Xây dựng bộ thí nghiệm khảo sát tính chất hạt của ánh sáng và ứng dụng trong dạy học vật lý trung học phổ thông

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN THỊ BÍCH TÌNH XÂY DỰNG BỘ THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT TÍNH CHẤT HẠT CỦA ÁNH SÁNG VÀ ỨNG DỤNG TRONG DẠY HỌC VẬT LÝ TRUNG HỌC PHỔ THÔNG... BỘ GI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

NGUYỄN THỊ BÍCH TÌNH

XÂY DỰNG BỘ THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT TÍNH CHẤT HẠT CỦA ÁNH SÁNG VÀ ỨNG DỤNG

TRONG DẠY HỌC VẬT LÝ TRUNG HỌC PHỔ THÔNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

NGUYỄN THỊ BÍCH TÌNH

XÂY DỰNG BỘ THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT TÍNH CHẤT HẠT CỦA ÁNH SÁNG VÀ ỨNG DỤNG

TRONG DẠY HỌC VẬT LÝ TRUNG HỌC PHỔ THÔNG

LỜI CẢM ƠN

Bản luận văn này được hoàn thành nhờ quá trình nỗ lực của bản thân và

sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS Trịnh Ngọc Hoàng Thầy đã đặt vấn đề, tận tình hướng dẫn, luôn quan tâm, động viên và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian hoàn thành luận văn Đối với tôi, được học tập và nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của thầy là một niềm vinh dự lớn lao Nhân dịp này, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo TS Trịnh Ngọc Hoàng về sự giúp đỡ quý báu và nhiệt tình

đó

Tôi cũng xin phép được cảm ơn các thầy cô đã tham gia giảng dạy, đào tạo tại lớp Quang học 25, cảm ơn các thầy cô ngành Vật lý, Phòng đào tạo sau đại học, Ban lãnh đạo Trường Đại học Vinh, đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu tại cơ sở đào tạo

Tôi bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp và các anh, chị học viên lớp Cao học 25 – chuyên ngành Quang học tại Trường Đại học Vinh

đã động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập

Xin chân thành cảm ơn !

Học viên

Nguyễn Thị Bích Tình

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ 5

DANH MỤC BẢNG BIỂU 6

MỞ ĐẦU 7

1 Lý do chọn đề tài 7

2 Mục đích nghiên cứu 7

3 Đối tượng, khách thể và phạm vi nghiên cứu 7

4 Những đóng góp mới của đề tài 8

5 Nhiệm vụ nghiên cứu 8

6 Phương pháp nghiên cứu 8

7 Cấu trúc của luận văn 8

Chương 1 ĐẶC TÍNH LƯỢNG TỬ CỦA ÁNH SÁNG 9

1.1 Một số quan điểm của các nhà vật lí về bản chất của ánh sáng 9

1.2 Đặc tính lượng tử của ánh sáng 21

1.2.1 Thuyết lượng tử ánh sáng 21

1.2.2 Hiện tượng quang điện 23

Kết luận chương I 30

Chương 2: XÂY DỰNG BỘ THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT TÍNH CHẤT HẠT CỦA ÁNH SÁNG VÀ ỨNG DỤNG TRONG DẠY HỌC VẬT LÝ TRUNG HỌC PHỔ THÔNG 31

2.1 Xây dựng bộ thí nghiệm khảo sát tính chất hạt của ánh sáng 31

2.2 Ứng dụng bộ thí nghiệm trong dạy học vật lý trung học phổ thông 42

Kết luận chương II 45

KẾT LUẬN 46

TÀI LIỆU THAM KHẢO 47

1.6 Hạt và sóng khi đi qua các kính phân cực đặt vương góc nhau 16

1.8 Vị trí các vân sáng (S), tối (T) trong thí nghiệm giao thoa

1.15 Dòng quang điện bị triệt tiêu do hiệu điện thế hãm 26 2.1 Sơ đồ thiết kế thí nghiệm hiện tượng quang điện 31 2.2 Sơ đồ khối bộ nguồn phát ánh sáng kích thích 32 2.3 Bộ thí nghiệm khảo sát hiện tượng quang điện 33

2.5 Bộ chuyển đổi AC-DC và máy biến áp 220VAC-12VAC 34 2.6 Nguồn sáng kích thích gồm 5 chùm sáng đơn sắc có bước sóng

2.7 Cơ cấu xác định bước sóng và cường độ chùm sáng kích thích 36 2.8 Quang phổ kế mini CCS100 của hãng Thorlabs 37

2.9 Giao diện phần mềm Thorlabs OSA và sự hiển thị bước sóng,

1.1 Giá trị công thoát của một số kim loại và chất bán dẫn 29

2.1 Cường độ dòng quang điện tương ứng với từng cường độ sáng

2.2 Cường độ dòng quang điện tương ứng với từng cường độ sáng

2.3 Cường độ dòng quang điện tương ứng với từng cường độ sáng

2.4 Cường độ dòng quang điện tương ứng với từng cường độ sáng

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Khoa học đã chứng minh được ánh sáng tồn tại dưới hai dạng là hạt photon

và sóng điện từ Đồng thời các nhà khoa học đã khẳng định được ánh sáng thể hiện tính chất sóng – hạt cùng một lúc, tính chất đó gọi là lưỡng tính sóng hạt Lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng giúp giải thích, khám phá nhiều đặc tính lượng

tử của ánh sáng mà trước đây, khi quan niệm ánh sáng là sóng, con người chưa phát hiện ra Một trong những hiện tượng thể hiện tính chất lượng tử của ánh sáng

là hiện tượng quang điện Chương trình vật lý lớp 12 THPT hiện nay có đề cập đến khái niệm lượng tử - photon Tuy vậy, hiện tượng quan sát được thông qua

thí nghiệm hiệu ứng quang điện chỉ mô tả một cách hình thức, lý thuyết suông

Vì vậy, xây dựng một bộ thí nghiệm để khảo sát tính chất hạt của ánh sáng, qua đó áp dụng giảng dạy cho học sinh phổ thông các vấn đề liên quan đến tính chất lượng tử của ánh sáng là việc làm hết sức cần thiết Đó là lí do tôi chọn đề

tài “Xây dựng bộ thí nghiệm khảo sát tính chất hạt của ánh sáng và ứng dụng

trong dạy học vật lý trung học phổ thông” làm đề tài luận văn thạc sĩ của mình

2 Mục đích nghiên cứu

Xây dựng bộ thí nghiệm khảo sát tính chất hạt của ánh sáng và ứng dụng

bộ thí nghiệm này để dạy học vật lý trung học phổ thông

3 Đối tượng, khách thể và phạm vi nghiên cứu

- Luận văn nghiên cứu tính chất lượng tử của ánh sáng thông qua việc chế tạo tạo

bộ thí nghiệm về hiện tượng quang điện Qua việc khảo sát tính chất hạt của các ánh sáng có bước sóng khác nhau và việc sử dụng bộ thí nghiệm, luận văn đề xuất phương án vận dụng nó để dạy học phần lượng tử ánh sáng trong môn vật lý ở trung học phổ thông

- Trong luận văn này, chỉ năm bước sóng ánh sáng được nghiên cứu bao gồm ánh sáng màu đỏ, cam, vàng, lục, lam

4 Những đóng góp mới của đề tài

Chế tạo bộ thí nghiệm về hiện tượng quang; Khảo sát tính chất hạt của ánh sáng, vẽ đồ thị khảo sát và so sánh với những kết luận đã biết trước đây; Đề xuất phương án sử dụng bộ thí nghiệm chế tạo được để dạy học vật lý ở trung học phổ thông

5 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Tìm hiểu cở sở lý thuyết về đặc tính lượng tử của ánh sáng

- Chế tạo bộ thí nghiệm về hiện tượng quang điện từ những vật liệu, linh kiện quen thuộc và một vài linh kiện mua sẵn

- Khảo sát tính chất hạt của ánh sáng, vẽ đồ thị khảo sát và so sánh với những kết luận đã biết trước đây

- Đề xuất phương án sử dụng bộ thí nghiệm chế tạo được để dạy học vật lý ở trung học phổ thông

6 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp tổng hợp và phân tích các tài liệu lý thuyết và thực nghiệm

- Phương pháp chuyên gia

- Phương pháp thực nghiệm

7 Cấu trúc của luận văn

Luận văn ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo, thì nội dung chính được trình bày trong 2 chương:

Chương 1: Đặc tính lượng tử của ánh sáng

1.1 Một số quan điểm của các nhà vật lí về bản chất của ánh sáng 1.2 Đặc tính lượng tử của ánh sáng

Chương 2: Xây dựng bộ thí nghiệm khảo sát tính chất hạt của ánh sáng và ứng dụng trong dạy học vật lý trung học phổ thông

2.1 Xây dựng bộ thí nghiệm khảo sát tính chất hạt của ánh sáng

2.2 Ứng dụng bộ thí nghiệm trong dạy học vật lý trung học phổ thông

Chương 1 ĐẶC TÍNH LƯỢNG TỬ CỦA ÁNH SÁNG

1.1 Một số quan điểm của các nhà vật lí về bản chất của ánh sáng

Vào đầu thế kỉ 19, chủ đề về bản chất ánh sáng đã đẩy giới khoa học tới nhiều cuộc tranh luận gay gắt Một nhóm tán thành thuyết sóng, tập trung bàn luận

về những khám phá của nhà khoa học người Hà Lan Christiaan Huygens Còn phía bên kia thì trích dẫn thí nghiệm lăng kính của Isaac Newton, xem là bằng chứng cho thấy ánh sáng truyền đi dưới dạng một chùm hạt, mỗi hạt đi theo đường thẳng cho tới khi nó bị khúc xạ, hấp thụ, phản xạ, nhiễu xạ theo nhiều cách khác nhau [6]

Lí thuyết khúc xạ ánh sáng của Huygens, cho rằng vận tốc ánh sáng trong một chất bất kì tỉ lệ nghịch với chiết suất của nó Nói cách khác, Huygens cho rằng ánh sáng càng bị bẻ cong, hay khúc xạ, khi đi vào một chất, thì nó càng chậm khi truyền qua chất đó Những người ủng hộ ông kết luận rằng nếu ánh sáng là một dòng hạt, thì sẽ xảy ra kết quả ngược lại, vì ánh sáng đi vào môi trường đậm đặc hơn sẽ bị các phân tử môi trường đó hút và vận tốc sẽ tăng lên, chứ không giảm xuống Một hạn chế của thời kỳ đó là việc đo vận tốc ánh sáng trong các môi trường khác nhau như không khí và thủy tinh chưa thể thực hiện được Hơn nữa, thời kỳ đó, người ta cho rằng ánh sáng hình như chuyển động với cùng một vận tốc, bất chấp môi trường mà nó đi qua Phải hơn 150 năm sau, vận tốc của ánh sáng mới được đo với độ chính xác cao đã khẳng định thuyết Huygens là đúng

Hình 1.1 Những nhà vật lí tiên phong nghiên cứu ánh sáng

Bất chấp danh tiếng của Isaac Newton, một số nhà khoa học có danh tiếng khác không tán thành quan điểm của ông Một số người cho rằng nếu ánh sáng là chùm hạt, thì khi hai chùm sáng cắt ngang nhau, một số hạt sẽ va chạm lên nhau gây ra sự chệch hướng trong chùm sáng Rõ ràng điều này không xảy ra, nên họ kết luận ánh sáng không thể là tập hợp những hạt rời rạc được

Trong một bài viết năm 1690, Huygens đề xuất quan điểm cho rằng sóng ánh sáng truyền trong không gian qua trung gian ê-te, một chất bí ẩn không trọng lượng, tồn tại như một thực thể vô hình trong không khí và không gian Thời đó, việc săn lùng ê-te được các nhà khoa học miệt mài trong suốt thế kỉ 19 trước khi cuối cùng phải dừng lại Thuyết ê-te tồn tại ít nhất là cho tới cuối những năm

1800, bằng chứng là mô hình do Charles Wheatstone đề xuất, chứng minh ê-te mang sóng ánh sáng bằng cách dao động theo hướng vuông góc với hướng truyền

Isaac Newton (1642-1727)

Christiaan Huygens (1629-1695)

sóng, và mô hình chi tiết của James Clerk Maxwell mô tả việc xây dựng chất vô hình này Huygens tin rằng ê-te dao động cùng hướng với ánh sáng, và tự hình thành một sóng như thể là nó mang sóng ánh sáng Trong tập sách xuất bản sau, nguyên lí Huygens, ông đã mô tả cách mà mỗi điểm trên sóng có thể tạo ra mặt sóng riêng của nó, và rồi hợp lại thành đầu sóng Huygens dùng ý tưởng này sáng tạo ra một lí thuyết chi tiết cho hiện tượng khúc xạ, và cũng giải thích tại sao các tia sáng không phá hủy nhau khi đường truyền của chúng cắt nhau [4, 6]

Nếu một chùm ánh sáng truyền giữa hai môi trường có chiết suất khác nhau thì chùm tia bị khúc xạ và đổi hướng khi truyền từ môi trường thứ nhất vào môi trường thứ hai Để xác định xem chùm tia sáng là hạt hay sóng, người ta đã nghĩ

ra mỗi mô hình cho mỗi trường phái để giải thích hiện tượng (Hình 1.2)

Hình 1.2 Sự khúc xạ của “hạt ánh sáng” và “sóng ánh sáng”

Theo thuyết sóng của Huygens, một phần nhỏ của mỗi đầu sóng góc phải chạm đến môi trường thứ hai trước khi phần còn lại của đầu sóng tiến đến mặt phân cách Phần này sẽ bắt đầu đi qua môi trường thứ hai trong khi phần còn lại của sóng vẫn còn truyền trong môi trường thứ nhất, nhưng sẽ chuyển động chậm

hơn do chiết suất của môi trường thứ hai cao hơn Do mặt sóng lúc này truyền ở hai tốc độ khác nhau, nên nó sẽ uốn cong vào môi trường thứ hai, do đó làm thay đổi hướng truyền

Trái lại, thuyết hạt có lúc hơi khó giải thích tại sao các hạt ánh sáng phải đổi hướng khi chúng truyền từ môi trường này sang môi trường khác Những người đề xướng thuyết hạt cho rằng một lực đặc biệt, hướng vuông góc với mặt phân cách, tác động đến sự thay đổi vận tốc của các hạt khi chúng đi vào môi trường thứ hai Bản chất đích thực của lực này chưa được nghiên cứu

Một so sánh khác của hai lí thuyết liên quan tới những khác biệt xảy ra khi ánh sáng bị phản xạ từ một bề mặt nhẵn, như mặt gương chẳng hạn Thuyết sóng xem nguồn sáng phát ra các sóng ánh sáng trải ra theo mọi hướng Khi chạm lên gương, các sóng bị phản xạ theo góc tới, nhưng với mỗi sóng phản hồi trở lại tạo

ra một ảnh đảo ngược (Hình 1.3) Hình dạng của sóng tới phụ thuộc nhiều vào khoảng cách từ nguồn sáng tới gương Ánh sáng phát ra từ một nguồn ở gần vẫn giữ được mặt sóng hình cầu, có độ cong cao, còn ánh sáng phát ra từ một nguồn

ở xa sẽ trải rộng hơn và các mặt sóng gần như là phẳng

Hình 1.3 Sự phản xạ của “hạt ánh sáng” và “sóng ánh sáng” gây bởi gương

Ta thấy bản chất hạt của ánh sáng đối với hiện tượng phản xạ thuyết phục hơn nhiều so với hiện tượng khúc xạ Ánh sáng phát ra từ một nguồn, ở gần hay

ở xa, đi tới bề mặt gương dưới dạng một dòng hạt, chúng bị nảy lên, hay là bị phản xạ bởi bề mặt nhẵn mịn Do các hạt rất nhỏ, và có một lượng rất lớn hạt trong chùm ánh sáng lan truyền, nên chúng sẽ chuyển động sát với nhau Khi chạm lên mặt gương, các hạt bị nảy lên từ những điểm khác nhau, nên trật tự của chúng trong chùm sáng bị đảo ngược lại tạo ra một hình đảo ngược, như trên hình 1.3

Cả thuyết hạt và thuyết sóng đều giải thích thỏa đáng sự phản xạ bởi một bề mặt phẳng Tuy nhiên, thuyết hạt cũng cho rằng nếu bề mặt quá gồ ghề, thì các hạt bị nảy lên ở nhiều góc khác nhau, kết quả là làm tán xạ ánh sáng Ta thấy thuyết này phù hợp với những quan sát thực nghiệm

Hạt và sóng cũng sẽ gây ra những hiệu ứng khác nhau khi chúng chạm phải mép của một vật cản và tạo nên bóng đổ (Hình 1.4)

Hình 1.4 Sự nhiễu xạ của “hạt ánh sáng” và “sóng ánh sáng”

Newton sớm chỉ ra rằng: “Ánh sáng không bao giờ truyền đi theo đường cong hay bị bẻ cong thành bóng đổ” Khái niệm này phù hợp với thuyết hạt cho rằng ánh sáng luôn luôn truyền đi theo đường thẳng Nếu các hạt chạm phải mép của một vật cản thì chúng sẽ không tạo ra bóng đổ vì các hạt không bị vật ngăn

cản sẽ tiếp tục chuyển động theo đường thẳng và không phủ ra phía sau vật chắn Trong phạm vi vĩ mô, quan sát này hầu như là chính xác, nhưng nó không phù hợp với kết quả của thí nghiệm nhiễu xạ ánh sáng xảy ra ở kích thước rất nhỏ [6]

Nếu ánh sáng truyền qua một khe hẹp, chùm tia trải ra và trở nên rộng hơn

ở phía sau khe đó Quan sát này rất quan trọng và làm tiền đề sau này và là nền tảng cho thuyết sóng ánh sáng Giống như sóng nước, sóng ánh sáng chạm phải mép của một vật thì uốn cong quanh mép đó và đi vào vùng bóng hình học của

nó, là vùng không được rọi sáng trực tiếp bằng chùm tia sáng Hiện tượng này giống như sóng nước cuốn quanh phần cuối của bè nổi, thay vì phản xạ ra xa

Suốt thời gian khá dài sau khi Newton và Huygens đề xuất lí thuyết của họ, nhà vật lí người Anh tên là Thomas Young đã thực hiện một thí nghiệm củng cố mạnh mẽ bản chất giống sóng của ánh sáng Vì ông tin rằng ánh sáng là gồm các sóng, Young giải thích được một số loại tương tác xảy ra khi hai sóng ánh sáng gặp nhau Để kiểm tra giả thuyết này, ông dùng một màn chứa một khe hẹp để tạo

ra chùm ánh sáng kết hợp (gồm các sóng truyền cùng pha với nhau) từ nguồn ánh sáng Mặt Trời Khi các tia sáng Mặt Trời chạm tới khe, chúng trải rộng ra, hay nhiễu xạ, tạo ra một mặt sóng Nếu như mặt sóng này được cho rọi tới một màn thứ hai có hai khe đặt rất gần nhau, thì hai nguồn ánh sáng kết hợp, hoàn toàn đồng bộ với nhau được tạo ra (Hình 1.5)

Khi ánh sáng từ mỗi khe truyền tới một điểm nằm giữa hai khe phải hoàn toàn đồng bộ với nhau Nhưng nếu xét một điểm nào đó nằm về một phía so với điểm chính giữa, thì ánh sáng từ một khe sẽ truyền tới điểm đó qua một đoạn đường dài hơn so với ánh sáng truyền từ khe phía bên kia Ánh sáng từ khe gần hơn sẽ truyền tới điểm thứ hai này trước so với ánh sáng từ khe ở xa, nên hai sóng không còn đồng bộ với nhau, và có thể triệt tiêu nhau tạo nên bóng tối

Hình 1.5 Hiện tượng giao thoa ánh sáng

Trong một số trường hợp, sự chồng chập kết hợp đồng bộ chính xác với nhau Tuy nhiên, trong một số trường hợp khác, các sóng ánh sáng kết hợp hoàn toàn không đồng bộ với nhau hoặc chỉ đồng bộ một phần Young nhận thấy khi các sóng gặp nhau đồng bộ, chúng cộng gộp với nhau bằng một quá trình gọi là giao thoa tăng cường Các sóng gặp nhau không đồng bộ sẽ triệt tiêu lẫn nhau, hiện tượng này gọi là giao thoa triệt tiêu Đứng giữa hai thái cực này, những mức

độ khác nhau của giao thoa tăng cường và triệt tiêu xảy ra làm tạo ra sóng có phổ biên độ rộng Young cũng có thể quan sát thấy các hiệu ứng giao thoa trên màn hình đặt ở một khoảng cách nhất định phía sau hai khe Sau khi nhiễu xạ, ánh sáng tái kết hợp bằng giao thoa tạo ra dải vân sáng và tối dọc theo chiều dài của màn hình

Ta thấy sự lập luận của Young có vẻ hợp lí, nhưng vào thời điểm đó kết luận của Young không được chấp nhận rộng rãi, vì niềm tin đặt vào thuyết hạt quá

nhiều Ngoài quan sát sự giao thoa ánh sáng, Young còn cho rằng ánh sáng có các màu khác nhau gồm các sóng có bước sóng khác nhau, một khái niệm quan trọng được công nhận rộng rãi hiện nay Ngược lại, thuyết hạt cho rằng màu sắc ánh sáng khác nhau là do các hạt có khối lượng khác nhau hay các hạt truyền đi với vận tốc khác nhau

Hiệu ứng giao thoa không chỉ xảy ra với ánh sáng Các sóng nước tạo ra trên mặt ao, hoặc hồ, lan truyền theo mọi hướng và cũng có tính chất giao thoa tương tự Khi hai sóng kết hợp gặp nhau và cùng pha, chúng sẽ cộng gộp với nhau tạo ra một sóng lớn hơn bằng giao thoa tăng cường, khi các sóng ngược pha gặp nhau chúng sẽ triệt tiêu nhau tạo ra bề mặt phẳng trên mặt nước

Có một bằng chứng khác cho rằng bản chất sóng của ánh sáng được khẳng định khi nghiên cứu tính chất phân cực của nó (Hình 1.6)

Hình 1.6 Hạt và sóng khi đi qua các kính phân cực đặt vương góc nhau

Kính phân cực có cấu trúc phân tử đặc biệt chỉ cho phép ánh sáng có một định hướng nào đó truyền qua chúng Khi cho một chùm sáng tới đập vào kính phân cực, chỉ có những tia sáng định hướng song song với hướng phân cực mới

có thể truyền qua kính Nếu đặt một kính phân cực thứ hai phía sau kính thứ nhất

và định hướng giống như kính thứ nhất, thì ánh sáng truyền qua được kính thứ nhất cũng sẽ truyền qua được kính thứ hai Nhưng nếu quay kính phân cực thứ hai đi một góc nhỏ, thì lượng ánh sáng truyền qua nó sẽ giảm xuống Nếu quay kính phân cực thứ hai đến vị trí định hướng vuông góc với kính thứ nhất, thì không

có ánh sáng nào đã truyền qua được kính thứ nhất sẽ truyền qua được kính thứ hai Kết quả này dễ dàng giải thích được với thuyết sóng, còn việc vận dụng thuyết hạt không thể giải thích được ánh sáng bị chặn lại như thế nào bởi kính thứ hai

Do đó, thuyết hạt cũng không thể giải thích thỏa đáng hiện tượng giao thoa và nhiễu xạ, những hiệu ứng mà sau này người ta xem là thuộc cùng một bản chất

Từ kết quả quan sát với ánh sáng phân cực đủ để phán đoán rằng ánh sáng là sóng ngang có các thành phần vuông góc với hướng truyền sóng Mỗi thành phần ngang phải có một định hướng đặc biệt cho phép nó truyền qua hoặc là bị chặn lại bởi một kính phân cực Chỉ có những sóng có thành phần ngang song song với bộ lọc phân cực mới truyền qua được, còn những sóng khác đều bị chặn lại

Trong khi các nhà khoa học đang bị thuyết phục trước đặc trưng giống sóng của ánh sáng, nhưng vẫn còn chưa thể trả lời được thực ra ánh sáng thật ra là gì, thì nhà vật lí người Anh, James Clerk Maxwell, phát hiện thấy tất cả các dạng bức xạ điện từ đều có phổ liên tục và truyền qua chân không với cùng một tốc độ 3.108 m/s Phát hiện của Maxwell làm nền tảng cho thuyết hạt, từ đó các câu hỏi

cơ bản về ánh sáng, lí thuyết quang học cuối cùng đã được trả lời

Ngày nay, tính chất sóng của ánh sáng đã được thừa nhận và quan sát thông qua rất nhiều hiện tượng Một trong những hiện tượng hay được nhắc đến và sử

dụng để khảo sát đặc tính sóng của ánh sáng là thí nghiệm giao thoa ánh sáng của Young (Hình 1.7)

Hình 1.7 Thí nghiệm giao thoa ánh sáng của Young

Khi hai chùm sáng kết hợp gặp nhau chúng sẽ giao thoa với nhau Những

vị trí hai sóng gặp nhau mà cùng pha với nhau, chúng tăng cường lẫn nhau tạo thành các vân sáng Những vị trí hai sóng gặp nhau mà ngược pha với nhau, chúng triệt tiêu nhau tạo thành các vân tối Vị trí các vân sáng, tối trên màn quan sát được xác định thông qua các biểu thức sau [1, 5]:

D là khoảng cách từ mặt phẳng chứa hai khe đến màn quan sát,

a là khoảng cách giữa hai khe,

λ là bước sóng của ánh sáng

Thực nghiệm và lý thuyết chứng tỏ rằng các vân sáng cách nhau những khoảng

đều nhau và được gọi là khoảng vân i Các vân tối cũng cách đều nhau những khoảng i [1] (Hình 1.8)

S1

M

O

S2

D i a



Hình 1.8 Vị trí các vân sáng (S), tối (T) trong thí nghiệm giao thoa Young

Trong thực tế, công thức tính khoảng vân (1.3) thường được ứng dụng để xác định bước sóng ánh sáng khảo sát

Nếu dùng ánh sáng trắng thì hệ thống vân giao thoa của các ánh sáng đơn sắc khác nhau sẽ không trùng khít với nhau: ở chính giữa, vân sáng của các ánh sáng đơn sắc khác nhau nằm trùng với nhau cho một vân sáng trắng gọi là vân trắng chính giữa Ở hai bên vân trắng chính giữa, các vân sáng khác của các sóng ánh sáng đơn sắc khác nhau không trùng với nhau nữa, chúng nằm kề sát bên nhau

và cho những quang phổ có màu như ở cầu vồng [5] (Hình 1.9)

Hình 1.9 Hình ảnh trên màn thí nghiệm giao thoa Young với ánh sáng trắng

Hiện tượng giao thoa ánh sáng là bằng chứng thực nghiệm khẳng định ánh sáng có tính chất sóng

Cuối thế kỷ 19, lần đầu tiên các nhà khoa học đã khẳng định được với những điều kiện nhất định, ánh sáng có thể đánh bật các electron ra khỏi nguyên tử của một vài kim loại Mặc dù lúc đầu chỉ là một hiện tượng hiếm và không giải thích nổi, tuy nhiên người ta đã nhanh chóng phát hiện thấy ánh sáng cực tím có thể làm bật electron khỏi nguyên tử của nhiều kim loại, làm cho chúng tích điện dương Nhà vật lí người Đức Phillip Lenard đặc biệt quan tâm vào những quan sát này và ông đã đặt tên cho nó là “hiệu ứng quang điện” Đây là hiệu ứng thể hiện bản chất hạt của ánh sáng, chúng ta sẽ xem xét cụ thể ở phần sau của luận văn này

Vào năm 1905, Albert Einstein đề xuất rằng ánh sáng thực ra có một số đặc trưng hạt, bất chấp những bằng chứng nói về bản chất sóng của ánh sáng Trong khi phát triển thuyết lượng tử của mình, Einstein đề xuất về mặt toán học rằng các electron gắn liền với các nguyên tử trong kim loại có thể hấp thụ một số lượng ánh sáng nhất định (ban đầu đặt tên là lượng tử, nhưng về sau đổi tên là photon),

và như thế nó có năng lượng để thoát ra ngoài Quan điểm của ông cho rằng nếu năng lượng của photon tỉ lệ nghịch với bước sóng thì các bước sóng càng ngắn sẽ tạo ra những electron có năng lượng càng lớn, một giả thuyết được hình thành trên cơ sở những kết quả nghiên cứu của Lenard

Lí thuyết của Einstein được củng cố bởi các thí nghiệm của nhà vật lí người

Mĩ Arthur H Compton, ông đã chứng minh được photon có xung lượng, một yêu cầu cần thiết để củng cố lí thuyết vật chất và năng lượng có thể hoán đổi cho nhau Cũng tại thời điểm đó, nhà khoa học người Pháp Louis Victor-de Broglie cho rằng tất cả vật chất và bức xạ đều có những tính chất vừa giống sóng vừa giống

hạt Dưới sự chỉ dẫn của Max Planck, de Broglie đã ngoại suy công thức nổi tiếng của Einstein liên hệ khối lượng với năng lượng chứa luôn hằng số Planck [5]:

từ sự khúc xạ, phản xạ, giao thoa, và nhiễu xạ cho tới các hiệu ứng phân cực ánh sáng và hiệu ứng quang điện

1.2 Đặc tính lượng tử của ánh sáng

1.2.1 Thuyết lượng tử ánh sáng

Như đã trình bày ở mục 1.1, sau rất nhiều tranh luận của nhiều nhà khoa học, cuối cùng, ánh sáng cũng được khẳng định là có bản chất sóng và hạt Hai tính chất sóng - hạt của ánh sáng luôn tồn tại đồng thời và được gọi là lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng Trong mục này chúng ta đề cập đến tính chất hạt của ánh sáng

Nhà vật lí người Đức Max Planck là người đưa ra giả thuyết về lượng tử ánh sáng Theo đó, lượng năng lượng mà mỗi lần nguyên tử hoặc phân tử hấp thụ

hoặc bức xạ có một giá trị hoàn toàn xác định và bằng hf, trong đó là hằng số Plăng h = 6,625.10-34 J.s, còn f là tần số của ánh sáng bị hấp thụ hay được phát ra

(Hz) Lượng năng lượng nói trên được gọi là lượng tử năng lượng và kí hiệu là (J)

hf

Như vậy, theo giả thuyết của Planck, mỗi chùm ánh sáng đơn sắc truyền đi

sẽ mang một số nguyên lần lượng tử năng lượng  Giả thuyết này là cơ sở để chúng ta hiểu sâu sắc hơn về bản chất hạt của ánh sáng và Thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein

Thuyết lượng tử ánh sáng do Einstein đề xuất và được hoàn thiện sau này

có những nội dung cơ bản sau đây [1, 5]:

 Ánh sáng được tạo thành bởi các hạt gọi là photon

 Trong chùm ánh sáng đơn sắc có tần số f thì mỗi photon có một năng lượng

không đổi là

Max Planck (1858-1947)

Hình 1.10 Người đưa ra giả thuyết về lượng tử ánh sáng

hc hf

 Trong chân không, photon bay với tốc độ c = 3.108 m/s dọc theo tia sáng

 Mỗi lần nguyên tử hay phân tử phát xạ hoặc hấp thụ thì chúng phát xạ và hấp thụ một photon

 Photon chỉ tồn tại trong trạng thái chuyển động, không có photon đứng yên Như vậy, thuyết lượng tử ánh sáng (hay còn gọi là thuyết photon) có nội dung phù hợp với giả thuyết Planck Đây chính là những căn cứ quan trọng giúp chúng ta lý giải được nhiều hiện tượng vật lý thú vị, chẳng hạn hiện tượng quang điện

1.2.2 Hiện tượng quang điện

Thí nghiệm của Hertz về hiện tượng quang điện thực hiện vào năm 1887 Thí nghiệm được tiến hành như sau: Đầu tiên, gắn một tấm kẽm tích điện âm vào cần của một tĩnh điện kế, kim của tĩnh điện kế lệch đi một góc nào đó Sau đó, chiếu một chùm sáng do một hồ quang phát ra vào tấm kẽm thì góc lệch của kim tĩnh điện kế giảm đi (Hình 1.11) Hiện tượng tương tự cũng xảy ra khi thay kẽm bằng kim loại khác Từ đó, người ta chứng minh được rằng nguyên nhân làm kim điện kế thay đổi và tấm kim loại trở nên “dương” là do ánh sáng hồ quang đã làm bật electron khỏi mặt tấm kẽm

Hiện tượng ánh sáng làm bật các electron ra khỏi mặt kim loại (như trong thí nghiệm của Hertz) gọi là hiện tượng quang điện