Giải mã những bi mật về ánh sáng

Giải mã những bi mật về ánh sáng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HCM

Mục lục 1

Lời nói đầu 3

Nội dung 6

I. Ánh sáng là gì? Vì sao có ánh sáng? 6 I.1 Ánh sáng 6

I.2 Một số đặc trưng quan trọng của ánh sáng 8

I.2.1 Tốc độ ánh sáng 8

I.2.2 Năng lượng, động lượng và khối lượng 14

I.2.3 Áp suất ánh sáng: 15

I.2.4 Các lý thuyết về ánh sáng: 17

I.3 Cuộc đấu tranh đưa đến kết luận bản chất “Lưỡng tính sóng - hạt của ánh sáng”: 20

II Ánh sáng và thị giác – Đường truyền của ánh sáng trong các môi trường .36 II.1 Ánh sáng và thị giác 36

II.1.1 Ánh sáng đi từ mắt đến vật hay từ vật đến mắt? 37

II.1.2 Cơ chế của sự hình thành ảnh trong mắt là gì? 37

II.1.3 Hành trạng của các tia sáng 41

II.2 Nào ta cùng khám phá thế giới tươi đẹp này nhé! 54

II.2.1 Cầu vồng 54

II.2.2 Tại sao bầu trời lại xanh? 58

II.2.3 Tại sao núi lại xanh? 59

II.2.4 Hoàng hôn lộng lẫy 60

II.2.5 Lục quang tuyến 62

II.2.6 Hành tinh xanh và bọt trắng 64

II.2.7 Bản giao hưởng của các đám mây 65

II.2.8 Sét và cơn giận dữ của các thần 68

II.2.9 Một mặt trời bị dẹt và biến dạng 69

II.2.10 Mặt trời trên chân trời chỉ là ảo tượng 70

II.2.11 Vẻ đẹp lộng lẫy của quang cực 71

II.3 Tìm hiểu về “Áo tàng hình” 73

II.3.1 “Đánh lừa thị giác” khó hay dễ? 73

II.3.2 Áo tàng hình 75

II.3.3 Phương pháp mới chế tạo áo tàng hình 75

II.3.4 Hiện tượng khúc xạ âm??? 77

III Con người chế ngự ánh sáng 82

III.1 Lửa - một kỉ nguyên mới 82

III.2 Ánh sáng nhân tạo 84

III.2.1 Nến không cháy trong các trạm quỹ đạo 84

III.2.2 Đèn dầu 86

III.2.3 Ánh sáng không bắt nguồn từ lửa 87

III.2.4 Ánh sáng phẳng của đèn neon 89

III.2.5 Ánh sáng nhân tạo đã tách chúng ta ra khỏi tự nhiên 91

III.2.6 LAZE 92

III.3 Vận chuyển thông tin bằng cáp quang 99

III.3.1 Phân loại 100

Phân loại Cáp quang: Gồm hai loại chính: 100

Multimode (đa mode) 100

III.4 Thế kỷ 21 - Thế kỷ của phôtôn 101

III.4.1 Những đặc tính của phôtôn: 102

III.4.2 Những khả năng không giới hạn: 103

III.5 PIN MẶT TRỜI 115

III.5.1 Cấu tạo và hoạt động của pin quang điện 115

III.5.2 Hiệu suất 116

III.5.3 Ứng dụng 117

Tài liệu tham khảo 118

Lời nói đầu

Vào mỗi sáng khi thức dậy, trước khi bước ra khỏi giường tôi thường có thói quen nhớ và sắp xếp lại những hoạt động sẽ phải thực hiện cho một ngày mới nhằm không bỏ sót bất cứ chi tiết nào: sắp xếp sách, vở cho tiết phương pháp nghiên cứu khoa học vào buổi sáng, chiều học thí nghiệm điện kĩ thuật nên cần phải mang theo tài liệu tham khảo luôn vì trưa nay sẽ không về nhà nữa mà ở lại trường để chiều học tiếp, tối nay lại đi dạy kèm nên cần về nhà sớm để tắm và

ăn tối sau khi học thí nghiệm xong thay vì tụ tập với nhóm bạn thân ở căn tin của trường như thường lệ,… Thế đấy, cái đầu bé nhỏ của tôi cứ phải thường xuyên

tính toán những việc sẽ phải làm Nhưng sau khi được đọc tác phẩm “Những

con đường của ánh sáng” _ giải thưởng lớn MORON 2007 của tác giả Trịnh Xuân Thuận,(Phạm Văn Thiều – Ngô Vũ dịch), nhà xuất bản trẻ, xuất bản

2008, tôi tự đặt rồi cũng tự trả lời cho mình câu hỏi: Một ngày nào đó, nếu như

trái đất thân yêu của chúng ta không còn nhận được bất cứ tia sáng nào từ Mặt Trời, thì chuyện gì sẽ xảy ra? Tất nhiên rồi, khi đó mọi dự định của tôi cũng như tất cả các bạn sẽ “đổ sông, đổ biển”, bởi một lẽ thật đơn giản, khi đó sự sống trên hành tinh này sẽ chẳng thể nào tồn tại nữa

Có thể khẳng định chắc nịch rằng: “Ánh sáng là nguồn gốc của sự sống.

Dù là tự nhiên hay nhân tạo, ánh sáng cho phép chúng ta không chỉ ngắm nhìn thế giới, mà còn tương tác với thế giới và tiến hóa trong thế giới Nó không chỉ ban cho chúng ta nhìn thấy, mà còn ban cho chúng ta tư duy nữa Từ những thời rất xa xưa cho tới ngày nay, ánh sáng luôn mê hoặc trí tuệ con người, dù đó là nhà khoa học, triết gia, nghệ sĩ hay tu sĩ,…” (trích “Những con đường của ánh ánh sáng”)

Do đó cũng chẳng có gì là khó hiểu khi tất cả các thành viên trong nhóm tiểu luận của tôi đều đồng ý chọn đề tài nghiên cứu vế “Ánh sáng” Và chúng tôi tin chắc rằng đề tài này cũng sẽ gây được sự tò mò, say mê đối với những người yêu tìm hiểu về ánh sáng, đặc biệt là các bạn sinh viên chuyên ngành Vật Lí.

Những tài liệu nghiên cứu về ánh sáng hiện nay trên các phương tiện thông tin đại chúng có rất nhiều, tuy nhiên không phải ai trong bất cứ sinh viên

sư phạm Vật lí nào trong chúng ta đều hiểu hết về bản chất, nguồn gốc, đường truyền của tia sáng khi qua các môi trường - là phần kiến thức quan trọng trong

chương trình Vật Lí THPT Vì thế, bài tiểu luận này như một bài tổng hợp kiến thức về các thuộc tính cơ bản của Ánh sáng; giúp bạn tra cứu thông tin về ánh

sáng một cách nhanh nhất.

Bài tiểu luận này được phân ra 4 phần chính:

Phần đầu tiên bắt đầu với những giới thiệu tổng quát về ánh sáng: khái niệm, nguồn gốc, một số đại lượng liên quan đến ánh sáng, từ đó người đọc sẽ có cái nhìn tổng quát nhất về người bạn tốt của chúng ta.

Trên con đường tìm hiểu ánh sáng ấy, đã xuất hiện hai trường phái quan điểm về bản chất của ánh sáng trái ngược nhau Phần một kết thúc bằng việc tập

trung xoay quanh cuộc tranh luận của các nhà bác học về vấn đề này: liệu rằng

ánh sáng là hạt, như Newton quả quyết, hay là sóng, như Huyghens, Young và

Fresnel khẳng định Vào thế kỉ XVIII, Young đã chứng minh rằng sự thêm ánh sáng vào ánh sáng có thể dẫn đến bóng tối, điều này chỉ có thể giải thích được nếu ánh sáng có bản chất sóng Thế nhưng vào thế kỉ thứ XX, Einstein, để giải thích “hiệu ứng quang điện” đã đưa trở lại quan niệm ánh sáng là hạt, nhưng gán cho các hạt này một “lượng tử năng lượng”, ý tưởng được Planck đưa ra trước

đó Vậy ánh sáng là sóng hay hạt Muốn biết, chúng ta hãy cùng gia nhập các cuộc tranh luận căng thẳng ấy nhé!

Bạn sẽ trả lời thế nào nếu như một học trò của bạn (hay bất kì ai) hỏi bạn rằng: “Tại sao bầu trời lại xanh nhưng mây thì lại màu trắng? Cầu vồng là gì và khi nào thì ta có thể quan sát được nó rõ nhất?,…” Phần hai trong cuốn tiểu luận

sẽ giúp bạn trả lời câu hỏi đó.

Bằng lao động, con người đã, đang, và sẽ chinh phục thiên nhiên tươi đẹp này Từ việc phát hiện ra, rồi khám phá và bây giờ chúng ta đã chinh phục được

ánh sáng Trong phần ba, chúng tôi cũng sẽ cố gắng giới thiệu với bạn đọc một vài phát minh của con người, bắt đầu bằng công cuộc chinh phục lửa, sau đó đề

cập đến ánh sáng nhân tạo và cuối cùng là bóng điện và đèn huỳnh quang Tiếp theo là sơ lược về phát minh ra Lazer, đứa con của cơ học lượng tử; kết quả của

việc “khuyếch đại” ánh sáng nhìn thấy được với vô số những ứng dụng khoa học

bắt nguồn từ nó; và việc con người sử dụng ánh sáng để vận chuyển thông tin và kết nối nhân loại.

Dựa trên việc tìm kiếm những tư liệu có liên quan về ánh sáng trên

internet, sách, báo (đặc biệt là hai cuốn sách : “Những con đường của ánh sáng”

- tập I và II), vô tuyến truyền hình và truyền thanh; cũng như sự cố gằng tìm tòi, phân tích, tổng hợp của tất cả các thành viên trong nhóm, chúng tôi hi vọng sẽ

tạo ra được sản phẩm nghiên cứu khoa học mang tên “GIẢI MÃ NHỮNG BÍ

MẬT VẾ ÁNH SÁNG” thật sự hay và bổ ích cho bạn đọc.

Nhóm tiểu luận.

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/ (hoặc tần số f = c/ ) Màu đỏ, chẳng hạn, ứng vớicác 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 7màu quy ước (tím, chàm, lam, lục, vàng, da cam, đỏ) Hỗn hợp hai hoặc ba màu thíchhợp 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, Tráiđất, sao Kim, sao Hoả, sao Mộc, sao Thổ, sao Thiên Vương, sao Hải Vương và saoDiêm Vương

Các hằng tinh trong vũ trụ có nhiệt độ bề mặt từ mấy nghìn tới mấy vạn độ, vì vậychúng phát ra các loại bức xạ (kể cả ánh sáng nhìn thấy) Mặt trời là hằng tinh gầnchúng 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 hạtnhân 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 Mỗigiây trôi qua, Mặt Trời giải phóng ra không gian xung quanh 3,827×1026 joule tươngđương với một máy phát điện có công suất 382 x 1023 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 đầuthế kỷ 20, nhà vật lý Einstein dựa vào thuyết tương đối đã đưa ra một công thức có liênquan giữa khối lượng và năng lượng của vật thể, nhờ đó mà các nhà nghiên cứu mới cóđáp 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 mộtnguồn năng lượng khổng lồ

Năng lượng này truyền từ tâm hằng tinh ra ngoài bề mặt và vào không gian bằng cáchbức 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 từcác hạt nhân hiđrô

Cả chu trình kéo dài hàng chục triệu năm nhưng từng phản ứng liên tục xảy ra, và chutrình 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 nóliên tục giảm Nhưng vì khối lượng Mặt Trời rất lớn nên sự giảm này chỉ đáng kể sauhàng triệu năm

Một số đặc trưng quan trọng của ánh sáng

I.1.1.1 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 AlbertEinstein tìm ra lý thuyết tương đối

I.1.1.2 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 lýđược dặn là sẽ bật đèn của anh ta ngay khi thấy ánh sáng từ đèn của Galileo Galileomuốn đo xem mất bao lâu ông ta mới thấy ánh đèn từ bên kia đồi Thí nghiệm của ôngkhông thành công Vấn đề là vận tốc ánh sáng thường quá lớn để đo được bằng cáchnày; ánh sáng đi 1 dặm trong 1 thời gian cực ngắn (khoảng 0.000005s) mà khoảng đóthì ko có dụng cụ nào thời của Galileo đo được

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 sớmhơn vị trí dự đoán trrên quĩ đạo của nó khi Trái Đất ở gầnSao Mộc hơn Và nó tới chậm khi Trái Đất ở xa Sao Mộchơn

Hãy nghĩ thế này: nếu ánh sáng không di chuyển nhanhtức thời, nghĩa là nó sẽ cần 1 khoảng thời gian để đi từ Sao Mộc tới Trái Đất Cứcho rằng nó mất 1 tiếng đi Vậy là khi nhìn Sao Mộc qua kính thiên văn, cái mà bạnnhìn thấy hiện nay là ánh sáng được truyền đi từ 1 tiếng trước, nghĩa là bạn nhìnthấy 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 trướcthay vì 1 tiếng Và điều ngược lại sẽ xảy ra nếu Sao Mộc và Trái Đất ở gần nhauhơn Thật ra IO đã không thay đổi quĩ đạo của nó; nó chỉ xuất hiện ở vị trí khácnhau 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 vàSao Mộc như thế nào, Roemer có thể tính được vận tốc ánh sáng Qua đó ông xácđịnh được vận tốc ánh sáng vào cỡ: 214.000 - 300.000 km/s (tuỳ theo thời gian giữacác 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 vàonăm 1849.

Ánh sáng được phát ra từ khe thứ nhất của một bánh xe quay rất nhanh, truyền đến mộtcái 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 bánhxe

Như vậy thời gian truyền sáng là 2S/c chính bằng thời gian bánh xe quay được giữahai 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 gianánh 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 kínhnhắm 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 sánghội tụ tại một điểm S1 trên gương cầu lõm B Các điểm S1 và S1’ đối xứng qua gương Mnên không tùy thuộc vị trí của gương này Do đó khi M quay, S1’ cố định Khi gương Mquay một góc α, tia phản chiếu quay một góc β = 2α , S1’’ là ảnh của S1 cho bởi gương

M Ta có S1’JS1’’ = β

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 = 2D

e Phương pháp MICHELSON

Michelson đã thực hiện nhiều thí nghiệm để đo vận tốc ánh sáng Ở đây, ta chỉ đề cậptới 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 haigương 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 sátbằng một kính nhắm vi cấp,ta thấy ảnh cuối cùng S’ của khe sáng S Sau khi đã điềuchỉnh hệ thống như trên, người ta cho lăng kính P quay thì ảnh S’ biến mất Ảnh này lạixuất hiện đúng vị trí cũ nếu trong thời gian ánh sáng đi về, mặt d của lăng kính P quaytới đúng vị trí ban đầu của mặt e, nghĩa là thời gian đi về  của ánh sáng bằng thờigian t để lăng kính P quay được 1/8 vòng Nếu N là số vòng quay mỗi giây tương ứng

1 , ta có thể tính được  Từ đó tínhđược 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 nhiềulần Kết quả trung bình của các thí nghiệm là 299.976 km/ giây với sai số 4 km/giây

C= 299.976 4 km/s

Nhiều năm sau, dụng cụ thiết bị đã phát triển, nhiều người đã đo vận tốc ánh sáng mộtcách chính xác hơn Với công nghệ kỹ thuật ngày nay, ta có thể đo nó với độ chính xáckhông ngờ Trong chuyến lên Mặt Trăng của tàu Apollo 11,các nhà du hành đã gắngương phẳng vào 1 hòn đá trên mặt Trăng Nhà khoa học ở Trái Đất có thể dùng laserchiếu vào gương đó và đo ánh sáng phản chiếu lại, khoảng 2.5 s cho 1 chu kỳ (Ý

ánh sáng, vào bất kỳ thời điểm nào cũng đạt được cùng 1 kết quả: gần bằng 300,000km/s.

Tấm gương phản chiếu tàu Apollo 11 đã để lại trên Mặt Trăng

lượng

Năng lượng của một hạt photon có bước sóng λ là hc/λ, với h là hằng số Planck và c là

tốc độ ánh sáng trong chân không Photon không có khối lượng nghỉ, do đó động lượng

của hạt photon bằng năng lượng của nó chia cho tốc độ ánh sáng, h/λ Tính toán trên

thu được từ công thức của thuyết tương đối:

Với:

E : năng lượng của hạt

P: là động lượng của hạt

E2 - p2c2 = m0 2c4

m0: là khối lượng nghỉ

Ánh sáng gồm những hạt mang năng lượng và chuyển động Khi một chùm tia sángđập vào bề mặt S, các photon sẽ truyền cho mặt này một động lượng, nghĩa là sẽ tácdụng lên bề mặt đó một áp suất, tương tự như khi tác dụng một lực nén lên diện tích S

Áp suất ánh sáng đã được Maxwell đoán trước năm 1874, nhưng không phải dựa trênthuyết photon, mà suy ra từ thuyết sóng điện từ Tới năm 1900, mới được kiểm chứnglần đầu tiên bởi Lebedew

Ta có thể giải thích hiện tượng áp suất ánh sáng một cách đơn giản dựa trên thuyếtphoton Xét một chùm tia sáng có tần số f, mật độ photon là n (số phton trong một đơn

vị thể tích) ứng với một năng lượng là u = n h f Số photon tới thẳng góc một đơn vịdiện tích S trong một đơn vị thời gian là nC ứng với một năng lượng là:

'

p

f t

- Nếu bề mặt phản xạ một phần với hệ số phản chiếu là thì trong nC photon tớidiện tích đơn vị S cónC(1 ) photon bị hấp thụ và nC  photon bị phản xạ trởlại.

- Với bề mặt hấp thụ hoàn toàn,  0 ta tìm được công thức : p = u

Nhận xét công thức (4.2), ta thấy u là mật độ năng lượng của chùm tia tới, là mật độcủa chùm tia phản xạ Do đó ta có thể viết công thức tổng quát cho 3 trường hợptrên dưới dạng : pu

photon tới S trong một đơn vị thời gian là nC.cosi ứng với một động lượng có trị số

là : p nccos i hf ucosi

c

Và có phương truyền của tia sáng

Thành phần của P trên phương thẳng góc với S là :P N Pcosi u cos2i

Áp suất ánh sáng bây giờ là :PP N

Lặp lại cách chứng minh tương tự trường hợp tia tới thẳng góc, ta được :

I.1.4 Các lý thuyết về ánh sáng:

Trong lịch sử khám phá, đã có nhiều lý thuyết để giải thích các hiện tượng tự nhiên liênquan đến ánh sáng Dưới đây trình bày các lý thuyết quan trọng, theo trình tự lịch sử

I.1.4.1 Lý thuyết hạt ánh sáng

Lý thuyết hạt ánh sáng, được Isaac Newton đưa ra, cho rằng dòng ánh sáng là dòng di

chuyển của các hạt vật chất Lý thuyết này giải thích được hiện tượng phản xạ và một

số tính chất khác của ánh sáng; tuy nhiên không giải thích được nhiều hiện tượng như

giao thoa, nhiễu xạ mang tính chất sóng

I.1.4.2 Lý thuyết sóng ánh sáng

Lý thuyết sóng ánh sáng, được Christiaan Huygens đưa ra, cho rằng dòng ánh sáng là

sự lan truyền của sóng Lý thuyết này giải thích được nhiều hiện tượng mang tính chất

sóng của ánh sáng như giao thoa, nhiễu xạ; đồng thời giải thích tốt hiện tượng khúc xạ

và phản xạ.

Lý thuyết sóng và lý thuyết hạt ánh sáng ra đời cùng thời điểm (thế kỷ 17) và đã gây racuộc tranh luận lớn giữa hai trường phái

I.1.4.3 Lý thuyết điện từ

Sau khi lý thuyết sóng và lý thuyết hạt ra đời, lý thuyết điện từ của James Clerk

Maxwell năm 1865, khẳng định lại lần nữa tính chất sóng của ánh sáng Đặc biệt, lý

thuyết này kết nối các hiện tượng quang học với các hiện tượng điện từ học, cho thấyánh sáng chỉ là một trường hợp riêng của sóng điện từ

Các thí nghiệm sau này về sóng điện từ, như của Heinrich Rudolf Hertz năm 1887,

đều khẳng định tính chính xác của lý thuyết của Maxwell

I.1.4.4 Ête

Sau thành công của lý thuyết điện từ, khái niệm rằng ánh sáng lan truyền như các sóng

đã được chấp nhận rộng rãi Các hiểu biết về sóng cơ học, như âm thanh, của cơ học cổđiển, đã dẫn các nhà khoa học đến giả thuyết rằng sóng ánh sáng lan truyền như sóng

cơ học trong môi trường giả định ête, tràn ngập khắp vũ trụ, nhưng có độ cứng cao hơn

cả kim cương

Cuối TK 19 – đầu TK 20, nhiều thí nghiệm tìm kiếm sự tồn tại của ête, như thí nghiệm

Michelson-Morley, đã thất bại, cùng lúc chúng cho thấy tốc độ ánh sáng là hằng số

không phụ thuộc hệ quy chiếu; do đó không thể tồn tại môi trường lan truyền cố địnhkiểu ête

I.1.4.5 Thuyết tương đối

Thuyết tương đối của Albert Einstein ra đời, 1905, với mục đích ban đầu là giải thích

hiện tượng vận tốc ánh sáng không phụ thuộc hệ quy chiếu và sự không tồn tại của môitrường ête, bằng cách thay đổi ràng buộc của cơ học cổ điển

Trong lý thuyết tương đối hẹp, các tiên đề của cơ học được thay đổi, để đảm bảo thôngqua các phép biến đổi hệ quy chiếu, vận tốc ánh sáng luôn là hằng số Lý thuyết này đãgiải thích được chuyển động của các vật thể ở tốc độ cao và tiếp tục được mở rộngthành lý thuyết tương đối rộng, trong đó giải thích chuyển động của ánh sáng nói riêng

và vật chất nói chung trong không gian bị bóp méo bởi vật chất

Thí nghiệm đo sự bẻ cong đường đi ánh sáng của các ngôi sao khi đi qua gần Mặt Trời,lần đầu vào nhật thực năm 1919, đã khẳng định độ chính xác của lý thuyết tương đốirộng

I.1.4.6 Lý thuyết lượng tử ánh sáng

Lý thuyết lượng tử của ánh sáng nói riêng và vật chất nói chung ra đời khi các thí

nghiệm về bức xạ vật đen được giải thích bởi Max Planck và hiệu ứng quang điện

được giải thích bởi Albert Einstein đều cần dùng đến giả thuyết rằng ánh sáng là dòng

chuyển động của các hạt riêng lẻ, gọi là quang tử (photon).

Vì tính chất hạt và tính chất sóng cùng được quan sát ở ánh sáng, và cho mọi vật chất

nói chung, lý thuyết lượng tử đi đến kết luận về lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng và vật chất; đúc kết ở công thức de Broglie, 1924, liên hệ giữa động lượng một hạt vàbước sóng của nó

I.2 Cuộc đấu tranh đưa đến kết luận bản chất

“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 trongnhiều thế kỉ Các nhà khoa học Hy Lạp thuộc trường phái Pythagore cổ đại cho rằngmỗi một vật khả kiến phát ra một dòng hạt đều đặn, còn Aristotle kết luận rằng ánhsáng truyền đi theo kiểu giống như sóng trên đại dương Mặc dù những ý tưởng này đãtrải qua hàng loạt cải tiến và thu được tiến bộ đáng kể trong thế kỉ 20 vừa qua, nhưngđiều cốt lõi của cuộc tranh luận do các nhà triết học Hy Lạp đặt ra vẫn kéo dài cho tớingày nay

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 chiaphe 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 vềnhững khám phá của nhà khoa học người Hà Lan Christiaan Huygens Còn trại bên kiathì trích dẫn thí nghiệm lăng kính của ngài Isaac Newton, xem là bằng chứng cho thấyánh sáng truyền đi dưới dạng một trận mưa hạt, mỗi hạt đi theo đường thẳng cho tớikhi nó bị khúc xạ, hấp thụ, phản xạ, nhiễu xạ theo một số kiểu khác Mặc dù chính

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 liệtcủa mình

Lí thuyết khúc xạ ánh sáng của Huygens, dựa trên khái niệm bản chất giống như sóngcủa ánh sáng, cho rằng vận tốc ánh sáng trong một chất bất kì tỉ lệ nghịch với chiết suấtcủa 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 kếtluận rằng nếu ánh sáng là một dòng hạt, thì sẽ xảy ra kết quả ngược lại, vì ánh sáng đivào môi trường đậm đặc hơn sẽ bị các phân tử môi trường đó hút và vận tốc sẽ tănglên, chứ không giảm xuống Mặc dù lời hòa giải cho cuộc cãi vã này là đo vận tốc ánhsáng 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 chuyểnđộng 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 tiếngvào đầu những năm 1700 không tán thành thuyết tiểu thể của ông Một số người tranhluận 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 trọnglượng, tồn tại như một thực thể vô hình trong không khí và không gian Công cuộc sănlùng ête ngốn một lượng đáng kể tài nguyên trong thế kỉ 19 trước khi cuối cùng phảidừng lại Thuyết ête tồn tại ít nhất là cho tới cuối những năm 1800, bằng chứng là môhình do Charles Wheatstone đề xuất, chứng minh ête mang sóng ánh sáng bằng cáchdao động theo hướng vuông góc với hướng truyền sóng, và mô hình chi tiết của JamesClerk Maxwell mô tả việc xây dựng chất vô hình này Huygens tin rằng ête dao độngcùng 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, vàcũng giải thích tại sao các tia sáng không phá hủy nhau khi đường truyền của chúng cắtnhau

Khi một chùm ánh sáng truyền giữa hai môi trường có chiết suất khác nhau thì chùmtia 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 chomỗi trường phái để giải thích hiện tượng (hình 3)

Theo thuyết sóng của Huygens, một phần nhỏ của mỗi đầu sóng góc phải chạm đếnmôi 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 còntruyền trong môi trường thứ nhất, nhưng sẽ chuyển động chậm hơn do chiết suất củamôi 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, thuyếthạt 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 rằngmột lực đặc biệt, hướng vuông góc với mặt phân giới, tác động đến sự thay đổi vận tốccủa các hạt khi chúng đi vào môi trường thứ hai Bản chất đích thực của lực này khôngđược nghiên cứu và không có bằng chứng nào được thu thập để chứng minh cho líthuyết

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 ánhsáng 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 lêngương, các sóng bị phản xạ theo góc tới, nhưng với mỗi sóng phản hồi trở lại tạo ramột 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 sónghình cầu, có độ cong cao, còn ánh sáng phát ra từ một nguồn ở xa sẽ trải rộng hơn vàcác mặt sóng gần như là phẳng

Tuy nhiên, thuyết hạt cũng cho rằng nếu bề mặt quá gồ ghề, thì các hạt bị nảy lên ởnhiều góc khác nhau, kết quả là làm tán xạ ánh sáng Thuyết này rất phù hợp với nhữngquan sát thực nghiệm

Hạt và sóng cũng sẽ hành xử khác nhau khi chúng chạm phải rìa của một vật và tạo nênbóng đổ (hình 5) Newton sớm chỉ ra trong cuốn Opticks xuất bản năm 1704 của ôngrằng: “Ánh sáng không bao giờ truyền đi theo đường cong hay bị bẻ cong thành bóngđổ” Khái niệm này phù hợp với thuyết hạt cho rằng ánh sáng luôn luôn truyền đi theođường thẳng Nếu các hạt chạm phải rìa của một rào chắn thì chúng sẽ không tạo rabóng 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 chínhxác, nhưng nó không phù hợp với kết quả của thí nghiệm nhiễu xạ ánh sáng xảy ra ởkích 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 bằngchùm tia sáng Hành trạng này tương tự như sóng nước cuốn quanh phần cuối của bènổi, thay vì phản xạ ra xa

Gần 100 năm sau khi Newton và Huygens đề xuất lí thuyết của họ, một nhà vật língười Anh tên là Thomas Young đã thực hiện một thí nghiệm củng cố mạnh mẽ bảnchất giống sóng của ánh sáng Vì ông tin rằng ánh sáng là gồm các sóng, Young giảithích được một số loại tương tác xảy ra khi hai sóng ánh sáng gặp nhau Để kiểm tragiả 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 sángMặt Trời chạm tới khe, chúng trải rộng ra, hay nhiễu xạ, tạo ra một mặt sóng Nếu nhưmặt sóng này được cho rọi tới một màn thứ hai có hai khe đặt rất gần nhau, thì hainguồn ánh sáng kết hợp nữa, hoàn toàn đồng bộ với nhau, được tạo ra (hình 6) Ánhsáng từ mỗi khe truyền tới một điểm nằm giữa hai khe phải hoàn toàn đồng bộ vớinhau Tuy nhiên, nếu xét một điểm nào đó nằm về một phía so với điểm chính giữa, thìánh sáng từ một khe sẽ truyền tới điểm đó qua một đoạn đường dài hơn so với ánh sángtruyền từ khe phía bên kia Ánh sáng từ khe gần hơn sẽ truyền tới điểm thứ hai nàytrước so với ánh sáng từ khe ở xa, nên hai sóng không còn đồng bộ với nhau, và có thểhủy 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 trườnghợp, sự chồng chập kết hợp đồng bộ chính xác với nhau Tuy nhiên, trong một sốtrường hợp khác, các sóng ánh sáng kết hợp hoàn toàn không đồng bộ với nhau hoặcchỉ 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 nhaukhông đồng bộ sẽ hủy lẫn nhau, hiện tượng này gọi là giao thoa triệt tiêu Ở giữa haithái cực này, những mức độ khác nhau của giao thoa tăng cường và triệt tiêu xảy ralàm tạo ra sóng có phổ biên độ rộng Young cũng có thể quan sát thấy các hiệu ứnggiao thoa trên màn hình đặt ở một khoảng cách nhất định phía sau hai khe Sau khinhiễu xạ, ánh sáng tái kết hợp bằng giao thoa tạo ra dải vân sáng và tối dọc theo chiềudài 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 rãivào 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 Tráilại, thuyết hạt chủ trương rằng màu sắc ánh sáng khác nhau là do các hạt có khối lượngkhác nhau hoặc truyền đi với vận tốc khác nhau

Hiệu ứng giao thoa không chỉ giới hạn có ánh sáng Các sóng tạo ra trên mặt hồ, hoặc

ao, sẽ trải ra theo mọi hướng và chịu sự hành xử tương tự Khi hai sóng gặp nhau đồng

bộ, chúng sẽ cộng gộp với nhau tạo ra một sóng hơn bằng giao thoa tăng cường Cácsóng chạm nhau không đồng bộ sẽ hủy nhau qua giao thoa triệt tiêu và tạo ra bề mặtphẳng trên nước

Thêm một bằng chứng nữa cho bản chất giống sóng của ánh sáng được phát hiện khihành trạng của chùm sáng giữa các kính phân cực đặt chéo nhau được nghiên cứu tỉ mỉ(hình 7) Kính phân cực có cấu trúc phân tử độc nhất vô nhị chỉ cho phép ánh sáng cómột định hướng nào đó truyền qua chúng Nói cách khác, kính phân cực có thể đượcxem như một loại màn che đặc biệt có các hàng thanh nhỏ xíu định theo một hướngbên trong chất phân cực Nếu cho một chùm sáng tới đập vào kính phân cực, chỉ cónhững tia sáng định hướng song song với hướng phân cực mới có thể truyền qua kính.Nếu đặt một kính phân cực thứ hai phía sau kính thứ nhất và định hưởng giống nhưkính thứ nhất, thì ánh sáng truyền qua được kính thứ nhất cũng sẽ truyền qua được kínhthứ hai

Tuy nhiên, nếu quay kính phân cực thứ hai đi một góc nhỏ, thì lượng ánh sáng truyềnqua nó sẽ giảm xuống Khi quay kính phân cực thứ hai đến vị trí định hướng vuông gócvới kính thứ nhất, thì không có ánh sáng nào đã truyền qua được kính thứ nhất sẽtruyền qua được kính thứ hai Kết quả này dễ dàng giải thích được với thuyết sóng, cònviệc vận dụng thuyết hạt không thể giải thích được ánh sáng bị chặn lại như thế nào bởikính thứ hai Thật vậy, thuyết hạt cũng không thể giải thích thỏa đáng hiện tượng giao

thoa và nhiễu xạ, những hiệu ứng mà sau này người ta xem là thuộc cùng một hiệntượng

Kết quả quan sát với ánh sáng phân cực đủ để phát triển khái niệm ánh sáng gồm cácsóng ngang có các thành phần vuông góc với hướng truyền sóng Mỗi thành phầnngang phải có một định hướng đặc biệt cho phép nó truyền qua hoặc là bị chặn lại bởimột kính phân cực Chỉ những sóng có thành phần ngang song song với bộ lọc phâncực mới truyền qua được, còn những sóng khác đều bị chặn lại

Hình 7 Hạt và sóng đi qua các kính phân cực đặt vuông góc

Vào giữa những năm 1800, các nhà khoa học không ngừng bị thuyết phục trước đặc

trưng giống sóng của ánh sáng, nhưng vẫn còn một chỗ hổng lớn chưa được lấp Đó làánh sáng thật ra là gì ? Một đột phá được thực hiện bởi nhà vật lí người Anh JamesClerk Maxwell khi ông phát hiện thấy tất cả các dạng bức xạ điện từ đều có phổ liêntục và truyền qua chân không với cùng một tốc độ: 186000 dặm một giây Khám phácủa Maxwell thật sự đã đóng đinh quan tài cho thuyết hạt, và vào buổi bình minh của

thế kỉ 20, hình như những câu hỏi cơ bản về ánh sáng và lí thuyết quang học cuối cùng

đã được trả lời

Một tai họa lớn ập đến với thuyết sóng vào cuối thập niên 1880, khi các nhà khoa họclần đầu tiên phát hiện thấy, dưới những điều kiện nhất định, ánh sáng có thể đánh đuổicác electron ra khỏi nguyên tử của một vài kim loại (hình 8) Mặc dù lúc đầu chỉ là mộthiện tượng hiếu kì và không giải thích nổi, nhưng người ta nhanh chóng phát hiện thấyánh sáng cực tím có thể làm bật ra electron từ nguyên tử của nhiều kim loại, làm chochúng tích điện dương Nhà vật lí người Đức Phillip Lenard trở nên bị lôi cuốn vàonhững quan sát này, và ông đã đặt tên cho nó là hiệu ứng quang điện Lenard dùng mộtlăng kính để tách ánh sáng trắng thành các thành phần màu của nó, và rồi cho hội tụ cóchọn lọc mỗi màu lên một đĩa kim loại để tống khứ các electron ra khỏi nó

Cái Lenard phát hiện được làm ông bối rối và ngạc nhiên Đối với một bước sóng ánhsáng cụ thể (chẳng hạn ánh sáng xanh dương), các electron tạo ra một thế không đổi,hay một lượng năng lượng ổn định Việc giảm hoặc tăng lượng ánh sáng tạo ra sự tănghoặc giảm tương ứng số electron được giải phóng, nhưng mỗi electron vẫn có nănglượng như cũ Nói cách khác, các electron thoát khỏi liên kết nguyên tử có năng lượngphụ thuộc vào bước sóng ánh sáng, chứ không phải cường độ ánh sáng Điều này tráivới cái mà thuyết sóng mong đợi Lenard cũng khám phá ra mối liên hệ giữa bước sóng

và năng lượng: các bước sóng càng ngắn làm phát sinh các electron có năng lượngcàng lớn

Hình 8 Hiệu ứng quang điện

Việc thiết lập mối quan hệ giữa ánh sáng và các nguyên tử có được vào đầu thập niên

1800 khi William Hyde Wollaston khám phá thấy phổ của Mặt Trời không phải là mộtdải sáng liên tục mà chứa hàng trăm bước sóng bị thiếu Trên 500 vạch hẹp ứng với cácbước sóng bị thiếu đã được lập biểu đồ bởi nhà vật lí người Đức Joseph vonFraunhofer, người đặt các kí hiệu chữ cái cho các khe hở lớn nhất Sau này, người taphát hiện thấy các khe hở sinh ra do sự hấp thụ những bước sóng cụ thể bởi các nguyên

tử trong lớp bên ngoài Mặt Trời Những quan trắc này là một số liên hệ đầu tiên giữacác nguyên tử và ánh sáng, mặc dù tác dụng cơ bản của nó không được hiểu rõ vào lúc

ấy

Năm 1905, Albert Einstein đề xuất rằng ánh sáng thực ra có một số đặc trưng hạt, bấtchấp những bằng chứng tràn ngập cho bản chất giống sóng của ánh sáng Einstein làkhoa học gia được giải Nobel về khoa học (1921) khi ông xác minh được ánh sáng cóbản chất hạt trong thí nghiệm quang điện Ánh sáng được rọi vào một tấm kim loại, làvật liệu giàu điện tử Khi Einstein thay đổi tần số của ánh sáng tới (tức là thay đổi màuánh sáng) đến một giá trị nào đó thì cây kim trên máy đo bắt đầu chuyển động, chỉ dấucho một dòng điện chạy Thay đổi cường độ ánh sáng không thay đổ cường độ dòngđiện, nhưng thay đổi tần số giao động của ánh sáng, thay đổi cường độ dòng quang

điện Từ đó, Einstein mới lập ra lý thuyết quang điện cho rằng ánh sáng được cấu thànhbởi những hạt cơ bản; một hạt có năng lượng bằng tần số dao động của ánh sáng tớinhân với một hằng số gọi là hằng số Planck Hạt cơ bản này gọi là quang tử Khi tần sốcủa ánh sáng tới lớn hơn một giá trị nào đó thì năng lượng của quang tử đủ lớn để đánhrời hạt điện tử đang liên kết với các nguyên tử trên bề mặt kim loại để chúng tự do bay

từ mặt kim loại bên phải (được rọi sáng) qua mặt kim loại bên trái Sự chuyển động củacác hạt điện tử, theo định nghĩa, chính là dòng điện, gọi là quang điện

Trong khi phát triển thuyết lượng tử của ông, Einstein đề xuất về mặt toán học rằng cácelectron gắn liền với các nguyên tử trong kim loại có thể hấp thụ một số lượng ánhsáng nhất định (ban đầu đặt tên là lượng tử, nhưng về sau đổi tên là photon), và như thế

nó có năng lượng để thoát ra ngoài Ông cũng cho rằng nếu năng lượng của photon tỉ lệnghịch với bước sóng thì các bước sóng càng ngắn sẽ tạo ra những electron có nănglượng càng lớn, một giả thuyết được hình thành trên cơ sở những kết quả nghiên cứucủa Lenard

Mặc dù thí nghiệm quang điện chủ yếu xác minh tính hạt của ánh sáng, nó cũng hàmchứa tính sóng vì năng lượng của quang tử tỉ lệ với tần số dao động - tức là một đặcđiểm của tính sóng Tuy nhiên, cần phải có thí nghiệm Young về hiện tượng giao thoathì người ta mới biết chắc chắn ánh sáng có tính sóng nữa

Trong thí nghiệm Young một chùm ánh sáng (bao gồm nhiều quang tử) được bắn quahai kẻ hở sát nhau trên màn chắn Trên màn hình phía sau, xuất hiện ra những vân sáng

và tối xen kẽ nhau Hiện tượng này được là gọi hiện tượng giao thoa Giao thoa là bằngchứng của tính sóng (như sóng biển) của ánh sáng Các vạch sáng tối là do sự cộnghưởng của hai hàm số sóng Các vạch tối là do sự khử nhau của hai hàm số sóngSchrodinger Hàm số sóng là gì? Theo thuyết lượng tử, chúng ta không thể biết chínhxác vị trí của hạt vi mô (nguyên lý bất định Heinsenberg) nhưng biết được xác suất có

Hình ảnh các vân giaothoa

thể tìm thấy nó ở đâu Giá trị bình phương của hàm số sóng chính là xác suất tìm thấycủa hạt vi mô đó Do vậy, các vạch sáng là những nơi tìm thấy được các quang tử; cácvạch tối là các vùng "cấm điạ," là nơi quang tử không thể tới được Do vậy, ánh sánggiao thoa là sự giao thoa của các hàm số sóng của những quang tử.Tuy nhiên, khingười ta bắn từng quang tử một, mổi lần chỉ một hạt, qua hai khe hở thì các vạch sáng

và tối vẫn xuất hiện Đối với một chùm ánh sáng bao gồm nhiều quang tử, thật là dễgiải thích về hiện tượng giao thoa Đó là các hàm số sóng của các hạt khi thì cộnghưởng với nhau, tạo nên các vạch sáng, khi thì khử nhau tạo nên những vạch tối.Nhưng khi bắn từng quang tử một, thì quang tử đó giao thoa với cái gì? Theo lời giảithích của Schrodinger, là cha đẻ của phương trình hàm số sóng, quang tử được bắn ra

đó giao thoa với chính nó! Làm sao nó có thể giao thoa với chính nó, khi nó chỉ có thểlọt qua một trong hai kẻ hở mà thôi? Theo lời giải thích

này, đạn đạo của quang tử đó bao gồm nhiều đường khác

nhau, qua cả hai khe hở, chứ không phải là một đường,

qua một khe hở Đây là điều kỳ cục thứ hai về bản chất

của ánh sáng Nói cách khác, quang tử đó có nhiều trạng

thái khác nhau, và hiện hữu cùng một lúc, cho tới khi

người ta bịt khe hở bên phải thì hiện tượng giao thoa

của một quang tử biến mất Khi mở nó ra và che khe

hở bên trái thì hiện tượng giao thoa cũng biến mất Hiện tượng giao thoa của mộtquang tử chỉ xuất hiện khi cả hai khe cùng mở Tuy nhiện, khi người ta gắn một khí cụquan sát gần khe hở bên trái thì hiện tượng giao thoa biến mất Làm lại điều này vớikhe hở bên phải cũng quan sát được điều tương tự Đây là điều kỳ cục thứ ba Nói mộtcách khác, khi có quan sát viên (khí cụ quan sát) đứng nhìn, thì tất cả các trạng thái khả

dĩ của quang tử biến mất hết chỉ trừ có một trạng thái còn lại mà thôi Người ta gọi đây

là sự sụp đổ của các trạng thái lượng tử Thí nghiệm Young cho ánh sáng cũng áp dụngE = mc

2 = hf

cho điện tử, nghĩa là người ta cũng quan sát được hiện tượng giao thoa trong trườnghợp một chùm điện tử và cả trường hợp chỉ có một điện tử mà thôi

Lí thuyết của Einstein được củng cố trong thập niên 1920 bởi các thí nghiệm của nhàvật lí người Mĩ Arthur H Compton, người chứng minh được photon có xung lượng,một yêu cầu cần thiết để củng cố lí thuyết vật chất và năng lượng có thể hoán đổi chonhau Cũng vào khoảng thời gian đó, nhà khoa học người Pháp Louis Victor-deBroglie cho rằng tất cả vật chất và bức xạ đều có những tính chất vừa giống sóng vừagiống hạt Dưới sự chỉ dẫn của Max Planck, de Broglie đã ngoại suy công thức nổitiếng của Einstein liên hệ khối lượng với năng lượng chứa luôn hằng số Planck:

và đôi khi lại như sóng Một câu hỏi đắt giá được đặt ra! Khi nào ánh sang khoác chiếc

áo song và trong những hoàn cảnh nào nó chưng ra bộ áo hạt? Câu trả lời rất đơn giản:ánh sang là sóng khi chúng ta không đo nó, khi chúng ta không dò bắt nó; nhưng ngaykhi chúng ta sử dụng một máy dò để xác định các tính chất của nó, nó liền biến thànhhạt Chúng ta biết điều này nữa nhờ thí nghiệm khe Young

Hãy đặt một máy dò ánh sang ngay sau một trong hai khe để theo dõi photon đi qua.Trong thí nghiệm thứ nhất, máy dò không được bật Trong trường hợp này, các vângiao thoa xuất hiện trên màn hình, và chúng ta biết rằng ánh sang khoác chiếc áo sóng.Bây giờ chúng ta hãy cho máy dò hoạt động Ngay lập tức, hai dải ánh sáng xuất hiệntên màn đặt sau các khe; các vân giao thoa không còn ở đó nữa Vậy là ánh sáng khoácchiếc áo hạt Trong trường hợp thứ nhất, bởi vì các máy dò không hoạt động, nênchúng ta không biết mỗi photon sẽ đi qua khe nào, khe trái hay khe phải; Trong trườnghợp thứ hai vì máy dò hoạt động, nên chúng ta biết điều đó Để thay đổi bộ dạng củacác photon, chúng ta chỉ cần cho máy dò hoạt động Nói cách khác, người quan sát ởđây đóng một vai trò trung tâm Trong thế giới nguyên tử, chính người quan sát tạo rahiện thực Hiện thực nguyên tử và dưới nguyên tử không còn là khách quan nữa, mà làchủ quan Giống như Salomon, chúng ta không nói dứt khoát vì ánh sáng vừa là sóng,vừa là hạt Quan điểm của Einstein (ánh sáng được tạo thành từ các hạt năng lượng)cũng như quan điểm của Huygens, Young, Fresnel, Faraday và Maxwell (ánh sáng cóbản chất sóng) Hai cách mô tả không loại trừ nhau, mà bổ sung cho nhau.

Đặc trưng lưỡng tính của hành trạng của ánh sáng có thể dùng để mô tả tất cả các đặcđiểm đã biết được quan sát thấy bằng thực nghiệm, từ sự khúc xạ, phản xạ, giao thoa,

và nhiễu xạ cho tới các hiệu ứng phân cực ánh sáng và hiệu ứng quang điện Hai đặctrưng của ánh sáng sống hòa thuận cùng nhau và cho phép chúng ta khám phá nhữngnét đẹp của vũ trụ

II Ánh sáng và thị giác – Đường truyền của ánh sáng trong các môi trường

Khi nghiên cứu về ánh sáng, điều làm tôi quan tâm đầu tiên là trả lời câu hỏi: làm sao

chúng ta có thể tri giác được các sự vật, hiện tượng xung quanh Tất nhiên là nhờ

ánh sáng rồi!, nhưng mà cơ chế cụ thể của quá trình tri giác này ra sao? Ví dụ, một đámđông theo dõi một cuộc thi đấu thể thao trong một sân vận động chật cứng người: hìnhảnh của các vận động viên chạy trên đường có thể đi vào mắt của hàng nghìn người tạicùng một thời điểm như thế nào? Liệu hình ảnh đó có được nhân lên vô số lần không?Khi chúng ta ngắm nghía những đường viền tinh tế của cánh hoa hồng, các đường conghài hòa của một bức tượng hay màu đỏ rực rỡ của cảnh hoàng hôn, thì bằng cách nàocác hình dạng và màu sắc đó đã tách ra khỏi hoa hồng, bức tượng hay của Mặt Trời để

đi vào mắt chúng ta?

II.1 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?

mắt?

Người Hy Lạp là những người đầu tiên suy nghĩ nghiêm túc về ánh sáng, thị giác vàmàu sắc, cũng như rất nhiều vấn đề khác Để trả lời câu hỏi đó, nhà bác học người Ảrập 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 đếnmắt 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 mắtchúng ta Một lần nữa, hiện tượng này cũng chỉ có thể giải thích được nếu ánh sáng đivào mắt chúng ta từ bên ngoài

Mắt không còn là nơi trú ngụ của một thứ ánh sáng thần thánh và thiêng liêng nữa; mắtchờ được được chiếu sáng bởi ánh sáng từ ngoài Từ vai trò là máy phát ra các tia, mắtchuyển 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?

gì?

Léonard de Vinci (1452-1519) đã làm thí nghiệm buồng tối (được Alhazen miêu tảvào năm 1000): chọc một lỗ nhỏ vào tấm rèm phủ kín một buồng tối, lập tức các hìnhảnh của thế giới được chiếu sáng từ bên ngoài sẽ hiện lên bức tường đối diện, nhưnglộn ngược Trong một cơn xuất thần của trí tưởng tượng sáng tạo, Léonard đã tổng hợphai sự kiện này lại Ông là người đầu tiên đã đồng nhất mắt với buồng tối, nơi các hìnhảnh 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 thầnkinh thị giác, cũng giống như mắt kính làm lệch hướng và tụ tiêu ánh sáng Ý tưởngnày 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 mộtdụng cụ quang học đơn thuần giống như mắt của một cái kính Nhưng sự đồng nhấtmắt với buồng tối đặt ra một vấn đề: các hình ảnh bị đảo ngược, ấy vậy mà mắt vẫnnhìn 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 quacon 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 hìnhảnh của Mặt Trăng chiếu qua một lỗ vào trong buồng tối lại luôn lớn hơn giá trị mongđợi, bởi kích thước hữu hạn của cái lỗ, làm cho ảnh bị nhòe) Tuy nhiên, thực tế lạikhông phải như vậy Do đó, các hình ảnh mà mắt nhìn thấy, phải được hình thành theomột cơ chế khác Ông đã nhận ra rằng cơ chế này chính là sự khúc xạ Các tia sángkhông lan truyền theo đường thẳng khi đi vào mắt, như trường hợp buồng tối, mà bịlệch hướng khi đi vào thủy tinh thể Như vậy, mặc dù mượn phần lớn các quan điểmcủa Alhazen, nhưng Kepler không đồng ý với khẳng định của nhà khoa học Ảrập nàytheo đó chỉ có những tia đi vuông góc với giác mạc mới đóng góp cho thị giác Tại saomột 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 đềuđóng góp cho thị giác và sở dĩ chúng ta nhìn thấy rõ nét các hình ảnh, chính là bởi vìtất cả các tia này đều bị lệch hướng và hội tụ vào một điểm duy nhất khi đi vào mắtngười

Để kiểm tra giả thuyết của mình, Kepler đã miệt mài tiến hành các thí nghiệm với cácbình thủy tinh tròn chứa đầy chất lỏng, giống như mắt Ông đã chứng tỏ được rằng cáctia sáng đi qua các bình thủy tinh nước ấy đều hội tụ vào một điểm duy nhất, và rằnghình 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