Chương 5 tán sắc, hấp thụ và tán xạ ánh sáng

Khái niệm chung: Khi một chùm sáng truyền qua một môi trường vật chất như chất rắn, chất lỏng hoặc khí, có hai kiểu ảnh hưởng lên sóng ánh sáng:  Cường độ sáng giảm: hiện tượng hấp thụ

Trang 1

TS Ngô Văn Thanh,

Viện Vật lý.

Chuyên ngành : Điện tử - Viễn thông , Công nghệ thông tin,

Điện - Điện tử

Trang 2

Chương 5: Tán sắc, hấp thụ và tán xạ ánh sáng.

5.1 Hiện tượng tán sắc ánh sáng.

5.2 Hiện tượng hấp thụ ánh sáng.

5.3 Hiện tượng tán xạ ánh sáng.

Trang 3

Khái niệm chung:

 Khi một chùm sáng truyền qua một môi trường vật chất như chất rắn, chất lỏng hoặc khí, có hai kiểu ảnh hưởng lên sóng ánh sáng:

 Cường độ sáng giảm: hiện tượng hấp thụ ánh sáng hoặc tán xạ ánh sáng

 Vận tốc truyền của sóng ánh sáng bé hơn so với vận tốc truyền trong chân không: hiện tượng tán sắc ánh sáng

 Năm 1672, Newton đã nghiên cứu thực nghiệm chiếu ánh sáng trắng qua một lăng kính

 Chùm ánh sáng trắng bị tách thành một dải sáng có nhiều màu

 Các màu xếp theo thứ tự : đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím

 Dải nhiều màu đó được gọi là quang phổ liên tục và hiện tượng đó được gọi

là hiện tượng tán sắc ánh sáng

 Độ lệch của các chùm tia là khác nhau, chùm tia đỏ bị lệch ít nhất, trái lại chùm tia tím bị lệch nhiều nhất, chứng tỏ chiết suất của chất làm lăng kính phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng

Trang 6

Tán sắc thường và tán sắc dị thường :

 Tán sắc thường: những chất chất có hệ số hấp thụ ánh sáng thấp

 Biểu thức gần đúng (Cauchy) cho chiết suất của môi trường vật chất:

 Trong đó a, b và c là các hệ số được xác định bằng thực nghiệm.

 Chiết suất giảm khi bước sóng tăng

 Độ tán sắc thường:

 Tán sắc dị thường: những chất có hệ số hấp thụ ánh sáng lớn

 Chiết suất tăng khi bước sóng tăng

 Tán sắc dị thường xảy ra trong chất lỏng, chất rắn và mạnh nhất đối với các chất khí

 Các chất trong suốt như thủy tinh, thạch anh không gây ra tán sắc dị thường trong miền bước sóng khả kiến

Trang 7

Phương pháp quan sát hiện tượng tán sắc:

 Các thấu kính: L1 và L2

 Các lăng kính P1 và P2; hai lăng kính được đặt vuông góc với nhau

 Quang phổ của ánh sáng tán sắc có dạng bị uốn cong, độ cong tăng nhanh

về vùng ánh sáng tím, tức là chiết suất tăng khi bước sóng giảm

 Chúng ta quan sát được hiện tượng tán sắc thường

 Thay lăng kính P2 bằng một lăng kính khác chứa đầy khí Na

 Phổ tán sắc là các đường cong đứt đoạn

 Chúng ta quan sát được hiện tượng tán sắc dị thường

Trang 8

Ứng dụng hiện tượng tán sắc :

 Ứng dụng trong các máy quang phổ lăng kính để phân tích thành phần hóa

học của nguyên liệu và thành phẩm của nguồn sáng trong các ngành luyện kim, địa chất, chế tạo cơ khí …

 Nguồn S phát ra ánh sáng gồm nhiều ánh sáng đơn sắc có bước sóng khác

 Cường độ vạch phổ tương ứng với

hàm lượng của mỗi chất

trong hỗn hợp

Trang 9

 Hấp thụ ánh sáng là hiện tượng cường độ sáng của sóng ánh sáng bị giảm khi

đi qua môi trường vật chất

 Giải thích hiện tượng theo quan niệm cổ điển:

 Dưới tác dụng của thành phần điện trường của sóng ánh sáng, các điện tử chuyển động quanh hạt nhân và thực hiện dao động điều hòa

 Hấp thụ toàn phần: Một chất được gọi là hấp thụ toàn phần nếu như cường

độ sáng bị giảm cùng một lượng đối với tất cả các bước sóng của ánh sáng tới Các chất đó thường là chất có màu xám

 Hấp thụ chọn lọc: Các chất chỉ làm giảm cường độ sáng đối với một số bướcsóng ánh sáng Các chất hấp thụ một phần đều là các chất có màu

 Các chất có hệ số phản xạ càng cao thì hấp thụ càng yếu, và ngược lại

Trang 10

Ðịnh luật Bouguer (1729)

 Xét chùm sáng đơn sắc song song có cường độ sáng chiếu vuông góc với

vật có chiều dày L Hai mặt của vật song song với nhau.

 Chia mẫu vật thành vô số các lớp mỏng có độ dày là dx.

 Độ giảm cường độ sáng trên một đơn vị bề dày dx:

trong đó  là hệ số tỷ lệ (hệ số hấp thụ), nó phụ

thuộc vào bước sóng ánh sáng

 Lấy tích phân biểu thức trên:

 Cuối cùng ta tính được:

Trang 11

5.3 Hiện tượng tán xạ ánh sáng.

 Hiện tượng tán xạ ánh sáng là hiện tượng ánh sáng bị lệch khỏi phương ban đầu khi truyền qua môi trường không đồng tính

Tán xạ thường (tán xạ phân tử):

 Môi trường không đồng tính do có sự khác nhau về mật độ chất, khác nhau

về nhiệt độ do sự chuyển động nhiệt của các nguyên tử, phân tử Khi ánh sáng truyền qua môi trường không đồng tính, một phần ánh sáng truyền

thẳng, một phần truyền theo các phương khác

Tán xạ Tyndall:

 Môi trường pha tạp: trong môi trường có các hạt lạ mà chiết suất và hệ số hấp thụ khác với chiết suất và hệ số hấp thụ của các nguyên tử, phân tử tạo nên môi trường

 Ánh sáng truyền qua môi trường pha tạp bị tán xạ theo mọi phương bởi các

hạt tạp chất được gọi là tán xạ Tyndall.

 Các hạt tạp chất có thể là bụi trong không khí, các hạt nước trong sương mù, các hạt keo trong dung dịch keo…

Tán xạ Raman: Do sự tổng hợp dao động của các nguyên tử và dao độngsóng ánh sáng kích thích: Tán xạ này được gọi là tán xạ tổ hợp ánh sáng

Trang 12

Sự tán xạ ánh sáng bởi các hạt nhỏ:

 Hiện tượng tán xạ ánh sáng trong môi trường pha tạp lần đầu tiên được

nghiên cứu bởi Tyndall năm 1869

 Ban đầu ống thủy tinh chứa nước tinh khiết (môi trường đồng tính): không có

ánh sáng theo phương OB mà chỉ có ánh sáng theo phương OA Không có

hiện tượng tán xạ áng sáng

 Trường hợp nước bị pha vài giọt sữa, môi trường nước trở thành môi trườngpha tạp

 Quan sát thấy ánh sáng trong ống theo phương OB Như vậy, đã có hiện

tượng tán xạ ánh sáng bởi các hạt sữa nhỏ trong nước

Trang 13

 Các định luật Tyndall:

 Nếu chùm sáng tới là ánh sáng trắng, thì ánh sáng tán xạ theo phương

hợp với chùm tia tới một góc   0 sẽ ngả về màu xanh lam (blue) Nghĩa

là ánh sáng có bước sóng ngắn trong vùng quang phổ thấy được sẽ bị tán

xạ mạnh nhất

 Nếu ánh sáng là ánh sáng tự nhiên thì ánh sáng tán xạ bị phân cực một

phần khi nó hợp với phương của chùm tia tới một góc 0 < < 90o Ánh

sáng tán xạ bị phân cực toàn phần khi nó vuông góc với chùm tia tới

 Vector cường độ điện trường của sóng ánh sáng vuông góc với mặt phẳng

chứa tia tới và phương quan sát

 Nếu ánh sáng là ánh sáng tự nhiên thì cường độ sáng của ánh sáng tán xạ

theo góc  được xác định bởi công thức:

trong đó là cường độ sáng của ánh sáng tán xạ ứng với

góc và

Trang 14

 Lý thuyết tán xạ của Rayleigh (1889):

 Rayleigh nghiên cứu hiện tượng tán xạ trên các hạt hình cầu có kích thước

bé hơn nhiều so với bước sóng của ánh sáng tới và có hằng số điện môi khác với hằng số điện môi của môi trường liên tục

 Cường độ sáng của ánh sáng tán xạ:

trong đó V là thể tích của hạt, N là tổng số hạt trên 1cm3, r là khoảng

cách từ hạt đến điểm quan sát và  là góc tán xạ

 Trong trường hợp hạt có kích thước vào cỡ bước sóng thì cường độ sáng

của ánh sáng tán xạ sẽ tỷ lệ nghich với bình phương bước sóng:

 Ứng dụng: nghiên cứu kích thước của các hạt tạp chất hoặc kiểm tra độ tinh

khiết của dùng dịch

Trang 16

Sự tán xạ phân tử:

 Tán xạ trong môi trường tinh khiết, không pha tạp

 Nhiệt độ môi trường càng cao thì cường độ ánh sáng tán xạ càng lớn

 Tán xạ phân tử là tán xạ do sự chuyển động nhiệt của các phân tử cấu tạo

nên môi trường vật chất

 Nguyên nhân: Quá trình chuyển động nhiệt của các phân tử dẫn đến sự

phân bố không đều các phân tử trong môi trường, tức là có sự thăng giáng

về mật độ phân tử Môi trường trở nên không đồng nhất đối với ánh sáng

 Thực nghiệm chứng minh được cường độ ánh sáng tán xạ phân tử cũng

tuân theo định luật Rayleigh

Ánh sáng tán xạ từ ánh sáng tự nhiên sẽ giàu màu xanh lam hơn vì nó có bước sóng bé hơn các sóng ánh sáng khác: bầu trời có màu xanh lam

Cường độ của ánh sáng tán xạ phân tử bé hơn nhiều so với tán xạ Tyndall.Ánh sáng bị tán xạ khi sự thăng giáng mật độ xảy ra mạnh nhất trong các chất khí ở trạng thái tới hạn, trạng thái tới hạn là trạng thái gần điểm

chuyển pha, ví dụ như sự chuyển pha từ pha khí sang pha lỏng

Trang 17

 Vạch có cường độ sáng yếu hơn (vạch phụ) nằm hai bên vạch chính có tần

số là tổ hợp của tần số ánh sáng kích thích và tần số dao động riêng của nguyên tử

 Hiện tượng tán xạ này được gọi là tán xạ tổ hợp ánh sáng

 Các quy luật của tán xạ tổ hợp:

 Mỗi vạch chính của ánh sáng tán xạ đều có hai vạch phụ nằm đối xứng hai

bên vạch chính

 Tần số dao động riêng của nguyên tử bằng hiệu tần số của vạch chính và

tần số vạch phụ

 Vạch phụ có tần số thấp (bước sóng dài) gọi là vạch phụ đỏ

 Vạch phụ có tần số cao (bước sóng ngắn) gọi là vạch phụ tím

Trang 18

 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của tán xạ tổ hợp:

 Khi nhiệt độ tăng lên, cường độ của vạch phụ tím tăng lên, trong khi đó

cường độ của vạch phụ đỏ giảm đi

 Vạch phụ đỏ được gọi là vạch Stock

 Vạch phụ tím được gọi là vạch đối Stock

 Ứng dụng:

 Ứng dụng trong nghiên cứu cấu trúc phân tử, đặc biệt là trong nghiên cứu

cấu trúc phân tử các chất hữu cơ

 Dễ dàng xác định được tần số dao động

riêng của các nguyên tử trong phân tử,

từ đó đoán nhận được tính chất

đối xứng của phân tử

 Nghiên cứu sự tương tác

giữa các phân tử

Vạch chính

Vạch phụ đỏVạch phụ

tím

Trang 19

 Năm 1672, Newton đã nghiên cứu thực nghiệm chiếu ánh sáng trắng qua một lăng kính

 Chùm ánh sáng trắng bị tách thành một dải sáng có nhiều màu

 Chiết suất của chất làm lăng kính phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng

Trang 20