Ánh sáng là gì? Vì sao có ánh sáng?
Ánh sáng
Mắt nhìn thấy một vật nếu vật ấy phát ra ánh sáng đập vào mắt Ánh sáng nhìn thấy này (thực ra ta nhìn thấy vật chứ không nhìn thấy bản thân ánh sáng) là các sóng điện từ cú bước súng từ 0,4àm đến 0,75àm Ánh sỏng theo nghĩa rộng cũn bao gồm cả những sóng điện từ mà mắt không nhìn thấy được, như ánh sáng (tia) tử ngoại, ánh sáng (tia) hồng ngoại… Vấn đề bản chất của ánh sáng được tranh cãi nhiều nhất trong lịch sử Vật lý học (thuyết hạt và thuyết sóng) Trong những điều kiện nhất định không thể coi ánh sáng là sóng, mà lại phải coi nó gồm các hạt (phôtôn) Ta nói rằng ánh sáng có lưỡng tính sóng - hạt. Ánh sáng đơn sắc là ánh sáng có bước sóng xác định Gọi như vậy vì màu sắc của ánh sáng phụ thuộc vào bước (hoặc tần số f = c/) Màu đỏ, chẳng hạn, ứng với các bước sóng khoảng 0,75 m Thực ra không thể tạo được ánh sáng tuyệt đối đơn sắc mà chỉ có thể tạo được ánh sáng có bước sóng nằm trong một khoảng nhỏ từ + đến - ; càng bé thì ánh sáng càng gần với ánh sáng đơn sắc. Ánh sáng trắng là ánh sáng gây ra cho con mắt cảm giác về màu như ánh sáng mặt trời – là tập hợp của rất nhiều bức xạ trong khoảng bước sóng nhìn thấy, gồm 7 màu quy ước (tím, chàm, lam, lục, vàng, da cam, đỏ) Hỗn hợp hai hoặc ba màu thích hợp cũng gây được cảm giác về ánh sáng trắng. Ánh sáng phân cực Sóng điện từ được đặc trưng bởi các vectơ điện trường và cảm ứng từ dao động trong mặt phẳng vuông góc với phương truyền Nếu phương dao động là cố định thì ánh sáng được gọi là ánh sáng phân cực thẳng Nếu phương dao động phân bố đều thì ánh sáng gọi là ánh sáng tự nhiên (không phân cực) Phần lớn các nguồn sáng phát ra gọi là ánh sáng tự nhiên Ánh sáng mặt trời là ánh sáng tự nhiên.
Vi sao có ánh sáng?
Hệ Mặt trời bao gồm một hằng tinh là Mặt trời và 9 hành tinh khác là sao Thuỷ, Trái đất, sao Kim, sao Hoả, sao Mộc, sao Thổ, sao Thiên Vương, sao Hải Vương và sao Diêm Vương
Các hằng tinh trong vũ trụ có nhiệt độ bề mặt từ mấy nghìn tới mấy vạn độ, vì vậy chúng phát ra các loại bức xạ (kể cả ánh sáng nhìn thấy) Mặt trời là hằng tinh gần chúng ta nhất Năng lượng Mặt Trời là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ Mặt Trời, cộng với một phần nhỏ năng lượng của các hạt hạ nguyên tử khác phóng ra từ ngôi sao này Dòng năng lượng này sẽ tiếp tục phát ra cho đến khi phản ứng hạt nhân trên Mặt Trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỷ năm nữa.
Năng lượng bức xạ điện từ của Mặt Trời tập trung tại vùng quang phổ nhìn thấy Mỗi giây trôi qua, Mặt Trời giải phóng ra không gian xung quanh 3,827×10 26 joule tương đương với một máy phát điện có công suất 382 x 10 23 W
Nguyên nhân khiến hằng tinh phát sáng? Đây là điều bí ẩn đối với ngành thiên văn học suốt nhiều thế kỷ qua Mãi cho đến đầu thế kỷ 20, nhà vật lý Einstein dựa vào thuyết tương đối đã đưa ra một công thức có liên quan giữa khối lượng và năng lượng của vật thể, nhờ đó mà các nhà nghiên cứu mới có đáp án cho câu hỏi hóc búa này Hoá ra trong lòng các hằng tinh, nhiệt độ cao tới hơn
10 triệu độ C khiến các vật chất trong đó tương tác với nhau, xảy ra phản ứng nhiệt hạch Hạt nhân nguyên tử hydro biến thành hạt nhân nguyên tử heli và sản sinh ra một nguồn năng lượng khổng lồ
Năng lượng này truyền từ tâm hằng tinh ra ngoài bề mặt và vào không gian bằng cách bức xạ Các bức xạ này nằm trong phổ từ ánh sáng hồng ngoại, đến ánh sáng nhìn thấy và sóng cực ngắn Cứ như vậy hằng tinh duy trì phát sáng không ngừng Nhà bác học
Mĩ Betơ (Bethe) đã nêu lên một chỗi phản ứng kết hợp gọi là chu trình cacbon-nitơ gồm 6 phản ứng tiếp nhau, với sự tham gia của cacbon và nitơ như là các chất xúc tác và trung gian, nhưng xét tổng hợp thì cả chu trình rút về sự tạo thành hạt nhân hêli từ các hạt nhân hiđrô.
Cả chu trình kéo dài hàng chục triệu năm nhưng từng phản ứng liên tục xảy ra, và chu trình này cung cấp một phần năng lượng cho Mặt Trời (bên cạnh các chu trình khác).Mặt Trời mất năng lượng do bức xạ thì theo hệ thức của Anhxtanh, khối lượng của nó liên tục giảm Nhưng vì khối lượng Mặt Trời rất lớn nên sự giảm này chỉ đáng kể sau hàng triệu năm.
Một số đặc trưng quan trọng của ánh sáng
I.2.1.1 Tốc độ ánh sáng trong chân không
Trong chân không, các thí nghiệm đã chứng tỏ ánh sáng nói riêng, hay các bức xạ điện từ nói chung, đi với vận tốc không thay đổi, thường được ký hiệu là c = 299.792.458 m/s, thậm chí không phụ thuộc vào hệ quy chiếu Hiện tượng này đã thay đổi nhiều quan điểm về cơ học cổ điển của Isaac Newton và thúc đẩy Albert Einstein tìm ra lý thuyết tương đối.
I.2.1.2 Các phương pháp đo tốc độ ánh sáng: a Thí nghiệm của Galileo
Galileo tiến hành thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng Ông và người trợ lý mỗi người cầm một cái đèn, đứng trên đỉnh đồi cách nhau một dặm Galileo bật đèn, và người trợ lý được dặn là sẽ bật đèn của anh ta ngay khi thấy ánh sáng từ đèn của Galileo Galileo muốn đo xem mất bao lâu ông ta mới thấy ánh đèn từ bên kia đồi Thí nghiệm của ông không thành công Vấn đề là vận tốc ánh sáng thường quá lớn để đo được bằng cách này; ánh sáng đi 1 dặm trong 1 thời gian cực ngắn (khoảng 0.000005s) mà khoảng đó thì ko có dụng cụ nào thời của Galileo đo được. b Phương pháp ROEMER
Vào khoảng năm 1670, nhà thiên văn người đan mạch Ole Roemer đã tiến hành quan sát rất cẩn thận mặt trăng IO của Sao Mộc Đốm đen là bóng của
IO IO mất 1.76 ngày để quay 1 vòng quanh Sao Mộc, và theo lý thuyết thì chu kỳ quay này phải luôn có thời gian như vậy Thế nên Roemer hy vọng là ông có thể dự đoán chính xác chuyển động này Trước sự ngạc nhiên của ông, ông thấy rằng vệ tinh này không xuất hiện đúng ở chỗ mà nó được dự đoán Vào một thời điểm chính xác của năm, nó có hơi chậm hơn ngày giờ đã định một chút, còn ở thời điểm khác thì nó sớm hơn một chút Thật khó hiểu Tại sao quĩ đạo của nó đôi khi nhanh hơn và đôi lúc chậm hơn? Đó cũng là điều mà Roemer thắc mắc, và không ai có thể nghĩ ra một cách trả lời xác đáng Tuy nhiên, Roemer ghi nhận rằng IO tới sớm hơn vị trí dự đoán trrên quĩ đạo của nó khi Trái Đất ở gần Sao Mộc hơn Và nó tới chậm khi Trái Đất ở xa Sao Mộc hơn.
Hãy nghĩ thế này: nếu ánh sáng không di chuyển nhanh tức thời, nghĩa là nó sẽ cần 1 khoảng thời gian để đi từ Sao Mộc tới Trái Đất Cứ cho rằng nó mất 1 tiếng đi Vậy là khi nhìn Sao Mộc qua kính thiên văn, cái mà bạn nhìn thấy hiện nay là ánh sáng được truyền đi từ 1 tiếng trước, nghĩa là bạn nhìn thấy Sao Mộc và mặt trăng của nó 1 giờ trong quá khứ.
Vậy là Roemer đã nhìn thấy IO sớm hơn bình thường, có lẽ là 1 tiếng 15 phút trước thay vì 1 tiếng Và điều ngược lại sẽ xảy ra nếu Sao Mộc và Trái Đất ở gần nhau hơn Thật ra IO đã không thay đổi quĩ đạo của nó; nó chỉ xuất hiện ở vị trí khác nhau phụ thuộc vào thời gian ánh sáng cần để đi thôi.
Biết được thời gian di chuyển của IO và sự thay đổi khoảng cách giữa Trái Đất và Sao Mộc như thế nào, Roemer có thể tính được vận tốc ánh sáng Qua đó ông xác định được vận tốc ánh sáng vào cỡ: 214.000 - 300.000 km/s (tuỳ theo thời gian giữa các lần bị che khuất là 1000 s hay là 1400s). c Phương pháp dùng đĩa răng cưa
Fizeau là người đầu tiên thực hiện phép đo vận tốc ánh sáng ngay trên mặt đất vào năm 1849. Ánh sáng được phát ra từ khe thứ nhất của một bánh xe quay rất nhanh, truyền đến một cái gương phản xạ trở lại Thay đổi vận tốc quay của bánh xe và khoảng cách từ bánh xe đến gương sao cho khi ánh sáng phản xạ trở lại đi qua đúng khe tiếp theo của bánh xe.
Như vậy thời gian truyền sáng là 2S/c chính bằng thời gian bánh xe quay được giữa hai khe liên tiếp Fizeau đã đo được vận tốc ánh sáng là 312,000 km/s. d Phương pháp gương quay
Phương pháp này thu ngắn khoảng cách D rất nhiều so với các thí nghiệm của Fizeau, Cornu, và được thực hiện bởi Foucault vào năm 1862.
Nếu gương quay M đứng yên hay có vận tốc quay nhỏ, ánh sáng đi về theo quỹ đạoSIJS1JIs.Ta có ảnh cuối cùng s.Nếu gương M quay với vận tốc lớn thì trong thời gian ánh sáng đi về trên quãng đường JS1, gương M đã quay được một góc α Do đó trong lần về, tia phản chiếu trên gương M là JI ’ Ta có ảnh cuối cùng là s ’ Bằng một kính nhắm vi cấp,ta xác định được khoảng cách ss ’ Từ đó suy ra vận tốc ánh sáng.
Gọi S ’ 1 là ảnh của S nếu không có gương M Nhưng vì có gương M nên chùm tia sáng hội tụ tại một điểm S1 trên gương cầu lõm B Các điểm S1 và S1 ’ đối xứng qua gương M nên không tùy thuộc vị trí của gương này Do đó khi M quay, S1 ’ cố định Khi gương M quay một góc α, tia phản chiếu quay một góc β = 2α , S1 ’’ là ảnh của S1 cho bởi gương
Dùng kính nhắm vi cấp đo khoảng cách: ss ’ =SS ’ = β.d ( d là khoảng cách từ nguồn sáng S tới gương quay ).
Thời gian ánh sáng từ gương M tới gương cầu lõm B và trở về là : θ Vậy β = 2α = ( N = số vòng quay mỗi giây của gương M).
Foulcault tính được vận tốc ánh sáng:
Trong thí nghiệm của Foucault, khoảng cách D = 20m, N= 800 vòng/ giây, vận tốc ánh sáng tính được là:
C= 298.000 500 km/s Newcomb năm 1882 thực hiện lại thí nghiệm của Fouucault với D 700 m, N= 210 vòng/ giây, tìm được C= 299.860 50 km/s e Phương pháp MICHELSON
Michelson đã thực hiện nhiều thí nghiệm để đo vận tốc ánh sáng Ở đây, ta chỉ đề cập tới các thí nghiệm sau cùng của Michelson được thực hiện trong khoảng thời gian1924- 1926 Khoảng cách ánh sáng đi về dài 35,4 km giữa hai ngọn núi Wilson vàAntonio Thiết trí thí nghiệm như H4.
P là một lăng kính phản xạ 8 mặt, có thể quay xung quanh trục O M và M ’ là hai gương cầu lõm Lúc đầu, P đứng yên, ánh sáng từ khe sáng S đến mắt a của lăng kính P và lần lượt phản chiếu trên các gương : m1, m2, M, M ’ , m3, M ’ , M, m4, m5 tới mặt e ( đối diện với mặt a) của lăng kính P, phản chiếu trên mặt này tới gương m6 Quan sát bằng một kính nhắm vi cấp,ta thấy ảnh cuối cùng S ’ của khe sáng S Sau khi đã điều chỉnh hệ thống như trên, người ta cho lăng kính P quay thì ảnh S ’ biến mất Ảnh này lại xuất hiện đúng vị trí cũ nếu trong thời gian ánh sáng đi về, mặt d của lăng kính P quay tới đúng vị trí ban đầu của mặt e, nghĩa là thời gian đi về của ánh sáng bằng thời gian t để lăng kính P quay được 1/8 vòng Nếu N là số vòng quay mỗi giây tương ứng của lăng kính P, ta có :
Vận tốc ánh sáng là :
Trong thí nghiệm trên của Michelson, lăng kính P quay với vận tốc 528 vòng/ giây Thực ra trong các thí nghiệm, hai thời gian và t khó thể điều chỉnh cho hoàn toàn bằng nhau Do đó ta có = t , nghĩa là mặt d khi tới thế chổ mặt e, hợp với vị trí ban đầu của mặt e một góc Vì vậy, ta quan sát thấy một ánh sáng S1 ’ không trùng với vị trí ban đầu S ’ Xác định khoảng cách S ’ S ’ 1 , ta có thể tính được Từ đó tính được số hạng hiệu chỉnh cho vận tốc ánh sáng.
Trong thời gian từ năm 1924 đến đầu năm 1927, Michelson đã thực hiện phép đo nhiều lần Kết quả trung bình của các thí nghiệm là 299.976 km/ giây với sai số 4 km/giây.
Cuộc đấu tranh đưa đến kết luận bản chất “Lưỡng tính sóng - hạt của ánh sáng”
“Lưỡng tính sóng - hạt của ánh sáng”:
Bản chất vừa giống sóng vừa giống hạt của ánh sáng khiến cho giới vật lí chia rẻ sâu sắc trong nhiều thế kỉ, thậm chí có lúc cuộc chiến đi đến chỗ gần như một mất một còn.
Bản chất đích thực của ánh sáng khả kiến là một bí ẩn làm lúng túng loài người trong nhiều thế kỉ Các nhà khoa học Hy Lạp thuộc trường phái Pythagore cổ đại cho rằng mỗi một vật khả kiến phát ra một dòng hạt đều đặn, còn Aristotle kết luận rằng ánh sáng truyền đi theo kiểu giống như sóng trên đại dương Mặc dù những ý tưởng này đã trải qua hàng loạt cải tiến và thu được tiến bộ đáng kể trong thế kỉ 20 vừa qua, nhưng điều cốt lõi của cuộc tranh luận do các nhà triết học Hy Lạp đặt ra vẫn kéo dài cho tới ngày nay
Hình 1 Ánh sáng là sóng và là hạt
Một quan điểm nhìn nhận ánh sáng giống như sóng trong tự nhiên, chúng tạo ra năng lượng và truyền trong không gian theo kiểu tương tự như các gợn sóng lan dần ra trên bề mặt của một ao nước phẳng lặng sau khi bị một hòn đá rơi xuống làm nhiễu động. Quan điểm đối lập cho rằng ánh sáng gồm dòng các hạt đều đặn, rất giống với những giọt nước nhỏ xíu phun ra từ một vòi tưới vườn Trong vài thế kỉ qua, mỗi quan điểm chỉ được nhất trí trong một khoảng thời gian nào đó, rồi lại bị lật đổ bởi bằng chứng cho quan điểm kia Chỉ trong thập kỉ đầu tiên của thế kỉ 20 cũng là bằng chứng đủ sức thuyết phục mang tới câu trả lời toàn diện, và trước sự ngạc nhiên của nhiều người, hóa ra cả hai lí thuyết đều chính xác, ít nhất là trong từng bộ phận
Vào đầu thế kỉ 19, chủ đề về bản chất ánh sáng đã đẩy cộng đồng khoa học tới chỗ chia phe dựng trại chiến đấu kịch liệt bảo vệ cho giá trị của những lí thuyết ưa chuộng của họ Một nhóm nhà khoa học, những người tán thành thuyết sóng, tập trung bàn luận về những khám phá của nhà khoa học người Hà Lan Christiaan Huygens Còn trại bên kia thì trích dẫn thí nghiệm lăng kính của ngài Isaac Newton, xem là bằng chứng cho thấy ánh sáng truyền đi dưới dạng một trận mưa hạt, mỗi hạt đi theo đường thẳng cho tới khi nó bị khúc xạ, hấp thụ, phản xạ, nhiễu xạ theo một số kiểu khác Mặc dù chính Newton hình như cũng có một số nghi ngờ với thuyết tiểu thể của ông về bản chất ánh sáng, nhưng uy tín của ông trong cộng đồng khoa học có sức nặng quá lớn nên những kẻ ủng hộ ông đã bỏ qua tất cả những bằng chứng khác trong cuộc chiến đấu khốc liệt của mình
Lí thuyết khúc xạ ánh sáng của Huygens, dựa trên khái niệm bản chất giống như sóng của ánh sáng, 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 Mặc dù lời hòa giải cho cuộc cãi vã này là đo vận tốc ánh sáng trong các chất khác nhau, không khí và thủy tinh chẳng hạn, nhưng trong thời kì đó, dụng cụ dùng để làm việc này chưa ra đời Thêm nữa, 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 để chứng minh thuyết Huygens là đúng
Hình 2 Những nhà tiên phong trong ngành vật lí nghiên cứu ánh sáng khả kiến
Bất chấp danh cao vọng trọng của ngài Isaac Newton, số nhà khoa học có danh tiếng vào đầu những năm 1700 không tán thành thuyết tiểu thể của ông Một số người tranh luận rằng nếu ánh sáng là các 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
Huygens, với trực giác của mình, đề xuất trong chuyên luận năm 1690 của ông rằng, sóng ánh sáng truyền trong không gian qua trung gian ête, một chất bí ẩn không trọng lượng, tồn tại như một thực thể vô hình trong không khí và không gian Công cuộc săn lùng ête ngốn một lượng đáng kể tài nguyên trong thế kỉ 19 trước khi cuối cùng phải dừng lại Thuyết ête tồn tại ít nhất là cho tới cuối những năm 1800, bằng chứng là mô hình do Charles Wheatstone đề xuất, chứng minh ête mang sóng ánh sáng bằng cách dao động theo hướng vuông góc với hướng truyền sóng, và mô hình chi tiết của James Clerk Maxwell mô tả việc xây dựng chất vô hình này Huygens tin rằng ête 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 tài tính 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.
Khi 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 phải nghĩ ra mỗi mô hình cho mỗi trường phái để giải thích hiện tượng (hình 3)
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 giới 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 giới, 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 không được nghiên cứu và không có bằng chứng nào được thu thập để chứng minh cho lí thuyết
Hình 3 Sự khúc xạ của hạt và sóng
Một so sánh thú vị khác của hai lí thuyết liên quan tới những khác biệt xảy ra khi ánh sáng bị phản xạ từ một bề mặt nhẵn, lung linh, 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 4) 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 4 Hạt và sóng phản xạ bởi gương
Trường hợp bản chất hạt của ánh sáng đối với hiện tượng phản xạ có sức thuyết phục hơn nhiều so với hiện tượng khúc xạ Ánh sáng phát ra từ một nguồn, dù 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 cánh 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 được minh họa trên hình 4 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 Thuyết này rất phù hợp với những quan sát thực nghiệm
Hạt và sóng cũng sẽ hành xử khác nhau khi chúng chạm phải rìa của một vật và tạo nên bóng đổ (hình 5) Newton sớm chỉ ra trong cuốn Opticks xuất bản năm 1704 của ông 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 rìa của một rào chắn thì chúng sẽ không tạo ra bóng đổ vì các hạt không bị rào chắn ngăn cản tiếp tục chuyển động theo đường thẳng và không trải qua phía sau rìa chắn Ở 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 nhỏ hơn nhiều.
Hình 5 Nhiễu xạ của hạt và sóng
Khi ánh sáng truyền qua một khe hẹp, chùm tia trải ra và trở nên rộng hơn mong đợi. Quan sát quan trọng có tính cơ sở này mang lại nhiều tin cậy cho thuyết sóng ánh sáng. Giống như sóng nước, sóng ánh sáng chạm phải rìa của một vật thì uốn cong quanh rìa đó và đi vào vùng bóng hình học của nó, là vùng không được rọi sáng trực tiếp bằng chùm tia sáng Hành trạng này tương tự như sóng nước cuốn quanh phần cuối của bè nổi, thay vì phản xạ ra xa
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 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 nữa, hoàn toàn đồng bộ với nhau, được tạo ra (hình 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
Hình 6 Thí nghiệm hai khe Young
Mặc dù có vẻ 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
Ánh sáng và thị giác – Đường truyền của ánh sáng trong các môi trường
Ánh sáng và thị giác
Tôi sẽ hãy giải quyết lần lượt từng vấn đề sau:
Thứ nhất: Ta có thể nhìn thấy các vật là do một trong hai điều phải xảy ra Hoặc mắt là một cơ quan thụ động an phận ghi lại màu sắc và hình dạng mà các vật quanh chúng ta gửi đến cho nó Trong trường hợp này, ánh sáng đi từ vật tới mắt Hoặc mắt là chủ động và dò xét thế giới bên ngoài bằng cách chiếu vào nó các tia sáng Trong trường hợp này, ánh sáng đi từ mắt thay vì đi vào mắt Trường hợp nào đúng?
II.1.1 Ánh sáng đi từ mắt đến vật hay từ vật đến mắt?
Người Hy Lạp là những người đầu tiên suy nghĩ nghiêm túc về ánh sáng, thị giác và màu sắc, cũng như rất nhiều vấn đề khác Để trả lời câu hỏi đó, nhà bác học người Ả rập Alhazen (965-1039) đã nêu lên lập luận của mình: chúng ta không thể nhìn lâu Mặt Trời mà không bị chói mắt Nếu ánh sáng đi từ mắt chúng ta, thì sẽ không có lý do gì để chúng ta phải cảm thấy chói mắt như vậy Ngược lại, nếu ánh sáng mặt trời đi đến mắt chúng ta, thì ánh sáng chói lòa của nó có thể dễ dàng giải thích tại sao chúng ta lại thấy khó chịu như vậy Alhazen cũng nêu lên hiện tượng lưu ảnh; hãy nhìn một vật trong nắng và sau đó đi vào bóng râm: hình ảnh về vật vẫn đọng lại vài giây trước mắt chúng ta Một lần nữa, hiện tượng này cũng chỉ có thể giải thích được nếu ánh sáng đi vào mắt chúng ta từ bên ngoài.
Mắt không còn là nơi trú ngụ của một thứ ánh sáng thần thánh và thiêng liêng nữa; mắt chờ được được chiếu sáng bởi ánh sáng từ ngoài Từ vai trò là máy phát ra các tia, mắt chuyển sang vai trò là máy thu.
Câu hỏi thứ hai đặt ra: Ảnh của vật được hình thành như thế nào trong mắt, hay nói cách khác, cơ chế của sự hình thành ảnh trong mắt là gì?
II.1.2 Cơ chế của sự hình thành ảnh trong mắt là gì?
Léonard de Vinci (1452-1519) đã làm thí nghiệm buồng tối (được Alhazen miêu tả vào năm 1000): chọc một lỗ nhỏ vào tấm rèm phủ kín một buồng tối, lập tức các hình ảnh của thế giới được chiếu sáng từ bên ngoài sẽ hiện lên bức tường đối diện, nhưng lộn ngược Trong một cơn xuất thần của trí tưởng tượng sáng tạo, Léonard đã tổng hợp hai sự kiện này lại Ông là người đầu tiên đã đồng nhất mắt với buồng tối, nơi các hình ảnh của thế giới được phóng chiếu, các tia sáng từ bên ngoài đi vào qua lỗ con ngươi. Các tia sáng này sau đó bị lệch hướng và được tụ tiêu bởi thủy tinh thể trên dây thần kinh thị giác, cũng giống như mắt kính làm lệch hướng và tụ tiêu ánh sáng Ý tưởng này rất quan trọng Léonard đã bác bỏ quan niệm của Galien cho rằng thủy tinh thể là trung tâm của thị giác Vai trò của thủy tinh thể bây giờ bị rút lại thành vai trò của một dụng cụ quang học đơn thuần giống như mắt của một cái kính Nhưng sự đồng nhất mắt với buồng tối đặt ra một vấn đề: các hình ảnh bị đảo ngược, ấy vậy mà mắt vẫn nhìn thế giới theo đúng tư thế thuận của nó !
Theo Kepler (1571-1630), nếu mắt là một buồng tối và nếu các tia sáng đi vào mắt qua con ngươi có một kích thước nhất định, thì thế giới bên ngoài phải trình diện trước mắt ta một cách mờ nhòe, không rõ nét (cũng giống như trường hợp đường kính của hình ảnh của Mặt Trăng chiếu qua một lỗ vào trong buồng tối lại luôn lớn hơn giá trị mong đợi, bởi kích thước hữu hạn của cái lỗ, làm cho ảnh bị nhòe) Tuy nhiên, thực tế lại không phải như vậy Do đó, các hình ảnh mà mắt nhìn thấy, phải được hình thành theo một cơ chế khác Ông đã nhận ra rằng cơ chế này chính là sự khúc xạ Các tia sáng không lan truyền theo đường thẳng khi đi vào mắt, như trường hợp buồng tối, mà bị lệch hướng khi đi vào thủy tinh thể Như vậy, mặc dù mượn phần lớn các quan điểm của Alhazen, nhưng Kepler không đồng ý với khẳng định của nhà khoa học Ảrập này theo đó chỉ có những tia đi vuông góc với giác mạc mới đóng góp cho thị giác Tại sao một tia sáng rất gần với đường vuông góc với mắt lại không giúp gì cho thị giác? Điều đó không đúng ! Kepler đã khẳng định một cách chính xác rằng tất cả các tia sáng đều đóng góp cho thị giác và sở dĩ chúng ta nhìn thấy rõ nét các hình ảnh, chính là bởi vì tất cả các tia này đều bị lệch hướng và hội tụ vào một điểm duy nhất khi đi vào mắt người. Để kiểm tra giả thuyết của mình, Kepler đã miệt mài tiến hành các thí nghiệm với các bình thủy tinh tròn chứa đầy chất lỏng, giống như mắt Ông đã chứng tỏ được rằng các tia sáng đi qua các bình thủy tinh nước ấy đều hội tụ vào một điểm duy nhất, và rằng hình ảnh là sáng và nét nếu độ mở mà các tia đi qua đó là tương đối nhỏ Mắt có một độ mở nhỏ như thế (con ngươi) và một thấu kính (thủy tinh thể) để hội tụ các tia sáng. Nhưng hình ảnh được hình thành ở đâu? Vẫn rất chính xác, Kepler cho rằng nơi hội tụ các tia sáng và hình thành các hình ảnh là võng mạc - chứ không phải là thủy tinh thể như Alhazen và Galien đã nghĩ Sau hai nghìn năm lý thuyết về thị giác, vai trò của võng mạc là trung tâm của thị giác cuối cùng đã được thừa nhận.
Quay trở lại thắc mắc, tại sao chúng ta không nhìn thấy một thế giới bị đảo ngược? Descartes (1596-1650) đã nói rất dứt khoát, hình ảnh trong não mà chúng ta tri giác được là một phiên bản đơn giản hóa của hình ảnh được gởi tới từ thế giới bên ngoài, và chính não đã bổ khuyết thêm những thông tin còn thiếu Như vậy, Descartes là người đầu tiên cố gắng khai mở các con đường từ sự tri giác thế giới bên ngoài cho đến não bộ Theo nghĩa này, ông có thể coi là cha đẻ của ngành sinh lí học thần kinh hiện đại.
Nói thật chính xác thì mắt không “nhìn” mà chỉ nhận những kích thích ánh sáng rồi truyền chúng lên não để chuyển đổi và tổng hợp lại hình ảnh của sự vật Để thu nhận hình ảnh, mắt ta có một thấu kính để tụ tiêu hình ảnh, một mống mắt hay lòng đen để điều chỉnh lượng ánh sáng đi vào mắt và một võng mạc đóng vai trò màn ảnh. Để tiêu tụ ánh sáng đi từ những vật mà ta muốn nhìn, mắt ta co hoặc giãn cơ mi nằm quanh mắt để thay đổi tiêu cự và hình dạng của thấu và giác mạc của mắt Hình ảnh được thấu kính hai mặt lồi đảo chiều và tụ tiêu trên võng mạc Võng mạc tụ tập hàng triệu tế bào hình nón và hình que nhạy sáng gởi lên xung điện theo tế bào thần kinh thị giác lên não, và tại đây, hình ảnh được chuyển đổi và đảo chiều trở lại để ghi nhận hình ảnh thuận chiều của vật muốn nhìn.
Các tế bào thần kinh hình nón ở võng mạc có thể phân biệt và làm nổi lên các chi tiết tinh tế trong hình ảnh Chúng nằm chủ yếu xung quanh vùng trung tâm của võng mạc gọi là lõm trung tâm, do đó lõm cũng là nơi để nhìn được các vật chi tiết nhất và rõ nhất Các tế bào thần kinh hình nón cũng nhạy với ánh sáng màu, do đó vùng lõm cũng để phân biệt các màu sắc Các tế bào hình que nằm xa lõm hơn, chịu trách nhiệm về một hình ảnh tổng thể trên diện rộng nhưng không đi vào chi tiết Đó cũng là lí do tại sao ta nhìn trực diện vào một vật khi muốn quan sát nó một cách cẩn thận Hình ảnh lúc đó được tụ tiêu xung quanh lõm trung tâm, nơi mà phần lớn các tế bào hình nón làm nổi lên các chi tiết tinh tế của hình ảnh Ngoài ra các tế bào hình que cũng hữu ích để nhìn ban đêm. Ánh sáng giúp ta đánh giá được vẻ đẹp, sự lộng lẫy và hài hòa của vũ trụ quanh ta Ánh sáng điều chỉnh nhịp sinh học của cơ thể chúng ta Nhưng ở đây có một nghịch lý lớn:nếu ánh sáng cho phép chúng ta nhìn thấy thế giới, thì bản thân ánh sáng lại không nhìn thấy được nếu không có các vật trong môi trường chặn đường đi của nó và làm cho nó bộc lộ mình Thật vậy, nếu bạn chiếu ánh sáng vào một cái thùng kín và chú ý để cho nó không đập vào bất kỳ vật hay bề mặt nào, bạn sẽ chỉ thấy bóng tối Chỉ khi nào bạn đưa một vật ngang qua đường đi của ánh sáng và bạn thấy nó được chiếu sáng thì bấy giờ bạn mới biết rằng cái thùng chứa đầy ánh sáng Tương tự, một nhà thiên văn học nhìn qua cửa sổ của phi thuyền không gian sẽ chỉ thấy không gian sâu thẳm tối đen như mực, mặc dù ánh sáng Mặt Trời choán đầy xung quanh anh ta Ánh sáng Mặt Trời ở đây không đập vào cái gì nên không nhìn thấy được Vậy vấn đề thứ ba là, chúng ta thử đi tìm hiểu hành trạng của các tia sáng trong thế giới này nhé!
II.1.3 Hành trạng của các tia sáng
Cùng làm quen với các định luật liên quan đến ánh sáng:
II.1.3.1 Ánh sáng truyền thẳng
“Trong một môi trường trong suốt, đồng nhất, ánh sáng truyền đi theo đường thẳng”
II.1.3.2 Nhưng khi tia sáng chạm phải một môi trường khác thì sao?
Khi ánh sáng gặp một vật, thì một trong hai hiện tượng sẽ xảy ra: hoặc là nó nảy trên bề mặt của vật để quay lại phía sau, và người ta nói ánh sáng bị phản xạ (chẳng hạn, khi bạn nhìn mình trong gương, thì chính ánh sáng của cơ thể bạn được phản xạ bởi gương đi vào trong mắt bạn); hoặc là ánh sáng đi vào môi trường mới trong suốt bằng cách thay đổi hướng, và người ta nói ánh sáng bị khúc xạ
Bốn thế kỷ trước CN, Euclide đã biết định luật phản xạ trên mặt phẳng: góc của tia tới tạo với pháp tuyến của mặt phẳng bằng góc của tia phản xạ với chính pháp tuyến đó.
Archimède (khoảng 287-212 tr.CN) đã chứng minh được rằng có thể tập trung toàn bộ ánh sáng tới vào tiêu điểm của gương nếu gương này có dạng parabol Như vậy, người
Hy Lạp đã biết làm chủ kỹ thuật chế tạo gương Trên thực tế, Archimède đã thiêu rụi hạm đội La Mã đang vây hãm thành phố Syracuse bằng cách dùng các gương parabol khổng lồ tập trung ánh sáng mặt trời lên tàu địch Ngày nay nguyên lý tập trung ánh sáng này vẫn được dùng trong kỹ thuật để chế tạo các kính thiên văn lớn.
Người Hy Lạp cũng đã biết đến hiện tượng khúc xạ Trong cuốn Quang học, Ptolémée miêu tả thí nghiệm đã từng được Euclide nhắc đến (bạn có thể dễ dàng tự mình thực hiện thí nghiệm này để bước đầu tìm hiểu các hiệu ứng của khúc xạ ánh sáng): đặt một cái bát to lên bàn và thả xuống đáy bát một đồng tiền xu Hãy ngồi ở một chỗ sao cho bạn không thể nhìn thấy đồng tiền xu nếu không hơi nhổm người lên Nghĩa là đồng xu đã nằm ngoài tầm mắt của bạn Sau đó hãy đổ nước từ từ vào trong bát Mức nước tăng lên và, đến một lúc nào đó, bạn sẽ nhìn thấy đồng xu mà không phải nhổm người lên.
Sở dĩ bạn nhìn thấy đồng xu là nhờ khúc xạ ánh sáng: không có nước, các tia sáng xuất phát từ đồng xu không đi vào mắt; có nước, tia sáng bị lệch về phía đáy và đi vào mắt nên bạn có thể nhìn thấy nó Một thí nghiệm khác cũng minh hoạ những hiệu ứng lạ của khúc xạ: đặt một cái bút chì vào trong bát nước và bạn thấy cái bút chì này dường như không còn là một vật nguyên vẹn nữa, mà trông cứ như bị cắt làm đôi; khúc xạ làm cho phần bị chìm dưới nước trông cứ như không gắn với phần nằm trên mặt nước.
Nào ta cùng khám phá thế giới tươi đẹp này nhé!
Ánh sáng là tác giả của nhiều cảnh tượng tự nhiên vô cùng đẹp đẽ làm dịu lòng ta và an ủi tâm hồn ta thông qua trò chơi của nó với những giọt nước nhỏ, với các phân tử không khí và tinh thể băng, khi nảy trên bề mặt của các hạt bụi, cây cối và núi non; khi phản xạ trên mặt nước biển và ao hồ hay len lỏi trong các đám mây và sương mù.
Một trong những cảnh tượng tuyệt diệu nhất của tự nhiên, và cũng là ngắn ngủi nhất, đó chính là cầu vòng, cái vòng đa sắc xuất hiện giữa các giọt nước mưa ở cuối cơn giông. Một vòng cung có kích thước khổng lồ, màu sắc hài hòa và hình dạng hoàn hảo khiến ai cũng phải kinh ngạc, thậm chí sùng bái.
Các đặc tính làm nên vinh quang của cầu vòng không chỉ là nó có kích thước đầy ấn tượng và vẻ đẹp lộng lẫy, mà còn là vì nó rất hiếm khi xuất hiện, hơn thế nữa lại sinh ra và biến mất hết sức đột ngột Sau một trận mưa rào, khi Mặt Trời xuất hiện trở lại, bạn hãy quay đầu thật nhanh về phía đối diện với Mặt Trời, vì cầu vòng chỉ xuất hiện theo hướng đó Mặt trời và nước mưa phải tồn tại song song trong bầu trời thì cầu vòng mới có thể xuất hiện Trong một cơn giông mùa hè, cầu vòng dễ xuất hiện hơn, vì bầu trời xanh được mặt trời chiếu sáng có thể ló ra qua các đám mây, trong khi vào mùa đông, trời thường tối và bị mây mù bao phủ Nhưng không phải lúc nào có cả Mặt Trời và mưa thì cầu vồng cũng đều xuất hiện, vì các nhân tố khác có thể xen vào. Độ dày của cầu vòng lớn hơn kích thước góc của Mặt Trăng tròn khoảng 4 lần, tức khoàng 2 độ Các đầu mút của nó tạo thành với vị trí bạn đang đứng quan sát một góc gần 90 0 Vòng cung luôn luôn tròn một cách hoàn hảo, nhưng ngay cả khi ngắm nó từ chân trời, qua cửa sổ máy bay chẳng hạn, thì cũng không bao giờ thấy nó là một vòng tròn trọn vẹn, một phần của nó luôn bị che khuất dưới chân trời Bán kính góc của cung luôn là 42 0 , không bao giờ thay đổi
Hãy tưởng tượng nối tâm của vòng cung cầu vòng (được gọi là điểm đối nhật) với mắt bạn và
Mặt Trời bằng một đường thằng, thì đường thẳng này sẽ xuyên qua mặt đất, vì tâm của cung cầu vồng thường nằm dưới đường chân trời Điều này có nghĩa là vào cuối ngày, do sự thẳng hang của Mặt Trời - mắt - tâm, nên Mặt Trời càng xuống phía chân trời thì cung và tâm của nó càng đi lên gần đường chân trời, cầu vóng vì thế sẽ có hình bán nguyệt đúng vào lúc Mặt Trời lặn xuống dưới đường chân trời Trái lại, điều này cũng có nghĩa là Mặt Trời đi lên hơn 42 0 trên đường chân trời, thì cầu vòng sẽ biến mất hoàn toàn dưới đường chân trời và ta sẽ không nhìn thấy nữa Như vậy khả năng quan sát được cầu vòng phụ thuộc vào độ cao của Mặt Trời trên bầu trời, và do đó phụ thuộc vào thời điểm trong ngày Bạn sẽ có nhiều cơ hội ngắm cầu vòng hơn vào đầu buổi sáng hoặc cuối buổi chiều: Mặt Trời ở những thời điểm đó nằm thấp nhất trên bầu trời, điểm đối nhật nằm ngay sát chân trời và một nửa vòng cung nằm hoàn toàn bên trên chân trời Vị trí của Mặt Trời trên bầu trời còn phụ thuộc vào vĩ độ nơi quan sát, và vào mùa Ở một giờ nhất định trong ngày, Mặt Trời vào mủa đông thấp hơn vào mùa hè Ở các vĩ độ cao, vào mùa hè, Mặt Trời lên cao hơn trên bầu trời so với tại các vùng vĩ độ thấp; điều ngược lại xảy ra vào mùa đông Chính vì thế, ở vĩ độ của chúng ta, không một ai nhìn được cầu vồng vào giữa ngày mùa hè, khi Mặt Trời lên cao nhất trên bầu trời, tức là có độ cao góc lớn hơn 42 0
Một đặc tính quan trọng của cầu vồng, đó là lễ hội các màu sắc mà nó mang lại cho chúng ta Trật tự các màu này không bao giờ thay đổi: đỏ luôn nằm ở mép trên, đỉnh của vòng cung; rồi sau đó lần lượt từ cao xuống thấp, có da cam, vàng, lục lam, chàm và tím ở mép dưới Trên thực tế , các màu không bao giờ thay đổi đột ngột, mà dần dần, xen vào nhau hết sức tinh tế Thỉnh thoảng cũng xuất hiện một vòng thứ cấp đi kèm với vòng cung chính; nó mờ hơn và ở độ cao hơn trên bầu trời, nhưng các màu thì được sắp xếp theo trật tự ngược lại: màu tím ở mép trên và màu đỏ ở mép dưới Bán kính góc của vòng cung thứ cấp này lớn hơn bán kính góc của vòng cung chính và vòng cung thứ cấp tối hơn vòng tròn xung quanh.
Cầu vồng không phải là một vật thể, mà là kết quả của một trò chơi ánh sáng thay đổi theo vị trí của người quan sát Do tính phi vật thể của nó, nên cung hoàn hảo và sự đối xứng của cầu vòng không bao giờ bị ành hưởng Bạn cũng sẽ không bao giờ nhìn thấy nó soi bóng xuống nước hồ, cũng chẳng bao giờ thấy trong gương Cầu vồng như một bóng ma thoắt ẩn, thoắt hiện trong không trung Nó chỉ là sản phẩm của ánh sang đến từ đằng sau chúng ta, bởi vì nó sẽ đổi khác khi chúng ta di chuyển, nên chúng ta không bao giờ có thể bắt hay sờ mó được nó. Đã có rất nhiều nhà khoa học tìm cách giải thích về hiện tượng cầu vồng:
Aristote (384-332 TCN) là người đầu tiên thực hiện ý tưởng này trong tác phẩm Khí tượng học ông ý thức được rằng cầu vồng không thể là một vật thể có một vị trí nhất định trên bầu trời, mà là kết quả của một trò chơi ánh sang phụ thuộc vào hướng nhìn. Năm 1266, triết gia và nhà bác học người Anh Roger Bacon (1220-1292) là người đầu tiên đo được bán kính góc 42 0 của vòng cung chính của cầu vồng
Théodoric de Freiberg ( 1250-1310), dựa vào kết quả thực nghiệm với một quả cầu thủy tinh chứa đầy nước mô phổng một giọt nước, đã chừng tỏ rằng cung chính của cầu vòng là sản phẩm của các tia sáng đi vào giọt nước và chịu sự khúc xạ đầu tiên khi ánh sáng từ không khí đi vào giọt nước, phản xạ tại thành trong của giọt nước, rồi khúc xạ lần thứ hai khi ánh sáng từ giọt nước đi ra ngoài Ông cũng đưa ra giải thích về vòng cung thứ cấp: vòng cung này là sản phẩm của không phải một mà là hai phản xạ liên tiếp của ánh sáng ở thành trong của giọt nước Vì một phần ánh sáng bị mất đi sau mội lần phản xạ, nên cung thứ cấp mờ hơn cung chính.
Năm 1637, Rene Descartes (1596-1650) với công bố phát hiện về cầu vồng của mình trong cuốn Luận về sao băng, đã thêm vào một đóng góp quan trọng: Dựa trên các định luật khúc luật khúc xạ ánh sáng, ông đã chứng minh được rằng phần lớn các tia sáng Mặt Trời thoát ra từ các giọt nước mưa là nguyên nhân gây nên vòng cung chính, sau một lần phản xạ và hai lần khúc xạ theo một hướng yêu thích, với một góc khoảng 42 0 Lần đấu tiên, một giải thích đã được đưa ra cho bán kính góc của vòng cung chính. Descartes còn đi xa hơn: ông cũng suy nghĩ tới vấn đề vòng cung thứ cấp Ông chứng minh rằng, nếu ngoài hai khúc xạ trong hai lần đi vào và đi ra khỏi giọt nước, các tia sáng còn phải chịu hai lần phản xạ, thì chúng lại đi ra theo một hướng ưa thích khoảng
51 0 , giá trị quan sát được của bán kính góc của vòng cung thứ cấp.
Năm 1666, thiên tài Issac Newton (1642-1727) đã dùng một lăng kính phân tích ánh sáng trắng của Mặt Trời thành các màu cầu vồng, ông cũng đã không chỉ chứng minh rằng, ánh sáng trắng là một hỗn hợp của các màu, mà còn chứng minh rằng, chiết suất của một lăng kính (hay của một giọt nước) là khác nhau đối với các màu khác nhau: ánh sáng bị lệch hướng khác nhau tùy theo màu (hay bước sóng) của nó, một hiện tượng mà các nhà Vật Lí học gọi là “tán sắc” Bởi vì áng sáng bị tán sắc, nên mỗi một thành phần màu cho ra một vòng cung hơi khác Như vậy, cái mà chùng ta tin là một và chỉ một thực thể “cầu vồng” duy nhất thật ra là một tập hợp các vòng cung màu khác nhau, vòng cung màu này hơi xê dịch đôi chút so với vòng cung màu kia Bán kính góc của vòng cung chính và vòng cung thứ cấp vì vậy biến thiên nhẹ theo màu sắc của ánh sáng Như vậy, đối với ánh sáng đỏ và có bước sóng 800nm, góc là 42,6 o đối với vòng cung chính và là 49.92 0 đối với vòng cung thứ cấp Đối với ánh sáng tím có bước sóng 400nm, các góc này trở thành lần lượt 40.51 0 và 53.73 0 Độ lớn của các góc đối với các vòng cung chính (cỡ 2 0 ) và của vòng cung thứ cấp (khoảng 4 0 ) không gì khác chính là hiệu các góc lệch của các màu đỏ và tím.
Phải đợi đến Thomas Young (1773-1829), với quan điểm ánh sáng là sóng (1803), thì cuối cùng vấn đề hóc búa về các cung phụ của cầu vồng mới được làm sáng tỏ.
II.2.2 Tại sao bầu trời lại xanh?
Câu hỏi bề ngoài có vẻ ngây thơ này, loại câu hỏi mà con trẻ thường đặt ra cho bố mẹ chúng và làm cho họ bực mình vì không biết trả lời như thế nào, lại là một câu hỏi phát lộ chân lí.
Câu trả lời chính là do sự tán xạ ánh sáng Mặt Trời, nghĩa là quá trình làm cho một tia tới của Mặt Trời phân tán theo tất cả các hướng khả dĩ, là nguyên nhân làm cho bầu trời có màu xanh lam Và các hạt vật chất trong không khí có thể làm tán xạ ánh sáng và cho chúng ta một bầu trời màu xanh là các phân tử không khí Trên thực tế, các phân tử không khí thích tán xạ ánh sáng, và chúng đặc biệt thích ánh sáng màu xanh lam Bước sóng của ánh sáng càng ngắn, nghĩa là nó càng xanh lam, thì cơ hội nó được tán xạ càng cao, bởi vì xác suất để mọi photon của ánh sáng Mặt trời bị tán xạ bởi một phân tử không khí tỉ lệ nghịch với lũy thừa bậc bốn của bước sóng của nó (một hạt ánh sáng xanh lam có cơ hội được tán xạ lớn hơn ánh sáng màu đỏ gấp 10 lần).Như vậy khi chúng ta nhìn theo bất kì hướng nào của bầu trời, ngoại trừ trực tiếp theo hướng Mặt Trời, cơ hội để một photon Mặt Trời màu xanh lam tới mắt của bạn cao hơn một photon đỏ Và chính vì thế mà bầu trời có màu xanh lam Còn về các photon MặtTrời đỏ và vàng, vì ít bị tán xạ, nên chúng đến mắt chúng ta chủ yếu theo hướng Mặt
Trời Tuy vậy, Mặt Trời hơi có màu đỏ vì sự tán xạ củng lấy đi mất các photon Mặt Trời màu xanh lam trong đường ngắm tới Mặt Trời.
Và bầu trời ở gần chân trời sáng hơn ở trên đỉnh đầu chúng ta, ngay cả vào một ngày bầu trời rất trong Chính lượng không khí mà ánh sáng Mặt Trời phải đi qua để đến mắt chúng ta là nguyên nhân của điều đó: trục nhìn của chúng ta đi qua một khối không khí lớn hơn nhiều khi chúng ta nhìn ngang qua đường chân trời so với khi nhìn thẳng đứng lên cao Xa chân trời, đường nhìn của chúng ta đi qua một lớp không khí mỏng hơn, có ít phân tử không khí hơn, ánh sáng Mặt Trời trung bình chỉ bị tán xạ một lần, và bâu trời có màu xanh lam Ngược lại, gần chân trời, đường nhìn của chúng ta đi qua một lớp không khí dày hơn, có nhiều phân tử không khí hơn, và các phân từ này tán xạ ánh sáng không chỉ một lần, mà nhiều lần Đúng là photon lam có nhiều cơ hội tán xạ hơn photon đỏ; nhưng do ánh sáng phải đi qua rất nhiều phân tử không khí, nên tất cả các photon, dù chúng có màu gì, sớm hay muộn đều phải gặp một phân tử, và đường đi của chúng bị lệch hướng Vì thế các photon thuộc tất cả các màu đều bị tán xạ và phát trở lại rất nhiều lần trước khi đến mắt chúng ta, tới mức chúng hòa trộn vài nhau một cách hoàn hảo chính vì thế da trời gần chân trời có cùng màu với Mặt trời: màu trắng.
II.2.3 Tại sao núi lại xanh?
3.1 “Đánh lừa thị giác” khó hay dễ?
Áo tàng hình
Với chiếc áo thun được dệt bằng sợi chỉ đặc biệt, người mặc nó có thể “tàng hình” trước mắt mọi người khi chỉ cần gạt cái cần điều khiển trên áo G.Sotzing - nhà hóa học thuộc Đại học Connecticut (Mỹ) - đã chế tạo được sợi chỉ mang tên electrochromic polymer, có thể dùng để dệt áo thun có tính năng thay đổi màu sắc theo dòng điện chạy qua nó
Trong các sợi chỉ kể trên có loại hóa chất chứa các điện tử có thể hấp thu ánh sáng qua các bước sóng Dòng điện chạy qua sợi chỉ này sẽ làm thay đổi năng lượng của các điện tử, giúp chúng hấp thu được ánh sáng ở một bước sóng khác và do đó làm thay đổi màu sắc của sợi chỉ Hiện nay, Sotzing có thể thay đổi sợi chỉ từ màu cam và đỏ sang màu xanh da trời Bước tiếp theo, ông sẽ tạo sợi chỉ có thể chuyển từ đỏ, xanh da trời và xanh lục sang trắng.
Phương pháp mới chế tạo áo tàng hình
Andrea Aluf và Nader Engheta từ Đại học Pennsylvania ở
Philadelphia cho biết một “lớp phủ plasmon” có thể khiến cho các vật trở nên “gần như trong suốt trước mắt người quan sát” Ý tưởng của họ hiện vẫn chỉ là một đề xuất, nhưng ít nhất nó sẽ không đi ngược lại bất kỳ định luật vật lý nào
Trước kia, các nhà khoa học cũng từng phát triển những loại áo tàng hình, nhưng đa số chúng đều sử dụng nguyên lý của tắc kè hoa: Một màn hình sẽ đổi màu phù hợp với màu môi trường, vì thế vật thể bị che bởi màn hình này sẽ được ngụy trang trước mắt người khác Nhà phát minh Ray Alden ở Bắc Carolina đã đề xuất một hệ thống cảm nhận và phát sáng, hệ thống này sẽ chiếu hình ảnh ở đằng sau lưng vật thể lên mặt trước của nó Nhờ thế, ta có cảm nhận nhìn xuyên qua được vật thể này, hay nói cách khác nó tàng hình Các nhà nghiên cứu của Đại học Tokyo cũng đang chế tạo một loại vải ngụy trang sử dụng nguyên lý tương tự Nhưng chiếc áo tàng hình do Alù và Engheta đề xuất thì cao tay hơn Nó là một cấu trúc có thể làm giảm sự thấy được từ mọi góc độ Mấu chốt của ý tưởng là ở việc giảm sự phản xạ ánh sáng Bình thường, chúng ta nhìn thấy vật thể là nhờ ánh sáng đi đến và bật ra khỏi vật thể đó, rồi đi vào trong mắt Nếu ngăn được sự phản xạ ánh sáng này (và nếu vật thể không hấp thụ bất kỳ ánh sáng nào), chúng sẽ trở nên vô hình
Màn chắn plasmon của Alù và Engheta sẽ triệt tiêu quá trình phản xạ bằng cách để cho ánh sáng phản xạ có tần số gần bằng tần số của ánh sáng tới, chúng giao thoa và sẽ huỷ lẫn nhau Nếu một thiết bị có thể phản ứng với nhiều bức xạ điện từ có bước sóng khác nhau (trong đó có ánh sáng nhìn thấy), về lý thuyết, vật thể đó sẽ biến mất
Tuy nhiên, thực tế rằng, một màn chắn đặc biệt chỉ có thể hiệu quả với một bước sóng nhất định, do đó sẽ không có cái gọi là “áo tàng hình kỳ diệu” Một vật có thể vô hình trong ánh sáng đỏ, nhưng vẫn lộ thiên trong ánh sáng ban ngày với vô số bước sóng. Điều quan trọng hơn, hiệu ứng tàng hình chỉ xảy ra khi bước sóng ánh sáng phản xạ gần bằng với kích cỡ của vật thể Vì thế, trong ánh sáng nhìn thấy (ánh sáng ban ngày), lớp phủ chỉ có ích với những vật thể có kích cỡ hiển vi, còn những vật lớn hơn chỉ biến mất được dưới những bức xạ sóng dài như vi ba Điều đó cũng có nghĩa công nghệ này chưa thể sử dụng để làm tàng hình con người hoặc các loại phương tiện Mặc dù vậy, Engheta cho rằng hiệu ứng trên cũng sẽ có ích trong việc chế tạo các vật liệu cản sáng hoặc kính hiển vi.
Các nhà khoa học đã tiến một bước gần hơn đến việc tạo ra những vật liệu có thể giúp con người trở nên vô hình Các nhà nghiên cứu tại Đại học California đã phát triển một loại vật liệu có khả năng làm cong ánh sáng quanh các đồ vật ba chiều làm chúng "biến mất"
Các vật liệu này không hiện hữu tự nhiên nhưng được tạo ra ở cấp độ siêu nhỏ (nano), được đo ở kích thước phần tỉ mét Nhóm nhà khoa học này nói trên nguyên tắc các vật liệu này một ngày kia có thể được tăng cường để chế tạo áo tàng hình đủ lớn để che giấu con người Công trình nghiên cứu do nhà khoa học Xiang Zhang chủ trì đã được công bố trên các tạp chí Nature và Science.
Các nhà khoa học nói hệ thống mới này hoạt động như nước chảy quanh một tảng đá.
Do ánh sáng không bị đồ vật hấp thụ hoặc phản chiếu, nên một người quan sát chỉ có thể thấy ánh sáng đến từ phía sau đồ vật mà thôi - làm nó trở thành vô hình Loại chất liệu mới có các tính chất "khúc xạ âm" Nó có một cấu trúc mạng lưới nhiều lớp là thứ trong suốt đối với một loạt bước sóng của ánh sáng Nghiên cứu này trong tương lai có thể được dùng trong các cuộc hành quân "tàng hình", với xe tăng "vô hình" trước mắt đối phương Đến đây, chúng ta thấy có một vấn đề mới mà chưa được làm rõ ở trên, đó là “hiện tượng khúc xạ âm” Vậy tôi xin kết thúc bài viết về “Áo tàng hình” bằng những thông tin về hiện tượng “độc đáo” này nhé!
Hiện tượng khúc xạ âm???
Như đã đề cập ở trên về hiện tượng khúc xạ ánh sáng, là hiện tượng ánh sáng bị gãy khúc khi đi qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt có tính chất quang học khác nhau Và hiện tượng bình thường được gọi là chiết suất dương được biết thông thường là một tia sáng đi trong không khí khi chiếu tới một khối thủy tinh dưới một góc nhất định sẽ bị bẻ cong về phía pháp tuyến.
Hình 1 Hiện tượng khúc xạ ánh sáng với chiết suất dương (a) và chiết suất âm (b). Nhưng vào năm 1968, nhà vật lý người Nga Victor Veselago đã chỉ ra rằng nếu cả độ từ thẩm và hằng số điện môi của vật liệu đều mang giá trị âm thì hiện tượng khúc xạ sẽ thay đổi, lúc này sẽ xuất hiện hiệu ứng "chiết suất âm" (negative refraction), ở đó, tia khúc xạ sẽ không đi giống như tia khúc xạ trong hiện tượng khúc xạ thường, mà bị bẻ cong về phía khác của pháp tuyến (xem hình 1-b). Các thiết bị khai thác hiệu ứng này cho đến ngày nay (ví dụ như siêu thấu kính có độ phân giải cao - high-resolution superlenses) đều sử dụng các vật liệu được tạo ra một cách nhân tạo trong các phòng thí nghiệm, ví dụ như sắp xếp các vành hay các thanh bằng đồng Lý do đơn giản là do các vật liệu có đồng thời độ từ thẩm âm và hằng số điện môi âm chưa được tìm thấy trong tự nhiên. Thế nhưng mới đây, nhóm của Andrei Pimenov (Đại học Tổng hợp Würzburg, Đức) cùng với một số đồng nghiệp ở các nơi khác ở Đức đã chỉ ra rằng có thể tạo hiệu ứng chiết suất âm trong các vật liệu sắt từ kim loại và thậm chí trong các vật liệu tự nhiên.
Nhóm của Pimenov ban đầu hoài nghi về các vật liệu sắt từ có thể có tính chiết suất âm sau khi tiến hành kiểm nghiệm các vật liệu có chứa các lớp sắt từ và siêu dẫn vào năm ngoái Họ phát hiện ra một cách ngạc nhiên rằng các vật liệu này đều biểu hiện tính chiết suất âm yếu nếu các lớp siêu dẫn ở trạng thái dẫn điện thông thường và nếu đặt một từ trường để giữ lớp sắt từ ở trạng thái
"cộng hưởng" tức là khi các mômen từ quay ở cùng tần số với tần số ánh sáng Điều này đã thôi thúc họ tìm kiếm tính chất chiết suất âm trong các vật liệu sắt từ thuần nhất
Hình 2 Sự phụ thuộc nhiệt độ của độ dẫn và từ độ vào nhiệt độ của màng La2/3Ca1/3MnO3 - ở dưới nhiệt độ Curie, tính dẫn là kim loại(Theo Phys Rev Lett
Nhóm tạo ra màng sắt từ -kim loại La2/3Ca1/3MnO3 (màng vật liệu perovskite) và đo sự thay đổi về biên độ và pha của ánh sáng khi truyền qua màng bằng cách sử dụng các giao thoa kế Nói thêm về vật liệu La2/3Ca1/3MnO3, đây không phải là vật liệu kim loại, mà là vật liệu ở dạng gốm, có cấu trúc perovskite, có tính chất rất đặc biệt. Tính chất từ, tính chất dẫn điện của vật liệu có thể thay đổi ở nhiều trạng thái ở các nhiệt độ khác nhau Và ở dưới nhiệt độ Curie, nó có tính sắt từ đồng thời mang tính dẫn kim loại, nên được gọi là "sắt từ - kim loại" (không nên nhầm là kim loại như các kim loại sắt từ khác) Đã có nhóm nghiên cứu ở VN chế tạo thành công vật liệu này với hiệu ứng từ nhiệt khổng lồ trong từ trường thấp (xem T.D Hiep, N Chau et al in: Proceedings of the Ninth Vietnam Biennial Conference on Radio and Electronics (REV’04), November 26–27, 2004, Hanoi, Vietnam, p 339) Cần chú ý rằng, cấu trúc ở đây là tự nhiên vì không hề có các thao tác can thiệp để hình thành cấu trúc.
Sau khi phân tích các kết quả thu được, nhóm tính toán được độ từ thẩm cũng như hằng số điện môi của màng, và do đó xác định chính xác chiết suất của màng Ở dải tần số tới 150 GHz, họ phát hiện ra rằng chiết suất của màng trở thành âm, tuy nhiên hiệu ứng này biến mất khi tần số ánh sáng tăng đến dải tần số lớn hơn.
Hình 3 Sự phụ thuộc của chiết suất, hệ số hấp thụ và biến thiên độ từ thẩm của màng La2/3Ca1/3MnO3 vào từ trường và nhiệt độ (Theo Phys Rev Lett 98 (2007) 197401).
Pimenov nói rằng các vật liệu sắt từ - kim loại trên nguyên tắc có thể có hiệu ứng chiết suất âm ở dải tần số tới 1 THz Tuy nhiên, ông cũng bổ sung rằng các vật liệu như thế sẽ không giống như là có hiệu ứng chiết suất âm ở dải tần quang học (trên 450 THz), có thể loại bỏ chúng ở các siêu thấu kính quang học Tuy vật, Pimenove nói rằng nhóm của ông sẽ tiếp tục kiểm nghiệm tính chất này ở nhiều vật liệu khác nhau kể cả sắt, với hi vọng có thể đạt được hiệu ứng chiết suất âm khi ở trạng thái cộng hưởng ở tần số cao hơn 150 GHz, sẽ rất hữu ích cho các thiết bị truyền thông.
Con người chế ngự ánh sáng
Lửa - một kỉ nguyên mới
Hai sự kiến lớn đánh dấu thời kì tiền sử và làm đổi dòng lịch sử nhân loại chính là phát hiện ra lửa và phát minh ra nông nghiệp.Về phát hiện ra lửa, con người đã bắt giữ lửa từ trời rơi xuống và học cách tạo ra lửa tùy thích.Về phát minh ra nông nghiệp, ánh sáng phục vụ con người thông qua cây cối: bằng khả năng quang hợp kì diệu, cây cối cung cấp cho con người thức ăn.
Các hoá thạch khảo cổ học nói với chúng ta rằng con người đã bắt đầu thuần hoá lửa cách đây 500.000 năm Trên các khu vực rất xa nhau về địa lí như Hungary và Trung Quốc, các nhà cổ sinh vật học đã tìm thấy trong các hang động những dấu vết tro, các thanh củi và các mẫu xương bị hoá thạch trong đá, các nhân chứng câm lặng về các ngọn lửa trại xa xưa cách đây nữa triệu năm của tổ tiên chúng ta Các nhà nghiên cứu đã đặt tên cho những người chinh phục lửa này là Homo erectus, bởi vì họ đứng thẳng và đi thẳng Thể tích não của họ chỉ bằng hai phần ba thể tích não của chúng ta, nhưng cũng đã đủ chất xám để sinh vật có trí tò mò và lòng dũng cảm này thực hiện một trong những phát hiện quan trọng nhất của lịch sử nhân loại : phát hiện ra lửa.
Tổ tiên chúng ta đã nhanh chóng học cách thuần hoá lửa Họ đã dùng lửa thắp sáng lều trại của mình vào ban đêm để xua đuổi ác thú rình rập Lửa không chỉ có tác dụng thắp sáng, mà nó còn sưởi ấm nữa Nhiệt của lửa đã cho phép các bộ lạc nguyên thuỷ rời nơi cư trú ban đầu của mình, những vùng nóng ấm ở châu phi, để dấn thân chinh phục các vùng lạnh hơn và tản ra khắp thế giới.Nhờ có lửa, tổ tiên chúng ta đã có thể nấu chín thức ăn Việc nấu chín thức ăn không chỉ có tác dụng diệt khuẩn gây bệnh trong thức ăn, mà còn làm cho thức ăn mềm hơn, dể nhai hơn và dể tiêu hoá hơn, giúp cho người nguyên thuỷ rút ngắn thời gian cho việc ăn uống và dành nhiều thời gian hơn cho săn bắn, khám phá hay đơn giản là để nghỉ ngơi Nhu cầu nhai thức ăn ít hơn chắc chắn đã tạo ra một tiến hoá về dáng vẻ bề ngoài của tổ tiên ta : hàm của họ trở nên nhỏ hơn đồng thời não rộng lớn thêm.
Nhưng có lẻ kết quả quan trọng nhất của cuộc chinh phục lửa là lần đầu tiên trong lịch sử nhân loại, con người đã tiếp cận với một nguồn năng lượng độc lập với năng lượng sinh ra từ trao đổi chất của các tế bào của mình.Với vai trò là nguồn năng lượng, lửa đã giúp con người vượt qua các giới hạn sinh học của mình, vượt hẳn lên về sức mạnh cơ bắp so với các động vật mà con người thuần hoá Sau đó, chính lửa đã đưa con người bước lên con đường văn minh.
Một phát hiện khác đóng vai trò không kém phần quyết định trong sự tiến hoá của nhân loại Cách đây khoảng 10.000 năm, tổ tiên của chúng ta đã phát hiện ra một cách thức mới mẻ và rất hiệu quả để sử dụng ánh sáng cho cuộc sinh tồn của mình Phát hiện này đã biến các bầy người săn bắn du cư thành các nông phu định cư Nó cho phép con người sinh sản gần như theo mong muốn, làm tăng dân số thế giới từ khoảng 10.000 lên đến hơn 6 tỉ người ngày nay.Đó chính là phát minh ra nông ngiệp.
Thực ra con người đã phát hiện lại điều mà sự sống, ở cấp độ tảo lam, đã phát minh ra thông qua đột biến gen và chọn lọc tự nhiên cách đây khoảng 3,5 tỉ năm : đó là sử dụng ánh sáng Mặt Trời, không khí, đất và nước để tạo ra thức ăn bằng một quá trình kì diệu mà sau đó con người gọi là “quang hợp” Nhờ có sự kết hợp các thành phần mà cây cối, như chúng ta đã thấy, đã có khả năng tạo ra lương thực; bằng nông ngiệp, con người đã biết khai thác khả năng kì diệu này của thực vật.Con người đã trồng cây tạo ra thức ăn nuôi sống mình.
Với phát hiện ra nông nghiệp, con người đã sống định cư để trở thành “con của đất”. Trong khi khái niệm “sở hữu” là hoàn toàn xa lạ với các bộ lạc du cư ( vùng đất mà họ săn bắn là không của riêng ai ), thì nó đã hùng dũng bước vào xã hội nông nghiệp Chỉ cách đây vài trăm năm thôi, người chủ đất cũng là người chủ của những kẻ khác sống ở đó Điều này đã tạo ra những khoảng cách về sự giàu nghèo và quyền lực giữa những người có đất và không có đất.Tuy nhiên, bất chấp những đảo lộn xã hội và hoài niệm về một thiên đường đã mất, những ưu điểm của nông nghiệp nhiều hơn rất nhiều so với nhược điểm của nó.Nông nghiệp cho phép con người khai thác thức ăn nhiều hơn từ một mảnh đất nhất định.Trong khi săn bắn một con hươu đòi hỏi cả một nhóm người trên một diện tích vài cây số vuông, thì cùng số người ấy chuyên tâm vào canh tác một miếng đất nhỏ hơn cũng có thể tạo ra đủ vật chất để nuôi đủ hàng trăm người và gia súc.Như vậy, văn minh không thể phát triển mà không có vai trò kép của ánh sáng :thông qua lửa, nó đã giúp những người đầu tiên tránh được thú dữ ban đêm và mang theo mình nhiệt để chinh phục thế giới; thông qua cây lương thực, nó đã cho phép con người rời bỏ cuộc sống du cư, để sống định cư, xây dựng và sáng tạo.
Ánh sáng nhân tạo
Chinh phục lửa là giai đoạn đầu tiên của đà tiến không gì cản được đến việc sử dụng ánh sáng : các ngọn lửa trại không chỉ có tác dụng xua đuổi động vật săn mồi ban đêm, mà ánh sáng lửa cón làm ngày của người tiền sử kéo dài cho đến tận khuya, cho phép họ làm việc rất lâu sau khi Mặt Trời lặn xuống dưới chân trời.
Con người đã nhanh chóng học cách sử dụng đuốc và đèn để thắp sáng Đuốc tạo ra ánh sáng nhân tạo bằng cách đốt cháy mỡ đông vật hoặc dầu thực vật Chính là nguồn sáng chính trong thời tiền sử, cho tới khi nến rồi bóng đèn xuất hiện thay thế cho chúng vào thời kì hiện đại.
III.2.1 Nến không cháy trong các trạm quỹ đạo
Nguồn gốc của nến cho tới nay vẫn chưa biết rõ.Có thể nến đã ra đời ở Châu Phi, nơi quả hồ đào có dầu được xâu qua các cành cây nhỏ được đốt cháy để cung cấp ánh sáng Những ngọn nến xáp đầu tiên xuất hiện trước công nguyên nhiều thế kỷ được coi là của những người Phenixi và Êtơruri Dù nguồn gốc thế nào chăng nữa thì nến, mà ban đầu chỉ dành riêng cho các nghi lể tôn giáo, đã trở thành nguồn sáng nhân tạo chính ở Châu Âu ngay từ thời Trung Cổ.Sự phát minh ra nến cho phép chiếu sáng tốt hơn và trong thời gian dài hơn. Cấu tạo của nến gồm một bấc làm bằng sợi bông ép chặt bao quanh là một khối sáp hình trụ Nến thực sự là một phát minh rất tài tình, có khá nhiều hiện tượng vật lí tham gia trong sự cháy của nó Khi nến được châm, bốc cháy đầu tiên.Nhiệt toả ra làm cháy sáp quanh ngọn lửa Sáp chuyển từ thể rắn sang thể lỏng và bị bấc hấp thụ.Hiện tượng
“mao dẫn” làm cho sáp lỏng leo lên đến tận ngọn lửa bằng cách len lỏi theo các khe hở giữa các sợi bông của bấc Khi đi đến ngọn lửa, sáp cháy và biến hoàn toàn thanh khói, và chính sự đốt cháy này cho phép duy trì ngọn lửa.Nến cháy thông qua sự kì diệu của một vòng liên tục trong đó sáp chuyển liên tục từ thể rắn sang thể lỏng, rồi sang thể khí Nhưng, sau một lúc, sự mao dẫn không cò đủ mạnh để dẫn một lượng đủ sáp lên ngọn lửa nũa Khi đó bấc sẻ bị cháy một chút, làm cho nó ngắn lại và xuống thấp hơn
Những cây nến đang cháy về phía sáp nhiều hơn và ngọn lửa lại cháy đẹp đẽ trở lại Cứ như vậy, theo thời gian sử dụng, nến và bấc ngày càng ngắn lại.
Ngọn lửa là lí do tồn tại của nến: chính nó đã chiếu sáng Nếu bạn quan sát kĩ ngọn lửa của một cây nến, bạn sẽ thấy nó gồm hai phần : một phần màu xanh lam ở dưới, một phần màu xanh lam ở trên.Chính trong phần màu lam xảy ra sự cháy Sự cháy này không là gì khác mà chính là phản ứng hoá học kết hợp sáp của nến với ôxy của không khí tạo ra nước và ôxít cacbon Phản ứng này tạo ra một lượng lớn năng lượng toả ra dưới dạng nhiệt Nhiên liệu- ở đây là sáp- được bấc đưa đến nhiệt độ rất cao và bốc cháy Khi một phần bị đốt nóng đến nhiệt độ rất cao như thế thì cấu trúc phân tử của nó bị phá vỡ Các phân tử hydrocacbon có trong sáp bị phân huỷ: trong khi các nguyên tử hidro kết hợp với các nguyên tử oxy của không khí tạo ra các phân tử nước, thì các nguyên tử cacbon, vì không cháy được nên sẽ giải phóng; bị dòng khí nóng đẩy lên cao, các nguyên tử cacbon này trở nên nóng và phát ra một ánh sáng màu vàng Như vậy phần màu vàng của ngọn lửa nến chỉ là các mảnh vỡ phát sáng của các nguyên tử cacbon nhảy múa trong không khí.
Bạn đã bao giờ tự hỏi tại sao ngọn lửa của một cây nến lại có hình nón nhọn ở phía trên chưa? Sở dĩ như vậy là do… lực hấp dẫn đấy! Thực vậy, khí phát ra trong quá trình đốt cháy và không khí nằm trong ngọn lửa được đẩy lên các nhiệt độ rất cao Thế nhưng không khí nóng , vì có mật độ thấp hơn không khí lạnh hơn xung quanh, sẻ đi lên trên Để nhận thấy hiện tượng không khí nóng bay lên, bạn chỉ cần đặt bàn tay trên ngọn nến: bạn sẽ cảm thấy nóng.Do vì tự nhiên vốn sợ chân không, nên khi khí nóng bốc lên, không khí lạnh từ dưới tràn lên thay thế nó Khí lạnh này mang đến nguồn cung cấp oxy mới, vì oxy cũ đã bị đốt cháy cùng nhiên liệu Nhờ vậy mà ngọn lửa có thể tiếp tục cháy.Để làm được điều đó, nó phải liên tục được cung cấp đồng thời nhiên liệu ( sáp) và chất đốt ( oxy) Và chính luồng khí nóng đi từ dưới lên
Ngọn lửa của nến. trên dọc theo thân sáp, theo hướng được xác định bởi lực hấp dẫn của Trái Đất, đã làm ngọn lửa của nến thành hình nón có đỉnh nhọn hướng lên trên.Giờ bạn hãy tưởng tượng mình đang ở trong tình trạng không trọng lượng trong một trong phi thuyền không gian quay quanh Trái Đất: sẽ không còn hướng ưu tiên nữa, điều này có nghĩa là nếu một phi hành gia thắp nến, ngọn lửa sẻ không còn nhọn nữa, mà sẽ là hình cầu! Nó sẽ tắt ngay, vì do không có lực hấp dẫn, không còn dòng khí đi lên dọc theo thân sáp để cung cấp đốt sẽ tắt
Vào thế kỉ XVIII, nhờ có hiểu biết rỏ hơn về quá trình cháy – phản ứng hoá học kết hợp oxy của không khí với cacbon để tạo ra năng lượng và khí cacbonic- con người đã có thể chế tạo ra các cây đèn hiệu quả hơn, sáng hơn Dựa trên chứng minh của Lavoisier (1743- 1794) rằng không khí đóng vai trò căn bản trong sự cháy, một trong những học trò của ông là nhà hoá học người Thuỵ Sĩ Francois Argand ( 1750-1803), đã chế tạo một cây đèn dầu có ống bấc rỗng cho phép dẫn được nhiều không khí hơn- gồm một phần năm là oxy- vào ngọn lửa.Ông cũng nảy ra ý tưởng bọc bấc bằng một lồng thuỷ tinh có hình ống, giống như ống thông khói, điều này cho phép tạo ra một luồng không khí kiểm soát được để cung cấp oxy cho ngọn lửa thay vì để nó cháy tự nhiên như trong trường hợp của nến.Lồng thuỷ tinh còn bảo vệ ngọn lửa khỏi các luồng không khí, điều nay mang lại cho nó sự ổn định đáng kể Argand cũng đã nghĩ ra một cơ chế nhằm nâng hoặc hạ bấc, cho phép kiểm soát kích thước của ngọn lửa và như vậy cả độ sáng của nó Đèn dầu ngay lập tức chinh phục được mọi người Ngọn lửa được cung cấp nhiều oxy hơn nên cháy mạnh hơn các ngọn đèn trước,toả ra ánh sáng mạnh hơn và các hạt cacbon có trong khói vốn làm giảm ánh sáng của các loại đèn trước đó không còn nữa.
III.2.3Ánh sáng không bắt nguồn từ lửa Đuốc, nến, đèn dầu và đèn gaz tất cả đều tạo ra ánh sáng thông qua quá trình đốt cháy nhiên liệu, điều này không phải là không chứa nguy hiểm nhất định Các ngọn lửa cháy trong không khí tự do có thể gây hoả hoạn Khí cung cấp cho các ngọn đèn có thể giải phóng ra khói độc hại Nó cũng có thể gây ra các vụ nổ chết người Cách chiếu sáng bằng điện do nhà phát minh người Mỹ Thomas Edison (1847- 1931) nghĩ ra đã làm thay đổi toàn bộ tình hình.
Giấc mơ của Edison không phải là chiếu sáng thành phố bằng đèn điện treo cao trên các tháp lớn, mà là mang ánh sáng điện đến mọi nhà- nói cách khác, điện khí hoá toàn thế giới.Nhưng đưa ánh sáng điện vào các hộ gia đình như thế nào? Thiên tài của Edison nằm ở chổ ông đã hiểu rằng chỉ mình bóng đèn điện thôi thì chưa đủ, mà cần phải tích hợp chúng với một hệ thống đầy đủ làm cho sự chiếu sáng bằng điện trở nên dễ dàng và như ý muốn.Edison ý thức được rằng một bóng đèn sẽ chỉ có ích và dễ sử dụng nếu nó được gắn với một trạm phát điện và một mạng lưới dẫn điện.
Các máy phát điện đã xuất hiện ngay từ những năm 1830.Dựa trên các nghiên cứu về điện từ, nhà vật lí người Anh Michel Faraday (1791- 1867) đã phát minh ra một chiếc máy nhỏ gọi là “ máy phát điện” ( dynamo ) mà không nghĩ rằng một ngày kia nó sẽ tạo ra một cuộc cách mạng trên toàn thế giới.Năm 1879, Edison đã vận hành một hệ thống ba mươi đèn chiếu sáng ở Menlo Park, bang New Jersey, nơi có phòng thí nghiệm của ông Ba năm sau, cả một khu phố Manhattan đã được chiếu sáng bằng điện Như vậy, New York đã đi vào lịch sử là thành phố đầu tiên có hệ thống chiếu sáng bằng đèn điện. Đèn dây tóc đầu tiên về cơ bản là một bóng bằng thuỷ tinh kín bị rút hết không khí Bên trong có một sợi mảnh làm bằng một chất dẫn điện.Khi một dòng điện chạy qua một sợi tóc, các electron cấu thành dòng này va chạm với các nguyên tử của chất dẫn điện, làm dao động các nguyên tử này Vậy mà, sự dao động nguyên tử càng mạnh cũng có nghĩa là nhiệt độ càng cao Sợi tóc nóng lên đến khoảng 2500 o C và phát ra ánh sáng trắng làm sáng phòng Năm 1879, xuất hiện các bóng đèn dây tóc đầu tiên sử dụng các sợi cacbon Nhưng, để tự do ngoài không khí, cacbon sẽ bị ôxi hoá và tự phân huỷ Để ngăn chặn oxy hoá, Edison đã đưa dây tóc cacbon vào trong một bóng thuỷ tinh hút hết không khí Các bóng đèn điện đầu tiên có tuổi thọ khoảng 40 giờ Để tăng tuổi thọ của bóng đèn, Edison đã tiếp tục thử nghiệm các loại sợi đốt khác nhau làm bằng các vật liệu khác nhau Năm 1880, ông đã thấy các sợi đốt bằng tre được cacbon hoá ( cháy thành than ) có tuổi thọ gần 180 giờ. Chúng được sử dụng cho tới năm 1889, ngày xuất hiện các vật liệu khác thay thế.Kể từ năm 1912 và cho tới nay, các sợi đốt được làm bằng vofam, kim loại có điểm nóng chảy cao nhất trong số tất cả các kim loại có thể được sử dụng làm dây tóc bóng đèn, và có tuổi thọ rất cao Tuổi thọ này còn cao hơn khi trong bóng là một khí trơ (không cháy) như nitơ hoặc argon Bóng đèn cũng có thể chứa một khí gọi là “ halogene” có các tính chất hoá học xác định, như flo, clo, brom, iot Vì thế người ta gọi nó là bóng halogene Bằng cách phản ứng với vonfam bay hơi từ sợi đốt, khí halogene cho phép hạn chế vonfam đóng cặn trên thành bóng, và bằng cách tự phân huỷ gần sợi đốt, khí này giúp tái sinh và kéo dài tuổi thọ của sợi đốt.
Các nghiên cứu tiếp tục nhằm chế tạo các bóng điện hiệu quả hơn, rẻ hơn đối với người tiêu dùng và… mang lại nhiều lợi nhuận hơn cho người sản xuất.Ngoài tuổi thọ của bóng đèn còn rất nhiều lí do khác như độ sáng và màu của ánh sáng mà bóng phát ra.Các bóng đèn dây tóc ngày nay có tuổi thọ khoảng 1000 giờ và tạo ra ánh sáng vàng hơn ánh sáng Mặt Trời, nhưng trắng hơn ánh sáng nến hoặc đèn dầu Thuỷ tinh của bóng cũng có thể được xử lí để tạo ra ánh sáng nhiều màu hơn hoặc dịu hơn.Mặc dù công nghệ đèn dây tóc đã có rất nhiều tiến bộ, nhưng chúng vẫn có một hạn chế căn bản : phần lớn năng lượng điện tiêu hao bị lãng phí thành nhiệt nhiều hơn thành ánh sáng nhìn thấy được.
III.2.4 Ánh sáng phẳng của đèn neon
Nếu đèn dây tóc tiếp tục là cách chiếu sáng nhân tạo chính của cuộc sống hiện đại, thì nó là duy nhất trên thị trường Đèn huỳnh quang cũng có vai trò của nó Đèn huỳnh quang có hình ống dài chứa một khí ở áp suất thấp như neon, argon hoặc natri- và người ta gọi nó là đèn neon, mặc dù khí được sử dụng không nhất thiết phải là neon Khi đặt vào đèn một điện áp nhất định, thì các nguyên tử khí nhận được năng lượng và bị “ kích thích”, nghĩa là một trong các electron của chúng chuyển lên một mức năng lượng cao hơn.Sau một khoảng thời gian rất ngắn, nguyên tử bị kích thích trở lại trạng thái ban đầu và electron trở lại mức năng lượng thấp hơn, kết quả là một ánh sáng được phát ra, hiện tượng này gọi là sự “ huỳnh quang” Nhà vật lí Antoine Becquerel (1788- 1878), người đã được giải Nobel Vật lí cùng với Pierre và Marie Curie năm 1903 vì đã phát hiện ra hiện tượng phóng xạ, ông cũng là một trong những người đầu tiên chế tạo đèn huỳnh quang vào năm 1867 Nhưng đèn huỳnh quang này chỉ được thương mại hoá vào năm 1933, nhân triễn lãm một trăm năm thành phố Chicago, Hoa kỳ.
Trong đèn huỳnh quang, một nguyên tử khí phát ra ánh sáng có màu đặc trưng, màu này phụ thuộc vào cấu trúc và các mức năng lượng của nó.Chẳng hạn, neon là tạo ra màu đỏ, argon màu lam và lục, crypton màu cam và lục, xenon màu lam, và hơi nitơ màu vàng Nhưng ánh sáng màu trắng biến đi đâu mất , trong festival các màu sắc này?
Vận chuyển thông tin bằng cáp quang
Cáp quang là một loại cáp viễn thông làm bằng thủy tinh hoặc nhựa, sử dụng ánh sáng để truyền tín hiệu.
Cáp quang là bó sợi quang Mỗi sợi quang là một dây trong suốt có tính dẫn sáng nhờ phản xạ toàn phần.
Sợi quang gồm hai thành phần chính :
- Phần lõi trong suốt bằng thủy tinh siêu sạch có chiết suất lớn (n1).
- Phần vỏ bọc cũng trong suốt, bằng thủy tinh có chiết suất n2 nhỏ hơn phần lõi.
Phản xạ toàn phần xảy ra ở mặt phân cách giữa lõi và vỏ làm cho ánh sáng truyền đi được theo sợi quang.
Ngoài cùng là một số lớp vỏ bọc bằng nhựa dẻo để tạo cho cáp độ bền và độ dai cơ học.
Phân loại Cáp quang: Gồm hai loại chính:
Multimode stepped index (chiết xuất bước): Lõi lớn (100 micron), các tia tạo xung ánh sáng có thể đi theo nhiều đường khác nhau trong lõi: thẳng, zig-zag… tại điểm đến sẽ nhận các chùm tia riêng lẻ, vì vậy xung dễ bị méo dạng
Multimode graded index (chiết xuất liên tục): Lõi có chỉ số khúc xạ giảm dần từ trong ra ngoài cladding (Vật chất quang bên ngoài bao bọc lõi mà phản xạ ánh sáng trở lại vào lõi) Các tia gần trục truyền chậm hơn các tia gần cladding Các tia theo đường cong thay vì zig-zag Các chùm tia tại điểm hội tụ, vì vậy xung ít bị méo dạng
Lõi nhỏ (8 mocron hay nhỏ hơn), hệ số thay đổi khúc xạ thay đổi từ lõi ra cladding ít hơn multimode Các tia truyền theo phương song song trục Xung nhận được hội tụ tốt, ít méo dạng. Ứng dụng:
-Trong y học, người ta dùng bó sợi quang để quan sát các bộ phận ở bên trong cơ thể Loại cáp quang này gồm các sợi quang rất nhỏ Một cáp quang thường dùng có thể gồm hàng trăm sợi quang Đó là phương pháp nội soi.
- Trong công nghệ thông tin, cáp quang được dùng để truyền tải các dữ liệu Một hệ truyền thông dùng cáp quang gồm ba bộ phận chính: một máy phát biến đổi các tín hiệu điện thành tín hiệu quang, một cáp quang có nhiệm vụ truyền các tín hiệu này đi và một máy thu nhận các tín hiệu ra ở đầu thứ hai của cáp quang và biến chúng trở lại thành các tín hiệu điện.
- Cáp quang có nhiều ưu điểm hơn so với cáp kim loại Trong đó, có hai ưu điểm rất đáng để ý Cáp quang truyền được một số lượng dữ liệu lớn gấp nhiều lần (có thể hàng nghìn lần ) so với cáp kim loại cùng đường kính Ngoài ra, cáp quang rất ít bị nhiễu bởi điện từ ngoài, vì các sợi quang được làm bằng chất điện môi Ngoài ra, cáp quang còn có đặc điểm nhỏ và nhẹ, dễ vận chuyển, dễ uốn Không có rủi ro cháy( vì không có dòng điện).
Thế kỷ 21 - Thế kỷ của phôtôn
Giấc mơ chinh phục tự nhiên từ ngàn xưa đến nay của con người đã đóng góp rất nhiều đến sự tồn tại phát triển của nhân loại Một trong những giấc mơ đó là làm chủ được ánh sáng Cách đây nhiều thiên niên kỷ, người cổ đại đã biết cách tạo ra lửa và sử dụng nó để phục vụ cho cuộc sống Kể từ đó, rất nhiều những thành tựu lớn, những công cụ, thiết bị được chế tạo dựa trên sự hiểu biết về ánh sáng đã ra đời nhằm cải thiện cuộc sống.
Trong giai đọan cuối của thế kỷ 20, có một lĩnh vực nghiên cứu mới được hình thành, đó là “quang tử học” (photonics) Quang tử học được xây dựng dựa trên các tính chất và quy luật điều khiển phôtôn Lĩnh vực này có liên quan đến rất nhiều ngành khác đã có từ lâu như quang học, khoa học vật liệu, kỹ thuật điện tử, công nghệ nano, vật lý và hóa học Trước đây, sự kết hợp giữa ánh sáng và điện tử đã tạo ra những điều kỳ diệu không ai có thể mơ tới cho đến khi Pierre Aigrain (một nhà khoa học người Pháp) đặt ra thuật ngữ “photonics” vào năm 1967.
-Photonics là một ngành khoa học về ánh sáng.
-Photonics vây quanh các vấn đề: tạo ra ánh sáng, thu nhận, điều khiển, khuếch đại và sử dụng ánh sáng như một công cụ phục vụ cho lợi ích lòai người. Cho đến đầu thế kỷ 21, các nhà khoa học và kỹ sư đang chuẩn bị làm chủ ánh sáng trên một phương diện mới, mang lại sự đột phá trong việc phát triển và tăng cường cạnh tranh về kinh tế.
Lịch sử đã cho chúng ta thấy rằng một nguyên lý kỹ thuật có tính đột phá có thể kích thích cuộc cách mạng công nghiệp trong những thập kỷ sau khi nó được khám phá ra.Transistor đã từng ngay lập tức đóng vai trò quan trọng trong việc khuếch đại tín hiệu điện khi nó được khám phá ra vào năm 1948 và không ai có thể tưởng tượng những sự thay đổi cách mạng do linh kiện này mang lại Công nghệ transistor đã “lót đường” cho ngành công nghiệp vi điện tử và máy tính – hai ngành có ảnh hưởng lớn đến nền kinh tế toàn cầu Vài năm sau, chính xác vào năm 1958, Laser đã được phát minh và tại thời điểm đó không ai có thể ngờ tới laser đã tạo ra cuộc cách mạng trong truyền thông, khoa học sự sống, sản xuất và giải trí như ngày nay…
Thế kỷ 20 thường được gọi là thế kỷ của điện tử bởi những thành tựu kỷ thuật có được là nhờ khả năng làm chủ electron mang lại Tương tự như vậy, thế kỷ 21 sẽ được biết đến như là thế kỷ của photon!
Sự kỳ diệu của photons :
III.4.1 Những đặc tính của phôtôn: Ánh sáng được tạo bởi nhiều Phôtôn Cũng giống như electron, phôtôn là một hạt cơ bản của vũ trụ Phôtôn có những tính chất nổi bật và phi thường:
- Không vật thể gì có thể chuyển động nhanh hơn vận tốc ánh sáng, hay vận tốc của phôtôn.
- Không giống như electrons, phôtôn không có trọng lượng và không tạo ra ma sát.
- Những tia sáng được hội tụ tạo ra bởi tia lasers có độ tập trung năng lượng cao nhất từng được biết đến cho đến thời điểm này.
- Một xung phôtôn có thể ngắn chỉ khoảng một phần triệu hay một phần tỉ giây – đây là cấp thời gian xảy ra những phản ứng nguyên tử và phân tử.
- Những tia sáng thích hợp không chỉ giúp chúng ta nhìn thấy mà còn cho phép chúng ta giữ và điều khiển các nguyên tử.
III.4.2 Những khả năng không giới hạn:
Chúng ta dễ dàng nhận thấy nhiều thành tựu kỹ thuật ngày nay đều có sự đóng góp đáng kể của quang tử học Không những thế, quang tử học có một tiềm năng phi thường thể hiện qua các ví dụ thực tế từ trước đến nay: Công nghệ quang tử cho phép xử lý, lưu trữ, truyền dẫn một khối lượng lớn thông tin Để đáp ứng được sự bùng phát thông tin thời đại ngày nay, những hệ thống truyền dẫn quang học tương lai sẽ có băng thông rộng gấp 1000 lần ngày nay và tất cả mọi người đều có thể tiếp cận với thông tin qua môi trường băng thông rộng một cách dễ dàng.
- Trong lĩnh vực sản xuất, laser là một công cụ được dùng cho rất nhiều mục đích, từ việc góp phần tạo ra những bồn chứa khổng lồ đi xuyên đại dương cho đến những cấu trúc nhỏ chỉ ở cấp độ nano.
- Những hệ thống chiếu sáng mới có thể tiết kiệm năng lượng rất nhiều Với hệ thống chiếu sáng bằng diode phát quang, chúng ta sẽ tiết kiệm được ít nhất 2 tỉ thùng dầu mỗi năm.
- Những thiết bị quang học nói chung và laser nói riêng dùng trong chẩn đoán, điều trị và phẫu thuật đã làm nên một cuộc cách mạng thật sự trong lĩnh vực chăm sóc sức khoẻ.
- Trong lĩnh vực công nghệ sinh học, dược phẩm và gen, những công cụ ứng dụng quang tử học vừa có khả năng điều khiển nguyên tử vừa có thể điều khiển những tế bào sống mà không làm hại đến chúng.
Tuy nhiên những ví dụ nên trên chỉ là bước khởi đầu Trong thế kỷ 21 này:
- Quang tử học sẽ mở ra những giải pháp mới trong khi những công nghệ truyền thống đã đạt đến tới hạn về vận tốc, công suất và độ chính xác.
- Các ngành khoa học sự sống, y tế, công nghệ thông tin, truyền thông, năng lượng và sản xuất sẽ phải phụ thuộc nhiều vào công nghệ quang tử.
Quang tử học là một trong số những công nghệ then chốt của thế kỷ 21 Nó ảnh hưởng đến tất cả mọi phương diện của cuộc sống và đóng vai trò cốt yếu đối với cuộc cạnh tranh trong công nghiệp tại châu Âu Kỹ nghệ quang tử chi phối 5 thị trường lớn sau:
- Công nghệ thông tin, truyền thông & màn hình.
- Chiếu sáng và hiển thị.
- Sản xuất và đo lường.
- Khoa học sự sống và chăm sóc sức khoẻ.
- Công nghệ bảo mật và an toàn.
Rất nhiều phát minh dựa trên cuộc cánh mạng phôtôn như: sợi quang học, thiết bị khuếch đại quang, thiết bị phát tín hiệu truyền thông, thiết bị thu nhận tín hiệu, thiết bị hiển thị, hệ thống đo lường, lasers…
III.4.2.2 Công nghệ thông tin, truyền thông và màn hình:
PIN MẶT TRỜI
Pin Mặt trời ( còn gọi là pin quang điện )là một nguồn điện chạy bằng năng lượng ánh sáng Nó biến đổi trực tiếp quang năng thành điện năng Hoạt động của pin dựa trên hiện tượng quang điện trong của một số chất bán dẫn như đồng ôxít, sêlen, silic
III.5.1Cấu tạo và hoạt động của pin quang điện
-Pin có một tấm bán dẫn loại n, bên trên có phủ một lớp mỏng bán dẫn loại p Có thể tạo ra lớp này bằng cách cấy một tạp chất thích hợp vào lớp bề mặt của tấm bán dẫn loại n Trên cùng là một lớp kim loại rất mỏng Dưới cùng là một đế kim loại Các kim loại này đóng vai trò là các điện cực trơ.
-Giữa bán dẫn loại n và bán dẫn loại p hình thành lớp tiếp xúc p-n Lớp này ngăn không cho electron khuếch tán từ n sang p và lổ trống khuếch tán từ p sang n.Vì vậy người ta gọi lớp tiếp xúc này là lớp chặn.
-Khi chiếu ánh sáng có bước sóng ngắn hơn giới hạn quang điện vào lớp kim loại mỏng ở trên cùng thì ánh sáng sẽ đi xuyên qua lớp này vào lớp loại p, gây ra hiện tượng quang điện trong và giải phóng ra các cặp electron và lổ trống Electron dễ dàng qua lớp chặn xuống bán dẫn loại n Còn lổ trống bị giữ lại trong lớp p.Kết quả là điện cực kim loại mỏng ở trên sẽ nhiễm điện dương và trở thành điện cực dương của pin, còn đế kim loại ở dưới sẽ nhiễm điện âm và trở thành điện cực âm của pin.
Nếu nối hai điện cực bằng một dây dẫn thông qua một ampe kế thì ta sẽ thấy có dòng quang điện chạy từ cực dương sang cực âm.
Suất điện động của pin quang điện nằm trong khoảng tứ 0,5V đến 0,8V.
III.5.2Hiệu suất Ánh sáng mặt trời cung cấp cho chúng ta khoảng 1 kilowatt/m 2 ( Chính xác là 1,34KW/m 2 :Đây chính là hằng số mặt trời) , tuy nhiên các hiệu suất chuyển thành điện năng của các pin mặt trời chỉ vào khoảng 8% đến 12% Tại sao lại ít vậy? Câu trả lời là ánh sáng mặt trời có phổ tần số khá rộng Không phải tần số nào cũng có đủ năng lượng để kích thích điện tử từ vùng hóa trị lên vùng dẫn Chỉ có những photon năng lượng cao hơn khe vùng bán dẫn mới làm được điều này Đối với bán dẫn Si khe vùng vào khoảng 1,1eV Các photon năng lượng thấp hơn sẽ không sử dụng được Nếu photon có năng lượng cao hơn khe vùng thì phần năng lượng dư đó cũng không có đóng góp gì thêm Vậy tại sao chúng ta không chọn các vật liệu có khe vùng hẹp để tận dụng nguồn photon tần số thấp Vấn đề là khe vùng cũng xác định hiệu điện thế (hay điện trường) ở bề mặt tiếp xúc Khe vùng càng bé thì hiệu điện thế này càng bé Nên nhớ công suất của dòng điện bằng hiệu điện thế nhân với dòng Người ta đã tính toán được khe vùng tối ưu là vào khoảng 1.4eV, khi đó công suất dòng điện thu được tối đa. Một nguyên nhân nữa cũng cản trở việc nâng cao hiệu suất của pin mặt trời, đó là cách chúng ta bố trí các tiếp xúc kim loại để lấy dòng điện Ở mặt dưới của tấm pin hiển nhiên ta có thể cho tiếp xúc với 1 tấm kim loại nhưng ở mặt trên nó cần trong suốt để ánh sáng có thể đi qua Nếu chỉ bố trí các tiếp xúc ở mép tấm pin thì các điện tử phải di chuyển quá xa trong tinh thể Si mới vào được mạch điện (chú ý là bán dẫn Si dẫn điện kém, tức điện trở của nó lớn) Vì vậy người ta thường dùng 1 lưới kim loại phủ lên bề mặt của pin mặt trời Tuy nhiên kích thước lưới không thể giảm vô hạn nên cũng phần nào làm giảm hiệu suất chuyển năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện.
Pin quang điện được ứng dụng trong các máy đo ánh sáng, vệ tinh nhân tạo, máy tính bỏ túi Ngày nay, người ta đã chế tạo thử thành công ô tô và cà máy bay chạy bằng pin quang điên
Cùng với pin dự phòng, pin quang điện trở nên thông dụng cho các thiết bị điện năng thấp, như là phao điện hay thiết bị ở vùng xa
Giá thành và chi phí lắp đặt cao tạo ra sự hạn chế sử dụng ở quy mô lớn.Nên năng lượng mặt trời đóng góp một phần rất nhỏ trong sản xuất năng năng lượng thế giới.
