Lý thuyết Tán sắc ánh sáng

I) Thí nghiệm về sự tán sắc ánh sáng của Niuton (1672)

     - Sơ đồ thí nghiệm: như hình bên

     - Kết quả thí nghiệm: Ánh sáng mặt trời khi đi qua lăng kính không những bị lệch về phía đáy do khúc xạ, mà còn bị trải dài thành một dải màu sặc sỡ. Quan sắt kỹ dải màu ta phân biệt được bày màu: đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím. Tuy nhiên ranh giới giữa các màu không rõ rệt, tức là màu nọ chuyển dần sang màu kia một cách liên tục.

     - Dải sáng màu này gọi là quang phổ của Mặt Trời. Ánh sáng mặt trời là ánh sáng trắng.

     - Hiện tượng này gọi là hiện tượng tán sắc ánh sáng (của ánh sáng trắng).

II) Giải thích hiện tượng tán sắc ánh sáng

     Để kiểm nghiệm xem có phải thủy tinh đã làm thay đổi màu của ánh sáng hay không. Niu ton đã làm thí nghiệm sau:

     - Sơ đồ thí nghiệm: như hình bên. Ông tách lấy một chùm sáng màu vàng trong dải màu , rồi cho nó khúc xạ qua lăng kính thứ hai.

     - Kết quả thí nghiệm: chùm sáng chỉ bị lệch về phía đáy (do khúc xạ) mà không bị đổi màu.

     - Ánh sáng đơn sắc là ánh sáng có một màu nhất định và không bị tán sắc mà chỉ bị lệch khi đi qua lăng kính.

     - Ánh sáng đa sắc là hỗn hợp của hai ánh sáng đơn sắc trở nên, và bị tán sắc khi đi qua lăng kính.

     - Ánh sáng trắng là hỗn hợp của nhiều ánh sáng đơn sắc có màu biến thiên liên tục từ đỏ đến tím. Ánh sáng trắng là một trường hợp của ánh sáng đa sắc.

     - Sự tán sắc ánh sáng là: sự phân tách một chùm ánh sáng đa sắc thành các chùm sáng đơn sắc tạo nên nó.

     - Giải thích hiện tượng tán sắc:

        +) Ánh sáng trắng là hỗn hợp của nhiều ánh sáng đơn sắc.

        +) Chiết suất của thủy tinh đối với các ánh sáng đơn sắc có màu khác nhau là khác nhau, nên góc lệch của chúng khi đi qua lăng kính là khác nhau, kết quả là khi ló ra khỏi lăng kính chúng không trùng phương nữa mà bị tách ra.

     - Nhận xét: từ kết quả thí nghiệm: tia đỏ lệch ít nhất, tia tím lệch nhiều nhất, nên chiết suất của ánh sáng tím là lớn nhất, chiết suất của ánh sáng đỏ là nhỏ nhất:

     n_đỏ < n_cam < n_vàng < n_lục < n_lam < n_chàm < n_tím

III) Ứng dụng

     - Giải thích một số hiện tượng tự nhiên như cầu vồng,... Sau cơn mưa thường xuất hiện cầu vồng là do sau cơn mưa trong không khí có rất nhiều các hạt nước li ti đóng vai trò là lăng kính, khi đó ánh sáng mặt trời (ánh sáng trắng) sẽ bị tán sắc qua các lăng kính nước thành dài màu cầu vồng. Vì vậy cầu vồng không chỉ xuất hiện sau cơn mưa mà còn xuất hiện ở những nơi có nhiều hơi nước như thác nước,...

     - Ứng dụng trong máy quang phổ: phân tích một chùm sáng thành các chùm sáng đơn sắc cấu tạo lên nó.

Lý thuyết Giao thoa ánh sáng

I) Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng

     - Thí nghiệm: dùng một nguồn sáng S đặt trước một lỗ tròn nhỏ O, khoét trên một hộp kín. Quan sát cùng sáng ở thành đối diện.

     - Kết quả thí nghiệm: Nếu ánh sáng truyền thẳng thì trên thành sẽ có một vệt sáng tròn đường kính là D. Nhưng thực tế ta lại thấy một vệt sáng tròn có đường kính D’ > D. Lỗ O càng nhỏ D’ càng lớn hơn nhiều so với D.

     - Hiện tượng nhiễu xạ là: hiện tượng ánh sáng truyền sai lệch so với sự truyền thẳng khi ánh sáng gặp vật cản.

     - Giải thích hiện tượng: để giải thích hiện tượng này tà thừa nhận: mỗi chùm sáng đơn sắc được coi là một sóng có bước sóng xác định.

II) Hiện tượng giao thoa ánh sáng.

1) Thí nghiệm Y-âng về giao thoa ánh sáng.

     - Sơ đồ thí nghiệm: như hình bên

     - Kết quả thí nghiệm: trong vùng hai chùm sáng gặp nhau đúng ra đều phải sáng nhưng ta lại thấy có những vạch tối và vạch sáng xen kẽ nhau. Giống như hiện tượng giao thoa, buộc ta thừa nhận ánh sáng có tính chất sóng. Những vạch tối là chỗ hai sóng ánh sáng triệt tiêu lẫn nhau, những vạch sáng là chỗ hai sóng ánh sáng tăng cường lẫn nhau. Hệ vân sáng, tối xen kẽ nhau được gọi là hệ vân giao thoa của hai sóng ánh sáng.

2) Vị trí các vân sáng, vân tối.

     * Giả sử bước sóng của ánh sáng giao thoa là λ, khoảng cách giữa 2 khe S₁,S₂ là a, khoảng cách từ 2 khe đến màn là D. O là vị trí vân sáng trung tâm. Xét điểm A cách O 1 đoạn là x.

     - Khoảng cách từ A tới nguồn S₁ là:

     - Khoảng cách từ A tới nguồn S₂ là:

     Ta có d₂² - d₁² = (d₂ - d₁)(d₂ + d₁) = 2ax

     Vì a,x ≪ D nên có d₂ + d₁ ≈ 2D

     Khi đó hiệu đường đi của 2 sóng ánh sáng từ S₁,S₂ truyền tới A là: d₂-d₁ ≈ 2ax/2D = ax/D

     * Điều kiện để tại A là một vân sáng: d₂ - d₁ = kλ.

     Khoảng cách từ O đến vân sáng bậc k là x_k = kλD/a     (k = 0, ±1, ±2...)