Lược sử hình thành các quan điểm về bản chất ánh sáng ppsx

Lược sử hình thành các quan điểm về bản chất ánh sáng Newton quan niệm ánhsáng có tính chất hạt. Ánh sáng đượccoi như những dònghạt đặc biệt nhỏ bé được phát ra từ các vật phát sáng vàbay theođường thẳngtrong môi trườngđồng chất. Ông bác bỏ giả thuyết sóngánh sáng vì nếu ánhsáng có bản chất sóng,như âm thanh,thì trongnhững điều kiện như nhau, chúngta sẽ phải nhìnthấy ánh sáng giống như nghe thấyâm thanh. * Từ cơ sở đó, ông giải thích cáchiện tượngnhư sau: · Nguyên nhân tạo ra màusắc: do kích thước của các hạt.Các hạt nhỏ nhất tạora cảm giác tím,các hạt lớn hơngây ra cảm giác về màu chàm, vàcứ tiếp tụcnhư vậy hạt màu đỏ sẽ là lớn nhất.Bởi vì tồn tạibảy màu cơ bản,nên các hạtphải cóbảy loại kích thướckhác nhau.Như vậy sự tổng giác của chúngta về các màu làbiểu thị chủ quan của một hiện thực khách quan được quy định bởikích thước củacác hạt. Giải thích các định luật phảnxạ, khúcxạ và nhiễu xạ, Newton đã đưa vào cáclực hút vàđẩy giữa các hạt ánh sáng, nhữnghạt mànếu để tự do chúng sẽ truyền theo đườngthẳng. · Hiện tượngphản xạ: dosự phản xạ của các quả cầu đàn hồi trong chùm sáng khi va chạm và cáchạt bị nảy lên từ những điểm khác nhau,nên trật tự của chúng trong chùmsáng bị đảo ngược lạitạo ra một hình đảongược (hình vẽ). Nếu bề mặt quá gồ ghề thì các hạt bị nảy lên ở nhiềugóc khác nhau, kết quả là làm tánxạ ánh sáng. · Hiện tượngkhúc xạ: do tác dụng của mặtphân giới lênhạt ánh sánglàm cho hạt đó thayđổi hướngtruyền và bị gãy khúc ở mặt phâncách giữahai môi trường. Vì ánh sáng đi vào môi trườngđậm đặchơn sẽ bị các phântử môi trường đó hútvà vận tốcsẽ tăng lên dẫn đến vậntốc ánh sáng trong môitrường nước haythủytinh lại lớn hơn vận tốcánh sáng trongmôi trườngkhí. · Tánsắc ánh sángqua lăngkính: ôngđưara giả thuyết cho rằngtrên bề mặt của một vật trong suốt (như lăng kính, chẳng hạn) tồntại một vùngrất mỏng ở đó có một lựctác dụng để kéo các tia sáng vào bên trong nó. Vì vậy, cáchạt màu tím, do chúng nhỏ hơn, sẽ bị hút bởi mộtmôi trườngđặc hơnkhôngkhí (như thủy tinh, chẳng hạn) mạnh hơn so với các hạt lớnhơn có màu đỏ, tức các hạt màu tím bị lệch khỏi đường đi banđầu của nó nhiều hơncác hạt màu đỏ. Như vậy, Newton đã giảithích đượctại sao các chùmđơn sắc khác nhau lạibị lệch hướngkhác nhaubởi cùng một môi trường,và tại sao mộtchùm đơnsắc bị lệch hướngkhác nhautrong các môi trường trong suốt khác nhau. · Hiện tượngnhiễu xạ: ông giải thíchlà do cómột lực đẩy có tác dụng đẩycáchạt ánh sáng vàotrong bóng tối hình học của một vật. Tuy thuyếthạt của Newton đã đượcsự chấp nhận rộng rãi, nhưngmột thí nghiệm đặc biệt, cũngdo chính ông thực hiệnđã khiến chúng ta phải suy nghĩ. Khi Newton đặtmột thấu kínhphẳng lồi lêntrên một tấm thủy tinh (với mặt phẳng ngửa lên trên)và chiếu sáng tất cả bằng ánh sáng đơnsắc, ông đã phát hiện ra một hiện tượngquang học mớirất lạ. Nhiều vòng tròn đồng tâm(ngày nayđược gọi là các “vân tròn Newton”) xuất hiện, đan xengiữa vânđen vàvân màu. Hoàn toàntự nhiên,Newton giải thích các vân đenlà vùng ở đó ánh sáng bị thấu kínhphản xạ, và các vân màu là các vùngở đó ánh sáng đượctruyền qua.Nhưng làm thế nàocó thể giải thích đượcmột hạt ánh sáng, khiđến bề mặt của thấukính,lúc thì phản xạ lúc thì được truyền qua? Và dođó ông lại đặtra một giả thuyết mới,ông chorằng mỗi hạt ánh sáng cómột tính chất gọi là “accès”. Hạtcó “accès” truyền qua thì dễ dàng truyền quacòn hạt có “accès”phản xạ thì dễ phản xạ. Rõ ràng, giả thuyết này của Newtonđưa ra lại làm nảy sinh thêm vấn đề khicần phỉa cóthêm một lí thuyết mớinữa để giải thíchcái tínhchất gọi là“accès”này. Như vậy thì lí thuyếthạt của Newtoncó hoàn toàn hợp lí hay không? Sự hồi sinhcủa lýthuyết sóngánh sáng: * Sau khiquyển “Optiks”củaNewton được xuấtbản năm 1704,suốt thế kỷ XVIII đã diễn ra cuộc tranh luận về bản chất củaánhsáng với haiquan điểm trái ngược nhau:quan điểm cho rằngbản chất ánh sáng là sóngvà quan điểm cho rằng bản chất ánhsáng là hạt. Suốt thế kỷ này, lý thuyếthạt ánh sáng của Newtonđã lấn át tuyệt đối lý thuyết sóngánhsáng mà Huygensđề xuất. Lý thuyếtsóng ánh sáng hầu như khôngđược đề cập tới bởi uy tín quá lớn của Newtonvà nhữnghạn chế của lý thuyếtsóng ánh sáng màHuygensđưa rakhông giải thích được hiện tượng giao thoavà nhiễu xạ ánh sáng. Do đó lý thuyết hạt đã được tuyệt đại đa số các nhà vật lý trongthế kỷ này chấpnhận. Tuynhiên, vẫn cómột (và duy nhất) tiếng nói chống lại quan điểm hạt của Newtontrong thế kỷ XVIII, một điều bất ngờ vì tiếng nói này không phải domột nhà vật lý theo quanđiểm sóngcấtlên mà là của một nhà toán học người Thụy Sĩ, Leonhard Euler. Leonhard Euler (1707 – 1783) nhà toán học ThụySĩ, sinh ở Bâle. Năm 1746, Euler xuất bản tác phẩm “Một lý thuyết mới về ánhsángvà màu sắc”. Qua cuốn sách này, Eulerđã phát triển quan niệmcho rằng ánh sánglà sóng bằng cách dựa vào sự tương tự giữa ánhsáng và âm thanh, đặc biệt là về phươngthức lantruyền củachúng. Qua đó, ông đã tiến đến việc tươngtự hóa giữa ánh sáng vàâm thanh “có một sự hài hòatương tự giữa các nguyênnhân và các tính chất khác của âm thanhvà ánhsáng, và như vậy lý thuyết âm thanhchắc chắn sẽ làm sángtỏ rất nhiều lý thuyết ánhsáng”. Một trong nhữngđiểmtiến bộ trong quanniệm sóngcủaEuler là ôngcho rằng: mỗimột màu của ánh sáng đượcđặc trưng bởi một bước sóng nhất định,tức là khoảng cách giữa haiđỉnh hoặc hai hõm liên tiếp của sóng hình sin và bởi một tần số nhấtđịnh. Như vậy, Eulerlà người đầutiên gắn kết cáckhái niệmbước sóng và tần số với màu sắc. * Thế kỷ XVIII khép lại,quan niệm ánh sáng là sóngvẫnchìm nổi với chỉ một tiếng nói bảovệ thuyết sóng củaEuler.Tuy chưa đầy đủ nhưng luận điểm củaEuler đã thể hiện sự tiến bộ sovới các tiền bốibởi ông đã đưa ra một cách giảithích chấp nhậnđược về nguồn gốccác màusắc mà trước đó cả Newton lẫn Huygens đều khôngthể có mộtcách giải thích đúng đắn. Bướcsang thế kỷ XIX,chúng ta sẽ được chứng kiến sự hồi sinh và pháttriển vượt bậc của lý thuyết sóng ánh sáng.Ở nửa đầu thế kỷ này đã diễn ra mộtcuộc cách mạng trong lĩnh vực quanghọc tương tự như cuộc cách mạngcủa Copernicvà Galilée trước đó gần ba thế kỷ. Hai nhân vật có vai tròto lớncho cuộc cách mạng trongquanghọc là ThomasYoung và AugustinFresnel. Thomas Young (1773 – 1829), người Anh. -1779, ôngbắtđầu bước lên sânkhấu của câuchuyện truyền kỳ về ánhsáng. Trongquá trìnhđi giải quyết hiệntượng nhiễu xạ ông đã tìm ra hiệntượng giao thoa ánh sáng,và cũngchính ông là người đầutiên sử dụng thuật ngữ “giao thoa” trong khoahọc. -1801, ôngđã giới thiệu một thí nghiệmcơ bản về ánh sáng thườngđược gọi là thí nghiệmhai khe. Thí nghiệm này của ông đã gâymột sự ngạc nhiên lớnbởi lần đầu tiên ngườita nhận thấy khithêm ánh sáng vào ánh sáng thì sẽ cho ra bóng tối,đây chínhlà hiện tượnggiaothoa ánh sáng. -1802, ôngđã tìm ra một định luật đơn giản vàtổng quát của hiện tưọnggiao thoa là: Khi ánhsáng củacùng một nguồn sáng truyền đến mắtta bằng haicon đường khác nhau, ánh sángsẽ mạnh nhất tại những điểm màhiệu đường đi bằng bội số nguyêncủa một “độ dài nào đó”. Lý thuyết của Youngmặc dù đã giải thích được hiệntượng giao thoa ánh sáng nhưng đã khôngđược nhiều ngườichú ý. Ngoài ra thuyết sóngánh sángcủa Young cũng vấp phải một khókhănkhi khôngthể giải thích được hiệntượng phân cực ánh sáng do Malus tìm ra năm 1808.Youngcông nhận sự bất lực củathuyết sóng ánh sáng trong vấn đề này, songôngnói rằng: “khipháttriển mộtlý thuyết khoa học, đôikhi cứ phải tiếnlên và gạt sang mộtbênvài vấn đề chưa được giải quyết, với hyvọng rằng chúngsẽ được giải quyết trong nhữngnghiên cứu sau này”. Augustin Fresnel (1788 – 1827), người Pháp. Ông là sinhviêntrường Đại học Bách khoaParis,sau khi học xongtrườngBách khoa, Fresnelchuyển sang học trườngkỹ sư Cầu đường. Mặc dù vậy, ánh sáng mới là niềmđam mê thựcsự của Fresnel,ông đã dùng những lúc rảnhrỗi để giải mã các bí mật củaánh sáng. Fresnelđã công nhận bảnchất sóng của ánh sángqua thí nghiệm về giao thoa mà ông đã tự bố trí (dùnghai gươngphẳng đặt lệch nhaumột góc gần bằng 180o, thường đượcgọi là hai gươngFresnel). -1817, Viện hànlâm Khoahọc Parisphát độngcuộcthi giải thích hiện tượng nhiễu xạ với hy vọng một aiđó sẽ giải thích đượchiện tượngbằng lý thuyết hạt.Tuy nhiênđến năm 1818,họ đã nhận đượccông trình củaFresnel trongđó giải thích một cách chínhxác vàchi tiết hiện tượngnhiễu xạ ánh sáng dựa trên giả thiết rằng ánh sáng là một sóng trong ête vàtuân theonguyên lýgiao thoa. Mặc dù bảo vệ lý thuyết sóng ánhsángnhưng Fresnelđã xuất sắc giành chiến thắngtrongcuộc thi. - Fresnelcũng là người đầu tiên theo trường phái sóngánhsáng đã giải thích thành công hiện tượng phâncực ánhsáng đã khiến chonhững người bảo vệ lý thuyết sóng phải rất đau đầungay cả ThomasYoung. Bởi nếu coi ánhsáng là sóng giống như âm thanh thì cả hai phải có cùngcác hiệu ứng, trongkhi không thể tìm ra hiệntượng phâncực ở sóng âm. Để giải thích hiệntượng này, Fresnelđã đưa ra một lời giải mang tính cách mạng:mặc dù cả âm thanhvà ánh sáng đềucó bản chất sóng, nhưngchúng khác nhauvề mặt phẳngdao động.Nói cách khác, Fresnellà người đầu tiên cho rằng ánhsáng là sóng ngangchứ khôngphảisóng dọc. Nhờ đứng trên quan điểm mớinày,Fresnel đã xây dựng được lý thuyết về sự phân cực ánh sáng trong môi trườnglưỡng chiết. Những công trìnhcủa YoungvàFresnel đã giúpcho lý thuyếtsóng hồi sinhvà trở nên áp đảo lý thuyết hạt vốnđứng vững bởi uytín của Newton.Ngoài ra, những bằngchứng thựcnghiệm đượcthực hiện sau khi haiông mất đã khẳng định sự đúngđắn của lý thuyếtsóng ánh sáng. Thí nghiệmcủa Hamiltonnăm 1832kiểm chứng lại lý thuyết củaFresnel. Thí nghiệmcủa Fizeauvào năm1849 vàthí nghiệm của Foucaultvào năm1850 về đo vận tốc ánhsángtrong nước. Những kết quả thực nghiệm này đã góp phầnquan trọngcho sự thắng lợicủa lý thuyết sóng ánhsáng. - Năm1849 Fizeauthựchiện phép đo vậntốc ánh sáng ngaytrên mặt đấtvào bằng phươngpháprăng cưa: Kết quả là : C=312.000 km/s. - Năm1850, Foucault dùng dụngcụ gương quay: Đường đi của ánh sángtrongdụng cụ của Foucaultđủ ngắnđể dùng trong các phép đo tốc độ ánh sáng trongcác môi trườngkhác ngoài khôngkhí. Ông phát hiện thấytốc độ ánh sáng trongnước hoặc trong thủy tinhchỉ khoảng 2/3giá trị của nó trong không khí. Như vậy ,kết quả của 2thí nghiệm trên cho thấy trái ngượcvới kết quả của Newton cho rằng Vận tốc ánh sáng trong không khí lớn hơnvận tốc ánh sáng trong môitrường nước Những thínghiệm của YoungvàFresnel đã chứng tỏ bản chất sóng của ánh sáng. Đặc biệt,Fresnelđã khẳngđịnh một cách chắc nịch rằng ánh sánglà sóngngang. Tronglý thuyết của ôngđã đề cập đến việctồn tại haiphươngdao độngcủa sóng ánh sáng (ông sosánh với dao động của dây đànviolin – vốn cũng làsóng ngang – có thể dao độngtừ dưới lên trên hoặc từ trái sang phải)tương ứngvới haiphân cực của ánh sáng:một phâncực theo phương ngangvà mộtphân cựctheo phương thẳngđứng. Tuynhiên để có thể đưa ra được mô hìnhsóng ánhsáng mộtcáchđầy đủ, gọn gàng thì chúng ta phải rẽ sang lĩnh vực điện từ gắn liền với tên tuổi của James Clerk Maxwell (1831– 1879), nhà vật lýngười Anh, ông là người đầutiên pháthiện ra “ánh sáng chính là cuộchôn pốigiữa điệnvà từ”. . luận về bản chất củaánhsáng với haiquan điểm trái ngược nhau :quan điểm cho rằngbản chất ánh sáng là sóngvà quan điểm cho rằng bản chất ánhsáng là hạt. Suốt thế kỷ này, lý thuyếthạt ánh sáng của. Lược sử hình thành các quan điểm về bản chất ánh sáng Newton quan niệm ánhsáng có tính chất hạt. Ánh sáng đượccoi như những dònghạt đặc biệt nhỏ bé được phát ra từ các vật phát sáng vàbay. lý thuyết mới về ánhsángvà màu sắc”. Qua cuốn sách này, Eulerđã phát triển quan niệmcho rằng ánh sánglà sóng bằng cách dựa vào sự tương tự giữa ánhsáng và âm thanh, đặc biệt là về phươngthức