Giáo trình vật lý quang học
GIÁO TRÌNH VẬT LÝ QUANG HỌC Lịch sử Quanghọc - Phần 1 Quanghọc là ngành khoahọc vậtlí nghiên cứu nguồn gốc và sự truyền của ánh sáng, cách thứcnó biến đổi,nhữnghiệuứng mà nó gây ra, và những hiện tượng khác đicùngvới nó. Cóhai ngành quanghọc. Ngành quang lí nghiêncứubản chất vàcác tínhchấtcủa ánh sáng. Ngànhquanghình học khảo sát các nguyên lí chi phối các tínhchấttạo ảnhcủa thấu kính, của gương,và các dụng cụ khác,thí dụ như các bộ xử lí dữ liệu quang học. Thấu kính Layard Tài liệu “Lịch sử Quanghọc”này trình bày sơ nétnhững sự kiện và những pháttriển quan trọngtrongngành quang họctừ thời tiền sử cho đến đầu thế kỉ thứ 21. Nó cũngđề cập tới những phát triển có liên quan trongnhững lĩnhvực khác (thí dụ như sự phát triển củamáy tính điệntử) vàcác cộtmốc có liên quan trong thế giới quan củanhân loại. Từ thời tiền sử đến năm 999 sau Công nguyên Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Những trải nghiệm sớmnhấtcủa loài người với ánh sáng và quanghọclà thuộcvề thế giới tự nhiên:ánh sáng mặt trời, lửa, và cáctínhchất phản xạ và khúc xạ (bẻ cong ánh sáng) của nước, các tinh thể, và mộtsố chất kháccó mặt trongtự nhiên.Lửa là một trongnhững công cụ sớm nhất được tổ tiên của loài người hiện đại sử dụng, có lẽ từ cách naykhoảng 1,4triệu năm, nhưng có khả năng nó không được sử dụng để thắpsáng vào banđêm chođến cách nay 500.000năm. Hồi 15.000 năm về trước, loài người đã đốt chấtbéo vàdầu trongcác loại đèn để thắp sáng bóng đêm, đó là nhữngdụngcụ nhân tạo đầu tiêndùng để tạo raánh sáng. Đèn đốt dầu nguyên thủy làm từ vỏ động vật Các kết quả khảo cổ từ những văn minh sơ khai,do AustenLayardthựchiện hồi thế kỉ 19, cho thấy vào năm 3000trướcCông nguyên, loài người ở TrungĐông, châu Phi,và châu Á đã ngày mộtquantâmhơn đến các hiện tượngquanghọc và đã sử dụng chúng cho nhiềumụcđích khác nhau.Bóngcủa vật đã được sử dụng để giảitrí trên sân khấu. Các kim loại và tinhthể đượccải tạovà địnhhìnhđể khai thác các tính chất phảnxạ và khúcxạ của chúngdùng làm đồ trangtrí và trang sức. Việc phát minhra thủy tinh vào khoảng thờigian này có lẽ đã được tiếp sức bởi những tính chất quangnổi bật của nó. Những đồ tạo tác cổ nhất bằng thủytinh là những chuỗihạt thủy tinh dĩ nhiên dùnglàm đồ trang sức. Vào năm300trước Côngnguyên, cácvị học giả người Hi Lạp bắt đầu nghiên cứu và thưởng ngoạncác hiện tượng quanghọc một cách nghiêm túc, họ đề xuất các lí thuyết giải thích sự nhìn, màu sắc, ánh sáng, và các hiện tượng thiên văn. Nhiều lí thuyếttrong số đó hóa ra là không đúng, nhưng chúngthật sự đã khai sinh ra ngànhquanghọc. Người ta tinrằng Plato là ngườiđầu tiên trìnhbày rõ ràng lí thuyết phát xạ của sự nhìn.Lí thuyết này đã chiếm ưu thế cho đến thiên niên kỉ thứ Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com hai sau Công nguyên. Nó cho rằng mắtngười chiếu racác tiasáng, kiểu như đèn flash, rọisángcác vật ở phía trước mắt. Khi có cái gìđó chặn mất “tia mắt”, thì kết quả là bóngtối. Ở phương tây, Euclidxứ Alexandriađã thực hiện nhữngquan sátđầu tiên được ghinhận lại về quanghọc và ánh sáng.Ông đã viếtmột nghiên cứu có chiều sâu về hiệntượng ánhsángnhìn thấy trong tácphẩm Optica của mình,trongđó ông nêu rõ định luật phản xạ ánh sáng từ các bề mặt nhẵn.Aristotle còn nghiên cứu bản chất của sự nhìn, nhưng ông không tán thànhvới líthuyết các tiaphát ra từ mắt. Cũngtrong khoảng thời giannày, nhà toán học vĩ đại người Sicily, Archimedes, đã nghiên cứu sự phản xạ vàkhúc xạ, nhưng tác phẩm củaông đã bị thiêuhủy khi người La Mã đánhbại Syracuse. Ý tưởng về buồng tối, tiềnthân củacamera,có khả năngnhất là phátsinh ở Hi Lạp cổ đại.Về cơ bản nó là cửa sập trongđó ánh sáng có thể xuyênqua một cái lỗ nhỏ và chiếu vào một căn phònghay mộtcái hộp tối, nói chung không có sự hỗ trợ của thấu kính. Trong hàngtrăm năm trời, các nhà khoa học đã sử dụng buồng tối đó để quansátnhật thực mà không gây hại cho mắt họ, và nóvẫn được các nhà khoa họcnghiệp dư và công chúng sử dụngcho mụcđích đó trong thời đại ngày nay. NgườiLa Mã ít có sự tiến bộ về quang học, mặc dù Seneca,một vị gia sư và là bạn thân củaHoàngđế La MãNero,đã để ýđếntác dụngphóng to ảnhcủa các chất lỏng đựng trongbìnhtrongsuốt.Theo sử sách thì Nerođã từng sử dụng một thấu kính ngọc lục nhẵn để quan sát các đấu sĩ đangchiến đấu. Trongthế kỉ thứ haisau Côngnguyên, Ptolemy, mộtnhà thiên văn học ở xứ Alexandria, Ai Cập, đã nghiên cứu và viết lách về nhiều chủ đề khoahọc. Đángchú ý nhất là sự phát triển của ôngvề thuyết địatâm của hệ mặt trời, lí thuyết thắng thế trong hơnmột nghìn năm sauđó.Ôngđã cho in năm cuốn sách về quang học, nhưng chỉ có một quyển còn lưu lại đến thời hiện đại. Loạt sách này dành riêngcho nghiêncứu màu sắc, sự phảnxạ, khúc xạ, và cácgương có hình dạng khác nhau. Việc thiết lập líthuyết bằng thínghiệm, thường được hậu thuẫn bởiviệc xây dựng Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com các thiết bị đặc biệt, làđặc điểm nổi trội nhất của tác phẩm Quang học của Ptolemy. Trướcnăm 1000sauCôngnguyên, lịch sử còn chứng kiếnmột số tiến bộ quanghọc khác nữa. Vị học giả người Arbabtên là Abu Ali HasanIbn al-Haitham đã thực hiệnnghiên cứu nghiêm túcđầu tiên về các thấu kính ở Basra(Iraq).Ông đã nghiên cứu sự khúc xạ ở các thấu kính, bác bỏ định luật khúcxạ của Ptolemy, và còn tiến hành nghiêncứu về sự phản xạ từ gương cầu và gươngparabol. Các tác phẩm củaônglà nhữngtác phẩmđầu tiên giải thích sự nhìn mộtcách đúng đắn, là một hiện tượngánhsáng đivào mắt, chứ không phải các tia sáng domắtphátra. Từ thời tiền sử đến năm 999 sau Công nguyên 1,4 triệu năm tCN Bằng chứng sớm nhất cho việc sử dụng lửa có điều khiển của người tiền sử. 12 000 năm tCN Những ngọn đèn đốt dầu đầu tiên. 3 000 năm tCN Các nền vănhóa TrungĐông và Châu Ábắt đầu nghiêncứu ánhsángvà bóng đổ và có khả năng khai thác các tính chất của chúng để giải trí. Các nền văn minh châu Á đã sảnxuất và sử dụng gương. 900 – 600 tCN NgườiBabylonchế tạo thấu kínhlồi từ các tinh thể, nhưng vì chúng cóchất lượng phóng tokhông tốt, cho nên có lẽ chủ yếu chúng được sử dụng làm đồ trang trí hoặcvì hiếu kì. 423 tCN Tác gia người Hi Lạp Aristophanesviếtmột vở hài kịch, Các đámmây, trong đó một nhânvật sử dụng một vậtlàm phảnxạ và tập trungcáctia sángmặt trời, làm tan chảy một tờ giấynợ ghi trên miếng sáp. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com 400 – 300 tCN Các họcgiả Hi Lạp tranhluận về ánh sáng và quanghọc: Plato đề xuất rằng linhhồn là nguồn gốc củasự nhìn, với cáctia sángphát ratừ mắt và rọi sáng các vật. Democritusthực hiệnnỗ lực đầu tiên nhằm giải thích sự cảmnhận và màu sắc theo hình dạng, kích thước,và “độ gồ ghề” của các nguyên tử. Euclidcôngbố quyểnOptica, trongđó ông trình bày địnhluậtphản xạ vàphát biểu rằng ánhsáng truyền đi theođường thẳng. Aristotletranh luận về sự cảmnhận màu sắc, nhưng ôngkhông chấp nhậnlí thuyết về sự nhìn của con người dướidạngcác tiasáng phát ratừ mắt. 280 tCN NgườiAi Cập hoàn thành công trình xây dựng ngọnhải đăngđầu tiên của thế giới, ngọn Pharosthành Alexandria, một trongbảy kì quancủathế giới và là nguyênmẫu của mọi ngọnhải đăng saunày. 250 tCN – 100sCN Có lẽ ngườiTrung Quốc làngười đầu tiên sử dụng các thấu kínhquangvà trườnghợp đầu tiên sử dụng thấukính sửatật củamắt đượcghi nhận xảy ratrong khoảng thời giannày.Đạosĩ Shao Ong phát minhra “kịch bóng”,trongđó bóng của cáccon rối chiếu đổ lên trên các màn ảnh mỏng.Vở kịch bóng La Mã đầu tiên do nhà thơ vànhà tự nhiên học Lucretiussángtácvào khoảng năm 65 tCN. Nhà triết học LaMãSeneca mô tả sự phóngđại của cácvật nhìnqua các quả cầu trong suốtchứa đầy Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com nước. Nero Claudius Caesar, Hoàng đế La Mã, sử dụng một viên ngọc lục bảo mài nhẵn mặtđể khắc phụctật cận thị của ông và quan sátcác đấusĩ đang chiếnđấu. Các khai quật saunày ở Pompeii và Herculaneumthu lượm được mộtsố thấu kínhtinh thể thủy tinh của thời kì này. Hero (Alexandria)xuất bản một tác phẩmmang tựa đề Catoptrica (Sự phản xạ) và chứng minhrằng góc phản xạ bằngvới góc tới. 100 – 950 Claudius Ptolemy (Alexandria) làngười đầutiên, theo sử liệu, thu thậpvà công bố dữ liệu thực nghiệm về quanghọc.Ông quảng bá quanđiểm cho rằng sự nhìn phátsinh từ mắt vàMặt trời quay xungquanh trái đất. Nhà khoahọc ngườiTrung Quốc TingHuankhám phá ra sự chuyển độngbiểu kiến nhìn qua các dòng đối lưu củakhôngkhí nóng do một ngọn đèn tạo ravào khoảng năm 180,và nhà vậtlí người HiLạpGalen bắt đầu nghiên cứu sự nhìn hai mắt trong cùngkhoảng thời gian này. Năm 525,vị học giả và nhàtoán họcngười La Mã, AnicusBoethius,cố gắng xác định tốcđộ của ánh sáng, nhưng ôngđã bị chém đầuvì nhữngnỗ lực của ôngbị kết ánphản quốc và mathuật. Nhà giả kimthuật người ArbabGerberquansát tác dụnglàm đen của ánh sángđối với bạc nitratevào khoảng năm 750.Trong200 năm tiếp sau đó,các nhà khoa họcArabvà TrungQuốc đều quansát nhật nguyệt Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com thực qua hiệu ứng buồng tối.Vào thế kỉ thứ 10,YuChao Lungđã cho xây những ngọn tháp nhỏ để quan sát ảnh qualỗ nhỏ chiếu lên trênmột màn hứng, chứng minhsự phân kìcủa chùm tia sáng saukhi đi qua một lỗ nhỏ. 999 Alhazen, còn gọi là Abu AliHasan Ibn al-Haitham (Iraqngày nay), sử dụng gươngcầu và gương parabol để nghiên cứuquang saicầu và manglại lời giải thích chínhxác đầutiên của sự nhìn – mắt cảmnhận ánh sáng,chứ không phát ra ánh sáng. Alhazen còn nghiên cứu sự phóng đại thu được từ sự khúcxạ khí quyển và viết về sự giải phẫu củamắt người vàmô tả thấu kính tạo ra ảnh như thế nào trên võng mạc trong tác phẩm quanghọc nổi tiếngcủa ông, "Opticae Thesaurus" (Từ điển Quanghọc), sự đóng góp thật sự đầu tiên của ngành quang học trongthiên niên kỉ thứ nhất. Ôngđã sử dụnghiệu ứng buồngtối trongnghiên cứu nhật nguyệt thực,và để ý rằng ảnh sẽ xuất hiện rõ ràng hơnkhikích thướclỗ nhỏ hơn. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Lịch sử Quanghọc - Phần 2 1000-1599 Trongnhững năm đầucủa thiên niên kỉ thứ hai,nền khoa học Arabnphát triển nhanh chóng, đặc biệt làcác nghiên cứuvề thiên văn học, quang học và sự nhìn. Các nghiêncứu quanghọc củangười TrungQuốc cũng nổi bật trong một thời gian ngắn khi họ làmthí nghiệm với các thấu kính, gương,và bóng đổ, nhưng sau những năm 1200thìbị đìnhtrệ. Đá đọc sách thế kỉ thứ 13 Ở châu Âu trungđại, các họcgiả trung thành tuyệtđối với nhữnglời giáo huấn củacác nhà triết học Hi Lạp cổ đại, đặc biệt là Aristotle,vàgiáo huấn của Nhà thờ Thiên chúa giáo. Khoa học được xemlà một quá trình chỉ đòi hỏi sự quan sát thế giới tự nhiên giảithích bằng tư tưởng duylí vàthần học chínhxác. Thực nghiệmkhôngđượcxem là cần thiết để tìm hiểuthế giới hoạt độngnhư thế nào, ít Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com [...]... hỡnh hc nghiờn cu quang hc Bacon phỏt biu, nhng khụng chng minh, rng mu sc ca cu vng l do s phn x v khỳc x ca ỏnh sỏng mt tri qua tng git nc ma 1270 Witelo x Silesia (tờn Latin l Vitellio), mt nh vt lớ ngi Ba Lan, hon thnh mt tp sỏch mang ta Perspectiva (vo thi kỡ y, ngnh quang hc c gi l "perspectives") õy s l chuyờn lun thi trung c quan trng nht núi v quang hc v l vn bn chun v quang hc cho n th k... Fabricius (H Lan) thc hin quan sỏt u tiờn c ghi nhn v mt sao bin quang, Mira Ceta (cũn gi l Omicron Ceti) nhng nhm ln nú l mt sao siờu mi khi nú lu m dn khi tm nhỡn Lch s Quang hc - Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Phn 3 1600-1699 Th k th 17 ó mang n nhng bin i vụ cựng to ln cho th gii khoa hc v quang hc, hiu theo ngha en ln ngha búng Vic phỏt minh ra kớnh thiờn... riờng nú vo u th k 19 Nm 1802, William Hyde Wollaston phỏt hin ra by di ti lm giỏn on cỏi c cho l mt vựng mu liờn tc trong quang ph ca mt tri Mi nm sau ú, Joseph von Fraunhofer ó tỡm thy v o c v trớ ca hn 300 vch ti trong quang ph mt tri, thit lp c s cho mt lnh vc nghiờn cu mi: quang ph hc ... thiờn vn s dng hai thu kớnh hi t Cui cựng, õy chớnh l mu thit k kinh in dnh cho kớnh thiờn vn 1613 Franỗois d'Aguilon (B) xut bn b sỏch Opticorum Libri Sex (Sỏu tp sỏch quang hc), b sung thờm mt s kin thc c bn v úng gúp cho lnh vc quang hỡnh hc Cú l sau s khuyn cỏo ca Kepler, Christopher Scheiner (c) hon thin thit k kớnh thiờn vn khỳc x, Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com... phỏt trin ca phụi g 1663 James Gregory, nh toỏn hc v nh thiờn vn hc ngi Scotland, mụ t chic kớnh thiờn vn phn x thc tin u tiờn trong tỏc phm ca ụng mang tờn S tin b ca Quang hc ễng cũn gii thiu s c tớnh khong cỏch sao bng cỏc phng phỏp trc quang Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com 1664 Robert Hooke (Anh) l ngi u tiờn ch to mt chic kớnh thiờn vn phn x kiu Gregory ễng... cho xut bn quyn Opticks, mt bn hp nht cỏc tỏc phm v thớ nghim ca ụng v ỏnh sỏng, mu sc v quang hc, v l mt s trỡnh din v lớ thuyt ht ỏnh sỏng ca ụng L mt kit tỏc vt lớ thc nghim, quyn Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com sỏch ny khụng ch trỡnh by cụng phu nghiờn cu trc ú ca ụng v quang hc, m cũn nờu rừ lm th no s dng cỏc thớ nghim kho sỏt mt ti no ú ễng gii thớch... quang hc ngi Anh John Cuff thit k ra mt chic kớnh hin vi ghộp linh hot, d s dng, c gii thiu v qung bỏ rng rói qua s xut bn tp sỏch ca Henry Baker, Kớnh hin vi tht l n gin Thit k ny vn thụng dng trong nhng nm 1800 175 0 John Cuff thit k v ch to mt chic kớnh hin vi thỏo lp, n gin, cụng sut thp, dựng cho nghiờn cu v phõn tớch cỏc mu vt di nc 175 2 Thomas Melvil (Scotland) quan sỏt cỏc vch sỏng trong quang. .. tớnh d bỏo nht nguyt thc v pha mt trng S dng thụng tin ny, ụng cho xut bn mt cun niờn lch v lch thiờn vn kt hp cho n nm 1802 Lch s Quang hc - Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Phn 5 1800 1833 Trong cao tro cỏch mng Phỏp v M, ngnh quang hc ó tri qua cuc cỏch mng ca riờng nú vo u th k th 19 Mt th k sau s xut bn cun Opticks, bỏc s v nh vt lớ ngi Anh Thomas Young... nú Hc thuyt Copernicus c chp nhn rng rói chõu u, v c cp nht kin thc thit yu mi 1600 1699 1604 Jahannes Kepler (c) cho xut bn tỏc phm chớnh v quang hc, Ad Vitellionem Paralipomena, Quibus Astronomiae Pars Optica Traditur(B sung cho Witelo, trỡnh by chi tit phn quang hc ca thiờn vn hc) Trong tỏc phm ú, ụng phỏt biu rng cng ca ỏnh sỏng phỏt ra t mt ngun t l nghch vi bỡnh phng khong cỏch n ngun; ụng mụ... th v ng h mt tri bng thic 12001250 Robert Grosseteste, mt giỏm mc v l mt hc gi ngi Anh, gii thiu bn dch cỏc tỏc phm trit hc v khoa hc Hi Lp v Arab vi chõu u trung c ễng theo ui cỏc nghiờn cu v hỡnh hc, quang hc v thiờn vn hc, lm thớ nghim vi cỏc gng v thu kớnh, ch to mt thu kớnh thụ s nhng cú phúng i tht s ễng xut rng mt lớ thuyt ch cú th c xỏc thc bng cỏch kim tra cỏc h qu ca nú vi phng phỏp thc nghim, . GIÁO TRÌNH VẬT LÝ QUANG HỌC Lịch sử Quanghọc - Phần 1 Quanghọc. trungđại, các họcgiả trung thành tuyệtđối với nhữnglời giáo huấn củacác nhà triết học Hi Lạp cổ đại, đặc biệt là Aristotle,v giáo huấn của Nhà thờ Thiên chúa giáo. Khoa học được xemlà một quá trình chỉ. và là một học giả người Anh, giới thiệu bản dịch các tác phẩmtriết học và khoa học Hi Lạp và ArabvớichâuÂu trung cổ. Ôngtheo đuổicác nghiên cứu về hình học, quang học và thiên văn học, làm thí