Kính thiên văn (kiến thức cơ bản)

Các tính chất quang học cơ bản của thấu kính Có rất nhiều loại thấu kính, tuy nhiên tất cả đều quy về hai loại cơ bản là thấu kính hội tụ VD kính lúp, kính viễn hình 1a và thấu kính phâ

KÍNH THIÊN VĂN

I Một số kiến thức quang học cơ bản liên quan tới KTV

Để hiểu được vì sao KTV có khả năng phóng đại hình ảnh của một vật ở xa, trước tiên ta cần nắm rõ một số kiến thức quang học cơ bản:

1 Vật và ảnh

Trong các sách quang hình học, vật và ảnh được phân loại thành vật thật, vật ảo, ảnh thật

và ảnh ảo Tuy nhiên, tạm thời bỏ qua các quy ước phức tạp trên, ta chỉ cần ghi nhớ hai ý sau: 1-

những đối tượng nào có thực, hiện hữu trong thực tế đều được gọi là vật (VD trăng, sao, cây cối, nhà cửa và kể cả con người…) 2- Sản phẩm của những vật này qua một hoặc nhiều hệ quang (một thấu kính, một gương phẳng… cũng được coi là một hệ quang) được gọi là ảnh,

đượng nhiên đã là ảnh thì ta chỉ có thể nhìn thấy chứ không thể sờ mó hay tiếp xúc được

Với những vật như trăng, sao, các hành tinh…, vì các đối tượng này ở rất xa so với chúng

ta nên mặc nhiên chúng được coi là những vật ở vô cùng Những đối tượng trên mặt đất, nếu có

khoảng cách đáng kể so với vị trí của người quan sát thì cũng được xem là vật ở vô cùng Vậy

“khoảng cách đáng kể” đó cụ thể là bao nhiêu? Và vì sao ta phải quan tâm đến việc vật có ở vô cùng hay không? Tất cả sẽ được trả lời lần lượt ngay trong các mục bên dưới

2 Các tính chất quang học cơ bản của thấu kính

Có rất nhiều loại thấu kính, tuy nhiên tất cả đều quy về hai loại cơ bản là thấu kính hội tụ (VD kính lúp, kính viễn) (hình 1a) và thấu kính phân kì (VD kính cận) (hình 1b) Hai loại thấu kính này có tính chất trái ngược nhau và cùng được đặc trưng bởi 1 thông số gọi là tiêu cự (focal)

(a) (b)

Hình 1: Mặt cắt của thấu kính hội tụ (a) và thấu kính phân kì (b)

- Với thấu kính hội tụ (TKHT), nếu chiếu một chùm sáng song song với trục của thấu kính và đi qua thấu kính thì chùm sáng này sẽ hội tụ tại một điểm duy nhất gọi là tiêu điểm Khoảng cách từ thấu kính đến tiêu điểm chính là tiêu cự của thấu kính (hình 2)

Hình 2: Sự hội tụ của chùm sáng song song qua TKHT

Trong tình huống ngược lại, nếu đặt một nguồn sáng phân kì ngay tại tiêu điểm gương thì

ta cũng sẽ thu được một chùm sáng song song, nguyên nhân là do tính chất thuận nghịch của ánh sáng

Hình3

- Ngược với TKHT, thấu kính phân kì (TKPK), như tên của chính nó, có tác dụng phân

kì chùm sáng song song đi qua nó Câu hỏi đặt ra: vậy TKPK có tiêu điểm và tiêu cự hay

không? Câu trả lời là có, tiêu điểm của TKPK chính là giao của chùm sáng phân kì nếu kéo dài các tia này về phía sau thấu kính (như hình 4) Khoảng cách từ thấu kính đến tiêu điểm chính là

tiêu cự của thấu kính

Hình 4: Ảnh hưởng của TKPK lên chùm sáng song song

Theo chiều ngược lại ta cũng có tính chất tương tự như đối với TKHT

Hình 5

Sự tạo ảnh qua thấu kính hội tụ

Khi nhìn một vật qua thấu kính, thực chất cái mà ta nhìn thấy không phải là vật mà chính là

ảnh của vật đó Ảnh này được đặc trưng bởi kích thước và vị trí xuất hiện của nó so với thấu kính Gọi d, d’ lần lượt là vị trí (so với thấu kính) của vật và ảnh, ta có biểu thức thể hiện mối

tương quan giữa hai yếu tố này:

'

Công thức trên muốn sử dụng chính xác thì ta cần phải nhớ các quy ước về dấu khá phức tạp Để đơn giản hơn, vẫn sử dụng chính xác mà không cần quan tâm đến dấu của cá giá trị trong biểu thức (hay đúng hơn luôn mặc định các giá trị đều mang dấu “dương”), ta chỉ xét trường hợp vật nằm ở khoảng cách lớn hơn tiêu cự thấu kính (d > f ), khi đó vật và ảnh luôn nằm ở hai bên của thấu kính (thực tế khi sử dụng KTV cũng chỉ xảy ra trường hợp này)

Phân tích công thức (1), ta thấy tiêu cự f của thấu kính luôn cố định, do đó nếu vật ở càng

xa thấu kính thì vị trí xuất hiện ảnh càng gần với tiêu điểm (hình 6) Khi vật ở một khoảng cách

đủ xa, ảnh của vật đó sẽ xuất hiện tại đúng tiêu điểm thấu kính, hay nói cách khác do vật ở xa vô cùng nên ánh sáng từ vật phát ra đi đến thấu kính là song song với nhau nên vị trí ảnh sẽ nằm tại

tiêu điểm

Hình 6: Sự tạo ảnh qua thấu kính hội tụ

3 Sự tạo ảnh qua kính thiên văn

Xét dạng tổng quát nhất của KTV là kính khúc xạ Kepler, chọn mặt trăng là đối tượng quan sát:

Qua vật kính (VK), ảnh của mặt trăng xuất hiện tại tiêu điểm VK (hình 7a), tạm gọi đây là ảnh MT1 Đặt thị kính (TK) sao cho MT1 nằm ngay tại tiêu điểm TK, khi đặt mắt sau TK quan sát, ta

sẽ thấy một mặt trăng lớn hơn mặt trăng thực M lần Đây thực chất chính là ảnh MT2 của MT1

do thị kính tạo ra (hình 7b) và cũng là ảnh mà mắt quan sát được khi nhìn qua KTV

Hình 7: Sự tạo ảnh qua kính thiên văn

Độ phóng đại M được tính bởi công thức:

e

f M

f

=

Trong đó f và f e lần lượt là tiêu cự vật kính và tiêu cự thị kính

Thực ra không cần điều chỉnh cho tiêu điểm VK và TK trùng nhau ta vẫn thấy được ảnh MT2, nhưng khi đó mắt phải điều tiết để thấy được MT2 rõ nét, khi quan sát thời gian dài thì mắt

sẽ rất mỏi và điều này hoàn toàn không có lợi cho mắt Do đó, việc chỉnh cho tiêu điểm VK và

TK trùng nhau sẽ giúp đưa ảnh MT2 về vô cùng, nhờ đó mắt có thể quan sát thoải mái mà không phải điều tiết

II Các loại kính thiên văn thông dụng

Kính thiên văn quang học được phân chia thành 3 loại: khúc xạ, phản xạ và dạng thứ ba

là kết hợp của hai loại trên, được gọi là kính khúc-phản xạ Cả 3 dạng trên đều hoạt động dựa

vào một nguyên lý duy nhất như đã nêu ở phần trước: vật kính thu gom ánh sáng phát ra từ vật thể và hội tụ chúng tại tiêu điểm – tại đây ảnh của vật thể được tái hiện; sau đó ảnh này sẽ được

phóng đại lên cho đến khi mắt người nhìn thấy rõ nhất Bộ phận góp ánh sáng được gọi là vật kính (objective) Bộ phận phóng đại ảnh của vật thể là thì kính (eyepiece)

1 Kính thiên văn khúc xạ (Refractor telescope)

Hai dạng cơ bản và đơn giản nhất của KTV khúc xạ chính là kính Gallile và kính Kepler

1.1 Kính khúc xạ Galile

Đây là loại KTV đầu tiên do Galile chế tạo dựa trên nguyên mẫu ống ngắm Lippershey(1)

Cấu tạo kính rất đơn giản gồm có 1 TKHT tiêu cự dài làm vật kính và 1 TKPK tiêu cự ngắn đóng vai trò là thị kính

Hình 8: Kính thiên văn Galileo (thị kính là thấu kính phân kì)

Ưu điểm: ưu điểm đáng chú ý nhất của loại kính này là cho ảnh thuận chiều, vì vậy kiểu

kính này thường được áp dụng cho các loại ống nhòm đồ chơi rẻ tiền hiện nay

Nhược điểm: do thị kính phân kì làm phần lớn ành sáng ở vùng rìa bị phân tán nên kính

có trường nhìn(2) khá hẹp, chính nhược điểm này đã khiến kiểu kính Galile không còn được áp dụng vào việc chế tạo cho các KTV hiện nay

1.2 Kính khúc xạ Keppler

KTV Keppler có cấu tạo cũng tương tự kính Galile, nhưng thị kính phân kì đã được Johannes Kepler(3) thay bằng thấu kính hội tụ, nhờ đó mà kính có trường nhìn rộng hơn đáng kể

so với KTV Galile

Hình 9: Kính thiên văn Keppler

Ưu điểm chung của hai loại kính trên là rất dễ chế tạo, vật kính có thể dùng tròng kính viễn, thị kính sử dụng kính lúp tiêu cự ngắn, cả hai thứ này đều có thể mua được dễ dàng ở hiệu kính mắt và nhà sách Tuy nhiên, KTV được chế tạo từ các vật liệu đã nêu có một nhược điểm

rất lớn là chất lượng ảnh không tốt, mà lỗi dễ quan sát nhất là ảnh bị viền màu xanh đỏ do sắc sai

(4)

gây ra bởi vật kính.Ngày nay các KTV khúc xạ bán ra trên thị trường đều sử dụng vật kính là

thấu kính tiêu sắc(5) để loại bỏ nhược điểm trên, cho ra hình ảnh rõ ràng và sắc nét hơn

Hình 10: Kính thiên văn khúc xạ sử dụng thấu kính tiêu sắc

Chất lượng ảnh của KTV khúc xạ là tốt nhất trong các loại kính thiên văn, tuy nhiên giá thành sẽ rất cao với các kính khúc xạ có chất lượng tốt

Kính thiên văn khúc xạ rất khó chế tạo các kính lớn do vấn đề trọng lực của vật kính KTV khúc

xạ lớn nhất hiện nay có đường kính vật kính 40in(102cm) tại đài quan sát Yerkes (Mỹ)

2 Kính thiên văn phản xạ (Reflector telescope)

Cũng cùng nguyên lý tạo ảnh như kính khúc xạ, nhưng thay vì dùng thấu kính hội tụ làm vật kính, KTV phản xạ sử dụng gương cầu (hoặc parabol) lõm làm vật kính Do hoạt động theo nguyên lý phản xạ ánh sáng nên thành phần và cách bố trí vật kính và thị kính của KTV phản xạ tương đối khác so với kính khúc xạ

Trong dòng kính phản xạ, hai loại phổ biến hiện nay là KTV phản xạ Newton và KTV tổ hợp Cassegrain Trong đó, do những ưu điểm vượt trội về chất lượng hình ảnh so với mức độ phức tạp trong chế tạo nên kính phản xạ Newton được những người yêu thiên văn trên thế giới chế tạo nhiều hơn cả

2.1 Kính phản xạ Newton

Được phát minh bởi Issac Newton, ngoài hai thành phần chính là gương cầu (hoặc parabol)

và thị kính, kính còn có một gương chéo để hắt chùm sáng hội tụ về thị kính được đặt một bên thành ống (hình 11)

Hình 11: Kính thiên văn phản xạ Newton

2.2 Kính phản xạ Cassegrain

Kính phản xạ Cassegrain có cấu tạo chính gồm hai gương cầu, 1 lõm và 1 lồi Trong đó đáng chú ý là gương cầu lồi có vai trò kéo dài tiêu cự của gương cầu lõm sơ cấp, cho phép kính

có độ phóng đại lớn mà vẫn giữ được kết cấu vô cùng ngắn gọn (thường ngắn hơn 3-5 lần kính Newton có cùng tiêu cự)

Hình 12: Kính thiên văn phản xạ Cassegrain

Nhược điểm: Kính rất khó chế tạo chính xác, đòi hỏi người làm kính phải có nhiều kinh

nghiệm

3 Kính thiên văn tổ hợp khúc-phản xạ (Catadioptric telescope)

Loại kính này hoạt động theo cả hai nguyên lý khúc xạ và phản xạ, tức vừa sử dụng gương vửa kết hợp với thấu kính Do kết cấu kính khá phức tạp, vì vậy kiểu kính tổ hợp khúc-phản xạ

thường chỉ được các hãng KTV nổi tiếng sản xuất Hai loại kính thông dụng nhất trong nhóm này là Maksutov-Cassegrain và Smidth-Cassegrain

Ghi chú:

(1) Hans Lippershey (1570-1619): thợ làm kính mắt người Hà Lan, được cho là người đã phát minh ra

kính thiên văn vào năm 1608

(2) Trường nhìn (thị trường): là khoảng rộng nhìn được qua KTV, được tính bằng độ

(a) (b)

(a) Trường nhìn qua kính Gallile

(b) Trường nhìn qua kính Keppler ở cùng độ phóng đại (lớn hơn rất nhiều lần so với kính Gallile)

(3) Johannes Kepler (1571-1630): tác giả của 3 định luật nổi tiếng về chuyển động của các hành tinh

trong hệ mặt trời, người đã cải tiến KTV bằng cách dùng thị kính hội tụ thay cho thị kính phân kì để được trường nhìn rộng hơn

(4) Sắc sai: là một trong số các loại quang sai (sai lệch hình ảnh) gây ra bởi thấu kính đơn Biểu hiện

của sắc sai là sự xuất hiện viền màu xanh đỏ bao quanh ảnh thu được

(5) Thấu kính tiêu sắc: là 1 hệ thấu kính đặc biệt dùng để khử sắc sai, cấu tạo đơn giản nhất gồm 1 thấu

kính phân kì làm từ thủy tinh flint và 1 thấu kính hội tụ làm từ crown

CÂU HỎI “ÔN TẬP”

1 Nếu tự chế KTV bằng cách sử dụng vật kính mua từ hiệu kính mắt thì bạn sẽ chọn mua loại tròng kính ………… Vì sao?

Trả lời:

2 Nếu cần vật kính có tiêu cự 50cm là kính viễn, bạn phải nói như thế nào để người bán đưa đúng loại vật kính có tiêu cự như mong muốn?

3 Bạn muốn kính của mình có chất lượng tốt hơn nên quyết định mua vật kính chuyên dụng (vật kính tiêu sắc) ở cửa hàng thiên văn, nhưng thông số của các vật kính này thường được ghi rất vắn tắt, ví dụ 60F700 hoặc 70F900 Vậy ta nên hiểu những con số này như thế nào?

4 Khi đã có vật kính tốt, bạn lại muốn mua thêm thị kính loại tốt cho “xứng đôi” với vật kính Nhưng cũng như vật kính, các thị kính cũng “thích chơi trò giải mật mã” với bạn khi trên thân thị kính chỉ ghi chữ và số, VD H20 hoặc PL12.5… Bạn sẽ giải những “mật mã” này như thế nào?

5 Chế được KTV dùng vật kính mua ở hiệu kính thuốc, đêm nay trời đẹp trăng thanh nên bạn quyết định mang sản phẩm của mình ra thử, nhưng khi dùng kính ngắm chị Hằng thì không hiểu sao ảnh cứ bị viền màu xanh đỏ rất khó chịu, vậy có cách nào để khắc phục hiện tượng này không?

6 Bạn sử dụng vật kính là kính viễn 2 diop, với thị kính H 12.5 mua của CLB, khi quan sát mặt trăng liệu kính của bạn sẽ cho độ phóng đại bao nhiêu lần?

Tài liệu soạn cho Lớp Học Làm Kính Thiên Văn do CLB Thiên Văn Nghiệp Dư TP.HCM tổ chức Người biên soạn: Đặng Thế Phúc

Mọi thắc mắc và góp ý xin gửi về email: hcmc.astroclub@gmail.com hoặc trao đổi trên diễn đàn

http://thienvanhoc.org/forum