giải mã những bí mật về ánh sáng

TRNG I HC S PHM TP HCM KHOA VT LÍ    GVHD LÊ VN HOÀNG SVTH Mai Th c Khuê Lê Hoàng Anh Linh Phm Th Mai Tháng 5, nm 2009, TP.HCM GVHD: Lê Vn Hoàng GII MÃ NHNG BÍ MT V ÁNH SÁNG 1 MC LC Li nói đu 1 Ni dung 6 I. Ánh sáng là gì? Vì sao có ánh sáng? 6 I.1 Ánh sáng 6 I.2 Mt s đc trng quan trng ca ánh sáng 8 I.2.1 Tc đ ánh sáng 8 I.2.2 Nng lng, đng lng và khi lng 14 I.2.3 Áp sut ánh sáng: 15 I.2.4 Các lý thuyt v ánh sáng: 17 I.3 Cuc đu tranh đa đn kt lun bn cht “Lng tính sóng - ht ca ánh sáng”: 20 II. Ánh sáng và th giác – ng truyn ca ánh sáng trong các môi trng 33 II.1 Ánh sáng và th giác 34 II.1.1 Ánh sáng đi t mt đn vt hay t vt đn mt? 34 II.1.2 C ch ca s hình thành nh trong mt là gì? 35 II.1.3 Hành trng ca các tia sáng 38 II.2 Nào ta cùng khám phá th gii ti đp này nhé! 49 II.2.1 Cu vng 49 II.2.2 Ti sao bu tri li xanh? 53 II.2.3 Ti sao núi li xanh? 55 II.2.4 Hoàng hôn lng ly 56 II.2.5 Lc quang tuyn 58 II.2.6 Hành tinh xanh và bt trng 59 II.2.7 Bn giao hng ca các đám mây 61 II.2.8 Sét và cn gin d ca các thn 63 II.2.9 Mt mt tri b dt và bin dng 64 II.2.10 Mt tri trên chân tri ch là o tng 65 GVHD: Lê Vn Hoàng GII MÃ NHNG BÍ MT V ÁNH SÁNG 2 II.2.11 V đp lng ly ca quang cc 66 II.3 Tìm hiu v “Áo tàng hình” 68 II.3.1 “ánh la th giác” khó hay d? 68 II.3.2 Áo tàng hình 69 II.3.3 Phng pháp mi ch to áo tàng hình 70 II.3.4 Hin tng khúc x âm??? 72 III. Con ngi ch ng ánh sáng 76 III.1 La - mt k nguyên mi 76 III.2 Ánh sáng nhân to 78 III.2.1 Nn không cháy trong các trm qu đo 78 III.2.2 èn du 80 III.2.3 Ánh sáng không bt ngun t la 81 III.2.4 Ánh sáng phng ca đèn neon 83 III.2.5 Ánh sáng nhân to đã tách chúng ta ra khi t nhiên 84 III.2.6 LAZE 85 b. Laser cht khí 88 Tính cht 90 III.3 Vn chuyn thông tin bng cáp quang 92 III.3.1 Phân loi 93 III.3.2 ng dng: 93 III.4 Th k 21 - Th k ca phôtôn 94 III.4.1 Nhng đc tính ca phôtôn: 95 III.4.2 Nhng kh nng không gii hn: 96 III.4.3 Thi đi photons 97 III.5 PIN MT TRI 107 III.5.1 Cu to và hot đng ca pin quang đin 107 III.5.2 Hiu sut 108 III.5.3 ng dng 109 Kt lun và hng nghiên cu tip theo 110 Tài liu tham kho 111 GVHD: Lê Vn Hoàng GII MÃ NHNG BÍ MT V ÁNH SÁNG 3 Li nói đu Vào mi sáng khi thc dy, trc khi bc ra khi ging tôi thng có thói quen nh và sp xp li nhng hot đng s phi thc hin cho mt ngày mi nhm không b sót bt c chi tit nào: sp xp sách, v cho tit phng pháp nghiên cu khoa hc vào bui sáng, chiu hc thí nghim đin k thut nên cn phi mang theo tài liu tham kho luôn vì tra nay s không v nhà n a mà  li trng đ chiu hc tip, ti nay li đi dy kèm nên cn v nhà sm đ tm và n ti sau khi hc thí nghim xong thay vì t tp vi nhóm bn thân  cn tin ca trng nh thng l,… Th đy, cái đu bé nh ca tôi c phi thng xuyên tính toán nhng vic s phi làm. Nhng sau khi đc đc tác phm “Nh ng con đng ca ánh sáng” _ gii thng ln MORON 2007 ca tác gi Trnh Xuân Thun,(Phm Vn Thiu – Ngô V dch), nhà xut bn tr, xut bn 2008, tôi t đt ri cng t tr li cho mình câu hi: Mt ngày nào đó, nu nh trái đt thân yêu ca chúng ta không còn nhn đc bt c tia sáng nào t Mt Tri, thì chuyn gì s xy ra? Tt nhiên r i, khi đó mi d đnh ca tôi cng nh tt c các bn s “đ sông, đ bin”, bi mt l tht đn gin, khi đó s sng trên hành tinh này s chng th nào tn ti na. Có th khng đnh chc nch rng: “Ánh sáng là ngun gc ca s sng. Dù là t nhiên hay nhân to, ánh sáng cho phép chúng ta không ch ngm nhìn th gii, mà còn t ng tác vi th gii và tin hóa trong th gii. Nó không ch ban cho chúng ta nhìn thy, mà còn ban cho chúng ta t duy na. T nhng thi rt xa xa cho ti ngày nay, ánh sáng luôn mê hoc trí tu con ngi, dù đó là nhà khoa hc, trit gia, ngh s hay tu s,…” (trích “Nhng con đng ca ánh ánh sáng”). Do đó cng chng có gì là khó hiu khi tt c các thành viên trong nhóm tiu lun ca tôi đu đng ý chn đ tài nghiên cu v “Ánh sáng”. Và chúng tôi tin chc rng đ tài này c ng s gây đc s tò mò, say mê đi vi nhng ngi yêu tìm hiu v ánh sáng, đc bit là các bn sinh viên chuyên ngành Vt Lí. Nhng tài liu nghiên cu v ánh sáng hin nay trên các phng tin thông tin đi chúng có rt nhiu, tuy nhiên không phi ai trong bt c sinh viên s phm Vt lí nào trong chúng ta đu hiu ht v bn cht, ngun gc, đng truyn ca tia sáng GVHD: Lê Vn Hoàng GII MÃ NHNG BÍ MT V ÁNH SÁNG 4 khi qua các môi trng - là phn kin thc quan trng trong chng trình Vt Lí THPT. Vì th, bài tiu lun này nh mt bài tng hp kin thc v các thuc tính c bn ca Ánh sáng; giúp bn tra cu thông tin v ánh sáng mt cách nhanh nht. Bài tiu lun này đc phân ra 4 phn chính: Phn đu tiên bt đu vi nhng gii thiu tng quát v ánh sáng: khái nim, ngun gc, mt s đi lng liên quan đn ánh sáng, t đó ngi đc s có cái nhìn tng quát nht v ngi bn tt ca chúng ta. Trên con đng tìm hiu ánh sáng y, đã xut hin hai trng phái quan đim v bn cht ca ánh sáng trái ngc nhau. Phn mt kt thúc bng vic tp trung xoay quanh cuc tranh lun ca các nhà bác hc v vn đ này: liu rng ánh sáng là ht, nh Newton qu quyt, hay là sóng, nh Huyghens, Young và Fresnel khng đnh. Vào th k XVIII, Young đã chng minh rng s thêm ánh sáng vào ánh sáng có th dn đn bóng ti, điu này ch có th gii thích đc nu ánh sáng có bn cht sóng. Th nhng vào th k th XX, Einstein, đ gii thích “hiu ng quang đin” đã đa tr li quan nim ánh sáng là ht, nhng gán cho các ht này mt “lng t nng lng”, ý tng đc Planck đa ra trc đó. Vy ánh sáng là sóng hay ht. Mun bit, chúng ta hãy cùng gia nhp các cuc tranh lun cng thng y nhé! Bn s tr li th nào nu nh mt hc trò ca bn (hay bt kì ai) hi bn r ng: “Ti sao bu tri li xanh nhng mây thì li màu trng? Cu vng là gì và khi nào thì ta có th quan sát đc nó rõ nht?,…”. Phn hai trong cun tiu lun s giúp bn tr li câu hi đó. Bng lao đng, con ngi đã, đang, và s chinh phc thiên nhiên ti đp này. T vic phát hin ra, ri khám phá và bây gi chúng ta đã chinh phc đc ánh sáng. Trong phn ba , chúng tôi cng s c gng gii thiu vi bn đc mt vài phát minh ca con ngi, bt đu bng công cuc chinh phc la, sau đó đ cp đn ánh sáng nhân to và cui cùng là bóng đin và đèn hunh quang. Tip theo là s lc v phát minh ra Lazer, đa con ca c hc lng t; kt qu ca vic “khuy ch đi” ánh sáng nhìn thy đc vi vô s nhng ng dng khoa hc bt ngun t nó; và vic con ngi s dng ánh sáng đ vn chuyn thông tin và kt ni nhân loi. GVHD: Lê Vn Hoàng GII MÃ NHNG BÍ MT V ÁNH SÁNG 5 Da trên vic tìm kim nhng t liu có liên quan v ánh sáng trên internet, sách, báo (đc bit là hai cun sách : “Nhng con đng ca ánh sáng” - tp I và II), vô tuyn truyn hình và truyn thanh; cng nh s c gng tìm tòi, phân tích, tng hp ca tt c các thành viên trong nhóm, chúng tôi hi vng s to ra đc sn phm nghiên cu khoa hc mang tên “GII MÃ NHNG BÍ MT V ÁNH SÁNG” tht s hay và b ích cho b n đc. Nhóm tiu lun. GVHD: Lê Vn Hoàng GII MÃ NHNG BÍ MT V ÁNH SÁNG 6 NI DUNG I. Ánh sáng là gì? Vì sao có ánh sáng? I.1 Ánh sáng Mt nhìn thy mt vt nu vt y phát ra ánh sáng đp vào mt. Ánh sáng nhìn thy này (thc ra ta nhìn thy vt ch không nhìn thy bn thân ánh sáng) là các sóng đin t có bc sóng t 0,4µm đn 0,75µm. Ánh sáng theo ngha rng còn bao gm c nhng sóng đin t mà mt không nhìn thy đc, nh ánh sáng (tia) t ngoi, ánh sáng (tia) hng ngoi… Vn đ bn cht ca ánh sáng đc tranh cãi nhiu nht trong lch s  Vt lý hc (thuyt ht và thuyt sóng). Trong nhng điu kin nht đnh không th coi ánh sáng là sóng, mà li phi coi nó gm các ht (phôtôn). Ta nói rng ánh sáng có lng tính sóng - ht. Ánh sáng đn sc là ánh sáng có bc sóng xác đnh. Gi nh vy vì màu sc ca ánh sáng ph thuc vào bc sóng  (hoc tn s f = c/). Màu đ, chng hn, ng vi các bc sóng khong 0,75m. Thc ra không th to đc ánh sáng tuyt đi đn sc mà ch có th to đc ánh sáng có bc sóng nm trong mt khong nh t + đn  - ;  càng bé thì ánh sáng càng gn vi ánh sáng đn sc. Ánh sáng trng là ánh sáng gây ra cho con mt cm giác v màu nh ánh sáng mt tri – là tp hp ca rt nhiu bc x trong khong bc sóng nhìn thy, gm 7 màu quy c (tím, chàm, lam, lc, vàng, da cam, đ). Hn hp hai hoc ba màu thích hp cng gây đc cm giác v ánh sáng trng. Ánh sáng phân cc: Sóng đin t đc đc trng bi các vect đin trng và cm ng t dao đng trong mt phng vuông góc vi phng truyn. Nu phng dao đng là c đnh thì ánh sáng đc gi là ánh sáng phân cc thng. Nu phng dao đng phân b đu thì ánh sáng gi là ánh sáng t nhiên (không phân cc). Ph n ln GVHD: Lê Vn Hoàng GII MÃ NHNG BÍ MT V ÁNH SÁNG 7 các ngun sáng phát ra gi là ánh sáng t nhiên. Ánh sáng mt tri là ánh sáng t nhiên. Vi sao có ánh sáng? H Mt tri bao gm mt hng tinh là Mt tri và 9 hành tinh khác là sao Thu, Trái đt, sao Kim, sao Ho, sao Mc, sao Th, sao Thiên Vng, sao Hi Vng và sao Diêm Vng. Các hng tinh trong v tr có nhit đ b mt t my nghìn ti my vn đ, vì vy chúng phát ra các loi bc x (k c ánh sáng nhìn thy). Mt tri là hng tinh gn chúng ta nht. Nng lng Mt Tri là n ng lng ca dòng bc x đin t xut phát t Mt Tri, cng vi mt phn nh nng lng ca các ht h nguyên t khác phóng ra t ngôi sao này. Dòng nng lng này s tip tc phát ra cho đn khi phn ng ht nhân trên Mt Tri ht nhiên liu, vào khong 5 t nm na. Nng lng bc x đin t ca M t Tri tp trung ti vùng quang ph nhìn thy. Mi giây trôi qua, Mt Tri gii phóng ra không gian xung quanh 3,827×10 26 joule tng đng vi mt máy phát đin có công sut 382 x 10 23 W. Nguyên nhân khin hng tinh phát sáng? ây là điu bí n đi vi ngành thiên vn hc sut nhiu th k qua. Mãi cho đn đu th k 20, nhà vt lý Einstein da vào thuyt tng đi đã đa ra mt công thc có liên quan gia khi lng và nng lng ca vt th, nh đó mà các nhà nghiên cu mi có đáp án cho câu hi hóc búa này. Hoá ra trong lòng các hng tinh, nhit đ cao ti hn 10 triu 0 C khin các vt cht trong đó tng tác vi nhau, xy ra phn ng nhit hch. Ht nhân nguyên t hydro bin thành ht nhân nguyên t heli và sn sinh ra mt ngun nng lng khng l. GVHD: Lê Vn Hoàng GII MÃ NHNG BÍ MT V ÁNH SÁNG 8 Nng lng này truyn t tâm hng tinh ra ngoài b mt và vào không gian bng cách bc x. Các bc x này nm trong ph t ánh sáng hng ngoi, đn ánh sáng nhìn thy và sóng cc ngn. C nh vy hng tinh duy trì phát sáng không ngng. Nhà bác hc M Bet (Bethe) đã nêu lên mt chi phn ng kt hp gi là chu trình cacbon-nit gm 6 phn ng tip nhau, vi s tham gia ca cacbon và nit nh  là các cht xúc tác và trung gian, nhng xét tng hp thì c chu trình rút v s to thành ht nhân hêli t các ht nhân hiđrô. C chu trình kéo dài hàng chc triu nm nhng tng phn ng liên tc xy ra, và chu trình này cung cp mt phn nng lng cho Mt Tri (bên cnh các chu trình khác). Mt Tri mt nng lng do bc x thì theo h thc ca Anhxtanh, khi lng ca nó liên tc gim. Nhng vì kh i lng Mt Tri rt ln nên s gim này ch đáng k sau hàng triu nm. I.2 Mt s đc trng quan trng ca ánh sáng I.2.1 Tc đ ánh sáng I.2.1.1 Tc đ ánh sáng trong chân không Trong chân không, các thí nghim đã chng t ánh sáng nói riêng, hay các bc x đin t nói chung, đi vi vn tc không thay đi, thng đc ký hiu là c = 299.792.458 m/s, thm chí không ph thuc vào h quy chiu. Hin tng này đã thay đi nhiu quan đim v c hc c đin ca Isaac Newton và thúc đy Albert Einstein tìm ra lý thuyt tng đi. GVHD: Lê Vn Hoàng GII MÃ NHNG BÍ MT V ÁNH SÁNG 9 I.2.1.2 Các phng pháp đo tc đ ánh sáng: a. Thí nghim ca Galileo Galileo tin hành thí nghim đo vn tc ánh sáng. Ông và ngi tr lý mi ngi cm mt cái đèn, đng trên đnh đi cách nhau mt dm. Galileo bt đèn, và ngi tr lý đc dn là s bt đèn ca anh ta ngay khi thy ánh sáng t đèn ca Galileo. Galileo mun đo xem mt bao lâu ông ta mi thy ánh đèn t bên kia đi. Thí nghim ca ông không thành công. Vn đ là vn t c ánh sáng thng quá ln đ đo đc bng cách này; ánh sáng đi 1 dm trong mt thi gian cc ngn (khong 0.000005s) mà khong đó thì không có dng c nào thi ca Galileo đo đc. b. Phng pháp ROEMER Vào khong nm 1670, nhà thiên vn ngi an Mch Ole Roemer đã tin hành quan sát rt cn thn mt trng IO ca Sao Mc. m đen là bóng ca IO ( H.I.2.1.2.b1 ). IO mt 1.76 ngày đ quay 1 vòng quanh Sao Mc, và theo lý thuyt thì chu k quay này phi luôn có thi gian nh vy. Th nên Roemer hy vng là ông có th d đoán chính xác chuyn đng này. Trc s ngc nhiên ca ông, ông thy rng v tinh này không xut hin đúng  ch mà nó đc d đoán. Vào mt thi đim chính xác ca nm, nó có hi chm hn ngày gi đã đnh mt chút, còn  thi đim khác thì nó sm hn mt chút. Tht khó hiu. Ti sao qu đo ca nó đôi khi nhanh hn và đôi lúc chm hn? ó cng là điu mà Roemer thc mc, và không ai có th ngh ra mt cách tr li xác đáng. Tuy nhiên, Roemer ghi nhn r ng IO ti sm hn v trí d đoán trên qu đo ca nó khi Trái t  gn Sao Mc hn. Và nó ti chm khi Trái t  xa Sao Mc hn. Hình 1.1 [...]... truy n g Hình 1.3 GI I MÃ NH NG BÍ M T V ÁNH SÁNG n m t ng ph n x cái tr l i (H.I.2.1.2.c) Thay i 11 GVHD: Lê V n Hoàng v n t c quay c a bánh xe và kho ng cách t bánh xe ng ng sao cho khi ánh sáng ph n x tr l i i qua úng khe ti p theo c a bánh xe Nh v y th i gian truy n sáng là 2S/c chính b ng th i gian bánh xe quay gi a hai khe liên ti p Fizeau ã o d Ph Ph ng pháp g c c v n t c ánh sáng là 312,000 km/s... n ánh sáng D gi i thích các hi n t ng t nhiên i ây trình bày các lý thuy t quan tr ng, theo trình t l ch s I.2.4.1 Lý thuy t h t ánh sáng Lý thuy t h t ánh sáng, c Isaac Newton a ra, cho r ng dòng ánh sáng là dòng di chuy n c a các h t v t ch t Lý thuy t này gi i thích c hi n t s tính ch t khác c a ánh sáng; tuy nhiên không gi i thích giao thoa, nhi u x mang tính ch t sóng GI I MÃ NH NG BÍ M T V ÁNH. .. ng h ông c l i, vì ánh sáng ng ó hút và v n t c s t ng lên, ch không gi m xu ng M c dù l i hòa gi i cho cu c cãi vã này là o v n t c ánh sáng trong các ch t khác nhau, không khí và th y tinh ch ng h n, nh ng trong th i kì ó, d ng c dùng làm vi c này ch a ra GI I MÃ NH NG BÍ M T V ÁNH SÁNG i Thêm n a, ánh sáng hình nh chuy n 22 ng v i cùng m t v n t c, b t ch p môi tr v n t c c a ánh sáng m i GVHD: Lê... rõ vào lúc y GI I MÃ NH NG BÍ M T V ÁNH SÁNG c 30 N m 1905, Albert Einstein GVHD: Lê V n Hoàng xu t r ng ánh sáng th c ra có m t s c tr ng h t, b t ch p nh ng b ng ch ng tràn ng p cho b n ch t gi ng sóng c a ánh sáng Einstein là khoa h c gia c gi i Nobel v khoa h c (1921) khi ông xác minh b n ch t h t trong thí nghi m quang i n Ánh sáng v t li u giàu i n t Khi Einstein thay ánh sáng) i n, nh ng thay... i, là i t n s c a ánh sáng t i (t c là thay n m t giá tr nào ó thì cây kim trên máy o b t cho m t dòng i n ch y Thay ic i t n s giao c ánh sáng có ng u chuy n ánh sáng không thay ng c a ánh sáng, thay ic c ng ng, ch d u ng ng b ng t n s dao dòng dòng quang ó, Einstein m i l p ra lý thuy t quang i n cho r ng ánh sáng thành b i nh ng h t c b n; m t h t có n ng l i màu cc u ng c a ánh sáng t i nhân v i... ch n ánh sáng có tính sóng n a GI I MÃ NH NG BÍ M T V ÁNH SÁNG c ng giao thoa 31 GVHD: Lê V n Hoàng Trong thí nghi m Young m t chùm ánh sáng (bao g m nhi u quang t ) c b n qua hai k h sát nhau trên màn ch n Trên màn hình phía sau, xu t hi n ra nh ng vân sáng và t i xen k nhau Hi n t ng này c là g i hi n t ng giao thoa Giao thoa là b ng ch ng c a tính sóng (nh sóng bi n) c a ánh sáng Các v ch sáng t... các hi u ng phân c c ánh sáng và hi u ng quang i n Hai c tr ng c a ánh sáng s ng hòa thu n cùng nhau và cho phép chúng ta khám phá nh ng nét p c a v tr II Ánh sáng và th giác – c a ánh sáng trong các môi tr Khi nghiên c u v ánh sáng, i u làm tôi quan tâm chúng ta có th tri giác c các s v t, hi n t ng truy n ng u tiên là tr l i câu h i: làm sao ng xung quanh T t nhiên là nh ánh sáng r i!, nh ng mà c... , ánh sáng tái k t h p b ng giao thoa t o ra d i vân sáng và t i d c theo chi u dài c a màn hình M c dù có v quan tr ng, nh ng k t lu n c a Young không c ch p nh n r ng rãi vào lúc ó, ch y u do b i ni m tin quá mãnh li t vào thuy t h t Ngoài quan sát s giao thoa ánh sáng, Young còn cho r ng ánh sáng có các màu khác nhau g m các sóng có chi u dài khác nhau, m t khái ni m c s GI I MÃ NH NG BÍ M T V ÁNH. .. T V ÁNH SÁNG ng ph n x và m t c nhi u hi n t ng nh 18 GVHD: Lê V n Hoàng I.2.4.2 Lý thuy t sóng ánh sáng Lý thuy t sóng ánh sáng, c Christiaan Huygens s lan truy n c a sóng Lý thuy t này gi i thích sóng c a ánh sáng nh giao thoa, nhi u x ; a ra, cho r ng dòng ánh sáng là c nhi u hi n t ng mang tính ch t ng th i gi i thích t t hi n t ng khúc x và ph n x Lý thuy t sóng và lý thuy t h t ánh sáng ra cu... th i gian ánh sáng c n Bi t ng, có l là 1 ti ng 15 phút tr i kho ng cách gi a Trái t và c v n t c ánh sáng Qua ó ông xác c v n t c ánh sáng vào c : 214.000 - 300.000 km/s (tu theo th i gian gi a các l n b che khu t là 1000s hay là 1400s) c Ph ng pháp dùng a r ng c a Fizeau là ng i u tiên th c hi n phép o v n t c ánh sáng ngay trên m t t vào n m 1849 Ánh sáng khe th c phát ra t nh t c a m t bánh xe quay . PHM TP HCM KHOA VT LÍ    GVHD LÊ VN HOÀNG SVTH Mai Th c Khuê Lê Hoàng Anh Linh Phm Th Mai Tháng 5, nm 2009, TP.HCM GVHD: Lê Vn Hoàng GII MÃ NHNG. vng 49 II.2.2 Ti sao bu tri li xanh? 53 II.2.3 Ti sao núi li xanh? 55 II.2.4 Hoàng hôn lng ly 56 II.2.5 Lc quang tuyn 58 II.2.6 Hành tinh xanh và bt trng 59 II.2.7 Bn giao. Mun bi t, chúng ta hãy cùng gia nhp các cuc tranh lun cng thng y nhé! Bn s tr li th nào nu nh mt hc trò ca bn (hay bt kì ai) hi bn r ng: “Ti sao bu tri li xanh nhng