Tiến trình phát triển nhận thức của con người về bản chất ánh sáng luận văn thạc sỹ vật lý

Hình 1.6: Thí nghiệm hai khe Young Hình 1.7: Hạt và sóng đi qua các kính phân cực đặt vuông góc Hình 1.8: Sự truyền của sóng điện từ Chương II: Hình 2.1: Phân bố Planck W  Hình 2.2:

VINH, 2012

Mã số:60 44 01 09

Người hướng dẫn khoa học:

PGS.TS NGUYỄN HUY CÔNG

VINH, 2012

3

Ánh sáng “ điều kỳ diệu quanh ta”

Nguyễn Huy Công (1)

Ánh sáng là nguồn sống Nó cho phép chúng ta tri giác

và hiểu thế giới, tiến hóa trong thế giới, tương tác với thế giới, chinh phục các vùng đất, các đại dương và không gian

Ánh sáng giúp ta đánh giá được vẻ đẹp, sự lộng lẫy và hài hòa của vũ trụ quanh ta

Và ánh sáng cho con người niềm tin hi vọng, một khởi đầu mới mẻ, một trái tim tràn đầy yêu thương và một ngày mai tươi sáng

Hãy yêu cuộc sống vì biết đâu ngày nào đó ta không còn nhìn thấy ánh sáng

(1)Trường Đại học Điện lực

(2)Học viên chuyên ngành quang học Khoá 18, Đại học Vinh

4

LỜI CÁM N

Khoá luận tốt nghiệp này là kết quả nghiên cứu trong nhiều tháng nỗ lực của bản thân em dưới sự hướng dẫn, giúp

đỡ của rất nhiều người

Qua bản khoá luận này cho phép em bày tỏ lòng biết ơn chân thành, sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Huy Công đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành khoá luận tốt nghiệp

Em cũng xin gửi lòng biết ơn sâu sắc đến các Thầy đã đào tạo cho em không chỉ về kiến thức chuyên môn mà cả về kỹ năng sống, học tập và làm việc

Khoá luận này cũng là một lời cảm ơn tới những người thân của em - những người luôn ở bên cạnh quan tâm em giúp

đỡ em hoàn thành khoá luận

VINH, 15/07/2012 Học viên Trần Thị Thu Thủy

1.1 Ánh sáng trong con mắt của người cổ và trung đại

1.2 Quan điểm về bản chất ánh sáng thế kỷ XVII đến XIX

6

Kết luận chương 2

Chương 3: MỘT SỐ ỨNG DỤNG

CỦA LASER TRONG ĐỜI SỐNG

3.1 Nguyên lý cơ bản về sự khuếch đại ánh sáng 3.2 Cơ chế tạo nghịch đảo nồng độ trong laser rắn

3.3 Sơ lược lịch sử phát triển laser

3.4 Một số ứng dụng của laser trong đời sống

3.4.1 Sử dụng Laser trong thông tin liên lạc, điều

khiển

3.4.2 Sử dụng Laser trong công nghiệp, cơ khí

3.4.3 Sử dụng Laser trong đo lường tiêu chuẩn

3.4.4 Sử dụng Laser trong y học

3.4.5 Sử dụng Laser trong thiên văn, khí tượng

3.4.6 Sử dụng Laser trong nghiên cứu vũ trụ

7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.6: Thí nghiệm hai khe Young

Hình 1.7: Hạt và sóng đi qua các kính phân cực đặt vuông góc

Hình 1.8: Sự truyền của sóng điện từ

Chương II:

Hình 2.1: Phân bố Planck W 

Hình 2.2: Thí nghiệm về hiệu ứng quang điện

Hình 2.3 Hình ảnh các vân giao thoa

Chương III:

Hình 3.1: Cơ chế khuếch đại ánh sáng

Hình 3.2: Laser thể rắn hồng ngọc

Hình 3.3: Vệ tinh SPOT 4 ở quỹ đạo cách trái đất 832 km

Hình 3.4: Hình ảnh minh họa một tiểu hành tinh đang đâm vào

trái đất

Hình 3.5: Tiểu hành tinh Apophis đang nhằm hướng về Trái Đất

(Ảnh minh họa từ internet)

Hình 3.6: Ảnh minh họa các phi hành gia dùng chất nổ phá hủy

tiểu hành tinh

Hình 3.7: Dùng laser để hàn vật liệu với độ chính xác cao

Hình 3.8: Laser cường độ mạnh dùng vật liệu rất nhanh và chính

xác

Hình 3.9: Ứng dụng của laser trong phép đo khoảng cách

Đồ thị tổng quan về tiến trình phát triển ánh sáng

) 0

 : độ điện thẩm của chân không

 : hằng số điện môi

0

 : độ từ thẩm của chân không

: độ từ thẩm của môi trường

n : chiết suất của môi trường

: bước sóng ánh sáng

 : độ dẫn điện

I: cường độ ánh sáng truyền qua môi trường hoạt

I0: Cường độ ánh sáng trong chân không

G: độ phẩm chất của môi trường hoạt

h

G : hệ số mất mát của môi trường hoạt

10

Như chúng ta đã biết, ánh sáng là đối tượng mà con người tiế p xúc đầu tiên khi mở mắt chào đời và cũng là đối tượng tiếp xúc cuối cùng khi con người vĩnh biệt thế giới này để đi về cõi vĩnh hằng

Người bạn ánh sáng mang đến sự sống và song hành với chúng ta trong cuộc sống hàng ngày được sinh ra từ đâu? Bản chất của ánh sáng là như thế nào? Có vô vàn những câu hỏi và những thắc mắc mà con người

đã đặt ra cho ánh sáng Tuy rằng ánh sáng được loài người say mê nghiên cứu, nhưng dường như người bạn này lại rất thích chơi trò “đánh đố” Gần gũi với con người đến như vậy, nhưng việc hiểu bản chất thực sự của

“người bạn” này cũng như cách thức mô tả nó là cả một vấn đề khoa học hết sức hóc búa và phức tạp

Hết thế hệ này sang thế hệ khác, hết thế kỷ này sang thế kỷ kia, con người vẫn cứ miệt mài tìm tòi về bản chất của nó Có những giai đoạn tưởng chừng như đã tìm ra, nhưng rồi các “gợi ý” mới về bản chất của ánh sáng lại xuất hiện và con người lại cứ tiếp tục kiếm tìm Có nhà khoa học đã định nghĩa một cách rất độc đáo: “Ánh sáng là chỗ tối nhất của khoa học”

Vì vậy việc tìm hiểu và trình bày một cách tổng quan, đầy đủ về tiến

trình phát triển của lý thuyết về ánh sáng, theo chúng tôi suy nghĩ, là một việc làm thiết thực và có ý nghĩa, giúp chúng ta có dịp nắm bắt một cách toàn diện hơn về ánh sáng, đồng thời biết nâng niu và trân trọng hơn đối với những thành tựu, những phát kiến vĩ đại của các nhà vật lý từ trước cho đến nay Đó là những nhà khoa học đã miệt mài làm việc để cho chúng ta có những kiến thức quý báu về ánh sáng làm cơ sở để phát hiện

ra nhiều hiệu ứng mới, phái minh ra những thành tựu khoa học mới

Với lý do trên, chúng tôi chọn đề tài:

TIẾN TRÌNH PHÁT TRIỂN NHẬN THỨC CỦA CON

NGƯỜI VỀ BẢN CHẤT ÁNH SÁNG

Điều này cũng còn có ý nghĩa trong việc tạo nên niềm đam mê học tập và nghiên cứu, tìm hiểu về ánh sáng trong các thế hệ tr tương lai của đất nước Vấn đề bản chất ánh sáng đã từng là chỗ tối nhất trong Khoa học sẽ dần dần được làm rõ, giúp cho nhân loại hiểu được bản chất thực

sự của ánh sáng cũng như tiến một bước xa trên con đường chinh phục ánh sáng

Ngoài phần Mở đầu, Kết luận, Tài liệu tham khảo và Phụ lục, Luận văn gồm 03 chương nội dung:

 Chương 1 nói về lược sử hình thành các quan điểm của bản chất ánh sáng

3 ĐỐI TƯ NGVÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

3.1 ĐỐI TƯ NG NGHIÊN CỨU

a Các quan điểm về bản chất ánh sáng

-Sự ra đời các quan điểm này như thế nào?

-Nội dung các quan điểm

b Các lý thuyết về bản chất ánh sáng

c Sử dụng Laser trong đời sống

-Sử dụng Laser trong thông tin liên lạc, điều khiển

-Sử dụng Laser trong công nghiệp, cơ

-Sử dụng Laser trong đo lường tiêu chuẩn

-Sử dụng Laser trong y học

-Sử dụng Laser trong thiên văn, khí tượng

-Sử dụng Laser trong nghiên cứu vũ trụ

3.2 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

-Từ lúc nền văn minh loài người bắt đầu xuất hiện cho đến nay

-Tập trung nghiên cứu các quan điểm, các thuyết có tính chất nền tảng trong sự phát triển Khoa học nói riêng và Vật lý nói chung

-Nghiên cứu qua sách, báo khoa học, các trang kiến thức khoa học trên internet, các tài liệu tham khảo khác

4 PHƯ NG PHÁP NGHIÊN CỨU

 Nghiên cứu lý thuyết:

- Tìm tài liệu

- Đọc tài liệu

- Phân tích tổng hợp và so sánh khái quát

12

- Khảo sát các ứng dụng thực tế của ánh sáng

 Thống kê số liệu: thống kê, xử lí, đánh giá kết quả thực tế đạt được

5 NHỮNG Đ NG G P MỚI CỦA ĐỀ TÀI:

*Xây dựng được bộ tư liệu tương đối đầy đủ về tiến trình phát triển nhận thức của con người về ánh sáng

* Luận văn có thể được xem như một bức tranh kiến thức cơ bản

khái quát về lược sử hình thành các quan điểm về bản chất ánh sáng từ thời cổ đại cho đến nay Qua bức tranh này chúng ta thấy, mặc dầu ánh sáng là “người hàng xóm” gần gũi với con người song không phải một sớm, một chiều mà con người có thể hiểu đúng, hiểu đầy đủ về bản chất của nó Rất may là cho đến nay, con người đã qua giai đoạn tìm hiểu bản chất của ánh sáng nói riêng và của trường điện từ nói chung Vấn đề bây giờ là trên cơ sở các hiểu biết về ánh sáng, con người đang tìm cách sử dụng nó một cách thiết thực và hiệu quả nhất để phục vụ lại cho chính con người

* Hy vọng rằng luận văn sẽ là một tài liệu tham khảo cho các nhà vật lý nói chung và cho các thầy, cô giáo ở cấp phổ thông trung học nói riêng có thêm một tài liệu bổ ích giúp cho quá trình giảng dạy của mình

về quang học được chính xác và sinh động hơn

6 GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI:

Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu những vấn đề cơ bản của ánh sáng, thành tựu và một số ứng dụng quan trọng của ánh sáng, không đi sâu vào kiến thức chuyên ngành

Chương 1

LƯ C S HÌNH THÀNH CÁC QUAN ĐIỂM VỀ BẢN CHẤT ÁNH SÁNG

13

Con đường hình thành quan điểm về ánh sáng:

Ánh sáng là một trong những điều kì lạ trong thế giới ta đang sống Ta chưa biết

gì nhiều về ánh sáng và những gì ta biết chưa hẳn là đã hoàn toàn chính xác Người

ta mới chỉ có thể dựa trên tác động của ánh sáng để “mô tả”, chứ chưa thể nói là lý giải một cách thích đáng Câu hỏi lý thú về bản chất của ánh sáng đã được nêu ra ngay từ thời cổ Hy Lạp Câu hỏi đó thoạt đầu càng có vẻ đơn giản bao nhiêu, thì trái lại,việc có được một câu trả lời minh bạch càng khó khăn bấy nhiêu Sau đây, chúng

ta thử tìm hiểu quá trình lịch sử về sự tồn tại các quan điểm về bản chất ánh sáng

1.1 ÁNH SÁNG TRONG CON MẮT CỦA NGƯỜI CỔ VÀ TRUNG ĐẠI

Empédocle (khoảng 490 - 435 TCN) là tác giả của lý thuyết về thị giác

xa xưa nhất Liên quan đến ánh sáng, Empédocle cho rằng mắt truyền các “tia thị giác” đến thế giới bên ngoài Sở dĩ có lý thuyết về các tia thị

giác này một phần là do niềm tin dân gian cho rằng các con mắt có chứa

“lửa‟‟ Theo Empédocle, ánh sáng không đi theo một chiều từ mắt tới vật; ánh sáng còn đi theo chiều ngược lại, từ vật đến mắt

Leucippe (khoảng 460-370 TCN): Trái ngược với “lửa” trong mắt của

Empédocle thoát ra thế giới bên ngoài, Leuccipe cho rằng thế giới thị giác

đến với chúng ta, và do đó, về thực chất, thị giác là một trải nghiệm thụ động[5] Dưới tác động của ánh sáng, các hình ảnh về các vật quanh ta –

mà Leucippe đặt cho một tên riêng bằng tiếng Hy Lạp là các eidonlon có

nghĩa là các ảo ảnh – sẽ tách khỏi bề mặt của vật, như da của một con rắn

lột xác tách khỏi cơ thể, và đi đến mắt chúng ta

Démocrite (460-370 TCN): Các quan điểm của Démocrite về ánh sáng

và thị giác đều dựa trên học thuyết nguyên tử Ông chấp nhận bốn màu cơ

bản của Empédocle – đen, trắng, đỏ và vàng-xanh, nhưng thêm vào đó các màu khác gọi là các màu thứ cấp, như lục và nâu Khác với Empédocle, Démocrite không gắn các màu cơ bản cho bốn nguyên tố, mà gắn cho các nguyên tử có hình dạng khác nhau Theo Démocrite, các màu (và các đặc tính giác quan khác như mùi và vị) không hiện hữu trong bản

thân các vật.Platon (428-347 TCN): Ở Platon, ánh sáng thuộc vào hạng

siêu hình Mặt Trời là con của cái Thiện, và mắt, nhạy cảm với ánh sáng,

là một cơ quan gắn chặt nhất với Mặt Trời

Như vậy thị giác là kết quả của sự tổng hợp của ba quá trình bổ sung cho nhau Mắt phát ra lửa, lửa kết hợp với ánh sáng xung quanh để tạo

thành một chùm sáng duy nhất Chùm sáng này được phóng thẳng ra phía trước cho đến khi gặp bề mặt của một vật; ở đó, nó gặp tia các hạt do vật phát ra dưới tác dụng của ánh sáng xung quanh và kết hợp với chùm sáng ban đầu Tia các hạt này chứa thông tin về tình trạng của vật, màu sắc và

14

kết cấu của nó Sau đó chùm sáng co lại để truyền đến mắt những thông tin này

Aristolte (384-322 TCN), học trò của Platon, là một triết gia thuộc

trường phái tự nhiên, ông có cái nhìn cụ thể hơn và kinh nghiệm hơn về hiện thực, đồng thời ông cũng là người bác bỏ thế giới Ý niệm của Platon Liên quan đến thị giác, Aristolte bác bỏ dứt khoát các “tia thị giác” của Empédocle, bởi theo ông lý thuyết này không giải thích được tại sao chúng ta không nhìn thấy trong bóng tối Ông cũng bác bỏ quan niệm của Platon về các hạt thoát ra từ bề mặt các vật để đi vào mắt người

quan sát Theo ông, sự tri giác các vật được thực hiện không phải thông qua dòng vật chất, mà bởi ấn tượng của chúng lên các giác quan, cũng

giống như sáp tiếp nhận dấu ấn của chiếc nhẫn nhưng không tước mất của

nó cái chất, sắt hay vàng, đã tạo nên chiếc nhẫn đó Như vậy mắt tiếp nhận các ấn tượng về màu sắc, hình dạng, chuyển động,… Aristolte cho rằng tồn tại hai màu cơ bản: đen và trắng Tất cả các màu khác bắt nguồn

từ sự hòa trộn hai màu cơ bản này và biểu hiện các “phẩm chất trung gian”,ở đây,ông giải thích sự hòa trộn 2 màu cơ bản tạo thành các màu khác có sự đóng góp của “nhiệt” Các màu khác cũng có thể bắt nguồn từ

sự hòa trộn giữa đen và trắng trong một môi trường bán trong suốt: đó là trường hợp các màu nâu đỏ hoặc da cam của cảnh hoàng hôn

Euclide (khoảng 300 TCN): Ông đã dùng toán học để áp dụng cho các

hiện tượng tự nhiên, Euclide đưa ra tiên đề về tập hợp các “tia thị giác” chứa trong một hình nón mà đỉnh của nó là tâm của mắt và đáy là phạm

vi nhìn thấy của mắt Nhờ có tiên đề mặt nón thị giác này và nhờ các tính toán hình học, ông đã giải thích được tại sao cây ở xa trông lại nhỏ hơn cây ở gần

Claude Ptolémée (khoảng 100-178): Ptolémée cho rằng mắt đồng thời vừa là máy phát vừa là máy thu: mắt phát ra các “tia thị giác” có cùng

bản chất với ánh sáng và màu sắc Ptolémée cũng đưa ra tiên đề về “mặt nón thị giác”, nhưng khác với Euclide, ông cho rằng mặt nón này không chứa một tập hợp các “tia thị giác” tách biệt, mà chứa một continuum các tia có mật độ lớn nhất ở trung tâm, tại đó mắt nhìn thấy rõ nhất, nhưng giảm dần ở rìa mép nơi các chi tiết nhoè mờ hơn Theo ông, “mặt nón thị giác” bản thân nó không đủ; còn cần phải có thêm ánh sáng bên ngoài để được khởi phát sự hoạt động của nó Chẳng hạn, khi “mặt nón thị giác” quét lên bề mặt của một vật, nó chỉ tương tác với vật ấy nếu có ánh sáng xung quanh Ánh sáng bên ngoài này càng mạnh thì tương tác càng mạnh Điều này giải thích tại sao chúng ta không nhìn được trong bóng tối[4]

15

Ptolémée cũng suy nghĩ về hành trạng của ánh sáng khi nó phản xạ trên

một bề mặt (định luật phản xạ) hay đổi hướng khi đi từ môi trường này sang môi trường khác (định luật khúc xạ) Ông cũng là người đầu tiên miêu tả các màu hòa trộn với nhau như thế nào trong mắt của con người Ông đã vẽ các màu khác nhau trên một bánh xe sau đó quay bánh xe thật nhanh Mắt không có đủ thời gian để phân biệt từng màu một, mà chỉ nhìn thấy các màu này bị trộn vào nhau Ngoài ra, ông còn nhận thấy sự hòa trộn các màu còn có thể là kết quả của khoảng cách: Một bức tranh ghép các màu sáng nhìn từ xa có thể cho ấn tượng về màu xám[4]

Claude Galien (130-200) cùng với Hippocrate là hai bác sỹ vĩ đại nhất

thời Cổ đại Ông là một gương mặt lớn góp phần phát triển các ý tưởng

về ánh sáng Galien đã lấy lại một số quan niệm của Aristolte: dưới ảnh hưởng kết hợp của linh khí thị giác và ánh sáng, không khí bao quanh ta chịu một biến đổi làm cho mắt nhìn thấy được Các màu sắc cũng làm cho

không khí biến đổi Theo Galien, trung tâm của thị giác là thủy tinh thể

Alhazen (965-1040) Theo ông, các tia sáng thật sự tồn tại Chúng lan

truyền theo đường thẳng Khi ánh sáng xung quanh chạm vào một vật liền bị vật này phản xạ, từ mỗi điểm trên bề mặt của một vật có màu, các chùm tia sáng lan tỏa theo tất cả các hướng, và chỉ một tỉ lệ nhỏ của

chúng đi vào mắt chúng ta Ở đây Alhazen đã đưa ra ý tưởng về sự tán xạ

ánh sáng[5]

Rober Bacon (1214-1292), người Anh Trong các sách chuyên luận về

ánh sáng và màu sắc, ông đã cố gắng tổng hợp các quan niệm của Aristote về ánh sáng và màu sắc (vốn là các “dạng thức” phi vật chất) và các quan niệm của Alhazen (màu sắc được truyền bởi các tia phát ra từ tất

cả các điểm của vật) Theo Bacon, mọi vật phóng theo đường thẳng về tất

cả các hướng một cái gì đó thuộc tính chất của nó mà ông gọi là “loài” Chẳng hạn, Mặt trời phát ra các “loài” sáng

Francesco Maria Grimaldi (1618-1663): Ông đã tìm ra phương thức

truyền ánh sáng thứ 4 ngòai 3 phương thức trước đó đã tìm thấy là theo

đường thẳng, bằng phản xạ trên một mặt phẳng như gương chẳng hạn, và bằng khúc xạ khi thay đổi môi trường Phương thức thứ 4 đó là nhiễu xạ ánh sáng Nghiên cứu này của ông được công bố vào năm 1665

Những quan điểm này vừa có những mâu thuẫn không được giải quyết nhưng lại bổ sung cho nhau từ đó bước đầu hình thành những quan điểm đầu tiên về ánh sáng Và những thế kỷ sau bí ẩn về ánh sáng dần được hé mở

Qua việc tìm hiểu những quan điểm về bản chất của ánh sáng trong thời cổ và trung đại, chúng ta có thể nhận ra tầm quan trọng trong việc

16

nhận thức bản chất của ánh sáng khi những quan điểm về bản chất của ánh sáng xuất hiện rất sớm ngay từ lúc nền văn minh loài người bắt đầu xuất hiện Mặc dù có những hạn chế về nhiều mặt nhưng trong thời kỳ này quá trình nhận thức về bản chất ánh sáng của loài người cũng đã có những nét đáng lưu ý

1.2 QUAN ĐIỂM VỀ BẢN CHẤT ÁNH SÁNG THẾ XVII ĐẾN XIX

1.2.1 Thế kỉ XVII- XVIII

1.2.1.1 Huygens: Cha đẻ l thuyết sóng ánh sáng

Theo Huygens, ánh sáng không thể bắt nguồn từ sự dịch chuyển các

hạt của vật sáng tới mắt Theo ông, ánh sáng lan truyền trong không gian cũng giống như sóng được sinh ra khi ta ném một viên đá xuống

ao, nó sẽ truyền trên khắp mặt nước

*Ánh sáng theo quan điểm của Huygens:

Huygens dựa trên khái niệm ánh sáng là sóng: Sóng ánh sáng

truyền trong không gian qua trung gian ête, tồn tại như một thực thể vô hình trong không khí và không gian nhờ vậy mà sóng ánh sáng có thể truyền chuyển động không những cho tất cả những hạt khác tiếp xúc với

nó mà còn cho tất cả những hạt khác tiếp xúc với hạt đó và cản chuyển động của nó

Christiaan Huygens (1629-1695) trong một gia đình

ưu tú ở Hà Lan, được coi là nhà toán học và vật lý

học lớn nhất thời kỳ giữa Galileo và Newton

17

Hình 1.1: Ánh sáng là sóng

Cơ chế truyền sóng: Theo Huygens, một nguồn sáng bao gồm

vô số các hạt rung động Các hạt này truyền rung động của chúng tới các hạt ête bên cạnh dưới dạng các sóng cầu có tâm tại mỗi một hạt rung này

Vô số các sóng cầu này được truyền đi, và bán kính tác dụng của chúng tăng dần theo thời gian Chúng chồng chập lên nhau và biểu hiện hỗn độn của chúng ở gần nguồn sáng giảm dần khi các sóng truyền ra xa nguồn sáng Càng xa nguồn sáng, sóng càng trở nên trơn và đều đặn hơn

Tính chất của sóng ánh sáng: Ánh sáng truyền nhanh hơn rất

nhiều so với âm thanh, điều mà mọi người có thể nhận thấy khi trời có giống, ta nhìn thấy chớp sớm hơn nhiều khi nghe thấy tiếng sấm Huygens giải thích sự chênh lệch lớn về vận tốc này là do có độ chênh lệch lớn về độ cứng giữa không khí và ête Vận tốc lan truyền của một sóng tăng theo độ cứng của môi trường trong suốt Huygens thừa nhận rằng các hạt ête cứng và rắn đến mức chúng truyền mọi nhiễu động hầu như tức thời Chỉ cần một sự rung nhẹ ở đầu bên này của một hạt ête là ngay lập tức nó sẽ được truyền sang đầu bên kia Ngược lại, các hạt không khí mềm hơn và truyền các rung động chậm hơn rất nhiều

*Từ đó, ông giải thích các hiện tượng như sau:

Hiện tượng phản xạ: 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

18

Hình 1.2: Sự phản xạ của sóng ánh sáng

Hiện tượng khúc xạ ánh sáng: Huygens cho rằng vận tốc ánh

sáng trong một chất bất kì tỉ lệ nghịch với chiết suất của nó Như vậy, vận tốc của ánh sáng trong không khí lớn hơn vận tốc ánh sáng trong nước

nó sẽ uốn cong vào môi trường thứ hai, do đó làm thay đổi hướng truyền

Hiện tượng nhiễu xạ: Thuyết sóng của Huyghens chưa giải

sáng là hạt

19

* Newton quan niệm ánh sáng có tính chất hạt Ánh sáng được coi như

những dòng hạt đặc biệt nhỏ bé được phát ra từ các vật phát sáng và bay theo đường thẳng trong môi trường đồng chất

Ông bác bỏ giả thuyết sóng ánh sáng vì nếu ánh sáng có bản chất

sóng, như âm thanh, thì trong những điều kiện như nhau, chúng ta sẽ phải nhìn thấy ánh sáng giống như nghe thấy âm thanh

*Từ cơ sở đó, ông giải thích các hiện tượng như sau:

Nguyên nhân tạo ra màu sắc: Do kích thước của các hạt Các hạt

nhỏ nhất tạo ra cảm giác màu tím, các hạt lớn hơn gây ra cảm giác về màu chàm, và cứ tiếp tục như vậy hạt màu đỏ sẽ là lớn nhất Bởi vì tồn

tại bảy màu cơ bản, nên các hạt phải có bảy loại kích thước khác nhau Như vậy sự tổng giác của chúng ta về các màu là biểu thị chủ quan của một hiện thực khách quan được quy định bởi kích thước của các hạt

Giải thích các định luật phản xạ, khúc xạ và nhiễu xạ, Newton đã đưa vào các lực hút và đẩy giữa các hạt ánh sáng, những hạt mà nếu để tự do chúng sẽ truyền theo đường thẳng

Hiện tượng phản xạ: Do sự phản xạ của các quả cầu đàn hồi trong

chùm sáng khi va chạm và 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 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

20

Hình 1.4: Sự phản xạ của hạt ánh sáng

Hiện tượng khúc xạ: Do tác dụng của mặt phân giới lên hạt ánh

sáng làm cho hạt đó thay đổi hướng truyền và bị gãy khúc ở mặt phân cách giữa hai môi trường 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 dẫn đến vận tốc ánh sáng trong môi trường nước hay thủy tinh lại lớn hơn vận tốc ánh sáng trong môi trường khí

Tán sắc ánh sáng qua lăng kính: Ông đưa ra giả thuyết cho rằng

trên bề mặt của một vật trong suốt tồn tại một vùng rất mỏng ở đó có một lực tác dụng để kéo các tia sáng vào bên trong nó Vì vậy, các hạt màu tím, do chúng nhỏ hơn, sẽ bị hút bởi một môi trường đặc hơn không khí mạnh hơn so với các hạt lớn hơn có màu đỏ, tức các hạt màu tím bị lệch khỏi đường đi ban đầu của nó nhiều hơn các hạt màu đỏ Như vậy, Newton đã giải thích được tại sao các chùm đơn sắc khác nhau lại bị lệch hướng khác nhau bởi cùng một môi trường, và tại sao một chùm đơn sắc

bị lệch hướng khác nhau trong các môi trường trong suốt khác nhau

21

Hiện tượng nhiễu xạ: Ông giải thích là do có một lực đẩy có

tác dụng đẩy các hạt ánh sáng vào trong bóng tối hình học của một vật

Tuy thuyết hạt của Newton đã được sự chấp nhận rộng rãi, nhưng một thí nghiệm đặc biệt, cũng do chính ông thực hiện đã khiến chúng ta phải suy nghĩ

Khi Newton đặt một thấu kính phẳng lồi lên trên một tấm thủy tinh (với mặt phẳng ngửa lên trên) và chiếu sáng tất cả bằng ánh sáng đơn sắc, ông đã phát hiện ra một hiện tượng quang học mới rất lạ Nhiều vòng tròn đồng tâm (ngày nay được gọi là các “vân tròn Newton”) xuất hiện, đan xen giữa vân đen và vân màu Hoàn toàn tự nhiên, Newton giải thích các vân đen là vùng ở đó ánh sáng bị thấu kính phản xạ, và các vân màu

là các vùng ở đó ánh sáng được truyền qua Nhưng làm thế nào có thể giải thích được một hạt ánh sáng, khi đến bề mặt của thấu kính, lúc thì phản xạ lúc thì được truyền qua?

Và do đó ông lại đặt ra một giả thuyết mới, ông cho rằng mỗi hạt ánh sáng có một tính chất gọi là “accès” Hạt có “accès” truyền qua thì dễ dàng truyền qua còn hạt có “accès” phản xạ thì dễ phản xạ Rõ ràng, giả thuyết này của Newton đưa ra lại làm nảy sinh thêm vấn đề khi cần phải có thêm một lí thuyết mới nữa để giải thích cái tính chất gọi là

“accès” này Như vậy thì lí thuyết hạt của Newton có hoàn toàn hợp lí hay không?

1.2.1.3 Leonhard Euler (1707 – 1783)

Sự hồi sinh của l thuyết sóng ánh sáng:

Sau khi quyển “Optiks” của Newton được xuất bản năm 1704, suốt thế kỷ XVIII đã diễn ra cuộc tranh luận về bản chất của ánh sáng với hai quan điểm trái ngược nhau: quan điểm cho rằng bản chất ánh sáng là sóng

và quan điểm cho rằng bản chất ánh sáng là hạt Suốt thế kỷ này, lý thuyết hạt ánh sáng của Newton đã lấn át tuyệt đối lý thuyết sóng ánh sáng mà Huygens đề xuất Do đó thuyết thuyết hạt ánh sáng được các nhà

22

vật lý trong thời kì này chấp nhận nhưng vẫn có một quan điểm chống lại

quan điểm ánh sáng là hạt đó là quan điểm của nhà toán học Leonhard Euler (1707 – 1783)

Ông cho rằng có sự tương tự

hóa giữa ánh sáng và âm thanh

“có một sự hài hòa tương tự giữa

các nguyên nhân và các tính chất

khác của âm thanh và ánh sáng,

và như vậy lý thuyết âm thanh

chắc chắn sẽ làm sáng tỏ rất

nhiều lý thuyết ánh sáng”

Một trong những điểm tiến

bộ trong quan niệm sóng của

Euler là ông cho rằng: mỗi một

màu của ánh sáng được đặc trưng

bởi một bước sóng nhất định

Như vậy, Euler là người đầu tiên gắn kết các khái niệm bước sóng

và tần số với màu sắc

Thế kỷ XVIII khép lại, quan niệm ánh sáng là sóng vẫn chìm nổi

với chỉ một tiếng nói bảo vệ thuyết sóng của Euler Tuy chưa đầy đủ nhưng luận điểm của Euler đã thể hiện sự tiến bộ so với các tiền bối bởi ông đã đưa ra một cách giải thích chấp nhận được về nguồn gốc các màu sắc mà trước đó cả Newton lẫn Huygens đều không thể có một cách giải thích đúng đắn

Bước sang thế kỷ XIX, chúng ta sẽ được chứng kiến sự hồi sinh và phát triển vượt bậc của l thuyết sóng ánh sáng Ở nửa đầu thế kỷ này

đã diễn ra một cuộc cách mạng trong lĩnh vực quang học tương tự như cuộc cách mạng của Copernic và Galilée trước đó gần ba thế kỷ Hai

nhân vật có vai trò to lớn cho cuộc cách mạng trong quang học là Thomas Young và Augustin Fresnel[6]

1.2.2 Thế kỉ XIX

1.2.2.1 Thomas Young (1773 – 1829), người Anh

23

Gần 100 năm sau khi

Newton và Huygens đề xuất lí

thuyết của họ, một nhà vật lí người

Anh tên là Thomas Young đã thực

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 nữa, hoàn toàn đồng bộ với nhau, được tạo ra (hình 1.6) Ánh sáng từ mỗi khe truyền tới một điểm nằm giữa hai khe phải hoàn toàn đồng bộ với nhau Tuy nhiên, 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 hủy nhau tạo nên bóng tối

Đúng như ông nghi ngờ, Young phát hiện thấy khi các sóng ánh sáng từ bộ khe thứ hai bị trải ra (hay nhiễu xạ), chúng gặp nhau và chồng chập lên nhau 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 hủy lẫn nhau, hiện tượng này gọi là giao thoa triệt tiêu Ở 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

24

Hình 1.6: Thí nghiệm hai khe Young

Mặc dù có v quan trọng, nhưng kết luận của Young không được chấp nhận rộng rãi vào lúc đó, chủ yếu do bởi niềm tin quá mãnh liệt vào thuyết hạt Ngoài quan sát sự giao thoa ánh sáng, Young còn cho rằng ánh sáng có các màu khác nhau gồm các sóng có chiều dài khác nhau, một khái niệm cơ sở được công nhận rộng rãi hiện nay Trái lại, thuyết hạt chủ trương rằng màu sắc ánh sáng khác nhau là do các hạt có khối lượng khác nhau hoặc truyền đi với vận tốc khác nhau

Hiệu ứng giao thoa không chỉ giới hạn có ánh sáng Các sóng tạo ra trên mặt hồ, hoặc ao, sẽ trải ra theo mọi hướng và chịu sự hành xử tương tự Khi hai sóng gặp nhau đồng bộ, chúng sẽ cộng gộp với nhau tạo ra một sóng hơn bằng giao thoa tăng cường Các sóng chạm nhau không đồng bộ

sẽ hủy nhau qua giao thoa triệt tiêu và tạo ra bề mặt phẳng trên nước Thêm một bằng chứng nữa cho bản chất giống sóng của ánh sáng được phát hiện khi hành trạng của chùm sáng giữa các kính phân cực đặt chéo nhau được nghiên cứu tỉ mỉ (hình 1.7) Kính phân cực có cấu trúc phân tử độc nhất vô nhị chỉ cho phép ánh sáng có một định hướng nào đó truyền qua chúng Nói cách khác, kính phân cực có thể được xem như một loại màn che đặc biệt có các hàng thanh nhỏ xíu định theo một hướng bên trong chất phân cực Nếu 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

25

Hình 1.7: Hạt và sóng đi qua các kính phân cực đặt vuông góc

Tuy nhiên, nếu quay kính phân cực thứ hai đi một góc nhỏ, thì lượng ánh sáng truyền qua nó sẽ giảm xuống Khi 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 Thật vậy, 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 hiện tượng Kết quả quan sát với ánh sáng phân cực đủ để phát triển khái niệm ánh sáng gồm các 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 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

1.2.2.2 Augustin Fresnel (1788 – 1827), người Pháp.

Fresnel đã công nhận bản chất sóng của ánh sáng qua thí nghiệm về giao thoa mà ông đã tự bố trí (dùng hai gương phẳng đặt lệch nhau một góc gần bằng 180 o , thường được gọi là hai gương Fresnel)

26

Augustin Fresnel (1788 – 1827)

Fresnel cũng là người đầu tiên theo trường phái sóng ánh sáng đã giải thích thành công hiện tượng phân cực ánh sáng đã khiến cho những người bảo vệ lý thuyết sóng phải rất đau đầu ngay cả Thomas Young Bởi nếu coi ánh sáng là sóng giống như âm thanh thì cả hai phải có cùng các hiệu ứng, trong khi không thể tìm ra hiện tượng phân cực ở sóng âm Để giải thích hiện tượng này, Fresnel đã đưa ra một lời giải mang tính cách

mạng: mặc dù cả âm thanh và ánh sáng đều có bản chất sóng, nhưng

chúng khác nhau về mặt phẳng dao động

Những công trình của Young và Fresnel đã giúp cho lý thuyết sóng hồi sinh và trở nên áp đảo lý thuyết hạt vốn đứng vững bởi uy tín của Newton Ngoài ra, những bằng chứng thực nghiệm được thực hiện sau khi hai ông mất đã khẳng định sự đúng đắn của lý thuyết sóng ánh sáng

Vào giữa những năm 1800, các nhà khoa học không ngừng bị

thuyết phục trước đặc trưng giống sóng của ánh sáng, nhưng vẫn còn một chỗ hổng lớn chưa được lấp Đó là ánh sáng thật ra là gì ? Một đột phá được thực hiện bởi nhà vật lí người Anh James Clerk Maxwell khi ông 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: 186000 dặm một giây Khám phá của Maxwell thật sự đã đóng đinh quan tài cho thuyết hạt, và vào buổi bình minh của thế kỉ 20, hình như những câu hỏi cơ bản về ánh sáng

và lí thuyết quang học cuối cùng đã được trả lời

1.2.2.3 Ánh sáng: cuộc hôn phối giữa điện và từ:

27

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Sau khi lý thuyết sóng, lý thuyết hạt ra đời và gây nhiều tranh luận thì năm 1865 James Clerk Maxwell đưa ra lý thuyết điện từ

Maxwell là người đầu tiên khẳng định sự tồn tại của trường điện từ Sau khi tổng hợp các kiến thức về điện và từ đã được các nhà vật lý xây dựng trước đó, Maxwell đã đưa ra hệ gồm 4 phương trình, mỗi phương trình chỉ dài vỏn vẹn một dòng và được biểu diễn bằng ngôn ngữ toán học

cô đọng Bốn phương trình này được hậu thế biết đến với tên gọi “Hệ phương trình Maxwell”:

H

t

B E

- Phương trình 2: Nguồn để sinh ra điện trường là sự biến thiên của

từ trường Nghĩa là chổ nào có sự biến thiên của từ trường thì chỗ đó sẽ sinh ra điện trường Tuy nhiên điện trường này có bản chất khác hẳn điện trường do điện tích đứng yên gây ra Sự khác nhau thể hiện ở chỗ:

+ Đường sức của điện trường này là những đưởng cong kín, không có

điểm xuất phát cũng như không có điểm tận cùng

28

+ Công của lực điện trường xoáy làm dịch chuyển điện tích theo

đường cong kín khác không

- Phương trình 3: Nguồn để sinh ra từ trường chính là dòng điện và

sự biến thiên của điện trường Vì từ trường chỉ có một tính chất duy nhất

là từ trường xoáy Bởi vậy, cả hai nguồn đều có mặt trong cùng một phương trình

- Phương trình 4: Nói lên tính chất xoáy của từ trường, nghĩa là đường sức từ trường là những đường cong kín – không có điểm xuất phát cũng như không có điểm tận cùng Tức là trong tự nhiên không tồn tại cái gọi là “từ tích”

Từ các phương trình trên,

Maxwell phát hiện ra rằng sóng

ánh sáng thực chất chỉ thuộc một

vùng bước sóng ( vùng tần số) của

dãi sóng điện từ Bởi thứ nhất, ông

đã dựa vào các phương trình để vẽ

ra một kịch bản về cuộc hôn nhân

giữa điện và từ, theo đó điện và từ

trở thành một cặp thống nhất không

thể tách rời Chúng là hai thành phần của sóng điện từ lan truyền trong không gian dưới dạng sóng ngang, tức các đỉnh và các hõm sóng nằm

trong một mặt phẳng vuông góc với phương truyền sóng (hình 1.8) Thứ

hai, vào năm 1873, Maxwell đã tính toán chính xác vận tốc truyền sóng điện từ, đáp số này hoàn toàn trùng khớp với vận tốc ánh sáng

Theo đó ánh sáng là một nhiễu loạn điện từ và vận tốc ánh sáng trong một môi trường do các hằng số ε và μ của môi trường đó xác định Thuyết điện từ của Maxwell đã thiết lập mối liên hệ giữa tính chất điện và

từ với tính chất quang theo hệ thức:

c

n

v   

(trong đó c và v tương ứng là vận tốc ánh sang trong chân không và trong

môi trường có hằng số điện môi  và độ từ thẩm, và n là chiết suất của

môi trường)

29

Tuy nhiên vì các đại lượng ε và μ trong hệ phương trình Maxwell không phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng, cho nên lý thuyết điện từ ánh sáng vẫn chưa giải thích được hiện tượng tán sắc ánh sáng

Hệ phương trình Maxwell mô tả động học của trường điện từ cả trên bình diện toán học và bình diện lý thuyết Khoảng 27 năm sau phát hiện

lý thuyết của Maxwell, sóng điện từ đã được chứng minh bằng thực nghiệm Heinrich Hertz (1857-1894) là tác giả của công trình này vào năm 1887, khi ông đã tạo ra sóng điện từ và chứng minh được sự tồn tại của nó trong các thí nghiệm của mình

Trong lịch sử vật lý, Newton đã thống nhất trời và đất qua định luật vạn vật hấp dẫn thì đến lượt Maxwell đã thống nhất không chỉ điện và từ

mà còn cả quang học, ông được coi là nhà thống nhất vĩ đại thứ hai của vật lý học

Tuy nhiên hiện nay, người ta đã biết rằng không phải tất cả các tính chất điện từ nào của các môi trường vật chất cũng đều được giải thích như vậy Chẳng hạn, bằng cách đó, người ta không thể giải thích được sự tồn tại mô men từ ở các hạt cơ bản hay như những hiện tượng có liên hệ tới sự tương tác của ánh sáng với môi trường, đặc biệt là sự phát xạ của vật đen tuyệt đối

Trên cơ sở của thuyết điện tử, người ta đã thiết lập được hệ phương trình mới gọi là hệ các phương trình Maxwell – Lorentz Nội dung vật lý

30

của hệ phương trình này cũng giống như hệ phương trình Maxwell trong chân không Tuy nhiên hệ phương trình Maxwell trong chân không chỉ là một trường hợp riêng của hệ phương trình Maxwell – Lorentz mà thôi Ảnh hưởng của môi trường lên trường điện từ được xác định bởi đặc trưng cụ thể của sự phân bố và sự chuyển động của các điện tích trong môi trường, kể cả trong các nguyên tử và các phân tử Điều đó được phản ánh trong trong biểu thức của v và  trong các phương trình của thuyết điện tử

 Thuyết điện từ của Maxwell và thuyết điện tử của Lorentz đã cho phép hiểu được rất nhiều hiện tượng và quá trình quang học, song lại không giải thích được các kết quả thực nghiệm về sự bức xạ của các vật đen lý tưởng Khi khảo sát mật độ năng lượng bức xạ đơn sắc của vật đen

lý tưởng vào tần số v thì thuyết điện từ của Maxwell chỉ phù hợp với thực

nghiệm ở những tần số thấp (tức bước sóng dài), nhưng ở những tần số cao tiên đoán lý thuyết không còn phù hợp với thực nghiệm nữa

KẾT LUẬN CHƯ NG I

Trong chương này chúng ta đã đề cập, tìm hiểu đến quá trình lịch sử của việc nhận thức về bản chất ánh sáng Lịch sử đã cho thấy rằng từ thời xa xưa, các nhà Khoa học đã tìm hiểu bản chất của ánh sáng bằng việc đưa ra các giả thuyết để giải thích vì sao động vật lại có thể nhìn thấy các đối tượng vật chất khác

Trong quá trình lịch sử này nổi lên hai quan niệm về bản chất ánh sáng khác hẳn nhau đó là: quan điểm cho rằng ánh sáng có cấu tạo từ các hạt, đại diện là Newton Quan điểm kia cho rằng ánh sáng được cấu tạo từ sóng, đại diện là Huygens

ra cả hai lí thuyết đều chính xác, ít nhất là trong từng bộ phận

31

2.1 Lý thuyết lượng tử năng lượng:

Trước năm 1900, ở lĩnh vực nhiệt động học, trong vật lý học có một vấn đề nhỏ, dường như không quan trọng nhưng không thể bỏ qua được

Ta tưởng tượng có một vật đen lý tưởng, không phản xạ sóng điện từ mà hấp thụ toàn bộ bức xạ truyền tới Vật thể như thế sẽ bức xạ một phổ sóng điện từ chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của nó, chứ không hề phụ thuộc vào chất liệu mà nó được tạo ra hay các ảnh hưởng khác Bức xạ này gọi là bức xạ của vật đen

Lý thuyết lượng tử năng lượng được Plăng đưa ra năm 1900 để giải quyết những khó khăn trong việc giải thích sự bức xạ nhiệt của vật đen Theo Plăng sự phát xạ trường điện từ do vật không thể xảy ra một cách liên tục mà là gián đoạn, nghĩa là thành từng lượng năng lượng tỉ lệ với tần số bức xạ (hay tỉ lệ nghịch với bước sóng) Những nguyên tử hay phân tử vật chất hấp thụ hay bức xạ năng lượng thành từng phần riêng

Nhà vật lý học vĩ đại Max Planck (1858-1945),

cha đẻ thuyết lượng tử

đổi đó, thì Planck đưa ra công thức E = hv bất tử đi vào lịch sử, trong đó

h là hằng số, sau này được gọi là hằng số Planck[2], và  là tần số của ánh sáng

Hình 2.1 Phân bố Planck W 

Đồ thị trên hình 2.1, cho ta vị dụ về những hàm phân bố phổ khác nhau của vật đen ở những nhiệt độ khác nhau Trên trục tung là công suất bức xạ (năng suất bức xạ) còn trục hoành là tần số của bức xạ điện từ Những giá trị này có thể thu được bằng thực nghiệm

Tuy nhiên, khi so sánh lý thuyết và thực nghiệm của bức xạ vật đen, người ta thấy rằng chúng mâu thuẫn với nhau Lý thuyết trước đây nói rằng năng suất bức xạ tỷ lệ thuận với bậc hai của tần số (hay tỷ lệ nghịch với bậc 4 của bước sóng) theo công thức thực nghiệm Rayleigh – Jeans:

  kT c kT

c

W

4 3

2

8 8







33

Điều này có nghĩa là phân bố phổ phải có dạng sao cho khi bước sóng càng nhỏ   0 hay      thì công suất bức xạ phải tiến tới vô cùng Điều này đương nhiên mâu thuẫn với thực nghiệm (hình 2.1) vì lúc

đó thực nghiệm cho thấy công suất bức xạ tiến tới 0 Hiện tượng lý thuyết tiên đoán ở đây được gọi là thảm họa tử ngoại

Thảm họa này được giải quyết như thế nào ?

Như trên đã đề cập, ngay trước thềm thế kỷ XX, tại hội nghị có thể nói là quan trọng nhất về lý thuyết lượng tử ngày 14/10/1900, Max Planck đã làm nên giờ phút sinh thành của vật lý lượng tử và do đó tự mình trở thành cha để của lý thuyết này Ông đã giải bài toán về thảm họa

tử ngoại của phân bố phổ bức xạ của vật đen bằng cách đưa ra một cách thiên tài công thức bức xạ hoàn toàn mới

Cũng thật thú vị khi nhớ lại rằng chính Planck đã mô tả công thức của

mình như là một „„sự can thiệp nhân tạo‟‟ khi biến đổi công thức bức xạ

cổ điển để đưa ra hàm phân bố phổ lý thuyết về gần phù hợp với kết quả thực nghiệm [6] Ông thường nhấn mạnh rằng, ông đã tìm ra công thức mới này khi buộc phải có „„một hành động đáng nghi ngờ‟‟ Điều tuyệt vời là, công thức bức xạ do Planck mới tìm ra nhờ giả thuyết lượng tử cho phép mô tả các kết quả thực nghiệm rất hoàn hảo trong phạm vi độ chính xác của phép đo (sai số chỉ vài phần l )

Định luật mang tính cách mạng này được gọi là định luật bức xạ Planck, để vinh danh cho người tìm ra nó Biểu thức của định luật này là:

 

1

8

/ 3

2





kT h

e

h c

W    

Ta sẽ không đi sâu vào các chi tiết dẫn giải dài dòng và phức tạp cũng như cách xây dựng chính xác của công thức bức xạ này Cái mà chúng ta quan tâm là sự đổi mới cơ bản của Planck, là giải thuyết có tính cách mạng của ông

Trong công thức trên, ý tưởng đột phá, trái ngược với cách tiếp cận

cổ điển, là một quan niệm có tính lượng tử về bức xạ cũng như sự hấp thụ bức xạ điện từ ở trong vật đen[1] Theo đó, vật đen hấp thụ nhiệt lượng qua những phần nhỏ nhất gọi là lượng tử, tức là những „„bó năng lượng nhỏ‟‟, và khi bức xạ cũng phát ra từng ấy lượng tử như vậy Theo giả thuyết của Planck, năng lượng của mỗi lượng tử như vậy phụ thuộc vào tần số  và một hằng số sau này có tên là lượng tử tác dụng hay còn

34

được gọi là hằng số Planck h Giá trị của hằng số này là h= 6,625.10-34

Js Như thế, năng lượng của mỗi lượng tử bức xạ điện từ, theo giả thuyết

Planck sẽ là: W = h.v

Ngay từ thời đó, thật đáng ngạc nhiên là Planck đã có thể đưa ra một giá trị bằng số khá chính xác của h Về sau, giá trị chính xác của hằng số này đã được thực nghiệm xác nhận

Như vậy chúng ta thấy rằng Planck đã đặt hòn đá tảng làm nền móng cho việc hình thành lĩnh vực quang lượng tử khi giả thiết về tính gián đoạn của năng lượng Nhờ đó, chúng ta đã giải thích được sự phân bố gián đoạn của phổ bức xạ năng lượng của vật đen tuyệt đối

Mặc dù vậy, lý thuyết lượng tử năng lượng chỉ mới đề cập đến tính chất gián đoạn của năng lượng bức xạ của vật đen tuyệt đối mà chưa nêu

rõ được bản chất lượng tử năng lượng này

Cuối cùng, có lẽ cũng nên lại câu chuyện hơi có màu sắc giai thoại

như sau: Khi thực hiện lượng tử hóa trong thế giới vi mô (bằng cách đưa vào hằng số h), chính Planck chỉ xem đó như một hỗ trợ về mặt toán học

để kết quả tính toán lý thuyết phù hợp với phân bố phổ của bức xạ của vật đen được tìm thấy bằng thực nghiệm

Mãi đến năm 1905, khi nghiên cứu hiệu ứng quang điện, Albert Einstein mới nhận ra rằng, lượng tử hóa năng lượng không chỉ đóng vai trò là hỗ trợ toán học, mà còn diễn đạt một tính chất cơ bản của bức xạ điện từ

2.2 Lý thuyết lượng tử ánh sáng:

Đầu thế kỷ XX, một luồng gió mới lại thổi tới trong vấn đề bản chất của ánh sáng với một công trình của chính Albert Einstein về “Hiệu ứng quang điện”.Theo Einstein, các hiện tượng của hiệu ứng quang điện không thể giải thích được khi ta xem ánh sáng là sóng mà chỉ có thể giải thích được xem ánh sáng là một dòng hạt Đó là các hạt photon ánh sáng

2.2.1 Hiệu ứng quang điện:

Hiệu ứng quang điện là một hiện tượng trong đó các electron thoát

ra khỏi bề mặt của một tấm kim loại khi có ánh sáng chiếu vào Theo như quan điểm cổ điển thì với cường độ ánh sáng càng mạnh thì electron ngày càng tích tụ được nhiều năng lượng để bức ra khỏi kim loại, nhưng trên thực tế thí nghiệm lại không phải như vậy

35

Einstein đã nhận thấy rằng,

nếu chiếu một ánh sáng có tần số

thấp vào một kim loại, thì hiệu

ứng vẫn không thể xảy ra, dù

chiếu với cường độ mạnh bao

nhiêu đi nữa Ngược lại khi chiều

ánh sáng với tần số cao, như ánh

sáng cực tím thì hiệu ứng lại lập

tức xảy ra mà không cần khoảng

thời gian để electron tích lũy năng

lượng

Để giải thích về hiện tượng

kì lạ này, Einstein đã đặt vấn đề

cần xem xét lại bản chất của ánh

sáng Ông đã đưa ra một giả

thuyết táo bạo rằng hiệu ứng

quang điện chỉ có thể giải thích

được nếu sóng ánh sáng bị kim loại hấp thụ không phải là một sóng liên tục mà được cấu thành từ các “hạt” hay các lượng tử năng lượng xác định Năng lượng này không thể tùy tiện lấy bất kì, mà đúng bằng một bội số của tần số Einstein đã phát triển thuyết lượng tử Planck đưa ra thuyết lượng tử ánh sáng để giải thích các định luật quang điện Theo thuyết này thì: ánh sáng không những được bức xạ mà còn bị hấp thụ và truyền đi thành từng lượng năng lượng gián đoạn gọi là lượng tử ánh sáng

Lượng tử ánh sáng về sau được gọi là photon, và thuyết lượng tử ánh sáng còn gọi là thuyết photon Thuyết lượng tử ánh sáng đã giải thích được hàng loạt hiện tượng mà thuyết điện từ tỏ ra bất lực như: sự phát xạ, hấp thụ ánh sáng, các hiện tượng quang điện, huỳnh quang,…Thuyết lượng tử ánh sáng không giống với thuyết hạt ánh sáng vì nó vẫn giữ cả những khái niệm sóng Như vậy ánh sáng vừa có tính chất sóng vừa có tính chất hạt, ta nói nó có lưỡng tính sóng – hạt

Trong khuôn khổ giả thuyết này thì Einstein đã giải thích được tất cả các sự kiện thực nghiệm quan sát được Như vậy, một lần nữa ánh sáng lại được khẳng định về bản chất hạt của nó, tuy nhiên ta có thể thấy quan niệm “hạt ánh sáng” do Einstein đưa ra là khác với quan niệm trước đây của Newton, đó không phải là những hạt cơ học đơn giản như quan niệm của Newton mà có những thuộc tính riêng của nó Nhờ vào giả thuyết về lượng tử ánh sáng này Einstein đã hoàn toàn giải thích được 3 thí nghiệm của mình về hiệu ứng quang điện Chính “Hiệu ứng quang điện” này là công trình đã mang đến cho Einstein giải thưởng Nobel chứ không phải là

“Thuyết tương đối hẹp” như nhiều người vẫn thường lầm tưởng

36

Hình 2.2 Thí nghiệm về hiệu ứng quang điện

2.2.2 L thuyết lượng tử ánh sáng:

Năm 1905, Albert Einstein đề xuất rằng ánh sáng thực ra có một số

đặc trưng hạt, bất chấp những bằng chứng tràn ngập cho bản chất giống sóng của ánh sáng Einstein là khoa học gia được giải Nobel về khoa học (1921) khi ông xác minh được ánh sáng có

bản chất hạt trong thí nghiệm quang điện

Ánh sáng được rọi vào một tấm kim loại,

là vật liệu giàu điện tử Khi Einstein thay

đổi tần số của ánh sáng tới (tức là thay đổi

màu ánh sáng) đến một giá trị nào đó thì

cây kim trên máy đo bắt đầu chuyển động,

chỉ dấu cho một dòng điện chạy

Thay đổi cường độ

nhân với một hằng số gọi là hằng số Planck Hạt cơ bản này gọi là quang

tử Khi tần số của ánh sáng tới lớn hơn một giá trị nào đó thì năng lượng của quang tử đủ lớn để đánh rời hạt điện tử đang liên kết với các nguyên

tử trên bề mặt kim loại để chúng tự do bay từ mặt kim loại bên phải (được rọi sáng) qua mặt kim loại bên trái Sự chuyển động của các hạt điện tử, theo định nghĩa, chính là dòng điện, gọi là quang điện

Trong khi phát triển thuyết lượng tử của ông, 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 Ông cũng 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