hình thành các quan điểm về bản chất ánh sáng

Ánh sáng trong con mắt của người cổ và trung đại...3 Sự hình thành và cuộc đấu tranh về quan niệm bản chất sóng hạt của ánh sáng ...5 1.. Chúng ta có thể nhận ra tầm quan trọng trong việ

Trường Đại học Sư Pham thành phố Hồ Chí Minh

Khoa Vật Lí

Đề tài tiểu luận môn Lịch Sử Vật Lí

Giáo viên hướng dẫn: Th.s Nguyễn Thị Thếp

Nhóm tiểu luận:

1 Nguyễn Công Danh

2 Vũ Thanh Huy

3 Hoàng Văn Hưng

4 Nguyễn Thị Ngọc Lan (16/10)

5 Lê Hải Mỹ Ngân

6 Nguyễn Thảo Ngân

7 Cao Hoàng Qui

8 Phan Đăng Thanh

9 Nguyễn Bá Trình

10 Bùi Thị Cẩm Tú

11 Đoàn Thị Vân

Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI NÓI ĐẦU 2

NỘI DUNG 3

I II Ánh sáng trong con mắt của người cổ và trung đại 3

Sự hình thành và cuộc đấu tranh về quan niệm bản chất sóng hạt của ánh sáng 5

1 Huygens: cha đẻ lý thuyết sóng ánh sáng 5

2 Newton: ánh sáng là hạt 6

3 Sự hồi sinh của lý thuyết sóng ánh sáng 8

III Ánh sáng: cuộc hôn phối giữa điện và từ 11

IV Ánh sáng: lưỡng tính sóng hạt 12

V Kết luận sư phạm 15

TÀI LIỆU THAM KHẢO 17

Trang 1

Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp

LỜI NÓI ĐẦU

Ánh sáng là một người bạn gẫn gũi của con người trong mọi hoạt động hằng ngày, đôi

khi sự tồn tại của chúng đối với con người như là một điều hiển nhiên và tự nhiên Nói như vậy không có nghĩa con người luôn chấp nhận sự đồng hành của người bạn ánh sáng đi bên cạnh mình mà không đặt vấn đề tìm hiểu “cội nguồn” của chúng Vậy ánh sáng từ đâu sinh ra? Bản chất của ánh sáng là như thế nào? Vô vàn câu hỏi, và những thắc mắc mà con người

đã đặt ra cho ánh sáng Nhưng dường như người bạn ánh sáng của chúng ta lại rất thích chơi trò “đánh đố”, vì vậy, tuy con người từ thời cổ đại xa xưa đã “hỏi” ánh sáng như vậy, nhưng phải nói rằng cho đến thế kỉ 20, con người mới thật sự có được cái nhìn đúng đắn hơn đối với ánh sáng, song vẫn chưa hoàn thiện Quá trình con người đi tìm câu trả lời của ánh sáng là rất dài và trải qua nhiều giai đoạn, có những giai đoạn tưởng chừng như đã tìm ra, nhưng rồi “gợi ý” mới của ánh sáng lại xuất hiện và con người lại kiếm tìm

Do đó với đề tài nhỏ này, nhóm chúng tôi muốn tìm hiểu về một phần của quá trình

lớn con người đi tìm câu trả lời, đó chính là con đường hình thành và những cuộc “đấu

tranh” về bản chất của ánh sáng Trong phần 1 nhóm chúng tôi tìm hiểu những quan điểm

về bản chất của ánh sáng trong thời cổ và trung đại Chúng ta có thể nhận ra tầm quan trọng trong việc nhận thức bản chất của ánh sáng khi những quan điểm về bản chất của ánh sáng xuất hiện rất sớm ngay từ lúc nền văn minh loài người bắt đầu xuất hiện Mặc dù có những hạn chế về nhiều mặt nhưng trong thời kỳ này quá trình nhận thức về bản chất ánh sáng của loài người cũng đã có những nét đáng lưu ý Trong phần thứ 2 chúng tôi tìm hiểu về quá trình hình thành và phát triển về quan điểm sóng và hạt của ánh sáng Ban đầu ánh sáng chỉ là sóng chứa đựng trong nó những tư tưởng đơn sơ cho đến khi Maxwell chứng tỏ nó là sóng điện từ Hay quan điểm anh sáng là hạt của Newton với những lý giải của ông cũng khá logic Không chỉ vậy cuộc đấu tranh gay gắt không khoan nhượng về 2 quan điểm sóng hạt của ánh sáng cũng được chúng tôi xét đến Tiếp đến chúng tôi tìm hiểu về sự hình thành nền tảng kiến thức được xem là đúng trong thời điểm hiện tại: “ánh sáng – lưỡng tính sóng hạt” với những quan điểm hết sức tiến bộ và mang tính cách mạng của Einstein Những khám phá này đã giúp cho nhân loại hiểu được bản chất thực sự của ánh sáng giúp nhân loại tiến một bước xa trên con đường chinh phục ánh sáng Cuối cùng trên cơ sở tìm hiểu phân tích đánh giá chúng tôi đề ra những kết luận sư phạm để phục vụ cho công việc giảng dạy ở trường THPT của chúng tôi Đây là nội dung chính mà trong bài tìm hiểu này chúng tôi sẽ trình bày cụ thể

Nhóm thực hiện

Trang 2

Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp

NỘI DUNG CHÍNH

I Ánh sáng trong con mắt của người cổ và trung đại:

 Empédocle (khoảng 490 - 435 TCN) là tác giả của lý thuyết về thị giác xa xưa nhất

Liên quan đến ánh sáng, Empédocle cho rằng mắt truyền các “tia thị giác” đến thế giới bên ngoài.

Sở dĩ có lý thuyết về các tia thị giác này một phần là do niềm tin dân gian cho rằng các con mắt có chứa “lửa Theo Empédocle, ánh sáng không đi theo một chiều từ mắt tới vật; ánh sáng còn đi theo chiều ngược lại, từ vật đến mắt

 Leucippe (khoảng 460-370 TCN): trái ngược với “lửa” trong mắt của Empédocle thoát ra

thế giới bên ngoài, Leuccipe cho rằng thế giới thị giác đến với chúng ta, và do đó, về thực chất, thị

giác là một trải nghiệm thụ động Dưới tác động của ánh sáng, các hình ảnh về các vật quanh ta –

mà Leucippe đặt cho một tên riêng bằng tiếng Hy Lạp là các eidonlon có nghĩa là các ảo ảnh – sẽ

tách khỏi bề mặt của vật, như da của một con rắn lột xác tách khỏi cơ thể, và đi đến mắt chúng ta

 Démocrite (460-370 TCN): các quan điểm của Démocrite về ánh sáng và thị giác đều dựa

trên học thuyết nguyên tử Ông chấp nhận bốn màu cơ bản của Empédocle – đen, trắng, đỏ và

vàng-xanh, nhưng thêm vào đó các màu khác gọi là các màu thứ cấp, như lục và nâu Khác với Empédocle, Démocrite không gắn các màu cơ bản cho bốn nguyên tố, mà gắn cho các nguyên tử có hình dạng khác nhau Theo Démocrite, các màu (và các đặc tính giác quan khác như mùi và vị) không hiện hữu trong bản thân các vật

 Platon (428-347 TCN): Ở Platon, ánh sáng thuộc vào hạng siêu hình Mặt Trời là con của

cái Thiện, và mắt, nhạy cảm với ánh sáng, là một cơ quan gắn chặt nhất với Mặt Trời

Như vậy thị giác là kết quả của sự tổng hợp của ba quá trình bổ sung cho nhau Mắt phát ra

lửa, lửa kết hợp với ánh sáng xung quanh để tạo thành một chùm sáng duy nhất Chùm sáng này được phóng thẳng ra phía trước cho đến khi gặp bề mặt của một vật; ở đó, nó gặp tia các hạt do vật phát ra dưới tác dụng của ánh sáng xung quanh và kết hợp với chùm sáng ban đầu Tia các hạt này chứa thông tin về tình trạng của vật, màu sắc và kết cấu của nó Sau đó chùm sáng co lại để truyền đến mắt những thông tin này

 Aristolte (384-322 TCN), học trò của Platon, là một triết gia thuộc trường phái tự nhiên,

ông có cái nhìn cụ thể hơn và kinh nghiệm hơn về hiện thực, đồng thời ông cũng là người bác bỏ thế giới Ý niệm của Platon Liên quan đến thị giác, Aristolte bác bỏ dứt khoát các “tia thị giác” của Empédocle, bởi theo ông lý thuyết này không giải thích được tại sao chúng ta không nhìn thấy trong bóng tối Ông cũng bác bỏ quan niệm của Platon về các hạt thoát ra từ bề mặt các vật để đi vào mắt

người quan sát Theo ông, sự tri giác các vật được thực hiện không phải thông qua dòng vật chất,

mà bởi ấn tượng của chúng lên các giác quan, cũng giống như sáp tiếp nhận dấu ấn của chiếc nhẫn

nhưng không tước mất của nó cái chất, sắt hay vàng, đã tạo nên chiếc nhẫn đó Như vậy mắt tiếp nhận các ấn tượng về màu sắc, hình dạng, chuyển động,… Aristolte cho rằng tồn tại hai màu cơ bản: đen và trắng Tất cả các màu khác bắt nguồn từ sự hòa trộn hai màu cơ bản này và biểu hiện các

Trang 3

Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp

“phẩm chất trung gian”,ở đây,ông giải thích sự hòa trộn 2 màu cơ bản tạo thành các màu khác có sự đóng góp của “nhiệt” Các màu khác cũng có thể bắt nguồn từ sự hòa trộn giữa đen và trắng trong một môi trường bán trong suốt: đó là trường hợp các màu nâu đỏ hoặc da cam của cảnh hoàng hôn

 Euclide (khoảng 300 TCN): ông đã dùng toán học để áp dụng cho các hiện tượng tự nhiên,

Euclide đưa ra tiên đề về tập hợp các “tia thị giác” chứa trong một hình nón mà đỉnh của nó là tâm của mắt và đáy là phạm vi nhìn thấy của mắt Nhờ có tiên đề mặt nón thị giác này và nhờ các tính toán hình học, ông đã giải thích được tại sao cây ở xa trông lại nhỏ hơn cây ở gần

 Claude Ptolémée (khoảng 100-178): Ptolémée cho rằng mắt đồng thời vừa là máy phát

vừa là máy thu: mắt phát ra các “tia thị giác” có cùng bản chất với ánh sáng và màu sắc Ptolémée

cũng đưa ra tiên đề về “mặt nón thị giác”, nhưng khác với Euclide, ông cho rằng mặt nón này không chứa một tập hợp các “tia thị giác” tách biệt, mà chứa một continuum các tia có mật độ lớn nhất ở trung tâm, tại đó mắt nhìn thấy rõ nhất, nhưng giảm dần ở rìa mép nơi các chi tiết nhoè mờ hơn Theo ông, “mặt nón thị giác” bản thân nó không đủ; còn cần phải có thêm ánh sáng bên ngoài để được khởi phát sự hoạt động của nó Chẳng hạn, khi “mặt nón thị giác” quét lên bề mặt của một vật, nó chỉ tương tác với vật ấy nếu có ánh sáng xung quanh Ánh sáng bên ngoài này càng mạnh thì tương tác càng mạnh Điều này giải thích tại sao chúng ta không nhìn được trong bóng tối

Ptolémée cũng suy nghĩ về hành trạng của ánh sáng khi nó phản xạ trên một bề mặt (định luật phản xạ) hay đổi hướng khi đi từ môi trường này sang môi trường khác (định luật khúc xạ) Ông cũng là người đầu tiên miêu tả các màu hòa trộn với nhau như thế nào trong mắt của con người Ông

đã vẽ các màu khác nhau trên một bánh xe sau đó quay bánh xe thật nhanh Mắt không có đủ thời gian để phân biệt từng màu một, mà chỉ nhìn thấy các màu này bị trộn vào nhau Ngoài ra, ông còn nhận thấy sự hòa trộn các màu còn có thể là kết quả của khoảng cách: một bức tranh ghép các màu sáng nhìn từ xa có thể cho ấn tượng về màu xám

 Claude Galien (130-200) cùng với Hippocrate là hai bác sỹ vĩ đại nhất thời Cổ đại Ông là

một gương mặt lớn góp phần phát triển các ý tưởng về ánh sáng Galien đã lấy lại một số quan niệm của Aristolte: dưới ảnh hưởng kết hợp của linh khí thị giác và ánh sáng, không khí bao quanh ta chịu một biến đổi làm cho mắt nhìn thấy được Các màu sắc cũng làm cho không khí biến đổi Theo

Galien, trung tâm của thị giác là thủy tinh thể.

 Alhazen (965-1040): Alhazen đồng ý với quan điểm của Aristolte rằng ánh sáng đến từ bên

ngoài đi vào mắt, chứ không phải ngược lại Theo ông, các tia sáng thật sự tồn tại Chúng lan truyền theo đường thẳng Khi ánh sáng xung quanh chạm vào một vật liền bị vật này phản xạ, từ mỗi điểm trên bề mặt của một vật có màu, các chùm tia sáng lan tỏa theo tất cả các hướng, và chỉ một tỉ lệ nhỏ

của chúng đi vào mắt chúng ta Ở đây Alhazen đã đưa ra ý tưởng về sự tán xạ ánh sáng.

 Rober Bacon (1214-1292), người Anh Trong các sách chuyên luận về ánh sáng và màu sắc,

ông đã cố gắng tổng hợp các quan niệm của Aristote về ánh sáng và màu sắc (vốn là các “dạng thức” phi vật chất) và các quan niệm của Alhazen (màu sắc được truyền bởi các tia phát ra từ tất cả các điểm của vật) Theo Bacon, mọi vật phóng theo đường thẳng về tất cả các hướng một cái gì đó thuộc tinh chất của nó mà ông gọi là “loài” Chẳng hạn, Mặt trời phát ra các “loài” sáng

Trang 4

Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp

 Francesco Maria Grimaldi (1618-1663): Ông đã tìm ra phương thức truyền ánh sáng thứ 4

ngòai 3 phương thức trước đó đã tìm thấy là theo đường thẳng, bằng phản xạ trên một mặt phẳng như

gương chẳng hạn, và bằng khúc xạ khi thay đổi môi trường Phương thức thứ 4 đó là nhiễu xạ ánh

sáng Nghiên cứu này của ông được công bố vào năm 1665.

II Sự hình thành và đấu tranh về quan niệm bản chất sóng, hạt của ánh sáng:

1 Huygens: cha đẻ lý thuyết sóng ánh sáng

Christiaan Huygens (1629-1695) trong một gia đình ưu tú ở Hà Lan,

được coi là nhà toán học và vật lý học lớn nhất thời kỳ giữa Galileo và Newton.

Theo Huygens, ánh sáng không thể bắt nguồn từ sự dịch chuyển các hạt của vật sáng tới mắt Nhà vật lý học người Hà Lan này cũng bác bỏ quan điểm của Descartes cho rằng ánh sáng như một xung động lan truyền tức thời Theo

ông, ánh sáng lan truyền trong không gian cũng giống như sóng được sinh ra

khi ta ném một viên đá xuống ao, nó sẽ truyền trên khắp mặt nước

Ánh sáng theo quan điểm của Huygens:

 Huygens dựa trên khái niệm ánh sáng là sóng: 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 nhờ vậy mà sóng ánh sáng có thể truyền chuyển động không những cho cho tất cả những hạt khác tiếp xúc với nó mà còn cho tất cả những hạt khác tiếp xúc với hạt đó và cản chuyển động của nó

 Cơ chế truyền sóng: Theo Huygens, một nguồn sáng bao gồm vô

số các hạt rung động Các hạt này truyền rung động của chúng tới các hạt ête

bên cạnh dưới dạng các sóng cầu có tâm tại mỗi một hạt rung này Vô số các

sóng cầu này được truyền đi, và bán kính tác dụng của chúng tăng dần theo

thời gian Chúng chồng chập lên nhau và biểu hiện hỗn độn của chúng ở gần

nguồn sáng giảm dần khi các sóng truyền ra xa nguồn sáng Càng xa nguồn

sáng, sóng càng trở nên trơn và đều đặn hơn

 Tính chất của sóng ánh sáng: Ánh sáng truyền nhanh hơn rất

nhiều so với âm thanh, điều mà mọi người có thể nhận thấy khi trời có giông, ta nhìn thấy chớp sớm hơn nhiều khi nghe thấy tiếng sấm Huygens giải thích sự chênh lệch lớn về vận tốc này là do có độ chênh lệch lớn về độ cứng giữa không khí và ête Vận tốc lan truyền của một sóng tăng theo độ cứng của môi trường trong suốt Huygens thừa nhận rằng các hạt ête cứng và rắn đến mức chúng truyền mọi nhiễu động hầu như tức thời Chỉ cần một sự rung nhẹ ở đầu bên này của một hạt ête là ngay lập tức nó sẽ được truyền sang đầu bên kia Ngược lại, các hạt không khí mềm hơn và truyền các rung động chậm hơn rất nhiều

Trang 5

Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp

Từ đó, ông giải thích các hiện tượng như sau:

 Hiện tượng phản xạ: 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

 Hiện tượng khúc xạ ánh sáng: Huygens cho rằng vận tốc ánh sáng

trong một chất bất kì tỉ lệ nghịch với chiết suất của nó Như vậy, vận tốc của ánh

sáng trong không khí lớn hơn vận tốc ánh sáng trong nước

n21

n1 v2

 Khi một chùm ánh sáng truyền giữa hai môi trường có chiết suất khác

nhau thì chùm tia bị khúc xạ (đổi hướng) Một phần nhỏ của mỗi đầu sóng góc

n2 v1

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 sẽ chuyển động

chậm hơn do chiết suất của môi trường thứ hai cao hơn, trong khi phần còn lại

của sóng vẫn còn truyền trong môi trường thứ nhất 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

 Hiện tượng nhiễu xạ: thuyết sóng của Huyghens chưa giải thích được hiện tượng này.

Và để nói lên quan điểm của mình , năm 1960 ,Huyghen công bố “GIÁO TRÌNH QUANG HỌC”, đâu là công trình đầu tiên về lý thuyết sóng ánh sáng.

2 Newton: ánh sáng là hạt

Newton quan niệm ánh sáng có tính chất hạt Ánh sáng được coi

như những dòng hạt đặc biệt nhỏ bé được phát ra từ các vật phát sáng và bay theo đường thẳng trong môi trường đồng chất

Ông bác bỏ giả thuyết sóng ánh sáng vì nếu ánh sáng có bản chất sóng, như âm thanh, thì trong những điều kiện như nhau, chúng ta sẽ phải nhìn thấy ánh sáng giống như nghe thấy âm thanh

Từ cơ sở đó, ông giải thích các hiện tượng như sau:

 Nguyên nhân tạo ra màu sắc: do kích thước của các hạt Các hạt

nhỏ nhất tạo ra cảm giác tím, các hạt lớn hơn gây ra cảm giác về màu chàm, và cứ tiếp tục như vậy hạt màu đỏ sẽ là lớn nhất Bởi vì tồn tại bảy màu cơ bản, nên các hạt phải có bảy loại kích thước khác

nhau Như vậy sự tổng giác của chúng ta về các màu là biểu thị chủ quan của một hiện thực khách quan được quy định bởi kích thước của các hạt

Giải thích các định luật phản xạ, khúc xạ và nhiễu xạ, Newton đã đưa vào các lực hút và đẩy giữa các hạt ánh sáng, những hạt mà nếu để tự do chúng sẽ truyền theo đường thẳng.

Trang 6

Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp

 Hiện tượng phản xạ: do sự phản xạ của các quả cầu đàn hồi trong

chùm sáng khi va chạm và 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 (hình

vẽ) 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

 Hiện tượng khúc xạ: do tác dụng của mặt phân giới lên hạt ánh sáng

làm cho hạt đó thay đổi hướng truyền và bị gãy khúc ở mặt phân cách giữa hai

môi trường 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 dẫn đến vận tốc ánh sáng trong môi trường

nước hay thủy tinh lại lớn hơn vận tốc ánh sáng trong môi trường khí

n21 

n1 v1

 Tán sắc ánh sáng qua lăng kính: ông đưa ra giả thuyết cho rằng trên

n2 v2

bề mặt của một vật trong suốt (như lăng kính, chẳng hạn) tồn tại một vùng rất mỏng ở đó có một lực tác dụng để kéo các tia sáng vào bên trong nó Vì vậy, các hạt màu tím, do chúng nhỏ hơn, sẽ bị hút bởi một môi trường đặc hơn không khí (như thủy tinh, chẳng hạn) mạnh hơn so với các hạt lớn hơn

có màu đỏ, tức các hạt màu tím bị lệch khỏi đường đi ban đầu của nó nhiều hơn các hạt màu đỏ Như vậy, Newton đã giải thích được tại sao các chùm đơn sắc khác nhau lại bị lệch hướng khác nhau bởi cùng một môi trường, và tại sao một chùm đơn sắc bị lệch hướng khác nhau trong các môi trường trong suốt khác nhau

 Hiện tượng nhiễu xạ: ông giải thích là do có một lực đẩy có tác dụng đẩy các hạt ánh sáng

vào trong bóng tối hình học của một vật

Tuy thuyết hạt của Newton đã được sự chấp nhận rộng rãi, nhưng một thí nghiệm đặc biệt, cũng do chính ông thực hiện đã khiến chúng ta phải suy nghĩ

Khi Newton đặt một thấu kính phẳng lồi lên trên một tấm thủy tinh (với mặt phẳng ngửa lên trên) và chiếu sáng tất cả bằng ánh sáng đơn sắc, ông đã phát hiện ra một hiện tượng quang học mới rất lạ Nhiều vòng tròn đồng tâm (ngày nay được gọi là các “vân tròn Newton”) xuất hiện, đan xen giữa vân đen và vân màu Hoàn toàn tự nhiên, Newton giải thích các vân đen là vùng ở đó ánh sáng bị thấu kính phản xạ, và các vân màu là các vùng ở đó ánh sáng được truyền qua Nhưng làm thế nào có thể giải thích được một hạt ánh sáng, khi đến bề mặt của thấu kính, lúc thì phản xạ lúc thì được truyền qua?

Và do đó ông lại đặt ra một giả thuyết mới, ông cho rằng mỗi hạt ánh sáng có một tính chất

gọi là “accès” Hạt có “accès” truyền qua thì dễ dàng truyền qua còn hạt có “accès” phản xạ thì dễ phản xạ

Rõ ràng, giả thuyết này của Newton đưa ra lại làm nảy sinh thêm vấn đề khi cần phỉa có thêm một lí thuyết mới nữa để giải thích cái tính chất gọi là “accès” này Như vậy thì lí thuyết hạt của Newton có hoàn toàn hợp lí hay không?

Trang 7

Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp

3 Sự hồi sinh của lý thuyết sóng ánh sáng:

Sau khi quyển “Optiks” của Newton được xuất bản năm 1704, suốt thế kỷ XVIII đã diễn

ra cuộc tranh luận về bản chất của ánh sáng với hai quan điểm trái ngược nhau: quan điểm cho rằng bản chất ánh sáng là sóng và quan điểm cho rằng bản chất ánh sáng là hạt Suốt thế kỷ này, lý thuyết hạt ánh sáng của Newton đã lấn át tuyệt đối lý thuyết sóng ánh sáng mà Huygens đề xuất Lý thuyết sóng ánh sáng hầu như không được đề cập tới bởi uy tín quá lớn của Newton và những hạn chế của lý thuyết sóng ánh sáng mà Huygens đưa ra không giải thích được hiện tượng giao thoa và nhiễu xạ ánh sáng Do đó lý thuyết hạt đã được tuyệt đại đa số các nhà vật lý trong thế kỷ này chấp nhận Tuy nhiên, vẫn có một (và duy nhất) tiếng nói chống lại quan điểm hạt của Newton trong thế kỷ XVIII, một điều bất ngờ vì tiếng nói này không phải do một nhà vật lý theo quan điểm sóng cất lên mà là của một nhà toán học người Thụy Sĩ, Leonhard Euler

Leonhard Euler (1707 – 1783), nhà toán học Thụy Sĩ, sinh ở Bâle.

Năm 1746, Euler xuất bản tác phẩm “Một lý thuyết mới về ánh sáng và màu

sắc” Qua cuốn sách này, Euler đã phát triển quan niệm cho rằng ánh sáng là

sóng bằng cách dựa vào sự tương tự giữa ánh sáng và âm thanh, đặc biệt là về

phương thức lan truyền của chúng Qua đó, ông đã tiến đến việc tương tự hóa

giữa ánh sáng và âm thanh “có một sự hài hòa tương tự giữa các nguyên nhân

và các tính chất khác của âm thanh và ánh sáng, và như vậy lý thuyết âm thanh chắc chắn sẽ làm sáng tỏ rất nhiều lý thuyết ánh sáng”.

Một trong những điểm tiến bộ trong quan niệm sóng của Euler là ông cho rằng: mỗi một màu

của ánh sáng được đặc trưng bởi một bước sóng nhất định, tức là khoảng cách giữa hai đỉnh hoặc hai

hõm liên tiếp của sóng hình sin và bởi một tần số nhất định Như vậy, Euler là người đầu tiên gắn

kết các khái niệm bước sóng và tần số với màu sắc.

Thế kỷ XVIII khép lại, quan niệm ánh sáng là sóng vẫn chìm nổi với chỉ một tiếng nói bảo

vệ thuyết sóng của Euler Tuy chưa đầy đủ nhưng luận điểm của Euler đã thể hiện sự tiến bộ so với các tiền bối bởi ông đã đưa ra một cách giải thích chấp nhận được về nguồn gốc các màu sắc mà

trước đó cả Newton lẫn Huygens đều không thể có một cách giải thích đúng đắn Bước sang thế kỷ

XIX, chúng ta sẽ được chứng kiến sự hồi sinh và phát triển vượt bậc của lý thuyết sóng ánh sáng.

Ở nửa đầu thế kỷ này đã diễn ra một cuộc cách mạng trong lĩnh vực quang học tương tự như cuộc cách mạng của Copernic và Galilée trước đó gần ba thế kỷ Hai nhân vật có vai trò to lớn cho cuộc

cách mạng trong quang học là Thomas Young và Augustin Fresnel

 Thomas Young (1773 – 1829), người Anh.

 1779, ông bắt đầu bước lên sân khấu của câu chuyện truyền kỳ

về ánh sáng Trong quá trình đi giải quyết hiện tượng nhiễu xạ ông đã

tìm ra hiện tượng giao thoa ánh sáng, và cũng chính ông là người đầu

tiên sử dụng thuật ngữ “giao thoa” trong khoa học

Trang 8

Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp

 1801, ông đã giới thiệu một thí nghiệm cơ bản về ánh sáng thường được gọi là thí nghiệm hai

khe Thí nghiệm này của ông đã gây một sự ngạc nhiên lớn bởi lần đầu tiên người ta nhận thấy khi

thêm ánh sáng vào ánh sáng thì sẽ cho ra bóng tối, đây chính là hiện tượng giao thoa ánh sáng

 1802, ông đã tìm ra một định luật đơn giản và tổng quát của

hiện tưọng giao thoa là: Khi ánh sáng của cùng một nguồn sáng truyền

đến mắt ta bằng hai con đường khác nhau, ánh sáng sẽ mạnh nhất tại

những điểm mà hiệu đường đi bằng bội số nguyên của một “độ dài nào

đó”

Lý thuyết của Young mặc dù đã giải thích được hiện tượng giao

thoa ánh sáng nhưng đã không được nhiều người chú ý Ngoài ra thuyết

sóng ánh sáng của Young cũng vấp phải một khó khăn khi không thể giải thích được hiện tượng phân

cực ánh sáng do Malus tìm ra năm 1808 Young công nhận sự bất lực của thuyết sóng ánh sáng trong

vấn đề này, song ông nói rằng: “khi phát triển một lý thuyết khoa học, đôi khi cứ phải tiến lên và gạt

sang một bên vài vấn đề chưa được giải quyết, với hy vọng rằng chúng sẽ được giải quyết trong những nghiên cứu sau này”.

 Augustin Fresnel (1788 – 1827), người Pháp.

Ông là sinh viên trường Đại học Bách khoa Paris, sau khi học xong

trường Bách khoa, Fresnel chuyển sang học trường kỹ sư Cầu đường Mặc dù

vậy, ánh sáng mới là niềm đam mê thực sự của Fresnel, ông đã dùng những

lúc rảnh rỗi để giải mã các bí mật của ánh sáng

Fresnel đã công nhận bản chất sóng của ánh sáng qua thí nghiệm về

giao thoa mà ông đã tự bố trí (dùng hai gương phẳng đặt lệch nhau một góc

gần bằng 180 o , thường được gọi là hai gương Fresnel).

 1817, Viện hàn lâm Khoa học Paris phát động cuộc thi giải thích hiện tượng nhiễu xạ với hy

vọng một ai đó sẽ giải thích được hiện tượng bằng lý thuyết hạt Tuy nhiên đến năm 1818, họ đã nhận

được công trình của Fresnel trong đó giải thích một cách chính xác và chi tiết hiện tượng nhiễu xạ

ánh sáng dựa trên giả thiết rằng ánh sáng là một sóng trong ête và tuân theo nguyên lý giao thoa.

Mặc dù bảo vệ lý thuyết sóng ánh sáng nhưng Fresnel đã xuất sắc giành chiến thắng trong cuộc thi

 Fresnel cũng là người đầu tiên theo trường phái sóng ánh sáng đã giải thích thành công hiện tượng phân cực ánh sáng đã khiến cho những người bảo vệ lý thuyết sóng phải rất đau đầu ngay cả Thomas Young Bởi nếu coi ánh sáng là sóng giống như âm thanh thì cả hai phải có cùng các hiệu ứng, trong khi không thể tìm ra hiện tượng phân cực ở sóng âm Để giải thích hiện tượng này, Fresnel

đã đưa ra một lời giải mang tính cách mạng: mặc dù cả âm thanh và ánh sáng đều có bản chất sóng,

nhưng chúng khác nhau về mặt phẳng dao động Nói cách khác, Fresnel là người đầu tiên cho rằng

ánh sáng là sóng ngang chứ không phải sóng dọc Nhờ đứng trên quan điểm mới này, Fresnel đã xây

dựng được lý thuyết về sự phân cực ánh sáng trong môi trường lưỡng chiết

Trang 9

Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp

 Những công trình của Young và Fresnel đã giúp cho lý thuyết sóng hồi sinh và trở nên áp đảo lý thuyết hạt vốn đứng vững bởi uy tín của Newton Ngoài ra, những bằng chứng thực nghiệm được thực hiện sau khi hai ông mất đã khẳng định sự đúng đắn của lý thuyết sóng ánh sáng

 Thí nghiệm của Hamilton năm 1832 kiểm chứng lại lý thuyết của Fresnel.

 Thí nghiệm của Fizeau vào năm 1849 và thí nghiệm của Foucault vào năm 1850 về đo

vận tốc ánh sáng trong nước

Những kết quả thực nghiệm này đã góp phần quan trọng cho sự thắng lợi của lý thuyết sóng ánh sáng

 Năm 1849 Fizeau thực hiện phép đo vận tốc ánh sáng ngay trên mặt đất vào bằng

phương pháp răng cưa:

Kết quả là : C=312.000 km/s

 Năm 1850, Foucault dùng dụng cụ gương quay: