LUẬN văn sư PHẠM vật lý NHỮNG bí mật của ÁNH SÁNG

Nó nói vӅ các màu sҳc trong mӝt cҫu vӗng, vӅ ánh sáng lóng lánh,...ViӋc hӑc môn Vұt lý không chӍ dӯng lҥi ӣ sӵ tìm cách vұn dөng các công thӭc Vұt lý đӇ giҧi cho xong các phѭѫng trình và

KHOA SѬ PHҤM

Tên đӅ tài: NHӲNG BÍ MҰT CӪA ÁNH SÁNG

Luұn văn Tӕt nghiӋp Ngành: SѬ PHҤM VҰT LÍ- TIN HӐC

LӠI CҦM ѪN

Tôi xin chân thành cҧm ѫn thҫy Hoàng Xuân Dinh

đã tұn tình hѭӟng dүn và tҥo mӑi điӅu kiӋn thuұn lӧi cho

em hoàn thành đӅ tài luұn văn tӕt nghiӋp cӫa mình

Tôi xin chân thành cҧm ѫn thҫy NguyӉn Hӳu Khanh

đã nhiӋt tình góp ý đӇ em khҳc phөc nhӳng thiӃu sót đӇ hoàn thành luұn văn tӕt nghiӋp

Tôi xin chân thành cҧm ѫn tҩt cҧ thҫy cô trong bӝ môn Sѭ Phҥm Vұt Lý trѭӡng đҥi hӑc Cҫn Thѫ và các thҫy cô trong khoa Công NghӋ thông tin đã trang bӏ cho

em nhӳng kiӃn thӭc vұt lý và tin hӑc đӇ có thӇ hoàn thành tӕt đӅ tài

Tôi xin chân thành cҧm ѫn các bҥn sinh viên lӟp

sѭ phҥm Vұt Lý – Tin Hӑc 33 đã nhiӋt tình đӝng viên

và giúp đӥ đӇ tôi có thêm tài liӋu vӅ đӅ tài này

NHҰN XÉT CӪA GIÁO VIÊN HѬӞNG DҮN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Cҫn Thѫ, ngày… tháng… năm 2011 Giáo viên hѭӟng dүn Hoàng Xuân Dinh

NHҰN XÉT CӪA GIÁO VIÊN PHҦN BIӊN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Cҫn Thѫ, ngày… tháng… năm 2011 Giáo viên phҧn biӋn

MӨC LӨC

Phҫn A: MӢ ĐҪU 3

I LÝ DO CHӐN Đӄ TÀI 1

1.1 Lӏch sӱ vҩn đӅ nghiên cӭu 1

1.2 Mөc đích cӫa đӅ tài 1

1.3 Phҥm vi nghiên cӭu đӅ tài 1

II NHIӊM VӨ NGHIÊN CӬU Đӄ TÀI 1

III CÁC PHѬѪNG PHÁP VÀ PHѬѪNG TIӊN THӴC HIӊN Đӄ TÀI 2

3.1 Nhӳng phѭѫng pháp chӫ yӃu mà tôi thӵc hiӋn trong quá trình thӵc hiӋn đӅ tài 2

3.2 Nhӳng phѭѫng tiӋn thӵc hiӋn đӅ tài 2

IV CÁC BѬӞC THӴC HIӊN Đӄ TÀI 2

Phҫn B: NӜI DUNG 3

CHѬѪNG I: ĐҤI CѬѪNG Vӄ ÁNH SÁNG 3

1.1 ÁNH SÁNG LÀ GÌ? 3

1.2 VÌ SAO CÓ ÁNH SÁNG ? 3

1.3 MӜT SӔ ĐҺC TRѬNG QUAN TRӐNG CӪA ÁNH SÁNG 4

1.3.1 Tӕc đӝ ánh sáng 4

1.3.2 Năng lѭӧng, đӝng năng và khӕi lѭӧng 7

1.3.3 Áp suҩt ánh sáng(ASAS) 8

1.3.4 Các lý thuyӃt vӅ ánh sáng 9

1.3.5 Bҧn chҩt ánh sáng 10

1.3.6 Cuӝc đҩu tranh đѭa đӃn kӃt luұn bҧn chҩt “Lѭӥng tính sóng - hҥt cӫa ánh sáng” 11

1.3.7 Tính chҩt phҧn xҥ và tán xҥ ánh sáng 19

CHѬѪNG II: ÁNH SÁNG VÀ THӎ GIÁC 24

2.1 ĐѬӠNG TRUYӄN CӪA ÁNH SÁNG 24

2.2 HÌNH TRҤNG CӪA CÁC TIA SÁNG 24

2.2.1 Ánh sáng truyӅn thҷng 24

2.2.2 Grimaldi và nhiӉu xҥ hay tán xҥ, phѭѫng thӭc lan truyӅn mӟi cӫa ánh sáng 26

2.2.3 Khám phá thӃ giӟi đa sҳc màu 28

2.3 KHÁM PHÁ THӂ GIӞI ÁNH SÁNG 30

2.3.1 Cҫu vӗng 30

2.3.2 Tҥi sao bҫu trӡi lҥi xanh? 35

2.3.3 Tҥi sao núi lҥi xanh? 37

2.3.4 Hoàng hôn lӝng lүy 37

2.3.5 Lөc quang tuyӃn 39

2.3.6 Hành tinh xanh và bӑt trҳng 40

2.3.7 Bҧn giao hѭӣng cӫa các đám mây 41

2.3.8 Mӝt mһt trӡi bӏ dҽt và biӃn dҥng 47

2.3.9 Vҿ đҽp lӝng lүy cӫa quang cӵc (cӵc quang) 48

2.3.10 Vành nhұt hoa 52

2.3.11.HiӋn tѭӧng trăng xanh 53

2.3.12 HiӋn tѭӧng mһt trӡi giҧ là gì? 53

2.4 TÌM HIӆU Vӄ ÁO TÀNG HÌNH 60

2.4.1 Áo tàng hình sҳp thành hiӋn thӵc 60

2.4.2 Vұt liӋu tàng hình 61

2.4.3 Kӻ thuұt tàng hình 65

2.4.4 Phѭѫng pháp mӟi chӃ tҥo áo tàng hình 67

2.4.5 HiӋn tѭӧng khúc xҥ âm??? 68

CHѬѪNG III: ҦNH HѬӢNG CӪA ÁNH SÁNG 70

3.1 LӦI ÍCH CӪA ÁNH SÁNG 70

3.1.1 Ánh sáng mһt trӡi 70

3.1.2 Ánh sáng nhân tҥo 72

3.2 TÁC HҤI CӪA ÁNH SÁNG 72

3.2.1 Ánh sáng mһt trӡi 72

3.2.2 Ánh sáng nhân tҥo 74

CHѬѪNG IV: CON NGѬӠI CHӂ NGӴ ÁNH SÁNG 76

4.1 PIN NĂNG LѬӦNG MҺT TRӠI 76

4.1.1 Pin năng lѭӧng mһt trӡi 76

4.1.2 HӋ thӕng pin mһt trӡi nӕi lѭӟi đҫu tiên ӣ ViӋt Nam 78

4.2 ÁNH SÁNG NHÂN TҤO 78

4.3 LӰA – MӜT KӸ NGUYÊN MӞI 80

4.4 ÁNH SÁNG TRONG NHIӂP ҦNH 81

4.4.1 Ánh sáng tӵ nhiên 81

4.4.2 Ánh sáng nhân tҥo 91

4.5 THӂ GIӞI PHOTON 97

4.5.1 Giӟi thiӋu 97

4.5.2 Sӵ kǤ diӋu cӫa photons 97

4.5.3 Thӡi đҥi photons 98

4.5.4 KӃt luұn 104

4.6 VҰN CHUYӆN THÔNG TIN BҴNG CÁP QUANG 104

Phҫn C: KӂT LUҰN 106

Phҫn A: MӢ ĐҪU

I LÝ DO CHӐN Đӄ TÀI

1.1 Lӏch sӱ vҩn đӅ nghiên cӭu

Trong cuӝc sӕng, chúng ta thѭӡng bҳt gһp nhӳng điӅu kì lҥ Và nhӳng điӅu kì lҥ đó đã

đһt trong ta nhӳng câu hӓi Đó là gì? Tҥi sao lҥi có nhӳng hiӋn tѭӧng đó? Song nhӳng thҳc mҳc đó cӭ quanh quҭn trong suy nghƭ cӫa chúng ta Nhӳng cái lҥ đó thѭӡng là do ánh sáng tҥo ra Có nhӳng hiӋn tѭӧng chúng ta chѭa hiӇu đѭӧc mà chúng ta thѭӡng xuyên nhìn thҩy, chúng ta sӁ xem chúng là bình thѭӡng, quen thuӝc Nhѭng rӗi mӝt ngày, bҥn lҥi thҳc mҳc nhӳng cái bình thѭӡng đó đѭӧc tҥo ra nhѭ thӃ nào? Tӯ đây, bҥn bҳt đҫu đi tìm hiӇu Bҥn tìm hiӇu trên sách, báo, các kênh truyӅn thông, có mӝt sӕ công trình nghiên cӭu giúp bҥn giҧi thích phҫn nào nhӳng thҳc mҳc cӫa bҥn Tiêu biӇu là quyӇn sách “ Nhӳng con đѭӡng cӫa ánh sáng ” - giҧi thѭӣng lӟn MORON 2007 cӫa tác giҧ Trӏnh Xuân Thuұn, (Phҥm Văn ThiӅu – Ngô VNJ dӏch), nhà xuҩt bҧn trҿ, xuҩt bҧn

2008

1.2 Mөc đích cӫa đӅ tài

Vұt lý hӑc không phҧi chӍ là các phѭѫng trình và con sӕ Vұt lý hӑc là nhӳng điӅu

đang xҧy ra trong thӃ giӟi xung quanh ta Nó nói vӅ các màu sҳc trong mӝt cҫu vӗng, vӅ ánh sáng lóng lánh, ViӋc hӑc môn Vұt lý không chӍ dӯng lҥi ӣ sӵ tìm cách vұn dөng các công thӭc Vұt lý đӇ giҧi cho xong các phѭѫng trình và đi đӃn nhӳng đáp sӕ, mà còn phҧi giҧi thích đѭӧc các hiӋn tѭӧng Vұt lý đang xҧy ra trong thiên nhiên quanh ta, trong các

đӕi tѭӧng công nghӋ cӫa nӅn văn minh mà ta đang sӱ dөng

Mһt khác, thӵc tӃ viӋc giҧng dҥy Vұt lý hiӋn nay, chӫ yӃu dành nhiӅu thӡi gian dҥy hӑc sinh nhұn diӋn các kiӇu, loҥi bài toàn khác nhau và cách thӭc vұn dөng các công thӭc Vұt lý cho tӯng kiӇu, loҥi toán đó, mà ít chú trӑng giúp hӑc sinh giҧi thích các hiӋn tѭӧng Vұt lý xҧy ra trong tӵ nhiên Góp phҫn vào công cuӝc giúp hӑc sinh, sinh viên nói riêng

và con ngѭӡi nói chúng có thӇ giҧi thích đѭӧc các hiӋn tѭӧng vұt lí trong tӵ nhiên, đһc biӋt là các hiӋn tѭӧng liên quan đӃn ánh sáng , tôi quyӃt đӏnh chӑn đӅ tài “ Nhӳng bí mұt cӫa ánh sáng” làm luұn văn tӕt nghiӋp ra trѭӡng Qua đӅ tài này, tôi muӕn đem lҥi cho bҥn, cho tôi mӝt cái nhìn mӟi vӅ thiên nhiên Tӯ đó, chúng ta sӁ có nhұn thӭc bҧo vӋ thiên nhiên Trong đӅ tài này, tôi không đӅ cұp đӃn vҩn đӅ bҥn sӁ bҧo vӋ thiên nhiên, môi trѭӡng nhѭ thӃ nào Qua đӅ tài này, tôi muӕn tùy theo nhұn thӭc cӫa mӛi ngѭӡi thì mӛi ngѭӡi sӁ có nhìn nhұn và cách bҧo vӋ thiên nhiên môi trѭӡng riêng cho chính mình

1.3 Phҥm vi nghiên cӭu đӅ tài

ĐӅ tài này nghiên cӭu và giҧi thích các hiӋn tѭӧng quang hӑc gҫn gNJi và kì lҥ xuҩt hiӋn xung quanh chúng ta Trong đó, tôi còn nghiên cӭu thêm nhӳng lӧi ích cNJng nhѭ tác hҥi cӫa ánh sáng ĐӇ nghiên cӭu đѭӧc các vҩn đӅ trên, tôi phҧi tìm hiӇu các vҩn đӅ vӅ lý thuyӃt ánh sáng trѭӟc tiên nhѭ: Ánh sáng là gì, bҧn chҩt cӫa ánh sáng Sau đó đi sâu vào nghiên cӭu và giҧi thích mӝt sӕ hiӋn tѭӧng quang hӑc Thӡi gian nghiên cӭu và hoàn thành đӅ tài 5 tháng

II NHIӊM VӨ NGHIÊN CӬU Đӄ TÀI

ĐӇ thӵc hiӋn đӅ tài này, trѭӟc tiên, tôi phҧi tìm hiӇu đҥi cѭѫng vӅ ánh sáng TiӃp theo, tôi chӑn lӵa mӝt sӕ hiӋn tѭӧng quang hӑc đӇ giҧi thích các hiӋn tѭӧng quang hӑc đó Tôi còn phҧi tìm hiӇu nhӳng lӧi ích và tác hҥi cӫa ánh sáng và con ngѭӡi đã tìm cách chӃ ngӵ ánh sáng nhѭ thӃ nào?

III CÁC PHѬѪNG PHÁP VÀ PHѬѪNG TIӊN THӴC HIӊN Đӄ TÀI

3.1 Nhӳng phѭѫng pháp chӫ yӃu mà tôi thӵc hiӋn trong quá trình thӵc hiӋn đӅ tài

- Sѭu tҫm tài liӋu

- Nghiên cӭu tài liӋu

- Phân loҥi tài liӋu

- Nhӡ sӵ chӍ dүn tӯ phía thҫy

3.2 Nhӳng phѭѫng tiӋn thӵc hiӋn đӅ tài

- Sách “ Nhӳng con đѭӡng cӫa ánh sáng” cӫa tác giҧ Trӏnh Xuân Thuұn, (Phҥm Văn ThiӅu – Ngô VNJ dӏch), nhà xuҩt bҧn trҿ, xuҩt bҧn 2008

- Giáo trình quang hӑc

- Mӝt sӕ sách vұt lý liên quan

- Tài liӋu do thҫy hѭӟng dүn cung cҩp

- Các mҥng truyӅn thông

- Phѭѫng tiӋn hӛ trӧ: máy tính, máy vi tính, máy ҧnh kӻ thuұt sӕ, USB Các chѭѫng

trình máy tính: Microsoft word, paint

IV CÁC BѬӞC THӴC HIӊN Đӄ TÀI

- Nӝp bҧn thҧo cho thҫy hѭӟng dүn, thҫy phҧn biӋn và xin ý kiӃn

- ChӍnh sӱa và hoàn tҩt nӝi dung đӅ tài

- ViӃt bài báo cáo đӅ tài

- Báo cáo nӝi dung đӅ tài

Phҫn B: NӜI DUNG CHѬѪNG I: ĐҤI CѬѪNG Vӄ ÁNH SÁNG

1.1 ÁNH SÁNG LÀ GÌ?

Ánh sáng là tӯ phә thông dùng đӇ chӍ các bӭc xҥ điӋn tӯ có bѭӟc sóng nҵm trong

vùng quang phә nhìn thҩy đѭӧc bҵng mҳt thѭӡng Mҳt nhìn thҩy mӝt vұt nӃu vұt ҩy phát

ra ánh sáng đұp vào mҳt Ánh sáng nhìn thҩy này (thӵc ra ta nhìn thҩy vұt chӭ không nhìn thҩy bҧn thân ánh sáng) là các sóng điӋn tӯ có bѭӟc sóng tӯ 0,4µm đӃn 0,75µm Ánh sáng theo nghƭa rӝng còn bao gӗm cҧ nhӳng sóng điӋn tӯ mà mҳt không nhìn thҩy

đѭӧc, nhѭ ánh sáng (tia) tӱ ngoҥi, ánh sáng (tia) hӗng ngoҥi… Vҩn đӅ bҧn chҩt cӫa ánh sáng đѭӧc tranh cãi nhiӅu nhҩt trong lӏch sӱ Vұt lý hӑc (thuyӃt hҥt và thuyӃt sóng) Trong nhӳng điӅu kiӋn nhҩt đӏnh không thӇ coi ánh sáng là sóng, mà lҥi phҧi coi nó gӗm các hҥt (photon) Ta nói rҵng ánh sáng có lѭӥng tính sóng - hҥt

Ánh sáng đ˯n s̷c là ánh sáng có bѭӟc sóng xác đӏnh Gӑi nhѭ vұy vì màu sҳc cӫa ánh

sáng phө thuӝc vào bѭӟc λ (hoһc tҫn sӕ f = c/λ) Màu đӓ, chҷng hҥn, ӭng vӟi các bѭӟc sóng khoҧng 0,75µm Thӵc ra không thӇ tҥo đѭӧc ánh sáng tuyӋt đӕi đѫn sҳc mà chӍ có thӇ tҥo đѭӧc ánh sáng có bѭӟc sóng nҵm trong mӝt khoҧng nhӓ tӯ λ+∆λ đӃn λ-∆λ; ∆λ càng bé thì ánh sáng càng gҫn vӟi ánh sáng đѫn sҳc Ta có thӇ xem “ánh sáng đѫn sҳc” là ánh sáng có bѭӟc sóng tұp trung tҥi vùng quang phә rҩt hҽp

Ánh sáng tr̷ng là ánh sáng gây ra cho con mҳt cҧm giác vӅ màu nhѭ ánh sáng mһt

trӡi – bao gӗm nhiӅu ánh sáng đѫn sҳc biӃn thiên liên tөc tӯ đӓ đӃn tím (có 7 màu cѫ bҧn trong dãy biӃn thiên: đӓ, cam, vàng, lөc, lam, chàm, tím) Hӛn hӧp hai hoһc ba màu thích hӧp cNJng gây đѭӧc cҧm giác vӅ ánh sáng trҳng Ánh sáng do Mһt Trӡi tҥo ra còn đѭӧc gӑi là ánh nҳng; do Mһt Trăng tҥo ra còn đѭӧc gӑi là ánh trăng; do đèn tҥo ra còn đѭӧc gӑi là ánh đèn; do các loài vұt phát ra gӑi là ánh sáng sinh hӑc

Ánh sáng phân c͹c.Sóng điӋn tӯ đѭӧc đһc trѭng bӣi các vectѫ điӋn trѭӡng và cҧm

ӭng tӯ dao đӝng trong mһt phҷng vuông góc vӟi phѭѫng truyӅn NӃu phѭѫng dao đӝng là

cӕ đӏnh thì ánh sáng đѭӧc gӑi là ánh sáng phân c͹c th̻ng NӃu phѭѫng dao đӝng phân

bӕ đӅu thì ánh sáng gӑi là ánh sáng t͹ nhiên (không phân cӵc) Phҫn lӟn các nguӗn sáng

phát ra gӑi là ánh sáng tӵ nhiên Ánh sáng mһt trӡi là ánh sáng tӵ nhiên

"Ánh sáng lҥnh" là ánh sáng có bѭӟc sóng tұp trung gҫn vùng quang phә tím

"Ánh sáng nóng" là ánh sáng có bѭӟc sóng nҵm gҫn vùng quang phә đӓ

1.2 VÌ SAO CÓ ÁNH SÁNG ?

HӋ Mһt trӡi bao gӗm mӝt hành tinh là Mһt trӡi và 8 hành tinh khác là sao Thuӹ, Trái

đҩt, sao Kim, sao Hoҧ, sao Mӝc, sao Thә, sao Thiên Vѭѫng, sao Hҧi Vѭѫng

Các hành tinh trong vNJ trө có nhiӋt đӝ bӅ mһt tӯ mҩy nghìn tӟi mҩy vҥn đӝ, vì vұy chúng phát ra các loҥi bӭc xҥ (kӇ cҧ ánh sáng nhìn thҩy) Mһt trӡi là hành tinh gҫn chúng

ta Năng lѭӧng Mһt Trӡi là năng lѭӧng cӫa dòng bӭc xҥ điӋn tӯ xuҩt phát tӯ Mһt Trӡi, cӝng vӟi mӝt phҫn nhӓ năng lѭӧng cӫa các hҥt hҥ nguyên tӱ khác phóng ra tӯ ngôi sao này Dòng năng lѭӧng này sӁ tiӃp tөc phát ra cho đӃn khi phҧn ӭng hҥt nhân trên Mһt Trӡi hӃt nhiên liӋu, vào khoҧng 5 tӹ năm nӳa

Năng lѭӧng bӭc xҥ điӋn tӯ cӫa Mһt Trӡi tұp trung tҥi vùng quang phә nhìn thҩy Mӛi giây trôi qua, Mһt Trӡi giҧi phóng ra không gian xung quanh 3,827×1026 joule tѭѫng

đѭѫng vӟi mӝt máy phát điӋn có công suҩt 382 x 1023 W

Nguyên nhân khi͇n hành tinh phát sáng?

Đây là điӅu bí ҭn đӕi vӟi ngành thiên văn hӑc suӕt nhiӅu thӃ kӹ qua Mãi cho đӃn đҫu thӃ kӹ 20, nhà vұt lý Einstein dӵa vào thuyӃt tѭѫng đӕi đã đѭa ra mӝt công thӭc có liên quan giӳa khӕi lѭӧng và năng lѭӧng cӫa vұt thӇ, nhӡ đó mà các nhà nghiên cӭu mӟi có

đáp án cho câu hӓi hóc búa này Hoá ra trong lòng các hành tinh, nhiӋt đӝ cao tӟi hѫn 10 triӋu đӝ C khiӃn các vұt chҩt trong đó tѭѫng tác vӟi nhau, xҧy ra phҧn ӭng nhiӋt hҥch Hҥt nhân nguyên tӱ hydro biӃn thành hҥt nhân nguyên tӱ heli và sҧn sinh ra mӝt nguӗn năng lѭӧng khәng lӗ

MeV n

He H H

MeV n

He H H

6 , 17

25 , 3

1 0

4 2

3 1

2 1

1 0

3 2

2 1

2 1

+ +

→ +

+ +

→ +

Năng lѭӧng này truyӅn tӯ tâm hành tinh ra ngoài bӅ mһt và vào không gian bҵng cách bӭc xҥ Các bӭc xҥ này nҵm trong phә tӯ ánh sáng hӗng ngoҥi đӃn ánh sáng nhìn thҩy và sóng cӵc ngҳn Cӭ nhѭ vұy hành tinh duy trì phát sáng không ngӯng Nhà bác hӑc Mƭ Betѫ (Bethe) đã nêu lên mӝt chuӛi phҧn ӭng kӃt hӧp gӑi là chu trình cacbon-nitѫ gӗm 6 phҧn ӭng tiӃp nhau, vӟi sӵ tham gia cӫa cacbon và nitѫ nhѭ là các chҩt xúc tác và trung gian, nhѭng xét tәng hӧp thì cҧ chu trình rút vӅ sӵ tҥo thành hҥt nhân hêli tӯ các hҥt nhân hiđrô

4 H He 2 1e 26 , 8MeV

0

4 2

1

Cҧ chu trình kéo dài hàng chөc triӋu năm nhѭng tӯng phҧn ӭng liên tөc xҧy ra, và chu trình này cung cҩp mӝt phҫn năng lѭӧng cho Mһt Trӡi (bên cҥnh các chu trình khác) Mһt Trӡi mҩt năng lѭӧng do bӭc xҥ thì theo hӋ thӭc cӫa Einstein, khӕi lѭӧng cӫa nó liên tөc giҧm Nhѭng vì khӕi lѭӧng Mһt Trӡi rҩt lӟn nên sӵ giҧm này chӍ đáng kӇ sau hàng triӋu năm

1.3 MӜT SӔ ĐҺC TRѬNG QUAN TRӐNG CӪA ÁNH SÁNG

1.3.1 Tӕc đӝ ánh sáng

1.3.1.1 T͙c đ͡ ánh sáng trong chân không

Trong chân không, các thí nghiӋm đã chӭng tӓ ánh sáng nói riêng, hay các bӭc xҥ

điӋn tӯ nói chung, đi vӟi vұn tӕc không thay đәi, thѭӡng đѭӧc ký hiӋu là c = 299.792.458

m/s (xҩp xӍ 300 nghìn km/s), thұm chí không phө thuӝc vào hӋ quy chiӃu KӃt quҧ này cNJng phù hӧp vӟi lý thuyӃt điӋn tӯ cӫa James Clerk Maxwell, biӇu diӉn tӕc đӝ ánh sáng trong chân không là:

c

İ0 là đӝ điӋn thҭm tuyӋt đӕi

ȝ0 là đӝ tӯ thҭm chân không

là nhӳng hҵng sӕ không phө thuӝc hӋ quy chiӃu

HiӋn tѭӧng tӕc đӝ ánh sáng trong chân không không phө thuӝc vào hӋ quy chiӃu đã thay đәi nhiӅu quan điӇm vӅ cѫ hӑc cә điӇn cӫa Isaac Newton và thúc đҭy Albert Einstein tìm ra lý thuyӃt tѭѫng đӕi

Vұn tӕc ánh sáng trong chân không cNJng chính là vұn tӕc lan truyӅn cӫa bӭc xҥ điӋn

tӯ trong chân không (ánh sáng là mӝt bӭc xҥ điӋn tӯ) Trong nhiӅu trѭӡng hӧp, thuұt ngӳ

"tӕc đӝ ánh sáng" cNJng đѭӧc ngҫm hiӇu là tӕc đӝ ánh sáng trong chân không

1.3.1.2 Các ph˱˯ng pháp đo t͙c đ͡ ánh sáng

a Thí nghi͏m cͯa Galileo

Galileo tiӃn hành thí nghiӋm đo vұn tӕc ánh sáng Ông và ngѭӡi trӧ lý mӛi ngѭӡi cҫm

mӝt cái đèn, đӭng trên đӍnh đӗi cách nhau mӝt dһm Galileo bұt đèn, và ngѭӡi trӧ lý đѭӧc dһn là sӁ bұt đèn cӫa anh ta ngay khi thҩy ánh sáng tӯ đèn cӫa Galileo Galileo muӕn đo xem mҩt bao lâu ông ta mӟi thҩy ánh đèn tӯ bên kia đӗi Thí nghiӋm cӫa ông không thành công Vҩn đӅ là vұn tӕc ánh sáng thѭӡng quá lӟn đӇ đo đѭӧc bҵng cách này; ánh sáng đi 1 dһm trong 1 thӡi gian cӵc ngҳn (khoҧng 0.000005s) mà khoҧng đó thì không có dөng cө nào thӡi cӫa Galileo đo đѭӧc

điӇm chính xác cӫa năm, nó có hѫi chұm hѫn ngày giӡ đã đӏnh mӝt

chút, còn ӣ thӡi điӇm khác thì nó sӟm hѫn mӝt chút Th̵t khó hi͋u

T̩i sao quƭ đ̩o cͯa nó đôi khi nhanh h˯n và đôi lúc ch̵m h˯n?

Đó cNJng là điӅu mà Roemer thҳc mҳc, và không ai có thӇ nghƭ

ra mӝt cách trҧ lӡi xác đáng Tuy nhiên, Roemer ghi nhұn rҵng IO tӟi sӟm hѫn vӏ trí dӵ đoán trên quƭ đҥo cӫa nó khi Trái Đҩt ӣ gҫn Sao Mӝc hѫn Và nó tӟi chұm khi Trái Đҩt ӣ xa Sao Mӝc hѫn Hãy nghƭ thӃ này: nӃu ánh sáng không di chuyӇn nhanh tӭc thӡi, nghƭa là nó sӁ cҫn 1 khoҧng thӡi gian đӇ đi tӯ Sao Mӝc tӟi Trái Đҩt Cӭ cho rҵng nó mҩt 1 tiӃng đi Vұy là khi nhìn Sao Mӝc qua kính thiên văn, cái mà bҥn nhìn thҩy hiӋn nay là ánh sáng đѭӧc truyӅn đi tӯ 1 tiӃng trѭӟc, nghƭa là bҥn nhìn thҩy Sao Mӝc và mһt trăng cӫa nó 1 giӡ trong quá khӭ

Vұy là Roemer đã nhìn thҩy IO sӟm hѫn bình thѭӡng, có lӁ là 1 tiӃng 15 phút trѭӟc thay vì 1 tiӃng Và điӅu ngѭӧc lҥi sӁ xҧy ra nӃu Sao Mӝc và Trái Đҩt ӣ gҫn nhau hѫn Thұt ra IO đã không thay đәi quƭ đҥo cӫa nó; nó chӍ xuҩt hiӋn ӣ vӏ trí khác nhau phө thuӝc vào thӡi gian ánh sáng cҫn đӇ đi thôi

BiӃt đѭӧc thӡi gian di chuyӇn cӫa IO và sӵ thay đәi khoҧng cách giӳa Trái Đҩt và Sao Mӝc nhѭ thӃ nào, Roemer có thӇ tính đѭӧc vұn tӕc ánh sáng Qua đó ông xác đӏnh đѭӧc vұn tӕc ánh sáng vào cӥ: 214.000 - 300.000 km/s (tuǤ theo thӡi gian giӳa các lҫn bӏ che khuҩt là 1000s hay là 1400s)

c Ph˱˯ng pháp dùng đƭa răng c˱a (hình 1.3.3)

Fizeau là ngѭӡi đҫu tiên thӵc hiӋn phép đo vұn tӕc ánh sáng ngay trên mһt đҩt vào

năm 1849

Ánh sáng đѭӧc phát ra tӯ khe thӭ nhҩt cӫa mӝt bánh xe quay rҩt nhanh, truyӅn đӃn mӝt cái gѭѫng phҧn xҥ trӣ lҥi Thay

đәi vұn tӕc quay cӫa bánh xe và khoҧng cách tӯ bánh xe đӃn gѭѫng sao cho khi ánh sáng phҧn xҥ trӣ lҥi đi qua đúng khe tiӃp theo cӫa bánh xe

Hình 1.3.1

Hình 1.3.2

Hình 1.3.3

Nhѭ vұy thӡi gian truyӅn sáng là 2S/c chính bҵng thӡi gian bánh xe quay đѭӧc giӳa hai khe liên tiӃp Fizeau đã đo đѭӧc vұn tӕc ánh sáng là 312,000 km/s

vӅ, tia phҧn chiӃu trên gѭѫng M là JI’ Ta có ҧnh cuӕi cùng là s’ Bҵng mӝt kính nhҳm vi cҩp, ta xác đӏnh đѭӧc khoҧng cách ss’ Tӯ đó suy ra vұn tӕc ánh sáng

Gӑi S’1 là ҧnh cӫa S nӃu không có gѭѫng M Nhѭng vì có gѭѫng M nên chùm tia sáng hӝi tө tҥi mӝt điӇm S1 trên gѭѫng cҫu lõm B Các điӇm S1 và S1’ đӕi xӭng qua gѭѫng M nên không tùy thuӝc vӏ trí cӫa gѭѫng này Do đó khi M quay, S1’ cӕ đӏnh Khi gѭѫng M quay mӝt góc Į, tia phҧn chiӃu quay mӝt góc ȕ = 2Į, S1’’ là ҧnh cӫa S1 cho bӣi gѭѫng M

Ta có S1’JS1’’ = ȕ

Dùng kính nhҳm vi cҩp đo khoҧng cách:

ss’ =SS’ = ȕ.d ( d là khoҧng cách tӯ nguӗn sáng S tӟi gѭѫng quay )

Thӡi gian ánh sáng tӯ gѭѫng M tӟi gѭѫng cҫu lõm B và trӣ vӅ là : ș = 2D

cNJ nӃu trong thӡi gian ánh sáng đi vӅ, mһt d cӫa lăng kính P quay tӟi đúng vӏ trí ban đҫu cӫa mһt e, nghƭa là thӡi gian đi vӅ θ cӫa ánh sáng bҵng thӡi gian t đӇ lăng kính P quay

đѭӧc 1/8 vòng NӃu N là sӕ vòng quay mӛi giây tѭѫng ӭng cӫa lăng kính P, ta có :

1

8N

θ =

Vұn tӕc ánh sáng là :

đҫu S’ Xác đӏnh khoҧng cách S’S’

1 , ta có thӇ tính đѭӧc α Tӯ đó tính đѭӧc sӕ hҥng hiӋu chӍnh cho vұn tӕc ánh sáng

Trong thӡi gian tӯ năm 1924 đӃn đҫu năm 1927, Michelson đã thӵc hiӋn phép đo nhiӅu lҫn KӃt quҧ trung bình cӫa các thí nghiӋm là 299.976 km/giây vӟi sai sӕ 4 km/giây

C= 299.976 ±4 km/s NhiӅu năm sau, dөng cө thiӃt bӏ đã phát triӇn, nhiӅu ngѭӡi đã đo vұn tӕc ánh sáng mӝt cách chính xác hѫn Vӟi công nghӋ kӻ thuұt ngày nay, ta có thӇ đo nó vӟi đӝ chính xác không ngӡ Trong chuyӃn lên Mһt Trăng cӫa tàu Apollo 11, các nhà du hành đã gҳn gѭѫng phҷng vào 1 hòn đá trên Mһt Trăng (hình 1.3.4) Nhà khoa hӑc ӣ Trái Đҩt có thӇ dùng laser chiӃu vào gѭѫng đó và đo ánh sáng phҧn chiӃu lҥi, khoҧng 2.5 s cho 1 chu kǤ (Ý tѭӣng này không khác mҩy so vӟi Galileo) Và bҩt cӭ ai dùng cách này đӇ đo vұn tӕc ánh sáng, vào bҩt kǤ thӡi điӇm nào cNJng đҥt đѭӧc cùng 1 kӃt quҧ: gҫn bҵng 300,000 km/s

1.3.2 Năng lѭӧng, đӝng năng và khӕi lѭӧng

Năng lѭӧng cӫa mӝt hҥt photon có bѭӟc sóng Ȝ là hc/Ȝ, vӟi h là hҵng sӕ Planck và c

là tӕc đӝ ánh sáng trong chân không Photon không có khӕi lѭӧng nghӍ, do đó đӝng

lѭӧng cӫa hҥt photon bҵng năng lѭӧng cӫa nó chia cho tӕc đӝ ánh sáng, h/Ȝ Tính toán

trên thu đѭӧc tӯ công thӭc cӫa thuyӃt tѭѫng đӕi:

f là tҫn sӕ cӫa ánh sáng

c là tӕc đӝ cӫa ánh sáng

Ánh sáng là mӝt dҥng cӫa năng lѭӧng Ngѭӡi ta có thӇ đo đѭӧc tӕc đӝ cӫa ánh sáng

và biӃt đѭӧc tính chҩt cӫa ánh sáng Ngѭӡi ta còn biӃt rҵng màu trҳng không phҧi là mӝt

màu đӝc lұp mà đó là sӵ phӕi hӧp cӫa tҩt cҧ các màu khác Ngѭӡi ta gӑi đó là hiӋn tѭӧng

“quang phә”

Chúng ta biӃt rҵng màu sҳc không phҧi là chính vұt thӇ mà là các tia sáng phát ra tӯ

các vұt thӇ nào đó Chúng ta nhìn thҩy tӡ giҩy màu xanh vì nó hҩp thө tҩt cҧ các màu

khác trӯ màu xanh mà mҳt chúng ta tiӃp nhұn đѭӧc Cӱa kính màu xanh chӍ cho màu

xanh đi qua, còn các màu khác bӏ nó hҩp thө hӃt

Ánh sáng mһt trӡi là năng lѭӧng NhiӋt cӫa các tia mһt trӡi đѭӧc tө lҥi bҵng thҩu kính

biӃn thành ngӑn lӱa Ánh sáng và nhiӋt đѭӧc các bӅ mһt có màu trҳng phҧn chiӃu và bӏ

các bӅ mһt màu đen hҩp thө Đó chính là nguyên nhân vì sao khi mһc quҫn áo màu trҳng

chúng ta thҩy mát hѫn quҫn áo màu đen

1.3.3 Áp suҩt ánh sáng(ASAS)

Ánh sáng gӗm nhӳng hҥt mang năng lѭӧng và chuyӇn đӝng Khi mӝt chùm tia sáng

đұp vào bӅ mһt S, các photon sӁ truyӅn cho mһt này mӝt đӝng lѭӧng, nghƭa là sӁ tác dөng

lên bӅ mһt đó mӝt áp suҩt, tѭѫng tӵ nhѭ khi tác dөng mӝt lӵc nén lên diӋn tích S Áp suҩt

ánh sáng đã đѭӧc Maxwell đoán trѭӟc năm 1874, nhѭng không phҧi dӵa trên thuyӃt

photon, mà suy ra tӯ thuyӃt sóng điӋn tӯ Tӟi năm 1900, mӟi đѭӧc kiӇm chӭng lҫn đҫu

tiên bӣi Lebedew

Ta có thӇ giҧi thích hiӋn tѭӧng áp suҩt ánh sáng mӝt cách đѫn giҧn dӵa trên thuyӃt

photon Xét mӝt chùm tia sáng có tҫn sӕ f, mұt đӝ photon là n (sӕ photon trong mӝt đѫn

vӏ thӇ tích) ӭng vӟi mӝt năng lѭӧng là u = n.h f Sӕ photon tӟi thҷng góc mӝt đѫn vӏ diӋn

tích S trong mӝt đѫn vӏ thӡi gian là nC ӭng vӟi mӝt năng lѭӧng là:

- NӃu bӅ mһt có tính hҩp thө hoàn toàn thì đӝng lѭӧng p đѭӧc hoàn toàn truyӅn cho

mӝt đѫn vӏ diӋn tích S cӫa bӅ mһt đó Áp dөng đӏnh luұt căn bҧn vӅ đӝng lѭӧng và xét

vӟi mӝt đѫn vӏ diӋn tích trên bӅ mһt cӫa vұt đѭӧc chiӃu sáng, ta có: p' f

t

∆

=

∆

f là lӵc do chùm tia sáng tác dөng lên mӝt đѫn vӏ diӋn tích cӫa bӅ mһt cӫa vұt là sӵ biӃn

thiên đӝng lѭӧng ӭng vӟi mӝt đѫn vӏ diӋn tích bӅ mһt cӫa vұt trong thӡi gian ∆t Vұy:

'

∆ = = =

ta thҩy f chính là áp suát ánh sáng p, vұy p = u

- NӃu bӅ mһt phҧn xҥ mӝt phҫn vӟi hӋ sӕ phҧn chiӃu là ζ thì trong nC photon tӟi diӋn

tích đѫn vӏ S có nC(1 −ζ) photon bӏ hҩp thө và nCζ photon bӏ phҧn xҥ trӣ lҥi

có giá trӏ sӕ là đӝng lѭӧng đѭӧc truyӅn cho diӋn tích đѫn vӏ S Đӝng lѭӧng đó do photon

phҧn xҥ truyӅn cho diӋn tích S là: 2hf nC 2 u

- Vӟi bӅ mһt hҩp thө hoàn toàn, ζ =0 ta tìm đѭӧc công thӭc : p = u

Nhұn thҩy u là mұt đӝ năng lѭӧng cӫa chùm tia tӟi, là mұt đӝ cӫa chùm tia phҧn xҥ Do

đó ta có thӇ viӃt công thӭc tәng quát cho 3 trѭӡng hӧp trên dѭӟi dҥng : p=¦u

u

¦ là tәng sӕ mұt đӝ năng lѭӧng cӫa các chùm tia tӟi và phҧn xҥ ӣ trѭӟc bӅ mһt S

Bây giӡ ta xét trѭӡng hӧp chùm tia tӟi bӅ mһt cӫa vұt dѭӟi mӝt góc i ĐӇ đѫn giҧn, ta

vүn chӍ xét diӋn tích đѫn vӏ S ThiӃt diӋn thҷng cӫa chùm tia là S cosi = cosi Sӕ photon

tӟi S trong mӝt đѫn vӏ thӡi gian là nC.cosi ӭng vӟi mӝt đӝng lѭӧng có trӏ sӕ là :

cos hf cos

c

Và có phѭѫng truyӅn cӫa tia sáng

Thành phҫn cӫa P trên phѭѫng thҷng góc vӟi S là :P N =Pcosi u= cos 2i

Áp suҩt ánh sáng bây giӡ là :P= ∆P N

Lһp lҥi cách chӭng minh tѭѫng tӵ trѭӡng hӧp tia tӟi thҷng góc, ta

đѭӧc:P=(¦u).cos2i

Áp suҩt ánh sáng rҩt nhӓ Áp suҩt ánh sáng do Mһt Trӡi tác dөng vào mӝt bӅ mһt

trong các điӅu kiӋn tӕt nhҩt (giӳa trѭa, chiӃu thҷng góc, bӅ mһt phҧn xҥ hoàn toàn) cNJng

chӍ khoҧng vào 10-5 N/m2 nghƭa là chӍ bҵng 10-10 lҫn áp suҩt khí quyӇn đӏnh (76 cmHg=

105 N/m2) Tuy vұy, tác đӝng cӫa ASAS lên các hҥt nhӓ trong vNJ trө cNJng tѭѫng đѭѫng

nhѭ lӵc hҩp dүn ASAS đóng vai trò quan trӑng trong viӋc hình thành đuôi sao chәi

1.3.4 Các lý thuyӃt vӅ ánh sáng

1.3.4.1 Các lý thuy͇t v͉ ánh sáng

Trong lӏch sӱ khám phá, đã có nhiӅu lý thuyӃt đӇ giҧi thích các hiӋn tѭӧng tӵ nhiên

liên quan đӃn ánh sáng Dѭӟi đây trình bày các lý thuyӃt quan trӑng vӅ ánh sáng

1.3.4.2 Lý thuy͇t h̩t ánh sáng

Lý thuyӃt hҥt ánh sáng, đѭӧc Isaac Newton đѭa ra, cho rҵng dòng ánh sáng là dòng

di chuyӇn cӫa các hҥt vұt chҩt Lý thuyӃt này giҧi thích đѭӧc hiӋn tѭӧng phҧn xҥ và mӝt

sӕ tính chҩt khác cӫa ánh sáng; tuy nhiên không giҧi thích đѭӧc nhiӅu hiӋn tѭӧng nhѭ

giao thoa, nhiӉu xҥ mang tính chҩt sóng

1.3.4.3 Lý thuy͇t sóng ánh sáng

Lý thuyӃt sóng ánh sáng, đѭӧc Christiaan Huygens đѭa ra, cho rҵng dòng ánh sáng là

sӵ lan truyӅn cӫa sóng Lý thuyӃt này giҧi thích đѭӧc nhiӅu hiӋn tѭӧng mang tính chҩt

sóng cӫa ánh sáng nhѭ giao thoa, nhiӉu xҥ; đӗng thӡi giҧi thích tӕt hiӋn tѭӧng khúc x̩ và

ph̫n x̩

Lý thuyӃt sóng và lý thuyӃt hҥt ánh sáng ra đӡi cùng thӡi điӇm (thӃ kӹ 17) và đã gây

ra cuӝc tranh luұn lӟn giӳa hai trѭӡng phái

Ánh sáng truyӅn đi dѭӟi dҥng sóng, sóng cҩu tҥo tӯ nhӳng hҥt điӋn tích

1.3.4.4 Lý thuy͇t đi͏n tͳ

Sau khi lý thuyӃt sóng và lý thuyӃt hҥt ra đӡi, lý thuy͇t đi͏n tͳ cӫa James Clerk

Maxwell năm 1865, khҷng đӏnh lҥi lҫn nӳa tính chҩt sóng cӫa ánh sáng Đһc biӋt, lý

thuyӃt này kӃt nӕi các hiӋn tѭӧng quang hӑc vӟi các hiӋn tѭӧng điӋn tӯ hӑc, cho thҩy ánh sáng chӍ là mӝt trѭӡng hӧp riêng cӫa sóng điӋn tӯ

Các thí nghiӋm sau này vӅ sóng điӋn tӯ, nhѭ cӫa Heinrich Rudolf Hertz năm 1887,

đӅu khҷng đӏnh tính chính xác cӫa lý thuyӃt cӫa Maxwell

1.3.4.5 Ête

Sau thành công cӫa lý thuyӃt điӋn tӯ, khái niӋm rҵng ánh sáng lan truyӅn nhѭ các sóng đã đѭӧc chҩp nhұn rӝng rãi Các hiӇu biӃt vӅ sóng cѫ hӑc, nhѭ âm thanh, cӫa cѫ hӑc

cә điӇn, đã dүn các nhà khoa hӑc đӃn giҧ thuyӃt rҵng sóng ánh sáng lan truyӅn nhѭ sóng

cѫ hӑc trong môi trѭӡng giҧ đӏnh ête, tràn ngұp khҳp vNJ trө, nhѭng có đӝ cӭng cao hѫn

Trong lý thuyӃt tѭѫng đӕi hҽp, các tiên đӅ cӫa cѫ hӑc đѭӧc thay đәi, đӇ đҧm bҧo thông qua các phép biӃn đәi hӋ quy chiӃu, vұn tӕc ánh sáng luôn là hҵng sӕ Lý thuyӃt này đã giҧi thích đѭӧc chuyӇn đӝng cӫa các vұt thӇ ӣ tӕc đӝ cao và tiӃp tөc đѭӧc mӣ rӝng thành lý thuyӃt tѭѫng đӕi rӝng, trong đó giҧi thích chuyӇn đӝng cӫa ánh sáng nói riêng và vұt chҩt nói chung trong không gian bӏ bóp méo bӣi vұt chҩt

Thí nghiӋm đo sӵ bҿ cong đѭӡng đi ánh sáng cӫa các ngôi sao khi đi qua gҫn Mһt Trӡi, lҫn đҫu nhұt thӵc vào năm 1919, đã khҷng đӏnh đӝ chính xác cӫa lý thuyӃt tѭѫng

đӕi rӝng

1.3.4.7 Lý thuy͇t l˱ͫng t͵ ánh sáng

Lý thuy͇t l˱ͫng t͵ cӫa ánh sáng nói riêng và vұt chҩt nói chung ra đӡi khi các thí

nghiӋm vӅ bӭc xҥ vұt đen đѭӧc giҧi thích bӣi Max Planck và hiӋu ӭng quang điӋn đѭӧc

giҧi thích bӣi Albert Einstein đӅu cҫn dùng đӃn giҧ thuyӃt rҵng ánh sáng là dòng chuyӇn

đӝng cӫa các hҥt riêng lҿ, gӑi là quang tӱ (photon)

Vì tính chҩt hҥt và tính chҩt sóng cùng đѭӧc quan sát ӣ ánh sáng, và cho mӑi vұt chҩt

nói chung, lý thuyӃt lѭӧng tӱ đi đӃn kӃt luұn vӅ l˱ͩng tính sóng h̩t cӫa ánh sáng và vұt chҩt; đúc kӃt ӣ công thͱc de Broglie, 1924, liên hӋ giӳa đӝng lѭӧng mӝt hҥt và bѭӟc sóng

máy đo bҳt đҫu chuyӇn đӝng, chӍ dҩu cho mӝt dòng điӋn chҥy Thay đ͝i c˱ͥng đ͡ ánh

sáng không thay đ͝i c˱ͥng đ͡ dòng đi͏n, nh˱ng thay đ͝i t̯n s͙ dao đ͡ng cͯa ánh sáng, thay đ͝i c˱ͥng đ͡ dòng quang đi͏n

Tӯ đó, Einstein mӟi lұp ra lý thuyӃt quang điӋn cho rҵng ánh sáng đѭӧc cҩu thành bӣi nhӳng hҥt cѫ bҧn; mӝt hҥt có năng lѭӧng bҵng tҫn sӕ dao đӝng cӫa ánh sáng tӟi nhân vӟi mӝt hҵng sӕ gӑi là hҵng sӕ Planck Hҥt cѫ bҧn này gӑi là quang tӱ

Khi tҫn sӕ cӫa ánh sáng tӟi lӟn hѫn mӝt giá trӏ nào đó thì năng lѭӧng cӫa quang tӱ đӫ lӟn đӇ đánh rӡi hҥt điӋn tӱ đang liên kӃt vӟi các nguyên tӱ trên bӅ mһt kim loҥi đӇ chúng

tӵ do bay tӯ mһt kim loҥi bên phҧi (đѭӧc rӑi sáng) qua mһt kim loҥi bên trái Sӵ chuyӇn

đӝng cӫa các hҥt điӋn tӱ, theo đӏnh nghƭa, chính là dòng điӋn, gӑi là quang điӋn

1.3.5.2 B̫n ch̭t sóng cͯa ánh sáng

Bҧn chҩt sóng cӫa ánh sáng: Trong thí nghiӋm Young mӝt chùm ánh sáng (bao gӗm nhiӅu quang tӱ) đѭӧc bҳn qua hai kҿ hӣ sát nhau trên màn chҳn.Trên màn hình phía sau, xuҩt hiӋn ra nhӳng vân sáng và tӕi xen kҿ nhau HiӋn tѭӧng này đѭӧc là gӑi hiӋn tѭӧng giao thoa Giao thoa là bҵng chӭng cӫa tính sóng (nhѭ sóng biӇn) cӫa ánh sáng Các vҥch sáng tӕi là do sӵ cӝng hѭӣng cӫa hai hàm sӕ sóng Các vҥch tӕi là do sӵ khӱ nhau cӫa hai hàm sӕ sóng Schrodinger Theo thuyӃt lѭӧng tӱ, chúng ta không thӇ biӃt chính xác vӏ trí cӫa hҥt vi mô (nguyên lý bҩt đӏnh Heinsenberg) nhѭng biӃt đѭӧc xác xuҩt có thӇ tìm thҩy

nó ӣ đâu Giá trӏ bình phѭѫng cӫa hàm sӕ sóng chính là xác xuҩt tìm thҩy cӫa hҥt vi mô

đó Do vұy, các vҥch sáng là nhӳng nѫi tìm thҩy đѭӧc các quang tӱ; các vҥch tӕi là các vùng mà quang tӱ không tӟi đѭӧc Do vұy, ánh sáng giao thoa là sӵ giao thoa cӫa các hàm sӕ sóng cӫa nhӳng quang tӱ Tuy nhiên, khi ngѭӡi ta bҳn tӯng quang tӱ mӝt, mӛi lҫn chӍ mӝt hҥt, qua hai khe hӣ thì các vҥch sáng và tӕi vүn xuҩt hiӋn Đӕi vӟi mӝt chùm ánh sáng bao gӗm nhiӅu quang tӱ, thұt là dӉ giҧi thích vӅ hiӋn tѭӧng giao thoa Đó là các hàm

sӕ sóng cӫa các hҥt khi thì cӝng hѭӣng vӟi nhau, tҥo nên các vҥch sáng, khi thì khӱ nhau tҥo nên nhӳng vҥch tӕi Nhѭng khi bҳn tӯng quang tӱ mӝt, thì quang tӱ đó giao thoa vӟi cái gì? Theo lӡi giҧi thích cӫa Schrodinger, là cha đҿ cӫa phѭѫng trình hàm sӕ sóng, quang tӱ đѭӧc bҳn ra đó giao thoa vӟi chính nó!

Làm sao nó có thӇ giao thoa vӟi chính nó, khi nó chӍ có thӇ lӑt qua mӝt trong hai kҿ hӣ

mà thôi? Theo lӡi giҧi thích này, đҥn đҥo cӫa quang tӱ đó bao gӗm nhiӅu đѭӡng khác nhau, qua cҧ hai khe hӣ, chӭ không phҧi là mӝt đѭӡng, qua mӝt khe hӣ Đây là điӅu kǤ diӋu thӭ hai vӅ bҧn chҩt cӫa ánh sáng Nói cách khác, quang tӱ đó có nhiӅu trҥng thái khác nhau, và hiӋn hӳu cùng mӝt lúc, cho tӟi khi ngѭӡi ta bӏt khe hӣ bên phҧi thì hiӋn tѭӧng giao thoa cӫa mӝt quang tӱ biӃn mҩt Khi mӣ nó ra và che khe hӣ bên trái thì hiӋn tѭӧng giao thoa cNJng biӃn mҩt HiӋn tѭӧng giao thoa cӫa mӝt quang tӱ chӍ xuҩt hiӋn khi

cҧ hai khe cùng mӣ Tuy nhiên, khi ngѭӡi ta gҳn mӝt khí cө quan sát gҫn khe hӣ bên trái thì hiӋn tѭӧng giao thoa biӃn mҩt Làm lҥi điӅu này vӟi khe hӣ bên phҧi cNJng quan sát

đѭӧc điӅu tѭѫng tӵ Đây là điӅu kǤ diӋu thӭ ba Nói mӝt cách khác, khi có quan sát viên (khí cө quan sát) đӭng nhìn, thì tҩt cҧ các trҥng thái khҧ dƭ cӫa quang tӱ biӃn mҩt hӃt chӍ trӯ có mӝt trҥng thái còn lҥi mà thôi Ngѭӡi ta gӑi đây là sӵ sөp đә cӫa các trҥng thái lѭӧng tӱ Thí nghiӋm Young cho ánh sáng cNJng áp dөng cho điӋn tӱ, nghƭa là ngѭӡi ta cNJng quan sát đѭӧc hiӋn tѭӧng giao thoa trong trѭӡng hӧp mӝt chùm điӋn tӱ và cҧ trѭӡng hӧp chӍ có mӝt

1.3.6 Cuӝc đҩu tranh đѭa đӃn kӃt luұn bҧn chҩt “Lѭӥng tính sóng - hҥt cӫa ánh sáng”

Bҧn chҩt vӯa giӕng sóng vӯa giӕng hҥt cӫa ánh sáng khiӃn cho giӟi Vұt lí chia rҿ sâu sҳc trong nhiӅu thӃ kӍ, thұm chí có lúc cuӝc chiӃn đi đӃn chӛ gҫn nhѭ mӝt mҩt

mӝt còn

Bҧn chҩt đích thӵc cӫa ánh sáng khҧ kiӃn là mӝt bí ҭn làm lúng túng loài ngѭӡi trong nhiӅu thӃ kӍ Các nhà khoa hӑc Hy Lҥp thuӝc trѭӡng phái Pythagore cә đҥi cho rҵng mӛi mӝt vұt khҧ kiӃn phát ra mӝt dòng hҥt đӅu đһn, còn

Hình 1.3.5 Ánh sáng là sóng

Aristotle kӃt luұn rҵng ánh sáng truyӅn đi theo kiӇu giӕng nhѭ sóng trên đҥi dѭѫng Mһc

dù, nhӳng ý tѭӣng này đã trҧi qua hàng loҥt cҧi tiӃn và thu đѭӧc tiӃn bӝ đáng kӇ trong thӃ

kӍ 20 vӯa qua, nhѭng điӅu cӕt lõi cӫa cuӝc tranh luұn do các nhà triӃt hӑc Hy Lҥp đһt ra vүn kéo dài cho tӟi ngày nay

Mӝt quan điӇm nhìn nhұn ánh sáng giӕng nhѭ sóng trong tӵ nhiên, chúng tҥo ra năng lѭӧng và truyӅn trong không gian theo kiӇu tѭѫng tӵ nhѭ các gӧn sóng lan dҫn ra trên bӅ mһt cӫa mӝt ao nѭӟc phҷng lһng sau khi bӏ mӝt hòn đá rѫi xuӕng làm nhiӉu đӝng Quan

điӇm đӕi lұp cho rҵng ánh sáng gӗm dòng các hҥt đӅu đһn, rҩt giӕng vӟi nhӳng giӑt nѭӟc nhӓ xíu phun ra tӯ mӝt vòi tѭӟi vѭӡn Trong vài thӃ kӍ qua, mӛi quan điӇm chӍ đѭӧc nhҩt trí trong mӝt khoҧng thӡi gian nào đó, rӗi lҥi bӏ lұt đә bӣi bҵng chӭng cho quan điӇm kia ChӍ trong thұp kӍ đҫu tiên cӫa thӃ kӍ 20 cNJng là bҵng chӭng đӫ sӭc thuyӃt phөc mang tӟi câu trҧ lӡi toàn diӋn, và trѭӟc sӵ ngҥc nhiên cӫa nhiӅu ngѭӡi, hóa ra cҧ hai lí thuyӃt đӅu chính xác, ít nhҩt là trong tӯng bӝ phұn

Vào đҫu thӃ kӍ 19, chӫ đӅ vӅ bҧn chҩt ánh sáng đã đҭy cӝng đӗng khoa hӑc tӟi chӛ chia phe dӵng trҥi chiӃn đҩu kӏch liӋt bҧo vӋ cho giá trӏ cӫa nhӳng lí thuyӃt ѭa chuӝng cӫa hӑ Mӝt nhóm nhà khoa hӑc, nhӳng ngѭӡi tán thành thuyӃt sóng, tұp trung bàn luұn

vӅ nhӳng khám phá cӫa nhà khoa hӑc ngѭӡi Hà Lan Christiaan Huygens Còn trҥi bên kia thì trích dүn thí nghiӋm lăng kính cӫa ngài Isaac Newton, xem là bҵng chӭng cho thҩy ánh sáng truyӅn đi dѭӟi dҥng mӝt trұn mѭa hҥt, mӛi hҥt đi theo đѭӡng thҷng cho tӟi khi

nó bӏ khúc xҥ, hҩp thө, phҧn xҥ, nhiӉu xҥ theo mӝt sӕ kiӇu khác Mһc dù chính Newton hình nhѭ cNJng có mӝt sӕ nghi ngӡ vӟi thuyӃt tiӇu thӇ cӫa ông vӅ bҧn chҩt ánh sáng, nhѭng uy tín cӫa ông trong cӝng đӗng khoa hӑc có sӭc nһng quá lӟn nên nhӳng kҿ ӫng hӝ ông đã bӓ qua tҩt cҧ nhӳng bҵng chӭng khác trong cuӝc chiӃn

đҩu khӕc liӋt cӫa mình

Lý thuyӃt khúc xҥ ánh sáng cӫa Huygens, dӵa trên khái niӋm bҧn chҩt giӕng nhѭ sóng cӫa ánh sáng, cho rҵng vұn tӕc ánh sáng trong mӝt chҩt bҩt kì tӍ lӋ nghӏch vӟi chiӃt suҩt cӫa nó Nói cách khác, Huygens cho rҵng ánh sáng càng bӏ

bҿ cong, hay khúc xҥ, khi đi vào mӝt chҩt, thì nó càng chұm khi truyӅn qua chҩt đó Nhӳng ngѭӡi ӫng hӝ ông kӃt luұn rҵng nӃu ánh sáng là mӝt dòng hҥt, thì sӁ xҧy ra kӃt quҧ ngѭӧc lҥi, vì ánh sáng đi vào môi trѭӡng đұm

đһc hѫn sӁ bӏ các phân tӱ môi trѭӡng đó hút và vұn tӕc sӁ tăng lên, chӭ không giҧm xuӕng Mһc dù lӡi hòa giҧi cho cuӝc cãi vã này là đo vұn tӕc ánh sáng trong các chҩt khác nhau, không khí và thӫy tinh chҷng hҥn Nhѭng trong thӡi kì đó, dөng cө dùng đӇ làm viӋc này chѭa ra đӡi Thêm nӳa, ánh sáng hình nhѭ chuyӇn đӝng vӟi cùng mӝt vұn tӕc, bҩt chҩp môi trѭӡng mà nó đi qua Phҧi hѫn 150 năm sau, vұn tӕc cӫa ánh sáng mӟi

đѭӧc đo vӟi đӝ chính xác cao đӇ chӭng minh thuyӃt Huygens là đúng

Bҩt chҩp danh cao vӑng trӑng cӫa ngài Isaac Newton, sӕ nhà khoa hӑc có danh tiӃng vào đҫu nhӳng năm 1700 không tán thành thuyӃt tiӇu thӇ cӫa ông Mӝt sӕ ngѭӡi tranh luұn rҵng nӃu ánh sáng là các hҥt, thì khi hai chùm sáng cҳt ngang nhau, mӝt sӕ hҥt sӁ va

Hình 1.3.6 Nhͷng nhà tiên phong trong

ngành v̵t lí nghiên cͱu ánh sáng kh̫ ki͇n

chҥm lên nhau gây ra sӵ chӋch hѭӟng trong chùm sáng Rõ ràng điӅu này không xҧy ra,

nên hӑ kӃt luұn ánh sáng không thӇ là tұp hӧp nhӳng hҥt rӡi rҥc đѭӧc

Huygens, vӟi trӵc giác cӫa mình, đӅ xuҩt trong chuyên luұn năm 1690 cӫa ông rҵng, sóng ánh sáng truyӅn trong không gian qua trung gian ête, mӝt chҩt bí ҭn không trӑng lѭӧng, tӗn tҥi nhѭ mӝt thӵc thӇ vô hình trong không khí và không gian Công cuӝc săn lùng ête ngӕn mӝt lѭӧng đáng kӇ tài nguyên trong thӃ kӍ 19 trѭӟc khi cuӕi cùng phҧi dӯng lҥi ThuyӃt ête tӗn tҥi ít nhҩt là cho tӟi cuӕi nhӳng năm 1800, bҵng chӭng là mô hình do Charles Wheatstone đӅ xuҩt, chӭng minh ête mang sóng ánh sáng bҵng cách dao

đӝng theo hѭӟng vuông góc vӟi hѭӟng truyӅn sóng, và mô hình chi tiӃt cӫa James Clerk Maxwell mô tҧ viӋc xây dӵng chҩt vô hình này Huygens tin rҵng ête dao đӝng cùng hѭӟng vӟi ánh sáng, và tӵ hình thành mӝt sóng nhѭ thӇ là nó mang sóng ánh sáng Trong tұp sách xuҩt bҧn sau, nguyên lí Huygens, ông đã mô tҧ tài tình vӅ cách mà mӛi điӇm trên

sóng có thӇ tҥo ra mһt sóng riêng cӫa nó, và rӗi hӧp lҥi thành đҫu sóng Huygens dùng ý tѭӣng này sáng tҥo ra mӝt lí thuyӃt chi tiӃt cho hiӋn tѭӧng khúc xҥ, và cNJng giҧi thích tҥi sao các tia sáng không phá hӫy nhau khi đѭӡng truyӅn cӫa chúng cҳt nhau

Khi mӝt chùm ánh sáng truyӅn giӳa hai môi trѭӡng có chiӃt suҩt khác nhau thì chùm tia bӏ khúc xҥ và đәi hѭӟng khi truyӅn tӯ môi trѭӡng thӭ nhҩt vào môi trѭӡng thӭ hai ĐӇ xác đӏnh xem chùm tia sáng là hҥt hay sóng, ngѭӡi ta phҧi nghƭ ra mӛi mô hình cho mӛi trѭӡng phái

và không có bҵng chӭng nào đѭӧc thu thұp đӇ chӭng minh cho lí thuyӃt

Mӝt so sánh thú vӏ khác cӫa hai lí thuyӃt liên quan tӟi nhӳng khác biӋt xҧy ra khi ánh

sáng bӏ phҧn xҥ tӯ mӝt bӅ mһt nhҹn, lung linh, nhѭ mһt gѭѫng chҷng hҥn ThuyӃt sóng xem nguӗn sáng phát ra các sóng ánh sáng trҧi ra theo mӑi hѭӟng Khi chҥm lên gѭѫng, các sóng bӏ phҧn xҥ theo góc tӟi, nhѭng vӟi mӛi sóng phҧn hӗi trӣ lҥi tҥo ra mӝt ҧnh đҧo ngѭӧc (hình 1.3.8) Hình dҥng cӫa sóng tӟi phө thuӝc nhiӅu vào khoҧng cách tӯ nguӗn sáng tӟi gѭѫng Ánh sáng phát ra tӯ mӝt nguӗn ӣ gҫn vүn giӳ đѭӧc mһt sóng hình

Hình 1.3.8 H̩t và sóng ph̫n x̩ bͧi g˱˯ng

Hình 1.3.7 Sӵ khúc xҥ cӫa hҥt và

sóng

cҫu, có đӝ cong cao, còn ánh sáng phát ra tӯ mӝt nguӗn ӣ xa sӁ trҧi rӝng hѫn và các mһt sóng gҫn nhѭ là phҷng

Trѭӡng hӧp bҧn chҩt hҥt cӫa ánh sáng đӕi vӟi hiӋn tѭӧng phҧn xҥ có sӭc thuyӃt phөc hѫn nhiӅu so vӟi hiӋn tѭӧng khúc xҥ Ánh sáng phát ra tӯ mӝt nguӗn, dù ӣ gҫn hay ӣ xa,

đi tӟi bӅ mһt gѭѫng dѭӟi dҥng mӝt dòng hҥt, chúng bӏ nҧy lên, hay là bӏ phҧn xҥ bӣi bӅ mһt nhҹn mӏn Do các hҥt rҩt nhӓ, và có mӝt lѭӧng rҩt lӟn hҥt trong chùm ánh sáng lan truyӅn, nên chúng sӁ chuyӇn đӝng sát cánh vӟi nhau Khi chҥm lên mһt gѭѫng, các hҥt bӏ nҧy lên tӯ nhӳng điӇm khác nhau, nên trұt tӵ cӫa chúng trong chùm sáng bӏ đҧo ngѭӧc lҥi tҥo ra mӝt hình đҧo ngѭӧc, nhѭ đѭӧc minh hӑa trên hình 4 Cҧ thuyӃt hҥt và thuyӃt sóng

đӅu giҧi thích thӓa đáng sӵ phҧn xҥ bӣi mӝt bӅ mһt phҷng Tuy nhiên, thuyӃt hҥt cNJng

cho rҵng nӃu bӅ mһt quá gӗ ghӅ, thì các hҥt bӏ nҧy lên ӣ nhiӅu góc khác nhau, kӃt quҧ là làm tán xҥ ánh sáng ThuyӃt này rҩt phù hӧp vӟi nhӳng quan sát thӵc nghiӋm

Hҥt và sóng cNJng sӁ hành xӱ khác nhau khi chúng chҥm phҧi rìa cӫa mӝt vұt và tҥo nên bóng

đә (hình 1.3.9) Newton sӟm chӍ ra trong cuӕn Opticks xuҩt bҧn năm 1704 cӫa ông rҵng: “Ánh sáng không bao giӡ truyӅn đi theo đѭӡng cong hay bӏ bҿ cong thành bóng đә” Khái niӋm này phù hӧp vӟi thuyӃt hҥt cho rҵng ánh sáng luôn luôn truyӅn đi theo đѭӡng thҷng NӃu các hҥt chҥm phҧi rìa cӫa mӝt rào chҳn thì chúng sӁ không tҥo ra bóng đә vì các hҥt không bӏ rào chҳn ngăn cҧn tiӃp tөc chuyӇn đӝng theo

đѭӡng thҷng và không trҧi qua phía sau rìa chҳn Ӣ phҥm vi vƭ mô, quan sát này hҫu nhѭ

là chính xác, nhѭng nó không phù hӧp vӟi kӃt quҧ cӫa thí nghiӋm nhiӉu xҥ ánh sáng xҧy

ra ӣ kích thѭӟc nhӓ hѫn nhiӅu

Khi ánh sáng truyӅn qua mӝt khe hҽp, chùm tia trҧi ra và trӣ nên rӝng hѫn mong đӧi Quan sát quan trӑng có tính cѫ sӣ này mang lҥi nhiӅu tin cұy cho thuyӃt sóng ánh sáng Giӕng nhѭ sóng nѭӟc, sóng ánh sáng chҥm phҧi rìa cӫa mӝt vұt thì uӕn cong quanh rìa đó

và đi vào vùng bóng hình hӑc cӫa nó, là vùng không đѭӧc rӑi sáng trӵc tiӃp bҵng chùm tia sáng Hành trҥng này tѭѫng tӵ nhѭ sóng nѭӟc cuӕn quanh phҫn cuӕi cӫa bè nәi, thay

Hình 1.3.10 Thí nghiӋm hai khe

Young

Hình 1.3.9 Nhi͍u x̩ cͯa h̩t và sóng

điӇm nҵm giӳa hai khe phҧi hoàn toàn đӗng bӝ vӟi nhau Tuy nhiên, nӃu xét mӝt điӇm nào đó nҵm vӅ mӝt phía so vӟi điӇm chính giӳa, thì ánh sáng tӯ mӝt khe sӁ truyӅn tӟi

điӇm đó qua mӝt đoҥn đѭӡng dài hѫn so vӟi ánh sáng truyӅn tӯ khe phía bên kia Ánh sáng tӯ khe gҫn hѫn sӁ truyӅn tӟi điӇm thӭ hai này trѭӟc so vӟi ánh sáng tӯ khe ӣ xa, nên hai sóng không còn đӗng bӝ vӟi nhau, và có thӇ hӫy nhau tҥo nên bóng tӕi

Đúng nhѭ ông nghi ngӡ, Young phát hiӋn thҩy khi các sóng ánh sáng tӯ bӝ khe thӭ hai bӏ trҧi ra (hay nhiӉu xҥ), chúng gһp nhau và chӗng chұp lên nhau Trong mӝt sӕ trѭӡng hӧp, sӵ chӗng chұp kӃt hӧp đӗng bӝ chính xác vӟi nhau Tuy nhiên, trong mӝt sӕ trѭӡng hӧp khác, các sóng ánh sáng kӃt hӧp hoàn toàn không đӗng bӝ vӟi nhau hoһc chӍ

đӗng bӝ mӝt phҫn Young nhұn thҩy khi các sóng gһp nhau đӗng bӝ, chúng cӝng gӝp vӟi nhau bҵng mӝt quá trình gӑi là giao thoa tăng cѭӡng Các sóng gһp nhau không đӗng bӝ

sӁ hӫy lүn nhau, hiӋn tѭӧng này gӑi là giao thoa triӋt tiêu Ӣ giӳa hai thái cӵc này, nhӳng mӭc đӝ khác nhau cӫa giao thoa tăng cѭӡng và triӋt tiêu xҧy ra làm tҥo ra sóng có phә biên đӝ rӝng Young cNJng có thӇ quan sát thҩy các hiӋu ӭng giao thoa trên màn hình đһt

ӣ mӝt khoҧng cách nhҩt đӏnh phía sau hai khe Sau khi nhiӉu xҥ, ánh sáng tái kӃt hӧp bҵng giao thoa tҥo ra dãy vân sáng và tӕi dӑc theo chiӅu dài cӫa màn hình

Mһc dù có vҿ quan trӑng, nhѭng kӃt luұn cӫa Young không đѭӧc chҩp nhұn rӝng rãi vào lúc đó, chӫ yӃu do bӣi niӅm tin quá mãnh liӋt vào thuyӃt hҥt Ngoài quan sát sӵ giao thoa ánh sáng, Young còn cho rҵng ánh sáng có các màu khác nhau gӗm các sóng có chiӅu dài khác nhau, mӝt khái niӋm cѫ sӣ đѭӧc công nhұn rӝng rãi hiӋn nay Trái lҥi, thuyӃt hҥt chӫ trѭѫng rҵng màu sҳc ánh sáng khác nhau là do các hҥt có khӕi lѭӧng khác nhau hoһc truyӅn đi vӟi vұn tӕc khác nhau

HiӋu ӭng giao thoa không chӍ giӟi hҥn có ánh sáng Các sóng tҥo ra trên mһt hӗ, hoһc

ao, sӁ trҧi ra theo mӑi hѭӟng và chӏu sӵ hành xӱ tѭѫng tӵ Khi hai sóng gһp nhau đӗng

bӝ, chúng sӁ cӝng gӝp vӟi nhau tҥo ra mӝt sóng hѫn bҵng giao thoa tăng cѭӡng Các sóng chҥm nhau không đӗng bӝ sӁ hӫy nhau qua giao thoa triӋt tiêu và tҥo ra bӅ mһt phҷng trên nѭӟc

Thêm mӝt bҵng chӭng nӳa cho bҧn chҩt giӕng sóng cӫa ánh sáng đѭӧc phát hiӋn khi hành trҥng cӫa chùm sáng giӳa các kính phân cӵc đһt chéo nhau đѭӧc nghiên cӭu tӍ mӍ (hình 1.3.11) Kính phân cӵc có cҩu trúc phân tӱ đӝc nhҩt vô nhӏ chӍ cho phép ánh sáng

có mӝt đӏnh hѭӟng nào đó truyӅn qua chúng Nói cách khác, kính phân cӵc có thӇ đѭӧc xem nhѭ mӝt loҥi màn che đһc biӋt có các hàng thanh nhӓ xíu đӏnh theo mӝt hѭӟng bên trong chҩt phân cӵc NӃu cho mӝt chùm sáng tӟi đұp vào kính phân cӵc, chӍ có nhӳng tia sáng đӏnh hѭӟng song song vӟi hѭӟng phân cӵc mӟi có thӇ truyӅn qua kính NӃu đһt mӝt kính phân cӵc thӭ hai phía sau kính thӭ nhҩt và đӏnh hѭӣng giӕng nhѭ kính thӭ nhҩt, thì ánh sáng truyӅn qua đѭӧc kính thӭ nhҩt cNJng sӁ truyӅn qua đѭӧc kính thӭ hai

Tuy nhiên, nӃu quay kính phân cӵc thӭ hai

đi mӝt góc nhӓ, thì lѭӧng ánh sáng truyӅn qua

nó sӁ giҧm xuӕng Khi quay kính phân cӵc thӭ hai đӃn vӏ trí đӏnh hѭӟng vuông góc vӟi kính thӭ nhҩt, thì không có ánh sáng nào đã truyӅn qua đѭӧc kính thӭ nhҩt sӁ truyӅn qua đѭӧc

Hình 1.3.11 H̩t và sóng đi qua các

kính phân c͹c đ̿t vuông góc

kính thӭ hai KӃt quҧ này dӉ dàng giҧi thích đѭӧc vӟi thuyӃt sóng, còn viӋc vұn dөng thuyӃt hҥt không thӇ giҧi thích đѭӧc ánh sáng bӏ chһn lҥi nhѭ thӃ nào bӣi kính thӭ hai Thұt vұy, thuyӃt hҥt cNJng không thӇ giҧi thích thӓa đáng hiӋn tѭӧng giao thoa và nhiӉu

xҥ, nhӳng hiӋu ӭng mà sau này ngѭӡi ta xem là thuӝc cùng mӝt hiӋn tѭӧng

KӃt quҧ quan sát vӟi ánh sáng phân cӵc đӫ đӇ phát triӇn khái niӋm ánh sáng gӗm các sóng ngang có các thành phҫn vuông góc vӟi hѭӟng truyӅn sóng Mӛi thành phҫn ngang phҧi có mӝt đӏnh hѭӟng đһc biӋt cho phép nó truyӅn qua hoһc là bӏ chһn lҥi bӣi mӝt kính phân cӵc ChӍ nhӳng sóng có thành phҫn ngang song song vӟi bӝ lӑc phân cӵc mӟi truyӅn qua đѭӧc, còn nhӳng sóng khác đӅu bӏ chһn lҥi

Vào giӳa nhӳng năm 1800, các nhà khoa hӑc không ngӯng bӏ thuyӃt phөc trѭӟc đһc trѭng giӕng sóng cӫa ánh sáng, nhѭng vүn còn mӝt chӛ hәng lӟn chѭa đѭӧc lҩp Đó là ánh sáng thұt ra là gì ? Mӝt đӝt phá đѭӧc thӵc hiӋn bӣi nhà vұt lí ngѭӡi Anh James Clerk Maxwell khi ông phát hiӋn thҩy tҩt cҧ các dҥng bӭc xҥ điӋn tӯ đӅu có phә liên tөc và truyӅn qua chân không vӟi cùng mӝt tӕc đӝ: 186000 dһm mӝt giây Khám phá cӫa Maxwell thұt sӵ đã đóng đinh quan tài cho thuyӃt hҥt, và vào buәi bình minh cӫa thӃ kӍ

20, hình nhѭ nhӳng câu hӓi cѫ bҧn vӅ ánh sáng và lí thuyӃt quang hӑc cuӕi cùng đã đѭӧc trҧ lӡi

Mӝt tai hӑa lӟn ұp đӃn vӟi thuyӃt sóng vào cuӕi thұp niên 1880, khi các nhà khoa hӑc lҫn đҫu tiên phát hiӋn thҩy, dѭӟi nhӳng điӅu kiӋn nhҩt đӏnh, ánh sáng có thӇ đánh đuәi các electron ra khӓi nguyên tӱ cӫa mӝt vài kim loҥi (hình 1.3.12) Mһc dù lúc đҫu chӍ là

mӝt hiӋn tѭӧng hiӃu kì và không giҧi thích nәi, nhѭng ngѭӡi ta nhanh chóng phát hiӋn thҩy ánh sáng cӵc tím có thӇ làm bұt ra electron tӯ nguyên tӱ cӫa nhiӅu kim loҥi, làm cho chúng tích điӋn dѭѫng Nhà vұt lí ngѭӡi Đӭc Phillip Lenard trӣ nên bӏ lôi cuӕn vào nhӳng quan sát này, và ông đã đһt tên cho nó là hiӋu ӭng quang điӋn Lenard dùng mӝt lăng kính đӇ tách ánh sáng trҳng thành các thành phҫn màu cӫa nó, và rӗi cho hӝi tө

có chӑn lӑc mӛi màu lên mӝt đƭa kim loҥi đӇ tӕng khӭ các electron ra khӓi nó

Cái Lenard phát hiӋn đѭӧc làm ông bӕi rӕi và ngҥc nhiên Đӕi vӟi mӝt bѭӟc sóng ánh sáng cө thӇ (chҷng hҥn ánh sáng xanh dѭѫng), các electron tҥo ra mӝt thӃ không đәi, hay mӝt lѭӧng năng lѭӧng әn đӏnh ViӋc giҧm hoһc tăng lѭӧng ánh sáng tҥo ra sӵ tăng hoһc giҧm tѭѫng ӭng sӕ electron đѭӧc giҧi phóng, nhѭng mӛi electron vүn có năng lѭӧng nhѭ

cNJ Nói cách khác, các electron thoát khӓi liên kӃt nguyên tӱ có năng lѭӧng phө thuӝc vào bѭӟc sóng ánh sáng, chӭ không phҧi cѭӡng đӝ ánh sáng ĐiӅu này trái vӟi cái mà thuyӃt sóng mong đӧi Lenard cNJng khám phá ra mӕi liên hӋ giӳa bѭӟc sóng và năng lѭӧng: các bѭӟc sóng càng ngҳn làm phát sinh các electron có năng lѭӧng càng lӟn ViӋc thiӃt lұp mӕi quan hӋ giӳa ánh sáng và các nguyên tӱ có đѭӧc vào đҫu thұp niên

1800 khi William Hyde Wollaston khám phá thҩy phә cӫa Mһt Trӡi không phҧi là mӝt dãy sáng liên tөc mà chӭa hàng trăm bѭӟc sóng bӏ thiӃu Trên 500 vҥch hҽp ӭng vӟi các bѭӟc sóng bӏ thiӃu đã đѭӧc lұp biӇu đӗ bӣi nhà vұt lí ngѭӡi Đӭc Joseph von Fraunhofer, ngѭӡi đһt các kí hiӋu chӳ cái cho các khe hӣ lӟn nhҩt Sau này, ngѭӡi ta phát hiӋn thҩy các khe hӣ sinh ra do sӵ hҩp thө nhӳng bѭӟc sóng cө thӇ bӣi các nguyên tӱ trong lӟp bên

Hình 1.3.12 HiӋu ӭng quang điӋn

Hình 1.3.13 Ҧnh các vân giao thoa

ngoài Mһt Trӡi Nhӳng quan trҳc này là mӝt sӕ liên hӋ đҫu tiên giӳa các nguyên tӱ và

ánh sáng, mһc dù tác dөng cѫ bҧn cӫa nó không đѭӧc hiӇu rõ vào lúc ҩy

Năm 1905, Albert Einstein đӅ xuҩt rҵng ánh sáng thӵc ra có mӝt sӕ đһc trѭng hҥt, bҩt chҩp nhӳng bҵng chӭng tràn ngұp cho bҧn chҩt giӕng sóng cӫa ánh sáng Einstein là khoa hӑc gia đѭӧc giҧi Nobel vӅ khoa hӑc (1921) khi ông xác minh đѭӧc ánh sáng có bҧn chҩt hҥt trong thí nghiӋm quang điӋn Ánh sáng đѭӧc rӑi vào mӝt tҩm kim loҥi, là vұt liӋu giàu

điӋn tӱ Khi Einstein thay đәi tҫn sӕ cӫa ánh sáng tӟi (tӭc là thay đәi màu ánh sáng) đӃn mӝt giá trӏ nào đó thì cây kim trên máy đo bҳt đҫu chuyӇn đӝng, chӍ dҩu cho mӝt dòng

điӋn chҥy Thay đәi cѭӡng đӝ ánh sáng không thay đә cѭӡng đӝ dòng điӋn, nhѭng thay

đәi tҫn sӕ giao đӝng cӫa ánh sáng, thay đәi cѭӡng đӝ dòng quang điӋn Tӯ đó, Einstein mӟi lұp ra lý thuyӃt quang điӋn cho rҵng ánh sáng đѭӧc cҩu thành bӣi nhӳng hҥt cѫ bҧn; mӝt hҥt có năng lѭӧng bҵng tҫn sӕ dao đӝng cӫa ánh sáng tӟi nhân vӟi mӝt hҵng sӕ gӑi là hҵng sӕ Planck Hҥt cѫ bҧn này gӑi là quang tӱ Khi tҫn sӕ cӫa ánh sáng tӟi lӟn hѫn mӝt giá trӏ nào đó thì năng lѭӧng cӫa quang tӱ đӫ lӟn đӇ đánh rӡi hҥt điӋn tӱ đang liên kӃt vӟi các nguyên tӱ trên bӅ mһt kim loҥi đӇ chúng tӵ do bay tӯ mһt kim loҥi bên phҧi (đѭӧc rӑi sáng) qua mһt kim loҥi bên trái Sӵ chuyӇn đӝng cӫa các hҥt điӋn tӱ, theo đӏnh nghƭa, chính là dòng điӋn, gӑi là quang điӋn

Trong khi phát triӇn thuyӃt lѭӧng tӱ cӫa ông, Einstein đӅ xuҩt vӅ mһt toán hӑc rҵng các electron gҳn liӅn vӟi các nguyên tӱ trong kim loҥi có thӇ hҩp thө mӝt sӕ lѭӧng ánh sáng nhҩt đӏnh (ban đҫu đһt tên là lѭӧng tӱ, nhѭng vӅ sau đәi tên là photon), và nhѭ thӃ

nó có năng lѭӧng đӇ thoát ra ngoài Ông cNJng cho rҵng nӃu năng lѭӧng cӫa photon tӍ lӋ nghӏch vӟi bѭӟc sóng thì các bѭӟc sóng càng ngҳn sӁ tҥo ra nhӳng electron có năng lѭӧng càng lӟn, mӝt giҧ thuyӃt đѭӧc hình thành trên cѫ sӣ nhӳng kӃt quҧ nghiên cӭu cӫa Lenard

Mһc dù thí nghiӋm quang điӋn chӫ yӃu xác minh tính hҥt cӫa ánh sáng, nó cNJng hàm chӭa tính sóng vì năng lѭӧng cӫa quang tӱ tӍ lӋ vӟi tҫn sӕ dao đӝng - tӭc là mӝt đһc điӇm cӫa tính sóng Tuy nhiên, cҫn phҧi có thí nghiӋm Young vӅ hiӋn tѭӧng giao thoa thì ngѭӡi ta mӟi biӃt chҳc chҳn ánh sáng có tính sóng nӳa

Trong thí nghiӋm Young mӝt chùm ánh sáng (bao gӗm nhiӅu quang tӱ) đѭӧc bҳn qua hai kҿ hӣ sát nhau trên màn chҳn Trên màn hình phía sau, xuҩt hiӋn ra nhӳng vân sáng

và tӕi xen kӁ nhau HiӋn tѭӧng này đѭӧc là gӑi hiӋn tѭӧng giao thoa Giao thoa là bҵng chӭng cӫa tính sóng (nhѭ sóng biӇn) cӫa ánh sáng Các vҥch sáng tӕi là do sӵ cӝng hѭӣng cӫa hai hàm sӕ sóng Các vҥch tӕi là do sӵ khӱ nhau cӫa hai hàm sӕ sóng Schrodinger Hàm sӕ sóng là gì? Theo thuyӃt lѭӧng tӱ, chúng ta không thӇ biӃt chính xác

vӏ trí cӫa hҥt vi mô (nguyên lý bҩt đӏnh Heinsenberg) nhѭng biӃt đѭӧc xác suҩt có thӇ tìm thҩy nó ӣ đâu Giá trӏ bình phѭѫng cӫa hàm sӕ sóng chính là xác suҩt tìm thҩy cӫa hҥt vi

mô đó Do vұy, các vҥch sáng là nhӳng nѫi tìm thҩy đѭӧc các quang tӱ; các vҥch tӕi là

các vùng "cҩm điҥ," là nѫi quang tӱ không thӇ tӟi đѭӧc

Do vұy, ánh sáng giao thoa là sӵ giao thoa cӫa các hàm sӕ sóng cӫa nhӳng quang tӱ Tuy nhiên, khi ngѭӡi ta bҳn tӯng quang tӱ mӝt, mӛi lҫn chӍ mӝt hҥt, qua hai khe hӣ thì các vҥch sáng và tӕi vүn xuҩt hiӋn Đӕi vӟi mӝt chùm ánh sáng bao gӗm nhiӅu quang tӱ, thұt là dӉ giҧi thích vӅ hiӋn tѭӧng giao thoa Đó là các hàm sӕ sóng cӫa các hҥt khi thì cӝng hѭӣng vӟi nhau, tҥo nên các vҥch sáng, khi thì khӱ nhau tҥo nên nhӳng vҥch tӕi Nhѭng khi bҳn tӯng quang tӱ mӝt, thì quang tӱ đó giao thoa vӟi cái gì?

Theo lӡi giҧi thích cӫa Schrodinger, là cha đҿ cӫa phѭѫng trình hàm sӕ sóng, quang tӱ

đѭӧc bҳn ra đó giao thoa vӟi chính nó! Làm sao nó có thӇ giao thoa vӟi chính nó, khi nó chӍ có thӇ lӑt qua mӝt trong hai kҿ hӣ mà thôi? Theo lӡi giҧi thích này, đҥn đҥo cӫa quang tӱ đó bao gӗm nhiӅu đѭӡng khác nhau, qua cҧ hai khe hӣ, chӭ không phҧi là mӝt

đѭӡng, qua mӝt khe hӣ Đây là điӅu kǤ diӋu thӭ hai vӅ bҧn chҩt cӫa ánh sáng Nói cách khác, quang tӱ đó có nhiӅu trҥng thái khác nhau, và hiӋn hӳu cùng mӝt lúc, cho tӟi khi ngѭӡi ta bӏt khe hӣ bên phҧi thì hiӋn tѭӧng giao thoa cӫa mӝt quang tӱ biӃn mҩt Khi mӣ

nó ra và che khe hӣ bên trái thì hiӋn tѭӧng giao thoa cNJng biӃn mҩt HiӋn tѭӧng giao thoa cӫa mӝt quang tӱ chӍ xuҩt hiӋn khi cҧ hai khe cùng mӣ Tuy nhiên, khi ngѭӡi ta gҳn mӝt khí cө quan sát gҫn khe hӣ bên trái thì hiӋn tѭӧng giao thoa biӃn mҩt Làm lҥi điӅu này vӟi khe hӣ bên phҧi cNJng quan sát đѭӧc điӅu tѭѫng tӵ Đây là điӅu kǤ diӋu thӭ ba Nói mӝt cách khác, khi có quan sát viên (khí cө quan sát) đӭng nhìn, thì tҩt cҧ các trҥng thái khҧ dƭ cӫa quang tӱ biӃn mҩt hӃt chӍ trӯ có mӝt trҥng thái còn lҥi mà thôi Ngѭӡi ta gӑi

đây là sӵ sөp đә cӫa các trҥng thái lѭӧng tӱ Thí nghiӋm Young cho ánh sáng cNJng áp dөng cho điӋn tӱ, nghƭa là ngѭӡi ta cNJng quan sát đѭӧc hiӋn tѭӧng giao thoa trong trѭӡng hӧp mӝt chùm điӋn tӱ và cҧ trѭӡng hӧp chӍ có mӝt điӋn tӱ mà thôi

Lý thuyӃt cӫa Einstein đѭӧc cӫng cӕ trong thұp niên 1920 bӣi các thí nghiӋm cӫa nhà vұt lí ngѭӡi Mƭ Arthur H Compton, ngѭӡi chӭng minh đѭӧc photon có xung lѭӧng, mӝt yêu cҫu cҫn thiӃt đӇ cӫng cӕ lí thuyӃt vұt chҩt và năng lѭӧng có thӇ hoán đәi cho nhau CNJng vào khoҧng thӡi gian đó, nhà khoa hӑc ngѭӡi Pháp Louis Victor-de Broglie cho rҵng tҩt cҧ vұt chҩt và bӭc xҥ đӅu có nhӳng tính chҩt vӯa giӕng sóng vӯa giӕng hҥt Dѭӟi

sӵ chӍ dүn cӫa Max Planck, de Broglie đã ngoҥi suy công thӭc nәi tiӃng cӫa Einstein liên

hӋ khӕi lѭӧng vӟi năng lѭӧng chӭa luôn hҵng sӕ Planck:

ra đӡi tӯ nghiên cӭu cӫa Einstein, Planck, de Broglie, Niels Bohr, Erwin Schrodinger, và nhӳng ngѭӡi nӛ lӵc giҧi thích bӭc xҥ điӋn tӯ bҵng thuұt ngӳ lѭӥng tính, hay là hình trҥng vӯa giӕng sóng vӯa giӕng hҥt Có khi ánh sáng hành xӱ nhѭ hҥt, và đôi khi lҥi nhѭ sóng Mӝt câu hӓi đҳt giá đѭӧc đһt ra! Khi nào ánh sáng khoác chiӃc áo sóng và trong nhӳng hoàn cҧnh nào nó chѭng ra bӝ áo hҥt? Câu trҧ lӡi rҩt đѫn giҧn: ánh sáng là sóng khi chúng ta không đo nó, khi chúng ta không dò bҳt nó; nhѭng ngay khi chúng ta sӱ dөng mӝt máy dò đӇ xác đӏnh các tính chҩt cӫa nó, nó liӅn biӃn thành hҥt Chúng ta biӃt điӅu này nӳa nhӡ thí nghiӋm khe Young

Hãy đһt mӝt máy dò ánh sáng ngay sau mӝt trong hai khe đӇ theo dõi photon đi qua Trong thí nghiӋm thӭ nhҩt, máy dò không đѭӧc bұt Trong trѭӡng hӧp này, các vân giao thoa xuҩt hiӋn trên màn hình, và chúng ta biӃt rҵng ánh sáng khoác chiӃc áo sóng Bây giӡ chúng ta hãy cho máy dò hoҥt đӝng Ngay lұp tӭc, hai dҧi ánh sáng xuҩt hiӋn tên màn

đһt sau các khe; các vân giao thoa không còn ӣ đó nӳa Vұy là ánh sáng khoác chiӃc áo hҥt Trong trѭӡng hӧp thӭ nhҩt, bӣi vì các máy dò không hoҥt đӝng, nên chúng ta không biӃt mӛi photon sӁ đi qua khe nào, khe trái hay khe phҧi; Trong trѭӡng hӧp thӭ hai vì máy dò hoҥt đӝng, nên chúng ta biӃt điӅu đó ĐӇ thay đәi bӝ dҥng cӫa các photon, chúng

ta chӍ cҫn cho máy dò hoҥt đӝng Nói cách khác, ngѭӡi quan sát ӣ đây đóng mӝt vai trò trung tâm Trong thӃ giӟi nguyên tӱ, chính ngѭӡi quan sát tҥo ra hiӋn thӵc HiӋn thӵc

nguyên tӱ và dѭӟi nguyên tӱ không còn là khách quan nӳa, mà là chӫ quan Giӕng nhѭ Salomon, chúng ta không nói dӭt khoát vì ánh sáng vӯa là sóng, vӯa là hҥt Quan điӇm cӫa Einstein (ánh sáng đѭӧc tҥo thành tӯ các hҥt năng lѭӧng) cNJng nhѭ quan điӇm cӫa Huygens, Young, Fresnel, Faraday và Maxwell (ánh sáng có bҧn chҩt sóng) Hai cách mô

tҧ không loҥi trӯ nhau, mà bә sung cho nhau

Đһc trѭng lѭӥng tính cӫa hành trҥng cӫa ánh sáng có thӇ dùng đӇ mô tҧ tҩt cҧ các đһc

điӇm đã biӃt đѭӧc quan sát thҩy bҵng thӵc nghiӋm, tӯ sӵ khúc xҥ, phҧn xҥ, giao thoa, và nhiӉu xҥ cho tӟi các hiӋu ӭng phân cӵc ánh sáng và hiӋu ӭng quang điӋn Hai đһc trѭng cӫa ánh sáng sӕng hòa thuұn cùng nhau và cho phép chúng ta khám phá nhӳng nét đҽp

Sӵ phҧn xҥ cӫa ánh sáng có thӇ là phҧn xҥ đӏnh hѭӟng (nhѭ phҧn xҥ trên gѭѫng) hay phҧn xҥ khuӃch tán (nhѭ phҧn xҥ trên tӡ giҩy trҳng) tuǤ thuӝc vào bӅ mһt tiӃp xúc Tính chҩt cӫa bӅ mһt cNJng ҧnh hѭӣng

đӃn sӵ thay đәi biên đӝ, pha hay trҥng thái phân cӵc cӫa sóng

Trong nhiӅu quá trình vұt lý, sóng phҷng lan truyӅn theo hѭӟng PO đi tӟi bӅ mһt phҧn

xҥ (gѭѫng) thҷng đӭng tҥi điӇm O, và bӏ phҧn xҥ theo hѭӟng OQ Dӵng tia vuông góc vӟi mһt phҷng gѭѫng tҥi O, có thӇ đo góc tӟi și và góc phҧn xҥ șr Công thӭc cho sӵ phҧn

xҥ đӏnh hѭӟng nói rҵng:

și = șr

tӭc là góc tӟi bҵng góc phҧn xҥ

Vұt thӇ phát ra sóng sӁ có ҧnh ҧo qua bӅ mһt phҧn xҥ phҷng đӕi xӭng vӟi nó

NӃu mһt phân cách là mһt phҷng (gѭѫng phҷng), vұt thӇ phát ra sóng sӁ có ҧnh ҧo qua

bӅ mһt phҧn xҥ phҷng đӕi xӭng vӟi nó Các bӅ mһt phҧn xҥ cong cNJng cho các ҧnh cӫa vұt thӇ, nhѭ trong gѭѫng cҫu lӗi và gѭѫng cҫu lõm

Mӝt ví dө dӉ quan sát cӫa phҧn xҥ đӏnh hѭӟng là ánh sáng phҧn xҥ trên gѭѫng (Hình 1.3.16 )

a.1 Sóng đi͏n tͳ

a.1.1 Đi͏n môi - đi͏n môi

Sóng điӋn tӯ phҷng lan truyӅn đӃn mһt phân cách cӫa hai môi trѭӡng có tính chҩt cӫa chҩt điӋn môi và chҩt thuұn/nghӏch tӯ sӁ có mӝt thành phҫn lan truyӅn trӣ lҥi, vӟi góc phҧn xҥ bҵng góc tӟi, và trҥng thái phân cӵc thay đәi, nhѭng pha không đәi

Có hai trѭӡng hӧp cѫ bҧn: sóng phân cӵc phҷng có cѭӡng đӝ điӋn trѭӡng nҵm trong mһt phҷng tӟi và sóng phân cӵc phҷng có cѭӡng đӝ tӯ trѭӡng nҵm trong mһt phҷng tӟi Các trѭӡng hӧp tәng quát hѫn đӅu là chӗng chұp cӫa hai trѭӡng hӧp cѫ bҧn nêu trên Áp dөng các phѭѫng trình Maxwell đӇ thu đѭӧc các điӅu kiӋn biên trên mһt phân cách điӋn môi - điӋn môi, chúng ta thu đѭӧc công thӭc liên hӋ điӋn trѭӡng phҧn xҥ vӟi điӋn trѭӡng tӟi, cho hai trѭӡng hӧp

Vӟi trѭӡng hӧp thӭ nhҩt (hình 1.3.17)

)1()(sin)

cos(

)(sin)

cos(

1 2 2 1

2 2 1 1

2 2 2 1

1 2 2 1

2 2 1 1

2 2 2 1

i n n n i n

i n n n i n E

E

i

r

−+

n1 và n2 là chiӃt suҩt cӫa môi trѭӡng thӭ nhҩt và môi trѭӡng thӭ 2; i1 là góc tӟi và cNJng là góc phҧn xҥ

Vӟi trѭӡng hӧp thӭ hai (hình 1.3.18)

)2()(sin)

cos(

)(sin)

cos(

1 2 2 1

2 2 2

1 1 1

1 2 2 1

2 2 2

1 1 1

i n n i

n

i n n i

−

−

=

µµµµ

Hình 1.3.17 Trѭӡng hӧp cѭӡng đӝ điӋn trѭӡng nҵm trong mһt phҷng tӟi

Hình 1.3.18 Trѭӡng hӧp cѭӡng đӝ tӯ trѭӡng nҵm trong mһt phҷng tӟi

Phѭѫng trình (1) và (2) cho thҩy vӟi góc tӟi thӓa mãn:

2 1

n n

n n

2 2 1

) (

) (

n n

n n

R

+

−

=

a.1.2.Đi͏n môi - d̳n đi͏n

Trong môi trѭӡng dүn điӋn lý tѭӣng, các điӋn tích tӵ do luôn phҧn ӭng lҥi sӵ có mһt cӫa điӋn tӯ trѭӡng bên ngoài sao cho điӋn trѭӡng và tӯ trѭӡng luôn bҵng 0 ӣ trong lòng Tҥi ngay sát bӅ mһt vұt dүn điӋn, điӋn tӯ trѭӡng thӓa mãn điӅu kiӋn biên:

• ĐiӋn trѭӡng vuông góc vӟi bӅ mһt

• Tӯ trѭӡng song song vӟi bӅ mһt

ĐiӅu này cho thҩy sóng điӋn tӯ khi đi tӯ môi trѭӡng điӋn môi gһp phҧi mһt phân cách cӫa môi trѭӡng này vӟi môi trѭӡng dүn điӋn tӕt sӁ bӏ phҧn xҥ lҥi, vӟi góc phҧn xҥ bҵng góc tӟi, cѭӡng đӝ và tҫn sӕ không đәi (tӭc là hӋ sӕ phҧn xҥ là 100%) và pha đҧo ngѭӧc (lӋch pha 180°); đӇ đҧm bҧo sóng phҧn xҥ giao thoa vӟi sóng tӟi luôn tҥo ra điӋn tӯ trѭӡng tәng cӝng bҵng 0 tҥi mһt phân cách

b Ph̫n x̩ khu͇ch tán( hình 1.3.19)

Phҧn xҥ khuӃch tán (hay tán xҥ) xҧy ra khi sóng

đi tӟi bӅ mһt tiӃp giáp giӳa hai môi trѭӡng không phҷng nhҹn và sóng phҧn xҥ đi theo nhiӅu phѭѫng khác nhau Phҧn xҥ khuӃch tán thѭӡng thҩy khi ta chiӃu mӝt tia sáng vào tӡ giҩy trҳng, trên tӡ giҩy xuҩt hiӋn mӝt vӋt sáng Khí đó ánh sáng bӏ hҳt lҥi theo mӑi hѭӟng Phҧn xҥ khuӃch tán giúp chúng ta nhìn thҩy đѭӧc mӑi vұt chung quanh

1.3.7.2 Tán x̩

Trong vұt lý hҥt, tán xҥ là hiӋn tѭӧng các hҥt

bӏ bay lӋch hѭӟng khi va chҥm vào các hҥt khác Trong quang hӑc (và thiên văn hӑc) tán xҥ là hiӋn tѭӧng photon bӏ đәi hѭӟng khi gһp các vұt,

có thӇ vƭ mô nhѭ các tiӇu hành tinh, các viên đá trong vành đai Sao Thә, hay các vұt chҩt vi mô nhѭ các hҥt bөi Trong quá trình tán xҥ thuҫn túy, năng lѭӧng photon không thay đәi, chӍ có hѭӟng thay đәi ngүu nhiên theo mӝt hàm mұt đӝ xác suҩt gӑi là hàm tán xҥ

Thӵc tӃ, khi photon gһp các vұt chҩt, không nhӳng hѭӟng đi cӫa nó thay đәi mà có thӇ cҧ năng lѭӧng thay đәi (giҧm bӣi hiӋn tѭӧng hҩp thө hay tăng bӣi hiӋn tѭӧng bӭc xҥ) Lúc đó cùng xҧy ra tán xҥ thuҫn túy và hҩp thө/bӭc xҥ thuҫn túy Trong âm hӑc và chөp siêu âm, tán xҥ là sӵ đәi hѭӟng cӫa sóng âm bӣi các khu vӵc không đӗng nhҩt trong môi trѭӡng truyӅn âm

a Tán x̩ trong quang h͕c

Sӵ phân bӕ lҥi hѭӟng bay cӫa photon sau khi va chҥm vӟi mӝt vұt thӇ phө thuӝc vào

tӹ lӋ x giӳa kích thѭӟc vұt thӇ và bѭӟc sóng cӫa bӭc xҥ điӋn tӯ (còn gӑi là hӋ sӕ kích

thѭӟc)

1 x<1/10, quá trình tán xҥ là tán xҥ Rayleigh không phө thuӝc hình dáng cӫa vұt thӇ

tán xҥ, vӟi hӋ sӕ tán xҥ tӹ lӋ vӟi nghӏch đҧo cӫa bѭӟc sóng mNJ bӕn (bѭӟc sóng càng ngҳn thì tán xҥ càng mҥnh)

Phҧn xҥ khuӃch tán

Hình 1.3.19

Hình 1.3.20

2 1/10<x<10, quá trình tán xҥ phө thuӝc vào hình dáng và vұt liӋu cӫa vұt thӇ NӃu

vұt thӇ có hình cҫu, quá trình tán xҥ là tán xҥ Mie

3 x>10, có thӇ sӱ dөng quang hình đӇ mô tҧ quá trình tán xҥ Ví dө: áp dөng quang

hình đӇ giҧi thích cҫu vӗng

Mӑi tán xҥ trong quang hӑc đӅu có thӇ đѭӧc đһc trѭng bӣi hai thông sӕ: hӋ sӕ tán xҥ

và hàm tán xҥ (cho tán xҥ không phân cӵc) hay ma trұn tán xҥ (cho tán xҥ phân cӵc) HӋ

sӕ tán xҥ cho biӃt tӹ lӋ sӕ photon bӏ lӋch hѭӟng bay trong tәng sӕ photon ban đҫu, khi đi tia sáng qua mӝt đѫn vӏ đo chiӅu dài Hàm tán xҥ hay ma trұn tán xҥ cho biӃt các photon

bӏ lӋch theo nhӳng hѭӟng nào

b Tán x̩ trong v̵t lý h̩t

Trong các thí nghiӋm tán xҥ cӫa vұt lý hҥt, ngѭӡi ta bҳn các chùm hҥt (thѭӡng là electron, proton hay neutron) vào mӝt mүu vұt liӋu và đӃm sӕ lѭӧng hҥt bay ra tҥi các hѭӟng khác nhau Sӵ phân bӕ các hҥt bay ra theo hѭӟng sӁ cho biӃt thông tin vӅ tѭѫng tác giӳa mүu vұt liӋu và các hҥt bҳn vào

Mӝt thí nghiӋm nәi tiӃng là cӫa Ernest Rutherford, bҳn các hҥt alpha vào mӝt miӃng vàng mӓng đӇ tìm ra lҫn đҫu cҩu trúc nguyên tӱ (bao gӗm mӝt hҥt nhân bé xíu ӣ giӳa

đám mây electron)

Lý thuyӃt tán xҥ đã đѭӧc phát triӇn đӇ nghiên cӭu hiӋn tѭӧng này Lý thuyӃt dùng các

dӳ kiӋn quӻ đҥo bay cӫa các hҥt (trong hӋ quy chiӃu gҳn vӟi mүu bӏ bҳn) đӇ tiên đoán phân bӕ cӫa hҥt bay ra theo mұt đӝ (sӕ hҥt trên diӋn tích mһt cҳt) cӫa các hҥt bay vào

1.3.7.3 Tính ch̭t cͯa ánh sáng

• Khi ánh sáng truyӅn qua mӑi vұt sӁ truyӅn mӝt năng lѭӧng nhiӋt trên bӅ mһt cӫa vұt Năng lѭӧng hҩp thө cӫa vұt tùy thuӝc vào màu sҳc cӫa vұt Vұt có màu tӕi dӉ hҩp thө năng lѭӧng ánh sáng hѫn nhӳng vұt có màu sáng

• Khi ánh sáng truyӅn qua hai môi trѭӡng không đӗng nhҩt sӁ chӏu ҧnh hѭӣng cӫa hiӋn tѭӧng khúc xҥ Ánh sáng bӏ bҿ cong hay đi lӋch hѭӟng do có thay đәi vұn tӕc

• Màu sҳc cӫa ánh sáng mҳt ngѭӡi nhìn thҩy đѭӧc là mӝt màu trӝn lӝn tӯ ba màu sҳc chính đӓ, xanh lá cây và xanh dѭѫng

Ea 50%Đӓ + 50%Xanh lá cây + 50%Xanh dѭѫng

Đen 0%Đӓ + 0%Xanh lá cây + 0%Xanh dѭѫng #000000

mà không bӏ chói mҳt NӃu ánh sáng đi tӯ mҳt chúng ta, thì sӁ không có lý do gì đӇ chúng

ta phҧi cҧm thҩy chói mҳt nhѭ vұy Ngѭӧc lҥi, nӃu ánh sáng mһt trӡi đi đӃn mҳt chúng ta, thì ánh sáng chói lòa cӫa nó có thӇ dӉ dàng giҧi thích tҥi sao chúng ta lҥi thҩy khó chӏu

nhѭ vұy Alhazen cNJng nêu lên hiӋn tѭӧng l˱u ̫nh; hãy nhìn mӝt vұt trong nҳng và sau

đó đi vào bóng râm: hình ҧnh vӅ vұt vүn đӑng lҥi vài giây trѭӟc mҳt chúng ta Mӝt lҫn nӳa, hiӋn tѭӧng này cNJng chӍ có thӇ giҧi thích đѭӧc nӃu ánh sáng đi vào mҳt chúng ta tӯ bên ngoài

Mҳt không còn là nѫi trú ngө cӫa mӝt thӭ ánh sáng thҫn thánh và thiêng liêng nӳa; mҳt chӡ đѭӧc chiӃu sáng bӣi ánh sáng tӯ ngoài Tӯ vai trò là máy phát ra các tia, mҳt chuyӇn sang vai trò là máy thu

Khi ánh sáng gһp mӝt vұt, thì mӝt trong hai hiӋn tѭӧng sӁ xҧy ra: hoһc là nó nҧy trên

bӅ mһt cӫa vұt đӇ quay lҥi phía sau, và ngѭӡi ta nói ánh sáng bӏ ph̫n x̩ (chҷng hҥn, khi

bҥn nhìn mình trong gѭѫng, thì chính ánh sáng cӫa cѫ thӇ bҥn đѭӧc phҧn xҥ bӣi gѭѫng đi vào trong mҳt bҥn); hoһc là ánh sáng đi vào môi trѭӡng mӟi trong suӕt bҵng cách thay

đәi hѭӟng, và ngѭӡi ta nói ánh sáng bӏ khúc x̩

Bӕn thӃ kӹ trѭӟc CN, Euclide đã biӃt đ͓nh lu̵t ph̫n x̩ trên mһt phҷng: góc cӫa tia

tӟi tҥo vӟi pháp tuyӃn cӫa mһt phҷng bҵng góc cӫa tia phҧn xҥ vӟi chính pháp tuyӃn đó Archimède (khoҧng 287-212 tr.CN) đã chӭng minh đѭӧc rҵng có thӇ tұp trung toàn bӝ ánh sáng tӟi vào tiêu điӇm cӫa gѭѫng nӃu gѭѫng này có dҥng parabol Nhѭ vұy, ngѭӡi

Hy Lҥp đã biӃt làm chӫ kӻ thuұt chӃ tҥo gѭѫng Trên thӵc tӃ, Archimède đã thiêu rөi hҥm

đӝi La Mã đang vây hãm thành phӕ Syracuse bҵng cách dùng các gѭѫng parabol khәng

lӗ tұp trung ánh sáng mһt trӡi lên tàu đӏch Ngày nay nguyên lý tұp trung ánh sáng này vүn đѭӧc dùng trong kӻ thuұt đӇ chӃ tҥo các kính thiên văn lӟn

Ngѭӡi Hy Lҥp cNJng đã biӃt đӃn hiӋn tѭӧng khúc xҥ Trong cuӕn Quang hӑc, Ptolémée miêu tҧ thí nghiӋm đã tӯng đѭӧc Euclide nhҳc đӃn (bҥn có thӇ dӉ dàng tӵ mình thӵc hiӋn thí nghiӋm này đӇ bѭӟc đҫu tìm hiӇu các hiӋu ӭng cӫa khúc xҥ ánh sáng): đһt mӝt cái bát to lên bàn và thҧ xuӕng đáy bát mӝt đӗng tiӅn xu Hãy ngӗi ӣ mӝt chӛ sao cho bҥn không thӇ nhìn thҩy đӗng tiӅn xu nӃu không hѫi nhәm ngѭӡi lên Nghƭa là đӗng

xu đã nҵm ngoài tҫm mҳt cӫa bҥn Sau đó hãy đә nѭӟc tӯ tӯ vào trong bát Mӭc nѭӟc tăng lên và, đӃn mӝt lúc nào đó, bҥn sӁ nhìn thҩy đӗng xu mà không phҧi nhәm ngѭӡi lên Sӣ dƭ bҥn nhìn thҩy đӗng xu là nhӡ khúc xҥ ánh sáng: không có nѭӟc, các tia sáng xuҩt phát tӯ đӗng xu không đi vào mҳt; có nѭӟc, tia sáng bӏ lӋch vӅ phía đáy và đi vào mҳt nên bҥn có thӇ nhìn thҩy nó Mӝt thí nghiӋm khác cNJng minh hoҥ nhӳng hiӋu ӭng lҥ

cӫa khúc xҥ: đһt mӝt cái bút chì vào trong bát nѭӟc và bҥn thҩy cái bút chì này dѭӡng nhѭ không còn là mӝt vұt nguyên vҽn nӳa, mà trông cӭ nhѭ bӏ cҳt làm đôi; khúc xҥ làm cho phҫn bӏ chìm dѭӟi nѭӟc trông cӭ nhѭ không gҳn vӟi phҫn nҵm trên mһt nѭӟc

Mһc dù đã nghiên cӭu vӅ khúc xҥ, nhѭng Ptolémée vүn chѭa biӃt các đӏnh luұt chi phӕi ánh sáng khúc xҥ Nhà bác hӑc Arұp Alhazen đã đѭa ra mӝt lý thuyӃt vӅ khúc xҥ ánh sáng vào năm 1000, nhѭng không phҧi bҵng ngôn ngӳ toán hӑc Tuy nhiên, trӵc giác cӫa ông đã tӓ ra đúng đҳn Ông đã cho ánh sáng mӝt vұn tӕc hӳu hҥn và thӯa nhұn ra rҵng vұn tӕc ánh sáng phө thuӝc vào môi trѭӡng mà nó đi qua Alhazen tách vұn tӕc ánh sáng làm hai thành phҫn: mӝt vuông góc vӟi mһt phân cách giӳa hai môi trѭӡng trong suӕt, chҷng hҥn không khí và nѭӟc, và mӝt song song vӟi mһt phân cách ҩy; ông nghƭ rҵng thành phҫn song song cӫa tia sáng chұm hѫn thành phҫn nҵm vuông góc khi ánh sáng đi vào mӝt môi trѭӡng chiӃt quang hѫn (nhѭ tӯ không khí vào nѭӟc), làm cho ánh sáng bӏ lӋch vӅ phía pháp tuyӃn cӫa cӫa mһt phân cách

2.2.1.2 Ánh sáng đi ch̵m h˯n hay nhanh h˯n khi đi vào m͡t tr˱ͥng chi͇t quang h˯n?

Ngѭӡi đҫu tiên thiӃt lұp đѭӧc công thӭc toán hӑc vӅ đӏnh luұt khúc xҥ là Kepler Trong cuӕn Khúc xҥ hӑc, Kepler cho rҵng tӹ sӕ cӫa góc tӟi (tӭc là góc lұp bӣi tia và pháp tuyӃn) và góc khúc xҥ là không đәi Nhѭng đӏnh luұt này chӍ đúng đӕi vӟi các góc nhӓ Phҧi đӧi đӃn thӃ kӹ XVI, nhà khoa hӑc ngѭӡi Hà Lan Willibrord Snel (1580-1626) mӟi phát hiӋn ra đӏnh luұt đúng vӅ khúc xҥ: tӹ sӕ cӫa sin góc tӟi và sin góc khúc xҥ là không đәi, dù góc tӟi có là thӃ nào chăng nӳa Đӏnh luұt khúc xҥ đѭӧc phát hiӋn sau khoҧng mӝt nghìn năm nghiên cӭu này là mӝt trong nhӳng đӏnh luұt đҫu tiên cӫa vұt lý hӑc đѭӧc phát biӇu mӝt cách đӏnh lѭӧng

Nhѭng nӃu Snel biӃt miêu tҧ hành trҥng cӫa ánh sáng khúc xҥ bҵng mӝt công thӭc toán hӑc, thì ông lҥi không thӇ giҧi thích đѭӧc nó Descartes cӕ gҳng tìm ra nguӗn gӕc cӫa đӏnh luұt cӫa Snel bҵng cách mѭӧn ý tѭӣng cӫa Alhazen: chính sӵ thay đәi vұn tӕc cӫa tia sáng khi đi tӯ môi trѭӡng này sang môi trѭӡng khác là nguyên nhân cӫa hiӋn tѭӧng khúc xҥ Nhѭng sѫ đӗ cӫa ông là ngѭӧc vӟi sѫ đӗ cӫa Alhazen: thay vì phҫn ánh sáng song song vӟi mһt phân cách giӳa hai môi trѭӡng chұm lҥi so vӟi thành phҫn vұn tӕc thҷng đӭng không thay đәi, Descartes lҥi cho rҵng thành phҫn vұn tӕc thҷng đӭng tăng lên so vӟi thành phҫn song song không thay đәi Ông cho rҵng tӹ sӕ sin cӫa góc tӟi

và sin cӫa góc khúc xҥ là không đәi và bҵng tӹ sӕ cӫa vұn tӕc ánh sáng trong nѭӟc và vұn tӕc ánh sáng trong không khí Nhѭng, bӣi vì góc tӟi lӟn hѫn góc khúc xҥ, nên theo Descartes, ánh sáng đi trong nѭӟc nhanh hѫn đi trong không khí Vұn tӕc cӫa ánh sáng tăng khi chuyӇn tӯ mӝt môi trѭӡng kém chiӃt quang sang mӝt môi trѭӡng chiӃt quang hѫn: mӝt kӃt quҧ chí ít cNJng là hoàn toàn phi trӵc giác !

Sau này bҵng cách mѭӧn lҥi các quan điӇm cӫa Alhazen và Descartes, nhà bác hӑc ngѭӡi Anh Isaac Newton (1642-1727) đã dùng nhӳng suy luұn theo thӫy đӝng lӵc hӑc đӇ

đѭa ra mӝt sӵ biӋn minh sai lҫm: các kênh hҽp hѫn trong môi trѭӡng đһc hѫn sӁ buӝc ánh sáng phҧi đi nhanh hѫn, giӕng nhѭ nѭӟc chҧy nhanh hѫn khi chúng ta bóp nhӓ đѭӡng kính cӫa ӕng ӣ chӛ nѭӟc phun ra Nhѭng lѭѫng tri cӫa chúng ta chӕng lҥi sӵ biӋn minh

đó: nó mách bҧo chúng ta rҵng mӝt môi trѭӡng càng chiӃt quang hѫn sӁ cҧn trӣ càng mҥnh sӵ truyӅn cӫa ánh sáng, và ánh sáng càng bӏ chұm hѫn, chӭ không phҧi ngѭӧc lҥi!

2.2.1.3 Fermat và nguyên lí ti͇t ki͏m cͯa t͹ nhiên

Quan điӇm nào đúng? Ánh sáng đi nhanh hѫn hay chұm hѫn vào môi trѭӡng chiӃt quang hѫn? Ngѭӡi đѭa ra câu trҧ lӡi cuӕi cùng là Pierre Fermat (1601-1665) Ông bác bӓ

đӏnh đӅ cӫa Descartes theo đó “chuyӇn đӝng cӫa ánh sáng trong các môi trѭӡng đһc hѫn

là dӉ dàng hѫn và nhanh hѫn trong các môi trѭӡng loãng hѫn Đӏnh đӅ này có vҿ ngѭӧc vӟi ánh sáng tӵ nhiên.”

ĐӇ chӭng minh đӏnh lí Snell, ông sӱ dөng nguyên lí mөc đích luұn cӫa tӵ nhiên, theo

đó tӵ nhiên thӵc hiӋn mӑi viӋc mӝt cách tiӃt kiӋm và dè sҿn: “chӭng minh cӫa chúng tôi dӵa trên mӝt đӏnh đӅ duy nhҩt nói rҵng tӵ nhiên vұn hành bҵng các phѭѫng tiӋn và con

đѭӡng dӉ nhҩt và thoҧi mái nhҩt”-ông viӃt

Fermat đã áp dөng nguyên lí này cho hành trҥng cӫa ánh sáng: mӝt tia sáng đi tӯ điӇm này đӃn điӇm khác trong mӝt khoҧng thӡi gian ngҳn nhҩt có thӇ Khi kӃt hӧp vӟi hai nguyên lí khác, nguyên lí vұn tӕc áng sáng truyӅn hӳu hҥn trong không khí hoһc trong môi trѭӡng trong suӕt đӗng tính, và nguyên lí vұn tӕc ánh sáng chұm lҥi trong môi trѭӡng

đһc hѫn, ông đã giҧi thích đѭӧc đӏnh luұt khúc xҥ ánh sáng cӫa Snell

2.2.1.4 V̭n đ͉ cͱu ng˱ͥi ch͇t đu͙i

Nguyên lý tiӃt kiӋm không chӍ áp dөng cho hình trҥng cӫa ánh sáng Nó còn có các hӋ quҧ khác thӵc tiӉn hѫn Chҷng hҥn, vҩn đӅ mà Fermat giҧi quyӃt cho đѭӡng đi cӫa ánh sáng cNJng là bài toán mà mӝt nhân viên cӭu hӝ phҧi giҧi đӇ cӭu mӝt ngѭӡi bѫi bҩt cҭn

đang bӏ chìm

Ngѭӡi cӭu hӝ phҧi làm thӃ nào đӇ đӃn chӛ ngѭӡi chӃt đuӕi nhanh nhҩt có thӇ Anh ta

có thӇ lӵa chӑn đѭӡng đi Có thӇ chҥy thҷng xuӕng nѭӟc theo hѭӟng vuông góc vӟi bӡ biӇn và sau đó bѫi đӃn chӛ ngѭӡi bӏ nҥn Nhѭng bѫi sӁ mҩt nhiӅu thӡi gian hѫn chҥy trên

bӡ biӇn, và anh ta có nguy cѫ đӃn muӝn CNJng có thӇ chҥy mӝt khoҧng cách dài nhҩt có thӇ trên bӡ biӇn nѫi anh ta thҩy gҫn ngѭӡi bӏ nҥn nhҩt rӗi sau đó bѫi thҷng (vuông góc) tӯ

bӡ biӇn đӃn chӛ ngѭӡi bӏ nҥn Hoһc cNJng có thӇ đi theo mӝt con đѭӡng nào đó là trung gian giӳa hai con đѭӡng vӯa nêu ӣ trên Nguyên lý tiӃt kiӋm nói vӟi chúng ta rҵng đѭӡng

đi nhanh nhҩt đӕi vӟi ngѭӡi cӭu hӝ là sӁ là mӝt trong sӕ nhӳng con đѭӡng trung gian đó Các tiӃn bӝ sau này cӫa vұt lý đã chӭng tӓ rҵng Fermat đã đúng và các phê phán đó là sai lҫm Fermat đã nhұn ra mӝt đһc tính chung cӫa tӵ nhiên bao trùm mӝt loҥt các tình huӕng và có thӇ đѭӧc phát biӇu đѫn giҧn và ngҳn gӑn thӃ này: tӵ nhiên hành đӝng tiӃt kiӋm nhҩt có thӇ Nhӳng ngѭӡi sáng tҥo ra khoa hӑc vӅ cѫ hӑc và chuyӇn đӝng sӁ thѭӡng gһp trên con đѭӡng cӫa mình nguyên lý tiӃt kiӋm này, nguyên lý mà hӑ đһt tên là

“nguyên lý tác dөng tӕi thiӇu”

2.2.2 Grimaldi và nhiӉu xҥ hay tán xҥ, phѭѫng thӭc lan truyӅn mӟi cӫa ánh sáng

Nhѭ vұy ánh sáng có thӇ lan truyӅn theo ba cách khҧ dƭ: theo đѭӡng thҷng, bҵng phҧn

xҥ trên mӝt mһt phҷng nhѭ gѭѫng chҷng hҥn, và bҵng khúc xҥ khi thay đәi môi trѭӡng Nhѭng liӋu ánh sáng có chӍ giӟi hҥn trong ba hành trҥng này không?

Câu trҧ lӡi là không, vì năm 1665, năm Fermat qua đӡi, là năm công bӕ di cҧo mӝt chuyên luұn dài mang nhan đӅ: Mӝt luұn đӅ siêu hình hӑc và toán hӑc vӅ ánh sáng, màu sҳc và cҫu vӗng, cӫa mӝt tu sƭ dòng Tên, giáo viên dҥy toán ӣ Bologne (Italia) tên là Francesco Maria Grimaldi (1618-1663) Trong chuyên luұn này, Grimaldi đã thông báo mӝt phát hiӋn quan trӑng đҥt đѭӧc trong các nghiên cӭu tӍ mӍ vӅ bóng cӫa các vұt đѭӧc chiӃu bӣi ánh sáng lӑc qua các lӛ rҩt nhӓ Trên thӵc tӃ ông thҩy ánh sáng có thӇ lan truyӅn theo mӝt cách khác nӳa: “Tôi sӁ chӭng tӓ vӟi các bҥn mӝt phѭѫng thӭc lan truyӅn thӭ tѭ mà tôi gӑi là nhiӉu xҥ, bӣi vì ánh sáng bӏ phân tán, ngay cҧ trong mӝt môi trѭӡng

đӗng nhҩt, ӣ lân cұn mӝt vұt cҧn, thành các nhóm tia khác nhau lan truyӅn theo các hѭӟng khác nhau”

Mӝt ví dө đѫn giҧn khác, nhӳng rҩt phә biӃn, cӫa sӵ nhiӉu xҥ xҧy ra khi ánh sáng tán

xҥ hoһc bӏ bҿ cong bӣi các hҥt nhӓ có kích thѭӟc vұt lí cùng bұc đӝ lӟn vӟi bѭӟc sóng

ánh sáng Mӝt ví dө tӕt là sӵ trҧi rӝng ra cӫa chùm ánh sáng đèn pha ô tô bӣi sѭѫng mù hoһc các hҥt bөi mӏn Lѭӧng tán xҥ và góc mӣ rӝng cӫa chùm sáng phө thuӝc vào kích thѭӟc và mұt đӝ các hҥt gây ra sӵ nhiӉu xҥ Sӵ tán xҥ ánh sáng, mӝt hình thӭc nhiӉu xҥ, cNJng là nguyên nhân tҥo ra màu xanh cӫa bҫu trӡi và cҧnh bình minh và hoàng hôn thѭӡng rӵc rӥ có thӇ thҩy ӣ phía chân trӡi NӃu nhѭ Trái Đҩt không có bҫu khí quyӇn (không có không khí, nѭӟc, bөi và các mҧnh vөn) thì bҫu trӡi sӁ có màu đen, kӇ cҧ vào ban ngày Khi ánh sáng tӯ Mһt Trӡi truyӅn qua bҫu khí quyӇn cӫa Trái Đҩt, nhӳng khӕi phân tӱ không khí riêng biӋt có mұt đӝ biӃn thiên, do các dao đӝng nhiӋt và sӵ có mһt cӫa hѫi nѭӟc, sӁ làm tán xҥ ánh sáng Nhӳng bѭӟc sóng ngҳn nhҩt (tím và xanh dѭѫng)

bӏ tán xҥ nhiӅu nhҩt, làm cho bҫu trӡi có màu xanh thҭm Khi có mӝt lѭӧng đáng kӇ bөi hoһc hѫi ҭm trong không khí, thì các bѭӟc sóng dài (chӫ yӃu là màu đӓ) cNJng bӏ tán xҥ cùng vӟi bѭӟc sóng xanh dѭѫng, làm cho bҫu trӡi xanh trong có vҿ trҳng hѫn

Khi Mһt Trӡi ӣ trên cao (khoҧng giӳa trѭa) trong bҫu khí quyӇn khô, trong trҿo, đa sӕ ánh sáng khҧ kiӃn truyӅn qua bҫu khí quyӇn không bӏ tán xҥ đáng kӇ, và Mһt Trӡi có vҿ nhѭ trҳng trên nӅn trӡi xanh thҭm Khi Mһt Trӡi bҳt đҫu lһn, sóng ánh sáng phҧi truyӅn qua lѭӧng nhiӅu hѫn cӫa bҫu khí quyӇn, thѭӡng chӭa mӝt sӕ lѭӧng lӟn các hҥt bөi lѫ lӱng và hѫi ҭm Dѭӟi nhӳng điӅu kiӋn này, nhӳng bѭӟc sóng dài hѫn cӫa ánh sáng trӣ nên bӏ tán xҥ và nhӳng màu khác bҳt đҫu lҩn át màu cӫa Mһt Trӡi, biӃn đәi tӯ vàng sang cam, cuӕi cùng chuyӇn sang đӓ trѭӟc khi nó lһn khuҩt dѭӟi đѭӡng chân trӡi

Chúng ta có thӇ thѭӡng thҩy nhӳng sҳc thái xanh dѭѫng, hӗng, tía và xanh lá ӣ các

đám mây, phát sinh bӣi sӵ kӃt hӧp cӫa các hiӋu ӭng khi ánh sáng bӏ khúc xҥ và nhiӉu xҥ

tӯ nhӳng giӑt nѭӟc trong các đám mây đó Lѭӧng nhiӉu xҥ phө thuӝc vào bѭӟc sóng ánh sáng, bѭӟc sóng càng ngҳn bӏ nhiӉu xҥ ӣ góc càng lӟn so vӟi bѭӟc sóng dài (trong thӵc

tӃ, ánh sáng xanh dѭѫng và tím bӏ nhiӉu xҥ ӣ góc lӟn hѫn so vӟi ánh sáng đӓ) Thuұt ngӳ nhiӉu xҥ và tán xҥ cNJng thѭӡng đѭӧc dùng hoán đәi nhau và có thӇ xem gҫn nhѭ là tѭѫng

đѭѫng trong nhiӅu trѭӡng hӧp Sӵ nhiӉu xҥ mô tҧ mӝt trѭӡng hӧp đһc biӋt cӫa sӵ tán xҥ ánh sáng trong đó mӝt vұt có các đһc trѭng lһp lҥi đӅu đһn (ví dө nhѭ vұt tuҫn hoàn hoһc cách tӱ nhiӉu xҥ) tҥo ra hình ҧnh nhiӉu xҥ có trұt tӵ Trong thӃ giӟi thӵc, đa sӕ các vұt có hình dҥng rҩt phӭc tҥp và phҧi đѭӧc xem là gӗm nhiӅu đһc trѭng nhiӉu xҥ riêng lҿ có thӇ cùng tҥo ra mӝt sӵ tán xҥ ánh sáng ngүu nhiên

Vұy là chúng ta kӃt luұn: Trong môi trѭӡng đӗng tính, ánh sáng truyӅn thҷng, khi gһp mӝt vұt cҧn (môi trѭӡng khác) ánh sáng sӁ bӏ tán xҥ Và trong mӝt sӕ trѭӡng hӧp đһc biӋt (bӅ mһt vұt cҧn nhҹn, chҷng hҥn), ta có hiӋn tѭӧng phҧn xҥ, hoһc khúc xҥ, hoһc nhiӉu xҥ

Bây giͥ ta th͵ lí gi̫i đi͉u trên d͹a vào nhͷng hi͋u bi͇t V̵t Lí sau đây:

Mӝt điӋn tích bҩt kì chuyӇn đӝng có gia tӕc (dao đӝng chҷng hҥn) thì bӭc xҥ sóng

điӋn tӯ Sӵ bӭc xҥ càng mҥnh nӃu gia tӕc càng lӟn Mӛi khi sóng điӋn tӯ tràn tӟi điӇm nào cӫa môi trѭӡng thì sóng điӋn tӯ tҥo nên ӣ điӇm đó mӝt trѭӡng điӋn tӯ biӃn thiên Tӯ các điӋn tích dao đӝng vӟi cùng tҫn sӕ, các sóng hӧp thành sao cho tҥi các điӇm này chúng có thӇ tăng cѭӡng lүn nhau, còn ӣ các điӇm khác thì dұp tҳt lүn nhau (hiӋn tѭӧng giao thoa)

Ánh sáng là sóng điӋn tӯ Khi ánh sáng đi qua mӝt môi trѭӡng thuҫn nhҩt (đӗng tính) thì trѭӡng biӃn thiên cӫa nó kích thích các electron trong nguyên tӱ chҩt cӫa môi trѭӡng dao đӝng, và các electron bҳt đҫu tӵ bӭc xҥ sóng điӋn tӯ có cùng tҫn sӕ ҩy Tuy nhiên, nhѭ kӃt quҧ tính toán chӭng tӓ, bӭc xҥ cӫa chúng dұp tҳt lүn nhau theo tҩt cҧ mӑi phѭѫng ngoҥi trӯ phѭѫng truyӅn ánh sáng Trong môi trѭӡng thuҫn nhҩt lí tѭӣng, chúng ta tuyӋt nhiên không nhìn thҩy ánh sáng tán xҥ nào cҧ

NӃu môi trѭӡng thiӃu đӗng tính thì tình hình lҥi khác Các tҥp chҩt có mһt đã tҥo nên nhӳng điӅu kiӋn hoàn toàn khác trong viӋc cӝng các sóng thӭ cҩp và khiӃn cho ánh ánh sáng tán xҥ theo các phѭѫng khác nhau

NӃu các tҥp chҩt có kích thѭӟc không lӟn (bé hѫn nhiӅu so vӟi bѭӟc sóng cӫa ánh sáng

tӟi) thì sӵ tán xҥ ánh sáng tuân theo đӏnh luұt J.Rayleigh: cѭӡng đӝ cӫa ánh sáng tán xҥ tӍ

lӋ nghӏch vӟi lNJy thӯa bұc bӕn cӫa bѭӟc sóng, tӭc là tӍ lӋ thuұn vӟi lNJy thӯa bұc bӕn cӫa tҫn sӕ

2.2.3 Khám phá thӃ giӟi đa sҳc màu

2.2.3.1 Khám phá th͇ giͣi đa s̷c màu

Có khi nào ta tӵ hӓi, nӃu nhѭ ta có thӇ làm công viӋc là liӋt kê tҩt cҧ các màu mà mҳt

ta có thӇ cҧm nhұn đѭӧc, thì con sӕ cuӕi cùng là bao nhiêu? (công viӋc này gҫn giӕng nhѭ bҥn hãy thӱ giúp tôi phân biӋt ranh giӟi giӳa màu “hӗng phҩn” và màu “hӗng nhҥt”), nӃu nhѭ có mӝt tiêu chuҭn nào đӇ phân chia ranh giӟi rõ ràng giӳa các màu thì khi đó ҳt hҷn bҥn và tôi sӁ lұp đѭӧc mӝt bҧng dài kӍ lөc vӅ tҩt cҧ màu sҳc đó

Quan sát hình 2.2.1 , hãy th͵ nói xem cͯ hành có màu gì???

Màu sҳc là cҧm giác mang đӃn cho hӋ thҫn kinh cӫa ngѭӡi tӯ sӵ kӃt hӧp tín hiӋu cӫa

ba loҥi tӃ bào cҧm thө màu ӣ mҳt ngѭӡi Cҧm giác này cNJng bӏ ҧnh hѭӣng "dài hҥn" tӯ trí nhӟ lѭu lҥi quá trình hӑc hӓi tӯ khi lӟn lên trong xã hӝi, và "ngҳn hҥn" bӣi các hiӋu ӭng ánh sáng cӫa phông nӅn

Màu sҳc cӫa mӝt tia ánh sáng là cҧm giác màu mà tia sáng đó gây nên ӣ mҳt ngѭӡi Màu sҳc cӫa các vұt thӇ là màu sҳc cӫa ánh sáng xuҩt phát tӯ chúng Khi ta nhìn thҩy các

màu là thӵc ra ta nhìn thҩy hiӋu ӭng cӫa ánh sáng chiӃu rӑi vào mҳt Khi ánh sáng chiӃu vào mӝt vұt, nó có thӇ

bӏ vұt đó phҧn xҥ, hҩp thө hoһc cho đi qua Nhӳng vұt phҧn xҥ tҩt cҧ ánh sáng chiӃu vào nó sӁ đѭӧc nhìn thҩy

có màu trҳng, còn nhӳng vұt hҩp thө tҩt cҧ nhӳng ánh sáng chiӃu tӟi thì có màu đen Phҫn lӟn các vұt thӇ nhìn thҩy có màu sҳc là do cҩu trúc hóa hӑc cӫa nó hҩp thө mӝt sӕ bѭӟc sóng ánh sáng và phҧn xҥ nhӳng bѭӟc sóng khác Nhӳng vұt trong suӕt có màu là do chúng cho đi qua nhӳng tia sáng màu tѭѫng ӭng

a.Vͣi m̷t ng˱ͥi

Các dao đӝng cӫa điӋn trѭӡng trong ánh sáng tác đӝng mҥnh đӃn các tӃ bào cҧm thө ánh sáng trong mҳt ngѭӡi Có 3 loҥi tӃ bào cҧm thө ánh sáng trong mҳt ngѭӡi, cҧm nhұn 3 vùng quang phә khác nhau (tӭc ba màu sҳc khác nhau), đó là màu đӓ, xanh lөc và xanh lam (hình 2.2.2) Sӵ kӃt hӧp cùng lúc 3 tín hiӋu tӯ 3 loҥi

tӃ bào này tҥo nên nhӳng cҧm giác màu sҳc

Hình 2.2.2

ngѭӡi phân biӋt vӅ các màu xanh không tӕt Trong tiӃng ViӋt, tӯ "xanh" đôi khi hѫi mѫ

hӗ - vӯa mang nghƭa xanh lөc vӯa mang nghƭa xanh lam

Hҫu hӃt mҳt cӫa các sinh vұt nhҥy cҧm vӟi bӭc

xҥ điӋn tӯ có bѭӟc sóng nҵm trong khoҧng tӯ 300

nm đӃn 1200 nm (hình 2.2.3) Khoҧng bѭӟc sóng này trùng khӟp vӟi vùng phát xҥ có cѭӡng đӝ mҥnh nhҩt cӫa Mһt Trӡi Nhѭ vұy có thӇ suy luұn là viӋc các loài vұt trên Trái

Đҩt đã tiӃn hoá đӇ thu nhұn vùng bӭc xҥ tӵ nhiên mҥnh nhҩt đem lҥi lӧi thӃ sinh tӗn cho chúng Không hӅ ngүu nhiên mà bѭӟc sóng ánh sáng (vùng quang phә mҳt ngѭӡi nhìn

đѭӧc) cNJng trùng vào khu vӵc bӭc xҥ mҥnh này

Mӝt màu sҳc mà ta nhìn thҩy đӅu do tác dөng tәng hӧp (hòa trӝn) lên mҳt ta cӫa các ánh sáng đѫn sҳc (màu) khác nhau vӟi cѭӡng đӝ khác nhau Nói cách khác, mӑi màu sҳc

ta nhìn thҩy đӅu do sӵ “trӝn màu” mà có

Ngѭӡi ta phân biӋt sӵ trӝn màu ánh sáng (còn gӑi là trӝn màu cӝng) và trӝn màu sҳc

NӃu trӝn lүn (“cӝng”) hai màu sѫ cҩp vӟi nhau thì ta đѭӧc mӝt màu thӭ cҩp Sӣ dƭ có tên gӑi đó, vì nó là sҧn phҭm tҥo nên tӯ hai màu sѫ cҩp Chҷng hҥn, ánh sáng đӓ trӝn vӟi ánh sáng lөc, cho ta ánh sáng thӭ cҩp vàng Ánh sáng đӓ trӝn vӟi ánh sáng lam cho ra ánh sáng thӭ cҩp đӓ thүm Cuӕi cùng, ánh sáng xanh thүm là ánh sáng thӭ cҩp cӫa lөc trӝn vӟi lam Ví dө, ánh sáng vàng là màu phө cӫa ánh sáng lam, xanh thүm là màu phө cӫa đӓ, đӓ thүm là màu phө cӫa lөc Và dƭ nhiên, mӛi cһp màu phө hòa trӝn lүn nhau thì cho ra ánh sáng trҳng

Hình 2.2.3

Hình 2.2.4

Trͳ màu (hình 2.2.5)

Khác vӟi trӝn màu ánh sáng, sӵ trӝn màu sҳc tӕ chӍ xҧy ra khi kӃt hӧp các thuӕc màu, các sҳc tӕ hoһc các vұt thӇ khác hҩp thө và phҧn xҥ ánh sáng Các sҳc tӕ (các chҩt màu) cѫ bҧn khi trӝn lүn tӯng đôi mӝt cNJng tҥo ra các chҩt màu thӭ cҩp Nhѭng khác vӟi trӝn màu ánh sáng, sҳc tӕ đӓ thүm là hӛn hӧp màu phҧn xҥ các tia đӓ và lam và hҩp thө tia sáng lөc Thuӕc màu xanh thүm thì hҩp thө tia sáng đӓ và phҧn xҥ các tia lөc và lam; thuӕc màu vàng phҧn xҥ các tia đӓ và lөc, hҩp thө tia sáng lam

Trong hàng ngàn năm, ngѭӡi ta luôn tìm kiӃm các chҩt trӯ màu hӳu hiӋu Chúng đѭӧc sӱ dөng trong các thuӕc nhuӝm, sѫn, màu mӵc,… Tҩt cҧ các chҩt này tҥo ra cho thӃ giӟi cӫa chúng ta thêm sһc sӥ, không phҧi bҵng cách thêm màu

mà bҵng cách lҩy bӟt màu đi

Các màu sót l̩i

Khi ba màu cѫ bҧn cӫa quang phә đѭӧc kӃt hӧp vӟi nhau tӯng đôi mӝt, chúng tҥo ra

ba màu thӭ cҩp Các bҥn đang nhìn thҩy điӅu gì xҧy ra khi các màu thӭ cҩp: lөc lam, vàng và đӓ tía đѭӧc ánh sáng trҳng rӑi sáng Mӛi hình khӕi màu đӅu lҩy đi hoһc “trӯ”

đúng mӝt màu cѫ bҧn trong ánh sáng trҳng Màu nhìn thҩy đѭӧc hình thành do bӝ não cӝng các màu còn sót lҥi Khi hai màu thӭ cҩp chӗng lên nhau thì chúng trӯ lүn nhau, đӇ lҥi mӝt màu cѫ bҧn: đӓ, xanh lөc hoһc xanh lam Ӣ phҫn giӳa, khi ba khӕi màu chӗng lên nhau, tҩt cҧ các màu cѫ bҧn đӅu bӏ lҩy khӓi ánh sáng trҳng, nhѭ vұy chҷng còn màu nào sót lҥi: đó là màu đen Màu trҳng không thӇ đѭӧc hình thành bҵng viӋc trӯ màu Đó là lí

do tҥi sao các thuӕc, sѫn mӵc,…không thӇ hòa lүn đӇ tҥo ra màu trҳng

2.3 KHÁM PHÁ THӂ GIӞI ÁNH SÁNG

2.3.1 Cҫu vӗng

2.3.1.1 C̯u v͛ng-m̿t trͥi (hình 2.3.1)

Mӝt trong nhӳng cҧnh tѭӧng tuyӋt diӋu nhҩt cӫa

tӵ nhiên, và cNJng là ngҳn ngӫi nhҩt, đó chính là cҫu vӗng, cái vӗng đa sҳc xuҩt hiӋn giӳa các giӑt nѭӟc mѭa ӣ cuӕi cѫn giông Mӝt vòng cung có kích thѭӟc khәng lӗ, màu sҳc hài hòa và hình dҥng hoàn hҧo khiӃn ai cNJng phҧi kinh ngҥc, thұm chí sùng bái Các đһc tính làm nên vinh quang cӫa cҫu vӗng không chӍ là nó có kích thѭӟc đҫy ҩn tѭӧng và vҿ đҽp lӝng lүy, mà còn là vì nó rҩt hiӃm khi xuҩt hiӋn, hѫn thӃ nӳa lҥi sinh ra và biӃn mҩt hӃt sӭc đӝt ngӝt Sau mӝt trұn mѭa rào, khi Mһt Trӡi xuҩt hiӋn trӣ lҥi, bҥn hãy quay đҫu thұt nhanh vӅ phía đӕi diӋn vӟi Mһt Trӡi, vì cҫu vӗng chӍ xuҩt hiӋn theo hѭӟng đó Mһt trӡi và nѭӟc mѭa phҧi tӗn tҥi song song trong bҫu trӡi thì cҫu vӗng mӟi có thӇ xuҩt hiӋn Trong mӝt cѫn giông mùa hè, cҫu vӗng dӉ xuҩt hiӋn hѫn, vì bҫu trӡi xanh đѭӧc mһt trӡi chiӃu sáng có thӇ ló ra qua các đám mây, trong khi vào mùa

đông, trӡi thѭӡng tӕi và bӏ mây mù bao phӫ Nhѭng không phҧi lúc nào có cҧ Mһt Trӡi

và mѭa thì cҫu vӗng cNJng đӅu xuҩt hiӋn, vì các nhân tӕ khác có thӇ xen vào

Cҫu vӗng là hiӋn tѭӧng quang hӑc trong khí quyӇn, quan sát đѭӧc khi có ánh sáng Mһt Trӡi chiӃu trong lúc mѭa bөi ӣ phía đӕi diӋn vӟi Mһt Trӡi Là mӝt cung tròn bҧy màu có tâm nҵm trên đѭӡng nӕi Mһt Trӡi và mҳt ngѭӡi quan sát, bӡ trong màu tím, bӡ ngoài màu đӓ Tùy vào sӕ lҫn phҧn xҥ mà ngѭӡi ta phân ra làm cҫu vӗng bұc 1, bұc 2 Hình 2.2.5

Hình2.3.1

Trong đó cҫu vӗng bұc 1 là rõ nhҩt (chӍ có 1 lҫn phҧn xҥ nên năng lѭӧng sáng mҥnh nhҩt) Thѭӡng cҫu vӗng nhìn thҩy là cҫu vӗng bұc 1 Tuy nhiên đôi khi ta còn quan sát thêm đѭӧc cҫu vӗng bұc 2 mà trұt tӵ màu sҳc lҥi ngѭӧc lҥi vӟi cҫu vӗng bұc 1 và cѭӡng

đӝ sáng yӃu hѫn

Cҫu vӗng đѭӧc giҧi thích bӣi sӵ khúc xҥ và nhiӉu xҥ cӫa các tia sáng Mһt Trӡi khi đi qua mӝt màn mѭa hҥt nhӓ li ti Khi mӝt tia sáng chiӃu qua mӝt giӑt nѭӟc, hѭӟng cӫa tia sáng sӁ bӏ lӋch đi Ánh sáng mһt trӡi là mӝt hӛn hӧp cӫa nhiӅu màu sҳc Giӑt nѭӟc làm lӋch các màu ӣ mӭc đӝ khác nhau, do đó tҥo nên hình ҧnh cҫu vòng rӵc rӥ trên bҫu trӡi Ánh sáng mһt trӡi đi theo đѭӡng thҷng nhѭng bӏ chӋch hѭӟng khi đi qua ranh giӟi các chҩt có mұt đӝ khác nhau Chҷng hҥn nhѭ đi tӯ không khí sang thuӹ tinh, hoһc tӯ không khí vào nѭӟc Đó là hiӋn tѭӧng khúc xҥ Nhѭ vұy nhӳng giӑt nѭӟc ӣ trong không khí có thӇ làm khúc xҥ tia sáng Mһt trӡi, nhѭng vӟi điӅu kiӋn tia nҳng phҧi bҳt gһp giӑt nѭӟc dѭӟi mӝt góc tѭѫng đӕi nhӓ: ĐiӅu đó giҧi thích tҥi sao ta lҥi nhìn thҩy cҫu vӗng vào buәi sáng hoһc buәi chiӅu, chӭ không bao giӡ vào buәi trѭa

Khi đi trên máy bay, đôi khi ta có thӇ nhìn thҩy phía dѭӟi mình, có mӝt vòng tròn gӗm đӫ các màu sҳc cӫa cҫu vӗng

Sau nhӳng cѫn mѭa rào vào mùa hè, trên nӅn trӡi thѭӡng xuҩt hiӋn mӝt dҧi cҫu vӗng vӟi bҧy sҳc màu: đӓ, da cam, vàng, lөc, lam, chàm, tím đѭӧc tҥo nên bӣi ánh sáng mһt trӡi bӏ khúc xҥ tӯ nhӳng hҥt nѭӟc

Mùa hè, thӡi gian cӫa nhӳng trұn mѭa rào không dài lҳm, thêm vào đó phҥm vi cNJng không rӝng Vì vұy, sau cѫn mѭa ánh sáng mһt trӡi sӁ xuҩt hiӋn ngay Lúc này trong không trung vүn còn chӭa đҫy các hҥt nѭӟc, hoһc đôi lúc vүn còn mѭa lâm râm Khi ánh sáng mһt trӡi bӏ khúc xҥ và phҧn chiӃu bӣi các hҥt nѭӟc, cҫu vӗng bҧy sҳc sӁ óng ánh xuҩt hiӋn trên nӅn trӡi Vào mùa đông, thӡi tiӃt lҥnh lӁo và không khí rҩt hanh khô, hiӃm khi xuҩt hiӋn nhӳng cѫn mѭa, vì vұy các trұn mѭa rào ít đi nên không đӫ điӅu kiӋn đӇ tҥo

ra cҫu vӗng

Theo quy luұt Vұt lý, mӝt tia sáng đi qua mӝt giӑt nѭӟc sӁ bӏ chuyӇn hѭӟng do tính chҩt khúc xҥ cӫa nѭӟc, sau đó phҧn xҥ trӣ lҥi bӣi bӅ mһt trong giӑt nѭӟc rӗi khúc xҥ mӝt lҫn nӳa khi đi ra Giӳa tia đi vào và tia đi ra khӓi giӑt nѭӟc hình thành mӝt góc khoҧng

42 đӝ Ánh sáng mһt trӡi bao gӗm các tia có đӝ dài sóng khác nhau và chúng sӁ bӏ phân tách khi đi qua giӑt nѭӟc Mӭc đӝ khúc xҥ cӫa các tia này hѫi khác nhau Tia màu tím đi

ra khӓi giӑt nѭӟc ӣ mӝt góc khoҧng 40 đӝ trong khi tia màu đӓ đi ra ӣ khoҧng 42 đӝ

ĐӇ nhìn thҩy đѭӧc cҫu vӗng, tia sáng phҧn xҥ khӓi giӑt nѭӟc cҫn phҧi đӃn đѭӧc mҳt ngѭӡi quan sát Mҳt không thӇ nào tiӃp nhұn đѭӧc toàn bӝ các tia sáng phҧn xҥ tӯ mӝt giӑt nѭӟc, nhѭng có thӇ thҩy tia màu xanh tӯ vài giӑt này, tia màu đӓ tӯ vài giӑt khác Nhӳng giӑt nѭӟc có tia màu đӓ phҧn xҥ vӅ đӃn đѭӧc mҳt cӫa ngѭӡi quan sát là nhӳng giӑt nҵm trên mӝt hình nón có đӍnh là vӏ trí quan sát, trөc là đѭӡng thҷng đi qua mҳt và song song vӟi hѭӟng nҳng, đӝ dӕc cӫa nón chính là góc mà tia này phҧn xҥ ra khӓi các giӑt nѭӟc (42 đӝ) Tѭѫng tӵ vӟi các màu khác Nhѭ vұy, ngѭӡi quan sát sӁ thҩy đѭӧc các vòng màu, có thӭ tӵ tӯ ngoài vào trong (góc phҧn xҥ tӯ lӟn tӟi nhӓ) nhѭ sau: đӓ, cam, vàng, lөc , lam, chàm, tím nӃu đӭng trên máy bay hoһc ӣ mӝt đӝ cao nhҩt đӏnh

Đã tӯ lâu, ngѭӡi ta biӃt rҵng cҫu vӗng xҧy ra khi mһt trӡi đӗng thӡi chiӃu sáng cùng vӟi cѫn mѭa Nhӳng giӑt nѭӟc mѭa làm thay đәi ánh sáng trҳng cӫa mһt trӡi thành nhiӅu màu khác nhau

Isaac Newton đã chӭng minh điӅu này năm 1665 bҵng cách đһt mӝt lăng kính thuӹ tinh dѭӟi mӝt tia nҳng mһt trӡi: ông đã nhұn đѭӧc nhӳng màu sҳc cӫa cҫu vӗng qua sӵ nhiӉu xҥ, cNJng chӭng tӓ rҵng ánh sáng trҳng trên thӵc tӃ là kӃt quҧ cӫa sӵ pha trӝn màu

sҳc cӫa cҫu vӗng Nhӳng giӑt nhӓ cӫa nѭӟc mѭa tác đӝng giӕng nhѭ nhӳng lăng kính nhӓ và tҥo thành mӝt cҫu vӗng

ĐӇ không cho bҩt kǤ sӵ hoài nghi nào tӗn tҥi, Isaac Newton đã sӱ dөng mӝt lăng kính khác đһt dѭӟi tia đa sҳc đѭӧc tҥo ra bӣi lăng kính thӭ nhҩt và ông cNJng đã nhұn đѭӧc mӝt tia sáng trҳng mӟi - lăng kính thӭ nhì đã tұp hӧp nhӳng màu sҳc lҥi đӇ cho ra ánh sáng trҳng

Năm 1668 Newton đã phát minh ra viӉn vӑng kính Kính này sӱ dөng mӝt gѭѫng lõm thay cho mӝt trong hai thҩu kính cӫa kính thiên văn Nhӳng kính viӉn vӑng ngày nay luôn có cҩu tҥo theo cùng mӝt nguyên lý

Chҷng bao giӡ bҥn đӃn đѭӧc chân trӡi, cNJng nhѭ không thӇ bay tӟi chân cҫu vӗng Đó

là bӣi cҧ hai trѭӡng hӧp đӅu cҫn khoҧng cách xa giӳa vұt thӇ và ngѭӡi quan sát mӟi tҥo nên hiӋu ӭng

Cҫu vӗng thӵc chҩt gӗm nhiӅu giӑt nѭӟc hҩp thө ánh sáng theo cách nào đó Nhӳng giӑt nѭӟc tròn, trong vҳt khúc xҥ và phҧn xҥ mӝt vài tia sáng tӟi ngѭӡi quan sát Ánh sáng có bѭӟc sóng khác nhau khúc xҥ ӣ nhӳng góc khác nhau, vì thӃ ánh sáng trҳng cӫa mһt trӡi đѭӧc phân tách ra thành mӝt dãy ánh sáng nhiӅu màu

Vì nhӳng cҧnh tѭӧng rӵc rӥ này đѭӧc tҥo thành tӯ ánh sáng và nѭӟc, nên đӯng hy vӑng tìm kiӃm điӇm dӯng chân cӫa nó HiӋn tѭӧng quang hӑc này phө thuӝc vào viӋc bҥn phҧi đӭng cách xa các giӑt nѭӟc, và mһt trӡi phҧi ӣ sau lѭng

Mӝt đһc tính quan trӑng cӫa cҫu vӗng, đó là lӉ hӝi các màu sҳc mà nó mang lҥi cho chúng ta Trұt tӵ các màu này không bao giӡ thay đәi: đӓ luôn nҵm ӣ mép trên, đӍnh cӫa vòng cung; rӗi sau đó lҫn lѭӧt tӯ cao xuӕng thҩp, có da cam, vàng, lөc lam, chàm và tím

ӣ mép dѭӟi Trên thӵc tӃ , các màu không bao giӡ thay đәi đӝt ngӝt, mà dҫn dҫn, xen vào nhau hӃt sӭc tinh tӃ ThӍnh thoҧng cNJng xuҩt hiӋn mӝt vòng thӭ cҩp đi kèm vӟi vòng cung chính; nó mӡ hѫn và ӣ đӝ cao hѫn trên bҫu trӡi, nhѭng các màu thì đѭӧc sҳp xӃp theo trұt tӵ ngѭӧc lҥi: màu tím ӣ mép trên và màu đӓ ӣ mép dѭӟi Bán kính góc cӫa vòng cung thӭ cҩp này lӟn hѫn bán kính góc cӫa vòng cung chính và vòng cung thӭ cҩp tӕi hѫn vòng tròn xung quanh

Các màu sҳc cҫu vӗng nҵm theo thӭ tӵ đӓ, da cam, vàng, lөc, lam, chàm, tím Các bӭc xҥ hӗng ngoҥi và tӱ ngoҥi nҵm ngoài vùng ánh sáng nhìn thҩy cӫa mҳt ngѭӡi, nên không hiӇn diӋn Màu sҳc cӫa cҫu vӗng có thӇ đѭӧc minh hoҥ nhѭ sau:

Cҫu vӗng không phҧi là mӝt vұt thӇ, mà là kӃt quҧ cӫa mӝt trò chѫi ánh sáng thay đәi theo vӏ trí cӫa ngѭӡi quan sát Do tính phi vұt thӇ cӫa nó, nên cung hoàn hҧo và sӵ đӕi xӭng cӫa cҫu vӗng không bao giӡ bӏ ҧnh hѭӣng Bҥn cNJng sӁ không bao giӡ nhìn thҩy nó soi bóng xuӕng nѭӟc hӗ, cNJng chҷng bao giӡ thҩy trong gѭѫng Cҫu vӗng nhѭ mӝt bóng

ma thoҳt ҭn, thoҳt hiӋn trong không trung Nó chӍ là sҧn phҭm cӫa ánh sang đӃn tӯ đҵng sau chúng ta, bӣi vì nó sӁ đәi khác khi chúng ta di chuyӇn, nên chúng ta không bao giӡ

có thӇ bҳt hay sӡ mó đѭӧc nó

Đã có rҩt nhiӅu nhà khoa hӑc tìm cách giҧi thích vӅ hiӋn tѭӧng cҫu vӗng:

Aristote (384-332 TCN) là ngѭӡi đҫu tiên thӵc hiӋn ý tѭӣng này trong tác phҭm Khí tѭӧng hӑc Ông ý thӭc đѭӧc rҵng cҫu vӗng không thӇ là mӝt vұt thӇ có mӝt vӏ trí nhҩt

đӏnh trên bҫu trӡi, mà là kӃt quҧ cӫa mӝt trò chѫi ánh sáng phө thuӝc vào hѭӟng nhìn Năm 1266, triӃt gia và nhà bác hӑc ngѭӡi Anh Roger Bacon (1220-1292) là ngѭӡi đҫu tiên đo đѭӧc bán kính góc 420 cӫa vòng cung chính cӫa cҫu vӗng

Hình 2.3.2

Théodoric de Freiberg ( 1250-1310), dӵa vào kӃt quҧ thӵc nghiӋm vӟi mӝt quҧ cҫu thӫy tinh chӭa đҫy nѭӟc mô phәng mӝt giӑt nѭӟc, đã chӯng tӓ rҵng cung chính (cҫu vӗng bұc 1) cӫa cҫu vӗng là sҧn phҭm cӫa các tia sáng đi vào giӑt nѭӟc và chӏu sӵ khúc

xҥ đҫu tiên khi ánh sáng tӯ không khí đi vào giӑt nѭӟc, phҧn xҥ tҥi thành trong cӫa giӑt nѭӟc, rӗi khúc xҥ lҫn thӭ hai khi ánh sáng tӯ giӑt nѭӟc đi ra ngoài Ông cNJng đѭa ra giҧi thích vӅ vòng cung thӭ cҩp (cҫu vòng bұc 2): vòng cung này là sҧn phҭm cӫa không phҧi mӝt mà là hai phҧn xҥ liên tiӃp cӫa ánh sáng ӣ thành trong cӫa giӑt nѭӟc Vì mӝt phҫn ánh sáng bӏ mҩt đi sau mӛi lҫn phҧn xҥ, nên cung thӭ cҩp mӡ hѫn cung chính

Năm 1637, Rene Descartes (1596-1650) vӟi công bӕ phát hiӋn vӅ cҫu vӗng cӫa mình trong cuӕn Luұn vӅ sao băng, đã thêm vào mӝt đóng góp quan trӑng: Dӵa trên các đӏnh luұt khúc luұt khúc xҥ ánh sáng, ông đã chӭng minh đѭӧc rҵng phҫn lӟn các tia sáng Mһt Trӡi thoát ra tӯ các giӑt nѭӟc mѭa là nguyên nhân gây nên vòng cung chính, sau mӝt lҫn phҧn xҥ và hai lҫn khúc xҥ theo mӝt hѭӟng yêu thích, vӟi mӝt góc khoҧng 420 Lҫn đҫu tiên, mӝt giҧi thích đã đѭӧc đѭa ra cho bán kính góc cӫa vòng cung chính Descartes còn

đi xa hѫn: ông cNJng suy nghƭ tӟi vҩn đӅ vòng cung thӭ cҩp Ông chӭng minh rҵng, nӃu ngoài hai khúc xҥ trong hai lҫn đi vào và đi ra khӓi giӑt nѭӟc, các tia sáng còn phҧi chӏu hai lҫn phҧn xҥ, thì chúng lҥi đi ra theo mӝt hѭӟng ѭa thích khoҧng 510, giá trӏ quan sát

đѭӧc cӫa bán kính góc cӫa vòng cung thӭ cҩp

Nhѭ đã nêu, năm 1665, thiên tài Issac Newton (1642-1727) đã dùng mӝt lăng kính phân tích ánh sáng trҳng cӫa Mһt Trӡi thành các màu cҫu vӗng, ông cNJng đã không chӍ chӭng minh rҵng, ánh sáng trҳng là mӝt hӛn hӧp cӫa các màu, mà còn chӭng minh rҵng, chiӃt suҩt cӫa mӝt lăng kính (hay cӫa mӝt giӑt nѭӟc) là khác nhau đӕi vӟi các màu khác nhau: ánh sáng bӏ lӋch hѭӟng khác nhau tùy theo màu (hay bѭӟc sóng) cӫa nó, mӝt hiӋn tѭӧng mà các nhà Vұt Lí hӑc gӑi là “tán sҳc” Bӣi vì áng sáng bӏ tán sҳc, nên mӛi mӝt thành phҫn màu cho ra mӝt vòng cung hѫi khác Nhѭ vұy, cái mà chúng ta tin là mӝt và chӍ mӝt thӵc thӇ “cҫu vӗng” duy nhҩt thұt ra là mӝt tұp hӧp các vòng cung màu khác nhau, vòng cung màu này hѫi xê dӏch đôi chút so vӟi vòng cung màu kia Bán kính góc cӫa vòng cung chính và vòng cung thӭ cҩp vì vұy biӃn thiên nhҽ theo màu sҳc cӫa ánh sáng Nhѭ vұy, đӕi vӟi ánh sáng đӓ và có bѭӟc sóng 800nm, góc là 42,6o đӕi vӟi vòng cung chính và là 49.920 đӕi vӟi vòng cung thӭ cҩp Đӕi vӟi ánh sáng tím có bѭӟc sóng 400nm, các góc này trӣ thành lҫn lѭӧt 40.510 và 53.730 Đӝ lӟn cӫa các góc đӕi vӟi các vòng cung chính (cӥ 20) và cӫa vòng cung thӭ cҩp (khoҧng 40) không gì khác chính là hiӋu các góc lӋch cӫa các màu đӓ và tím

Phҧi đӧi đӃn Thomas Young (1773-1829), vӟi quan điӇm ánh sáng là sóng (1803), thì cuӕi cùng vҩn đӅ hóc búa vӅ các cung phө cӫa cҫu vӗng mӟi đѭӧc làm sáng tӓ

2.3.1.2 C̯u v͛ng- m̿t trăng (hình 2.3.3)

Mӝt bӭc ҧnh kǤ lҥ do mӝt nhiӃp ҧnh gia tҥi Anh chөp đѭӧc cho thҩy mӝt cҫu vӗng

đѭӧc tҥo ra tӯ ánh sáng mһt trăng vào giӳa đêm

Đây là hiӋn tѭӧng cҫu vӗng hiӃm có vào ban

đêm ӣ Anh Anh Chris Walker đang trên đѭӡng vӅ nhà ӣ Richmond, North Yorkshire, Anh, thì nhìn thҩy cҫu vӗng xuҩt hiӋn trên bҫu trӡi Anh nói: "Tôi nhұn thҩy điӅu gì đó kǤ lҥ trên bҫu trӡi khi đang lái xe Mһt trăng tròn ӣ ngay phía sau tôi, gió thәi hiu hiu và mѭa thì vӯa tҥnh Mһt Trăng sáng đӃn nӛi mӝt cҫu vӗng lҩp lánh hiӋn lên

trên bҫu trӡi sau cѫn mѭa"

Thông thѭӡng cҫu vӗng do ánh Mһt Trӡi tҥo ra khi bӏ phҧn chiӃu bӣi các hҥt mѭa, nhѭng trong trѭӡng hӧp này, Mһt Trăng đã tҥo nên hình ҧnh bҧy sҳc cҫu vӗng ngoҥn mөc HiӋn tѭӧng này vô cùng hiӃm bӣi đòi hӓi sӵ kӃt hӧp giӳa các yӃu tӕ nhѭ bҫu trӡi rҩt sүm, Mһt Trăng ӣ thҩp hѫn 42 đӝ trên bҫu trӡi và mѭa rѫi đӕi diӋn vӟi Mһt Trăng

"Ánh sáng Mһt Trăng yӃu hѫn hàng nghìn lҫn so vӟi Mһt Trӡi nên cҫu vӗng cNJng sӁ mӡ nhҥt hѫn rҩt nhiӅu lҫn Nó chӍ đѭӧc hiӋn rõ khi Mһt Trăng gҫn tròn Cho dù nhѭ vұy mҳt ngѭӡi cNJng khó có thӇ nhұn ra màu sҳc cҫu vӗng trong bҫu trӡi đêm, tuy vұy tôi vүn có thӇ nhìn ra đѭӧc màu đӓ ӣ trên cùng cӫa cҫu vӗng", Telegraph trích lӡi Walker kӇ lҥi

2.3.1.3 T̩i sao c̯u v͛ng l̩i tròn và th˱ͥng kép?(hình 2.3.4)

Nhӳng cҫu vӗng thông thѭӡng nhҩt đѭӧc hình thành khi ánh sáng mһt trӡi chiӃu qua các hҥt mѭa Các giӑt mѭa này có tác dөng giӕng nhѭ lăng kính và tán xҥ ánh sáng mһt trӡi thành quang phә màu sҳc quen thuӝc: đӓ, cam, vàng, xanh lөc, xanh lam, chàm, tím

Cҫu vӗng có hình tròn do có liên quan đӃn đһc tính hình hӑc khi nhìn chúng Bҥn thҩy mӝt cái cҫu vӗng khi mһt trӡi ӣ phía sau lѭng bҥn và các hҥt mѭa thì ӣ trong các đám mây phía trѭӟc mһt bҥn Các tia sáng đi qua trên đҫu bҥn tӯ phía sau, chiӃu vào các hҥt mѭa, bӏ tán xҥ thành màu sҳc, phҧn xҥ ra phía sau các hҥt mѭa rӗi đi vào mҳt bҥn

Mҳt phҧi tiӃp nhұn các tia sáng chiӃu tӟi tӯ hҥt mѭa theo mӝt góc cө thӇ đӇ có thӇ nhұn đѭӧc màu sҳc Mӝt cҫu vӗng nhìn đѭӧc chӍ đѭӧc hình thành nӃu các hҥt mѭa nҵm

đúng vӏ trí, nhӡ đó sӁ có mӝt góc nhҩt đӏnh giӳa mһt trӡi, giӑt mѭa và mҳt bҥn Cái góc này phҧi là góc cӕ đӏnh và đһc tính hình hӑc giӳ cho góc này không đәi có liên quan tӟi mӝt đѭӡng tròn

Bҥn chӍ có thӇ nhìn thҩy mӝt phҫn đѭӡng tròn này nҵm phía trên đѭӡng chân trӡi NӃu bҥn tѭӣng tѭӧng phҫn còn lҥi cӫa đѭӡng tròn nҵm ӣ đâu, bҥn sӁ thҩy là bҥn có thӇ vӁ mӝt đѭӡng thҷng tӯ mһt trӡi xuyên qua đҫu bҥn đӃn điӇm giӳa cӫa hình tròn, mà mӝt phҫn cӫa nó chính là cҫu vӗng

ĐiӅu này nghe có vҿ thi vӏ, nhѭng vӅ mһt khoa hӑc, không có hai ngѭӡi nào nhìn thҩy cùng mӝt cҫu vӗng NӃu ba ngѭӡi cùng nhìn vào cҫu vӗng, mӛi ngѭӡi đӅu ӣ mӝt góc

đúng đӇ nhìn thҩy cҫu vӗng đó Đôi khi ngѭӡi ta còn nhìn thҩy mӝt cҫu vӗng thӭ hai bên ngoài cҫu vӗng thӭ nhҩt, mӝt vòng tròn lӟn hѫn Màu sҳc ӣ cҫu vӗng thӭ hai này sҳp xӃp ngѭӧc lҥi, rҩt mӡ ҧo mӝt cách khá đһc trѭng

ĐiӅu xҧy ra chính là ánh sáng đi cùng theo mӝt con đѭӡng, nhѭng tia sáng đѭӧc phҧn

xҥ lҥi hai lҫn trong giӑt mѭa Hai lҫn phҧn xҥ đem lҥi hai hiӋu quҧ: trұt tӵ màu sҳc bӏ lұt ngѭӧc và trong mӛi lҫn phҧn xҥ ánh sáng bӏ yӃu đi, phân tán ra khӓi hҥt mѭa, làm cho cҫu vӗng thӭ hai mӡ ҧo và ít khi đѭӧc nhìn thҩy

ĐӇ tӵ kiӇm chӭng, vào lúc thӡi tiӃt ҩm, bҥn có thӇ tӵ tҥo ra mӝt cҫu vӗng bҵng ӕng tѭӟi nѭӟc đӇ sao cho nѭӟc phun ra thұt đҽp và mһt trӡi nҵm đúng ӣ phía sau lѭng bҥn

2.3.1.4 C̯u v͛ng l͵a

Nhӳng cҫu vӗng lӱa (fire rainbows) là hiӋn tѭӧng thiên nhiên xuҩt hiӋn tҥi nhiӅu nӟi trên trái đҩt không giӕng nhӳng cҫu vӗng khác Cҫu vӗng lӱa xuҩt hiӋn khi ánh sáng xuyên qua các đám mây xoҳn ӣ trên cao ĐӇ tҥo ra nhӳng cҫu vӗng lӱa, các tinh thӇ trong

đám mây xoҳn phҧi có hình dáng nhѭ nhӳng chiӃc đƭa bay và có các mһt song song vӟi mһt đҩt Ánh sáng xuyên thҷng mһt phía trên và đi ra ӣ mһt phía dѭӟi rӗi bӏ khúc xҥ

Hình 2.3.4