 + cos2 ϕ ) (10.3)

b) Lý thuyết tán xạ của Rayleigh

Biểu thức cho cường độ của ánh sáng tán xạ:

) cos

1 (

0

0 4

2

2 2

2 0

2

ε ε

ε

ε λ

Hiện tượng tán xạ Tyndall luôn luôn xảy ra trong dung dịch có các hạt lơ lửng, đặc biệt là dung dịch keo trong bầu khí quyển, trong nhiều

có thể xác định một cách định lượng

những chất lơ lửng trong dung dịch, độ trong suốt của khí quyển v.v

2 Sự tán xạ phân tử

Hiện tượng tán xạ còn quan sát được

cả trong các môi trường tinh khiết

Hiện tượng tán xạ xảy ra do chuyển động nhiệt của các phân tử cấu tạo nên môi trường

Tán xạ phân tử

Nguyên nhân là sự thăng giáng mật độ phân tử trong môi trường Do chuyển động nhiệt của các phân

tử nên chúng phân bổ không đều trong môi trường

Sự thăng giáng mật độ phân tử kéo theo sự thăng giáng khối lượng riêng

Làm cho chiết suất của môi trường chịu sự thăng giáng

Gây nên hiện tượng tán xạ phân tử

Tán xạ phân tử cũng tuân theo định luật Rayleigh:

4

1 I

λ

∝

Cường độ của ánh sáng tán xạ phân

tử tỉ lệ nghịch với lũy thừa bậc bốn của bước sóng

sáng trắng đi qua lăng

kính thủy tinh bị phân

2 Độ tán sắc và đường cong tán sắc

Nếu n1, n2 là chiết suất ứng với hai bước sóng là λ1và λ2 thì độ tán sắc trung bình đối với miền phổ λ 1 và λ 2 :

1 2

1

n D

λ

− λ

b d

dn

Đối 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 và biến thiên theo bước sóng nhanh hơn theo công thức

Cauchy

Hiện tượng tán sắc dị thường.

4 Ứng dụng hiện tượng tán sắc

Hiện tượng tán sắc ánh sáng được ứng dụng trong các máy

quang phổ lăng kính để phân tích

thành phần quang phổ của nguồn

sáng

10.4 HIỆN TƯỢNG PHÂN CỰC ÁNH SÁNG

1 Ánh sáng tự nhiên và ánh sáng phân cực

Hình 10.5: Ánh sáng tự nhiên

Phương truyền của ánh sáng

E

Quang trục OO 1 của tinh thể

Hình 10.6: Ánh sáng phân cực

thẳng

Ánh sáng phân cực thẳng

Nguồn sáng thông thường là kết quả bức xạ của tập hợp vô số các nguyên tử

chứa trong nguồn sáng đó

Ánh sáng bức xạ của từng nguyên tử tương đương với ánh sáng của bức xạ

lưỡng cực.

Ánh sáng do lưỡng cực bức xạ là một sóng ngang mà phương dao động vuông

Ánh sáng phân cực

Sự chuyển động hỗn loạn của các nguyên tử, nên phương dao động của ánh sáng bức xạ từ các nguồn sáng

thông thường hướng theo mọi phương xung quanh phương truyền

Ánh sáng tự nhiên

Hình 10.7: Ánh sáng tự nhiên đi qua hai bản tourmaline

Ánh sáng phân cực hoàn toàn hay gọi là

phân cực thẳng

Mặt phẳng phân cực Mặt phẳng dao động

Hình 10.9: Mặt phẳng dao động và mặt phẳng phân cực

2 Biểu diễn

* Biểu diễn ánh sáng tự nhiên bằng cách vẽ rất nhiều véctơ cùng độ dài theo bán kính của đường tròn nằm trong mặt phẳng vuông góc với tia sáng

* Đối với ánh sáng phân cực thẳng, biểu diễn chỉ bằng một véctơ nằm trong mặt phẳng vuông góc tia sáng

* Nếu chùm tia vừa là ánh sáng tự nhiên vừa là ánh sáng phân cực thẳng thì ta được chùm tia hỗn hợp là ánh

sáng phân cực một phần, khi đó độ lớn của véctơ cường độ điện trường không đều theo các phương

Độ phân cực P:

min max

min max

I I

I

I P

+

−

=

3 Định luật Malus

Cường độ ánh sáng đi qua bản tourmaline bằng:

Khi α = 0 : cos α = 1 → I = I0Cường độ ánh sáng đi qua bản tourmaline bằng cường độ ánh sáng tới.

Khi α = π /2: cos α = 0 → I = 0 Cường độ ánh sáng qua bản tourmaline bị

triệt tiêu.

Tia phản xạ và tia khúc xạ là những tia phân cực một phần

Thay đổi từ từ độ nghiêng của chùm tia tới với tấm thủy tinh, có một vị trí mà ở đó tia phản xạ IR

bị bản T làm tắt hoàn toàn

Chứng tỏ tia IR là tia phân cực thẳng

Lúc đó góc tới i = iB thỏa điều kiện

tg iB = n 21

Góc iB được gọi là góc Brewster hay là góc

phân cực hoàn toàn

10.6 PHÂN CỰC ÁNH SÁNG DO

LƯỠNG CHIẾT

1 Tính lưỡng chiết của các tinh thể

Mỗi tia sáng xuất phát từ một điểm rọi tới mặt khối tinh thể đều bị khối tinh thể tách thành hai tia

2 Sự phân cực toàn phần của ánh sáng do lưỡng chiết: tia thường với tia bất thường

a) Định nghĩa của tia thường và tia bất thường

β) Tia IR2 không tuân theo định luật

khúc xạ ánh sáng, đi lệch khỏi phương

truyền của tia tới, không nằm trong

b) Tính chất của tia thường và bất

thường

Tia thường có véctơ cường độ điện

trường dao động vuông

góc với mặt phẳng đặc

biệt gọi là mặt phẳng

chính của tia đó (mặt

phẳng chứa tia thường

và quang trục của tinh

thể)

Tia bất thường có vectơ cường độ điện

trường dao động trong mặt phẳng chính của nó (mặt phẳng chứa quang trục của tinh thể và tia bất thường).

10.7 CÁC LOẠI KÍNH PHÂN CỰC

1 Polaroid

2 Lăng kính Nicol

1 Polaroid

Nhiều tinh thể lưỡng chiết có tính chất hấp thụ

không đều đối với tia thường và tia bất thường.

Tính chất lưỡng sắc.

Bản polaroid là bản celluloid trên có phủ một lớp tinh thể rất nhỏ định hướng herapatit (tinh thể

sulfat – iod – kinin) có tính lưỡng sắc mạnh

Những bản polaroid tương đối rẻ và đơn giản, nên chúng ta đã được sử dụng trong ngành vận tải ô tô để khắc phục hiện tượng lóa mắt của những người lái xe ô tô do ánh sáng đèn pha ô tô chạy ngược chiều gây ra

* no> nc ->tia thường bị khúc xạ nhiều hơn tia bất thường

* no> nc -> người ta đã chọn hình dạng và kích thước của

nicol sao cho tia thường đi tới lớp nhựa sẽ bị phản xạ toàn phần, dùng lớp nhựa sơn đen ở mặt bên CA1 để hấp thụ nó

*ne < nc-> tia bất thường bao giờ cũng truyền qua được lớp nhựa, tiếp tục truyền trong băng lan rồi ló ra ngoài nicol theo phương song song tới tia tới

Sau nicol, ta chỉ nhận được tia bất thường là tia sáng phân cực toàn phần có vectơ cường độ

điện trường dao động trong tiết diện ứng với tia đó.

10.8 ÁNH SÁNG PHÂN CỰC ELLIP

VÀ PHÂN CỰC TRÒN

Sóng sáng có thể được biểu diễn bởi hai

sóng phân cực thẳng vuông góc với nhau:

) 14 10 ( )

( )

, (

) 13 10 ( )

( )

, (

0

0

ϕ ω

Cos E

j t

z E

t kz

Cos E

i t

z E

y y

x x

, ( )

, ( )

, ( z t E z t E z t

ϕ

ω )cos sin( )sin

cos(kz t kz t E

0x

E sin (kz - t) = [ 1 - ( ) ]

E

ω

Thay vào (10.17) ta được

Đây là phương trình của đường

ellip với các trục không song

song với các trục tọa độ mà

nghiêng một góc α (hình 10.16).

O α

Hình 10.16

Xét các trường hợp đặc biệt sau:

a) Khi hiệu pha ϕ giữa hai sóng phân cực phẳng có giá trị

không đổi tùy ý, mút của vectơ E của sóng sáng dịch chuyển

theo một đường ellip xác định nào đó : ta có ánh sáng phân cực ellip.

b) Khi hiệu pha giữa hai sóng (2 1)

c) Khi hiệu pha ϕ = ± k π

phương trình (10.18) thành : x

ox

oy m

E

E)

1(

10.9 HIỆN TƯỢNG PHÂN CỰC QUAY VÀ

một bản mặt song song làm bằng tinh thể thạch anh

Ánh sáng đi qua được kính phân tích A

Muốn cho ánh sáng không đi qua được kính A thì ta phải quay kính phân tích A một góc ϕ

Có mặt của bản mặt song song làm quay mặt phẳng phân cực một góc ϕ

Hiện tượng phân cực quay

Hiện tượng phân cực quay là hiện tượng làm quay mặt phẳng phân cực khi ánh sáng

phân cực đi qua một cấu trúc tinh thể

Góc quay ϕ của mặt phẳng phân cực tỉ lệ thuận với độ dày d của

bản mặt song song:

Bên cạnh những tinh thể có tính chất phân cực quay còn có những chất lỏng tinh khiết, các dung dịch có tính chất như vậy

Các chất có khả năng làm quay mặt phẳng

phân cực của ánh sáng tới gọi là những chất

quang hoạt.

Còn khả năng làm quay mặt phẳng phân cực

thì gọi là tính quang hoạt.

Tính quang hoạt của dung dịch tỉ lệ thuận với chiều dày của lớp dung dịch và nồng độ của nó

Định luật Biot

ϕ = [ α ] dC

Nếu kính phân tích vuông góc với phương OO’ thì trường sáng bên phải sẽ

tắt (hình 10.20c)

Trong trường hợp kính phân tích vuông góc với phương OO1 thì cả hai trường sáng

đều mờ như nhau

Nếu đặt kính phân tích vuông góc với phương OO’ thì trường sáng bên trái sẽ bị

tắt (hình 10.20b)

Kính phân cực có thể biến ánh sáng tự nhiên thành ánh sáng phân cực thẳng nhưng

phương dao động của ánh sáng phân cực sẽ

theo hai phương OO’ và OO’’ (hình 10.20a)

O ′ O ′

′

O

(a )

(b )

(c )

(d )

Hình 10.20

O1

10.10 NHỮNG ĐẠI LƯỢNG VÀ ĐƠN VỊ ĐO ÁNH SÁNG

phần năng lượng gây ra

cảm giác sáng gửi tới dS

trong một đơn vị thời gian

Gọi dQ là năng lượng ánh sáng thấy được gửi đến

diện tích dS trong thời gian,quang thông dФ của

nguồn gửi đến diện tích ta xét là:

dQ d

τ

Φ =

Gọi Q là toàn bộ năng lượng của ánh sáng thấy được do nguồn phát ra trong

thời gian, quang thông Ф toàn phần của nguồn là:

Q

τ

Φ =

có các đường sinh tựa

trên chu vi của dS

2

1 dS

dS

dSn = dS.cos α

b) Độ sáng:

Độ sáng của nguồn theo một phương

nào đó là một đại lượng có giá trị bằng

quang thông của nguồn gửi đi trong một đơn vị góc khối theo phương đó.

Ω

Φ

=

d d

I Φ = ∫ Id Ω = I∫ d Ω = 4 π I

c) Đơn vị của độ sáng:

Candela (viết tắt là cd)

Candela là độ sáng đo theo phương

vuông góc với một diện tích nhỏ, có diện

xạ toàn phần, ở nhiệt độ đông đặc của

3 Độ trưng

Độ trưng của nguồn khối là đại lượng vật lý về trị số bằng quang thông toàn phần do một đơn vị

diện tích của nguồn khối ấy phát ra

Nếu gọi d Φ là quang thông toàn phần do phần

tử bề mặt dS của nguồn phát ra thì độ trưng của phần

tử bề mặt đó là:

d R

dS

Φ

=

Đơn vị độ trưng: lumen

Hình 10.26

Quang thông toàn phần rời mặt S = Quang thông toàn phần rời khỏi một đơn vị diện tích

của nguồn khối = độ trưng R

Quang thông trên đơn vị diện tích trong đơn vị góc

khối = độ chói B

dS Diện tích S

Diện tích dS càng chói nếu như cường

độ sáng do nó phát ra ứng với một đơn vị diện tích của dSn càng nhiều.

Độ chói của diện tích phát sáng

dS theo phương AM là đại lượng vật lý về trị số bằng cường độ sang do nó phát ra theo phương

đó trên một đơn vị diện tích của mặt nhìn thấy được dSn của nó.

Candela trên mét vuông (cd/m 2 )

hay còn gọi là nít (nt)

Đơn vị của độ chói:

Mặt phát sáng Độ chói (nit)

Đèn néon

Ngọn lửa đèn dầu hỏa

Dây tóc kim loại của đèn điện

Bề mặt mặt trăng nay rằm nhìn

qua khí quyển

Bề mặt mặt trời

10001,5.104(1,5÷2).10 62500

5 Độ rọi

Độ rọi E của một mặt nào đó là một đại lượng có giá trị bằng quang thông gửi tới một đơn vị diện tích mặt đó.

dS

d

a) Định nghĩa:

b) Độ rọi gây bởi nguồn điểm:

d

Độ rọi của mặt được chiếu sáng tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách từ mặt ấy đến nguồn.

c) Đơn vị đo độ rọi:

lux (viết tắt là lx) là độ rọi của một mặt

quang thông là 1 lumen.

d) Sự phát sáng của một mặt được rọi

sáng

Khi ta rọi ánh sáng đến một mặt nào đó, một phần ánh sáng tới bị mặt đó hấp thụ hoặc để truyền qua, phần còn lại bị mặt ấy phản xạ

hoặc khuếch tán về mọi phía

Mặt nhận được ánh sáng lại có thể

được gọi là nguồn phát sáng.

Nếu quang thông gởi tới mặt là dФ, vậy quang thông phản xạ hay khuếch tán trên mặt là:

dФ’ = kdФ k được gọi là hệ số phản xạ hay hệ số khuyếch tán

6 Hiệu suất sáng

Được định nghĩa bằng tỷ số quang thông phát ra bởi một nguồn sáng trên công suất vào.

Đơn vị là lm/W

Nguồn sáng thông thường có thể chia

ra làm ba loại:

a) Đèn nóng có dây tóc bằng tungsten

b) Đèn hơi

c) Đèn huỳnh quang

b) Đèn hơi

Đèn hơi chứa một chất khí hoặc hơi gây bức xạ khi có dòng điện chạy qua Màu của ánh

sáng phát ra tùy thuộc vào bản chất của hơi Đèn hơi có hiệu

suất cao hơn đèn dây tóc

Đèn huỳnh quang

Đèn huỳnh quang gồm một ống thủy tinh chứa đầy hỗn hợp hơi thủy ngân và khí trơ như Argon Khi có dòng điện chạy qua hỗn hợp, bức xạ tử ngoại được phát ra

Thành trong của ống được phủ một lớp

phát quang phát ra ánh sáng nhìn thấy khi được kích thích bởi bức xạ tử ngoại Đèn

huỳnh quang tạo ra rất ít nhiệt nên có hiệu suất cao