quá trình hình thành các định luật vật lý các phát minh khoa học đầu tiên

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA SƢ PHẠM BỘ MÔN SƢ PHẠM VẬT LÝ ---------- QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH CÁC ĐỊNH LUẬT VẬT LÝ CÁC PHÁT MINH KHOA HỌC ĐẦU TIÊN Luận văn tốt nghiệp Ngành: SƢ PHẠM VẬT LÝ – TIN HỌC Giáo viên hƣớng dẫn: Sinh viên thực hiện: ThS. Nguyễn Hữu Khanh Quách Thùy Dƣơng Mã số SV: 1100287 Lớp: Sƣ phạm Vật lý – Tin học Khóa: 36 Cần Thơ, Năm 2014 Em xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đối với Thầy giáo, thạc sĩ Nguyễn Hữu Khanh, trường Đại học Cần Thơ, khoa Sư Phạm đã hướng dẫn hướng và chỉ dạy em rất nhiệt tình trong quá trình làm luận văn. Em xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới các Thầy, Cô trong trường Đại học Cần Thơ, khoa Sư Phạm, những người đã dạy dỗ, giúp đỡ và chỉ bảo em trong suốt quá trình học tập tại trường. Bài luận văn sẽ khó tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong quí Thầy, Cô cùng các bạn sinh viên đánh giá góp ý bài luận văn của em được hoàn chỉnh hơn. Em xin chân thành cảm ơn ! Luận văn tốt nghiệp 2014 Phần MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Vật lý dƣờng nhƣ là ngành khoa học có từ sớm nhất và trở thành một phần của triết học tự nhiên cùng với hoá học, những nhánh cụ thể của toán học và sinh học trong hai thiên niên kỷ gần đây. Nhân loại ngày nay đã đạt tới những tri thức vật lý học khổng lồ về số lƣợng cũng nhƣ về chất lƣợng. Tuy nhiên, những tri thức vật lý đó không phải có sẵn và hoàn chỉnh mà nó cũng nhƣ mọi tri thức khoa học khác, đƣợc hình thành từng bƣớc trong một quá trình lâu dài và gian khổ của biết bao thế hệ các nhà bác học từ thời cổ đại cho đến tận ngày nay, và hiện nay cũng nhƣ trong tƣơng lai vẫn còn tiếp tục đƣợc hoàn chỉnh hơn. Quang học là môn học nghiên cứu về ánh sáng. Cùng với sự hình thành và phát triển ngày một hoàn thiện của môn quang học là một quá trình mà con ngƣời không ngừng tìm hiểu quy luật truyền của ánh sáng trong các môi trƣờng, từ đó sẽ đi đến một số dự đoán về bản chất của ánh sáng đƣợc thể hiện qua các giả thuyết về ánh sáng. Từ giả thuyết này sẽ lý giải trở lại các hiện tƣợng về ánh sáng. Từ xa xƣa, con ngƣời đã bắt đầu tìm hiểu về các đặc điểm của vật chất và đặt ra các câu hỏi nhƣ: Ánh sáng từ đâu sinh ra? ánh sáng có những đặc điểm và tính chất gì?... Trƣớc công nguyên, một số nhà triết học cổ Hy lạp cho rằng: ―Sở dĩ chúng ta nhìn thấy vật là do từ mắt ta phát ra những tia nhìn đến đập lên vật‖. Bên cạnh đó cũng đã có một số triết gia khác cho rằng: ―Ánh sáng xuất phát từ vật phát sáng‖… Những câu hỏi về ánh sáng đã trở thành niềm trăn trở với vô số các nhà khoa học vĩ đại trong suốt hơn hai nghìn năm trăm năm nay, và tôi tự hỏi: Các nhà khoa học đã trải qua quá trình nghiên cứu vất vã và trong những hoàn cảnh nhƣ thế nào để có đƣợc những ―sản phẩm‖ vật lý phát triển nhƣ ngày nay? bản chất ánh sáng và các định luật qua thời gian đã đƣợc các nhà khoa học đúc kết nhƣ thế nào? Vật lý học cũng nhƣ mọi khoa học khác, là một quá trình tiến lên từ cái chƣa biết đến cái đã biết, từ tri thức chƣa đầy đủ và chƣa hoàn chỉnh đến tri thức đầy đủ hơn và hoàn chỉnh hơn. Trong một số lĩnh vực, quá trình nhận thức của từng con ngƣời hầu nhƣ lặp lại quá trình nhận thức của nhân loại. Vì vậy, theo tôi việc dẫn dắt ngƣời học đi lại những bƣớc đi lớn mà nhân loại đã trải qua để đạt tới tri thức nhƣ hiện nay là một con đƣờng logic, giúp cho việc nắm bắt kiến thức sâu sắc hơn và vững chắc hơn. Đối với việc dạy và học vật lý, việc tìm hiểu về vấn đề này không chỉ để mở rộng sự hiểu biết mà còn giúp cho ngƣời giáo viên vật lý trong tƣơng lai nhƣ tôi có thêm đƣợc những kiến thức cơ bản, nâng cao trình độ khoa học và trình độ nghiệp vụ để sau này truyền thụ cho học sinh tốt hơn. Bên cạnh đó, thông qua việc hiểu biết về kiến thức, nguồn gốc các phát minh, các quá trình hình thành các định luật, ứng dụng của các phát minh trong lịch sử và hiện tại… Học sinh sẽ có cái nhìn toàn diện và sâu GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 1 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 sắc hơn về vật lý, hiểu rõ hơn về kiến thức bài học, hoàn cảnh tìm ra các định luật, … sẽ giúp các em có thái độ học vật lý đúng đắn hơn. Hơn thế nữa, khi biết đƣợc quá trình hình thành các học thuyết và các cuộc đấu tranh bảo vệ các thuyết, hiểu đƣợc quá trình khó khăn gian khổ của các nhà khoa học đã trải qua để tìm ra các định luật thì học sinh sẽ có thái độ trân trọng những giá trị mà kiến thức ấy đã mang lại cho lịch sử nhân loại. Các em sẽ kính trọng hơn các nhà bác học, thêm yêu thích, say mê môn vật lý, làm cho việc học bộ môn cũng trở nên hiệu quả và sinh động hơn. Xuất phát từ những điều trên, tôi đã chọn đề tài: ―Quá trình hình thành các định luật vật lý - các phát minh khoa học đầu tiên‖. 2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Nghiên cứu quá trình hình thành các định luật vật lý về ánh sáng qua các thời Cổ và Trung đại. Tìm hiểu các phát minh khoa học đầu tiên của quang học, quá trình ―đấu tranh‖ dẫn đến kết luận bản chất ánh sáng là lƣỡng tính sóng hạt đánh dấu bƣớc tiến quan trọng của khoa học nhân loại. Tìm hiểu đôi nét về giải thƣởng Nobel danh giá, một giải thƣởng cao quý dành cho những phát minh khoa học vĩ đại. Nêu đƣợc kết luận sƣ phạm của đề tài, vận dụng vào cuộc sống và giảng dạy trong chƣơng trình THPT. 3. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI Tìm hiểu khái quát về nội dung một số kiến thức về ánh sáng và quan điểm ánh sáng, quá trình hình thành các định luật vật lý về ánh sáng qua các thời: Cổ Đại, Trung Đại. Một số thành tựu, phát minh ban đầu về ánh sáng của của các nhà khoa học. 4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI VÀ PHƢƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 4.1 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI Sử dụng phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết Để hoàn thành luận văn này cần sử dụng các phƣơng pháp phân tích, tổng hợp, và vận dụng các kiến thức để giải thích hiện tƣợng trong tự nhiên. 4.2 PHƢƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI - Tài liệu, sách vở, thông tin trên mạng Internet. 5. CÁC BƢỚC THỰC HIỆN LUẬN VĂN GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 2 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014  Bƣớc 1: Nhận đề tài từ giáo viên hƣớng dẫn tổng hợp, xác định mục đích của đề tài .  Bƣớc 2: Tìm nguồn tài liệu có liên quan  Bƣớc 3: Nghiên cứu tài liệu, viết đề cƣơng chi tiết  Bƣớc 4: Nộp đề cƣơng chi tiết và gặp giáo viên hƣớng dẫn để nghe hƣớng dẫn cách thực hiện viết luận văn dựa theo đề cƣơng, đọc và tổng hợp lại tài liệu theo hƣớng của đề tài.  Bƣớc 5: Tiến hành viết luận văn  Bƣớc 6: Nộp và báo cáo luận văn GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 3 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 Phần NỘI DUNG Chƣơng 1: VẬT LÝ VỚI NHỮNG ĐỊNH NGHĨA, KHÁI NIỆM, QUAN NIỆM ĐẦU TIÊN VỀ QUANG HỌC 1.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM, QUAN NIỆM ĐẦU TIÊN VỀ QUANG HỌC, ÁNH SÁNG… 1.1.1 Một số khái niệm, quan niệm về quang học Quang học là ngành khoa học vật lí nghiên cứu nguồn gốc và sự truyền của ánh sáng, cách thức nó biến đổi, những hiệu ứng mà nó gây ra, và những hiện tƣợng khác đi cùng với nó. Có hai ngành quang học. Ngành quang lí nghiên cứu bản chất và các tính chất của ánh sáng. Ngành quang hình học khảo sát các nguyên lí chi phối các tính chất tạo ảnh của thấu kính, của gƣơng, và các dụng cụ khác, thí dụ nhƣ các bộ xử lí dữ liệu quang học. Quang học là một bộ phận của vật lý học, là môn học nghiên cứu về ánh sáng, một hiện tƣợng khách quan, tác động đến mắt gây nên một cảm giác nhìn thấy cho con ngƣời. Ngày nay, các thành tựu của vật lý học đã có sự thống nhất về bản chất của ánh sáng với sóng điện từ cho nên đối tƣợng nghiên cứu của quang học đƣợc xác định giới hạn khá rõ ràng đó là sự truyền sóng điện từ ngắn. Từ bức xạ X (Roentgen) đến bức xạ hồng ngoại, mặc dù trong dải sóng này có một số bức xạ không gây cảm giác nhìn thấy. Quang học là bộ môn nghiên cứu về chuyển động của ánh sáng, không chỉ nghiên cứu ánh sáng khả kiến mà còn bao gồm bức xạ hồng ngoại và tử ngoại. Chúng có tính chất tƣơng tự nhƣ ánh sáng, ngoại trừ mắt ngƣời không thể thấy đƣợc nhƣ tính phản xạ, khúc xạ, giao thoa, nhiễu xạ, phân cực và khuếch tán ánh sáng. Quang học là một ngành của vật lý nghiên cứu về sự lan truyền của ánh sáng trong các môi trƣờng. Vì ánh sáng chỉ là một trƣờng hợp riêng của bức xạ điện từ, nên quang học có thể đƣợc coi nhƣ là một lĩnh vực trong điện từ học. Nhiều kết quả của quang học có thể mở rộng ra cho các bức xạ điện từ khác.Tuy nhiên, do yếu tố lịch sử, quang học ngày nay vẫn có vị trí nhƣ một ngành vật lý riêng và có những nhánh riêng của nó (Quang hình, quang lý,…). 1.1.2 Một số khái niệm, quan niệm về ánh sáng Trƣớc công nguyên một số nhà triết học cổ Hy lạp cho rằng, sở dĩ chúng ta nhìn thấy vật là do từ mắt ta phát ra những ―tia nhìn‖ đến đập lên vật. Tuy nhiên cũng đã có một số triết gia khác cho rằng ánh sáng xuất phát từ vật phát sáng. Năm 1756, Lômônôxôp cho rằng ánh sáng là chuyển động sóng của ête. Có ba loại ête, ứng với ba loại chất hoá học: ête loại muối sinh ra màu đỏ, ête loại lƣu huỳnh sinh ra màu vàng, ête loại thuỷ ngân sinh ra màu lam. Các màu khác là sự pha trộn của ba màu nói trên. Young cũng đồng quan điểm với ông, coi ánh sáng là chuyển động dao động của các hạt ête. Vào cuối thế kỷ XVII Niutơn dựa vào tính chất truyền thẳng của ánh sáng đã đƣa ra thuyết hạt ánh sáng. Theo Niutơn ánh sáng là một dòng các hạt bay ra từ vật phát sáng theo các đƣờng thẳng. Cùng thời gian đó Huyghen lại đƣa ra thuyết sóng về GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 4 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 ánh sáng. Theo ông, ánh sáng là những dao động đàn hồi trong một môi trƣờng gọi là ―ête vũ trụ‖. Quan niệm về ánh sáng của Fresnel: ―Mỗi phân tử ánh sáng đều phát ra những sóng ngang phân cực phẳng, nhƣng các phân tử chuyển động hỗn độn và va chạm nhau hỗn độn, nên sóng của mỗi phân tử dao động theo một phƣơng khác nhau, và phƣơng đó lại luôn luôn thay đổi. Ánh sáng do một vật sáng phát ra (ánh sáng tự nhiên) là sự tổng hợp các sóng của các phân tử, đó là một sóng luôn luôn đổi phƣơng dao động, tức là một sóng phân cực theo mọi phƣơng. Bản thân động tác phân cực ánh sáng trong tinh thể spat Aixơlen không phải làm việc tạo ra các sóng ngang, mà là việc phân tích chúng theo hai phƣơng cố định vuông góc với nhau‖. Vào cuối thế kỷ XIX và đầu thế kỷ XX, hàng loạt sự kiện thực nghiệm chứng tỏ rằng mọi vật phát xạ hay hấp thụ ánh sáng theo những lƣợng gián đoạn mà độ lớn của chúng phụ thuộc vào tần số ánh sáng. Từ đó khái niệm hạt ánh sáng ra đời: ―Ánh sáng gồm một dòng các hạt gọi là các photon.‖ Sự phát triển của vật lý về sau chứng tỏ ánh sáng vừa có tính chất sóng, vừa có tính chất hạt. Trong một số hiện tƣợng nhƣ giao thoa, nhiễu xạ, phân cực, ánh sáng thể hiện tính chất sóng. Còn trong một số hiện tƣợng khác nhƣ hiệu ứng quang điện, hiệu ứng comtơn, ánh sáng lại thể hiện tính chất hạt. * Tóm lại: Ánh sáng là từ phổ thông dùng để chỉ các bức xạ điện từ có bƣớc sóng nằm trong vùng quang phổ nhìn thấy đƣợc bằng mắt thƣờng (tức là từ khoảng 380 nm đến 740 nm). Giống nhƣ mọi bức xạ điện từ, ánh sáng có thể đƣợc mô tả nhƣ những đợt sóng hạt chuyển động gọi là photon. Ánh Sáng là một hiện tƣợng Vật lý phát sinh từ nhiều nguồn: * Ánh sáng lửa do quá trình biến đổi hoá học của vật liệu toả ra nhiệt và phát ra ánh sáng tạo ra. * Ánh sáng điện từ nhƣ ánh đèn do đèn tạo ra * Ánh sáng động vật hay còn đƣợc gọi là ánh sáng sinh vật do loài vật phát ra nhƣ ánh sáng của Đom Đóm, sứa biển hay ánh sáng màu xanh lá cây tuyệt đẹp của thỏ,… * Ánh sáng đá Lân Tinh (phát sinh từ đá Lân Tinh) * Ánh sáng hành tinh (Ánh sáng mặt trời, mặt trăng,…) - Ánh sáng do mặt trời tạo ra còn đƣợc gọi là ánh nắng hay còn đƣợc gọi là ánh sáng trắng bao gồm nhiều ánh sáng đơn sắc biến thiên liên tục từ đỏ đến tím. - Ánh sáng do mặt trăng mà con ngƣời thấy đƣợc gọi là ánh trăng. Trên thực tế thì đó là ánh sáng do mặt trời chiếu tới mặt trăng phản xạ đi tới mắt ngƣời. Môn học nghiên cứu sự lan truyền và các tính chất của ánh sáng trong và giữa các môi trƣờng khác nhau gọi là quang học. 1.2 NHỮNG NHÀ VẬT LÝ NỔI BẬT TRONG CÔNG CUỘC NGHIÊN CỨU VỀ QUANG HỌC NỬA ĐẦU THẾ KỶ XIX 1.2.1 Thomas Young – ngƣời đặt nền móng cho thuyết sóng ánh sáng GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 5 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 1.2.1.1 Đôi nét về tiểu sử Thomas Young Thomas Young (13/06/1773, 10/05/1829) là một bác sĩ và là một nhà vật lý ngƣời Anh. Ông rất thông minh, là ngƣời có trí tuệ đặc biệt. Biết đọc từ năm hai tuổi, lên mƣời bốn tuổi đã nắm vững mƣời ngoại ngữ: Tiếng Latin, Hy Lạp, Pháp, Ý, Do Thái, Ả Rập và tiếng Ba Tƣ. Vì vậy, ông đã đƣợc gọi là hiện tƣợng trẻ tại Cambridge. Ông học y khoa ở London, Edinburgh, Göttingen và thực hành y khoa ở London.Mặc dù học y khoa nhƣng ông vẫn rất quan tâm tới vật lý. Ông nổi tiếng vì đã góp một phần công sức trong việc giải mã các chữ tƣợng hình Ai Cập, cụ thể là hòn đá Rosetta nổi tiếng có hơn 2000 năm tuổi đƣợc tìm thấy ở Ai Cập năm 1799, nó đƣợc chạm khắc bằng ba thứ tiếng: Tiếng Ai Cập cao cấp (chữ tƣợng hình), tiếng Ai Cập bình dân và tiếng Hy Lạp. Young là ngƣời đầu tiên cho xuất bản một phần phát hiện quan trọng này, mặc dù Francois Champollion ngƣời Pháp là ngƣời đầu tiên đã giải mã chữ tƣợng hình Ai Cập trên phiến đá đó. Ông đƣợc nhiều nhà khoa học ca tụng, trong đó có Herschel, Helmholtz, Maxwell, Einstein và nhiều ngƣời khác. Hình 1.1: Thomas Young (I-âng) Young đã có nhiều đóng góp khoa học quý báu trong nhiều lĩnh vực nhƣ thị giác, ánh sáng, cơ học vật rắn, năng lƣợng, sinh lý học, ngôn ngữ học, sự hoà âm và Ai Cập học. Ngoài ra, ông có nhiều công trình nghiên cứu trong nhiều lĩnh vực nhƣ: Cơ học, âm học, quang học, nhiệt học, thiên văn học, công nghệ học, hàng hải, y học, thực vật học, động vật học. Ông cũng là một nhạc công giỏi và còn là một diễn viên xiếc. 1.2.1.2 Những nghiên cứu quang học của Thomas Young Young là ngƣời đầu tiên xác định tiêu điểm mắt bằng cách thay đổi hình dạng của kính. Ông đã khám phá ra nguyên nhân của chứng loạn thị, và là ngƣời khởi xƣớng cùng với Helmoltz, lý thuyết về cảm nhận màu sắc của mắt, mắt cảm nhận màu dựa trên ba màu cơ bản là màu đỏ, xanh lá cây và màu xanh lam. Quan điểm khoa học của ông khác với quan điểm khoa học của những ngƣời đƣơng thời. Ông chống lại thuyết chậc nhiệt và coi nhiệt là chuyển động của các hạt vật chất, ông cũng coi ánh sáng là chuyển động dao động của các hạt ête. Năm 1799, ông đã tham gia vào vũ đài chống lại thuyết hạt ánh sáng, ông chỉ trích thuyết hạt ánh sáng và nêu ra rằng thuyết hạt không giải thích đƣợc hiện tƣợng ở mặt phân cách giữa GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 6 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 hai môi trƣờng vì: Tại sao cùng là hạt ánh sáng mà hạt này thì phản xạ, hạt kia lại xuyên qua mặt phân giới? Năm 1801, ông đã thực hiện thí nghiệm về giao thoa ánh sáng, và trong bài giảng về ―lý thuyết ánh sáng và màu sắc‖ ông đã khẳng định và nêu lên thuyết sóng ánh sáng dựa trên những giả thuyết nhƣ sau: ― Ê-te là một chất rất loãng, rất đàn hồi, chứa đầy trong vũ trụ; Khi một vật phát sáng, chúng gây ra trong ê-te một chuyển động sóng; Cảm giác về những màu sắc khác nhau phụ thuộc vào những tần số dao động khác nhau mà ánh sáng gây ra trên võng mạc.‖ Dựa trên những giả thuyết đó, ông đã cho rằng hiện tƣợng giao thoa ánh sáng cũng là một hiện tƣợng sóng, tƣơng tự nhƣ hiện tƣợng giao thoa sóng trên mặt nƣớc. Thuật ngữ ―giao thoa‖ đƣợc Young dùng lần đầu tiên trong khoa học. Tiếp theo đó, ông đã nêu ra nội dung của nguyên lý chồng chất sóng: ―Khi dao động của nhiều nguồn cùng truyền tới một điểm , tác dụng sáng tại điểm đó là sự tổ hợp các dao động của tất cả các nguồn‖. Năm 1802, dựa trên nguyên lý chồng chất sóng, ông đã tìm ra một ―định luật đơn giản và tổng quát‖ của hiện tƣợng giao thoa là: ―Khi ánh sáng của cùng một nguồn sáng truyền tới mắt ta bằng hai con đƣờng khác nhau, ánh sáng sẽ mạnh nhất tại những điểm mà hiệu đƣờng đi là bội số nguyên của một độ dài nào đó, độ dài đó là khác nhau đối với những ánh sáng có màu sắc khác nhau‖. Ông đã khẳng định định luật đó bằng thực nghiệm với giao thoa của hai sóng phát ra từ hai lỗ nhỏ rất gần nhau (Sau này đƣợc thay bằng hai khe hẹp – khe Young). Bằng cách là ông đã dùng mũi kim trổ hai lỗ nhỏ rất gần nhau trên một màn chắn để bắt ánh sáng của cùng một nguồn truyền theo hai đƣờng khác nhau, và đã thu đƣợc hình ảnh của các vân giao thoa. Thí nghiệm này đã trở thành kinh điển và đƣợc mô tả trong các sách giáo khoa. Bằng cách đo bề rộng của một vân giao thoa, ông đã xác định đƣợc giá trị của cái gọi là ―độ dài nào đó‖. Đó là là lần đầu tiên trong lịch sử vật lý học ông đo đƣợc bƣớc sóng của ánh sáng đỏ λđỏ = 0,7 μm, ánh sáng tím λtím = 0,42 μm và vài ánh sáng khác. Hình 1.2: Thí nghiệm giao thoa ánh sáng với khe Young Trƣớc kia, khi khảo sát các ―vành tròn Niutơn‖, Niutơn thực chất cũng đã đo bƣớc sóng của một số ánh sáng, nhƣng ông không cho rằng những độ dài đo đƣợc đó gắn với bản chất ánh sáng. Thomas Young là ngƣời đầu tiên đặt cơ sở cho các phép đo quang phổ. Qua nhiều cuộc tranh luận, Niutơn đã hƣớng lý thuyết vật lý về bản chất ánh sáng là hạt chứ không phải là sóng. Ngƣời đã có đề xuất rằng ánh sáng có thuộc tính hạt trong tự nhiên, không thể có thể sai đƣợc. Tuy nhiên công việc của Young đã sớm đƣợc sự xác nhận của các nhà khoa học Pháp Fresnel và Aragô. Fresnel đã đề xuất rằng ánh sáng là một sóng ngang di động (trái ngƣợc với sóng dọc) có bƣớc sóng xác GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 7 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 định màu, và đã cung cấp một trong các định nghĩa khoa học sớm nhất của năng lƣợng. Vào năm 1803, nhà thầy thuốc và nhà vật lý trẻ ngƣời Anh tên là Thomas Young đã tiến hành thí nghiệm theo suy nghĩ của mình. Anh cắt một lỗ nhỏ trên một cửa sổ và bao phủ nó bởi một tấm bìa dày có một lỗ nhỏ ở đó và sử dụng một cái gƣơng để làm lệch hƣớng chùm tia ánh sáng mảnh xuyên qua đó. Sau đó, anh cầm lấy một cái thẻ nhỏ dày khoảng 1/13 inch và đặt nó ở giữa chùm tia, chia chùm tia sáng thành hai phần. Kết quả thu đƣợc trên tƣờng là một hình bóng bao gồm những băng ánh sáng và bóng tối giao thoa với nhau, một hiện tƣợng có thể đƣợc giải thích nếu hai chùm tia sáng đó là sóng ánh sáng. Điểm sáng là nơi hai đỉnh sóng giao nhau, điểm tối là nơi một đỉnh sóng giao thoa với một bụng sóng. Và với thí nghiệm này Thomas Young đã phản bác đƣợc lý thuyết của Niutơn là bản chất ánh sáng là hạt. Lý thuyết của Young mặc dù đã giải thích đƣợc hiện tƣợng giao thoa ánh sáng, nhƣng cũng không đƣợc nhiều ngƣời chú ý, đặc biệt là quê hƣơng của ông ở nƣớc Anh. Nó bị các nhà khoa học công kích một cách nặng nề và thô bạo, nhất là khi Maluyxơ (1775 - 1812) phát minh ra sự phân cực ánh sáng. Năm 1808, viện hàn lâm khoa học Pari treo giải thƣởng cho đề tài nghiên cứu ―xây dựng lý thuyết toán học của sự khúc xạ kép và khẳng định lý thuyết đó bằng thực nghiệm‖. Maluyxơ đã nghiên cứu đề tài đó, và một buổi chiều ông dùng tinh thể spat Aixơlen để quan sát ánh sáng mặt trời phản chiếu trên một tấm kính cửa sổ của lâu đài Lucxămbua. Khi xoay tinh thể lƣỡng chiết theo các chiều khác nhau, ông thấy có lúc có hai ảnh của Mặt Trời, và có lúc một ảnh biến mất. Ngay từ tối hôm đó, ông tiếp tục nghiên cứu ánh sáng từ nhiều nguồn khác nhau phản xạ trên mặt nƣớc và thuỷ tinh, và đã phát minh ra sự phân cực của ánh sáng phản xạ. Ông là ngƣời ủng hộ thuyết Niutơn. Niutơn đã nói rằng: ―Các hạt ánh sáng có các mặt khác nhau‖, Maluyxơ cũng nói: ―Các hạt ánh sáng không đối xứng, chúng có các cực khác nhau‖. Khi ánh sáng rọi vào mặt ngoài của một vật trong suốt, nếu hạt ánh sáng quay cực này về phía mặt đó thì nó phản xạ đƣợc, nếu quay cực kia về phía mặt đó thì nó không phản xạ đƣợc. Ông đề nghị gọi tia sáng nhƣ vậy là tia sáng ―phân cực‖, và thuật ngữ ―sự phân cực‖ ánh sáng từ đó đƣợc chấp nhận trong khoa học. Bởi vì thuyết sóng ánh sáng dựa trên quan niệm về sự truyền sóng trong môi trƣờng ête đàn hồi. Sóng đó phải là sóng dọc, và sóng dọc không thể giải thích đƣợc sự không đối xứng trong hiện tƣợng phản xạ, mà nếu ánh sáng là sóng dọc thì không thể giải thích đƣợc sự phân cực ánh sáng. 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 chƣa đƣợc giải quyết, với hy vọng rằng chúng sẽ đƣợc giải quyết trong những nghiên cứu sau này‖. Với lý luận nhƣ vậy tất nhiên lúc đó không thuyết phục đƣợc ai. 1.2.2 Fresnel – nhà khoa học vĩ đại mà thầm lặng 1.2.2.1 Đôi nét về tiểu sử Augustin Jean Fresnel Augustin Jean Fresnel (10/05/1788 - 14/7/1827), là một kỹ sƣ và còn là một nhà vật lý học ngƣời Pháp, ngƣời đã có đóng góp quan trọng trong việc thiết lập lý thuyết về sóng quang học. Fresnel đã nghiên cứu về trạng thái của sóng cả về mặt lý thuyết GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 8 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 lẫn thực nghiệm. Những thí nghiệm của ông đã khẳng định vững chắc về lý thuyết sóng ánh sáng. Ông là ngƣời đƣợc biết đến nhiều nhất với phát minh về thấu kính Fresnel, đƣợc áp dụng sớm nhất cho đèn hải đăng khi ông còn là một ngƣời phụ trách về đèn biển. Thấu kính của ông xuất hiện trong rất nhiều các thiết bị ngày nay. Hình 1.3: Augustin Jean Fresnel Fresnel là con trai của một kiến trúc sƣ. Ông sinh ra ở Broglie (Eure, nƣớc Pháp). Ban đầu, do ốm yếu từ nhỏ nên việc học hành của ông khá chậm chạp, gặp nhiều khó khăn, thậm chí đến năm 8 tuổi ông vẫn không biết đọc. Năm 13 tuổi, ông vào trƣờng Ecole Centrale ở Caen, và năm 16 tuổi vào Ecole Polytechnique. Ông làm kỹ sƣ lần lƣợt ở các khu hành chính ở Vendeé, Drôme và Ille-et-Vilain. Năm 1809 ông đƣợc cử đi các tỉnh lẻ phụ trách việc lác đƣờng và sửa đƣờng. Ông không thích thú gì công việc này nên lúc rảnh rỗi ông làm công tác khoa học để tiêu khiển, và dần có quang tâm đến các vấn đề quang học, nhƣng không có sách báo khoa học, không có dụng cụ thí nghiệm. Do phục vụ dƣới vƣơng triều Bourbon, ông bị mất chức khi Nabôlêông trở lại nắm quyền vào năm 1814. Năm 1814, ông nghe nói đến việc phát minh ra sự phân cực ánh sáng, nhƣng không hiểu đó là cái gì. Đầu năm 1815, Nabôlêông trốn từ đảo Enbơ về Pháp, mƣu toan giành lại binh quyền. Vì là ngƣời bảo hoàng nên Fresnel bị thải hồi, cho tới cuối năm khi Nabôlêông thua trận bị bắt lại mới đƣợc phục hồi. Trong thời gian mất việc, ông làm quen đƣợc với Aragô và đƣợc Aragô thông báo cho biết những nghiên cứu mới nhất trong lĩnh vực quang học. Fresnel miệt mài tập trung vào nghiên cứu, đến tháng 11 năm 1815, ông gửi tới Viện hàn lâm Pháp công trình đầu tiên về nhiễu xạ ánh sáng. Năm 1816, ông đƣợc Aragô tạo điều kiện cho tới Pari trong mƣời tháng để nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của Viện hàn lâm. Từ đó về sau, ông tiếp tục công bố nhiều công trình xuất sắc về quang học, khiến ông nổi danh khắp thế giới. Điển hình là năm 1818, ông viết một bản luận văn về nhiễu xạ. Luận văn này đã nhận đƣợc giải thƣởng của học viện khoa học Paris vài năm sau đó. Đến năm 1823, ông đƣợc bầu làm viện sĩ Viện hàn lâm khoa học Pháp. Và năm 1825 trở thành thành viên của hội khoa học hoàng gia London. Năm 1819 ông đƣợc bổ nhiệm phụ trách về hải đăng. Từ đó ông đã phát minh ra một loại thấu kính đặc biệt mang tên ông, mà ngày nay gọi là thấu kính Fresnel, đƣợc coi nhƣ là một loại gƣơng để thay thế gƣơng trong các ngọn đèn hải đăng. Thấu kính có bề mặt đƣợc ghép lại từ các phần của mặt cầu, làm giảm GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 9 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 độ dày của thấu kính, do đó giảm trọng lƣợng và độ tiêu hao ánh sáng do sự hấp thụ của thủy tinh làm kính. Hình 1.4: Thấu kính Fresnel trong ngọn đèn hải đăng Fresnel mất vì bệnh lao tại Ville-d’Avray, gần Paris. Ông đƣợc hội khoa học hoàng gia London trao tặng huy chƣơng Rumford Medal trong khi đang bị bệnh. 1.2.2.2 Những nghiên cứu quang học của Augustin Jean Fresnel Khi chế độ quân chủ đƣợc thiết lập trở lại ở nƣớc Pháp, ông đƣợc nhận vào làm kỹ sƣ ở Paris, là nơi mà ông đã dành phần lớn cuộc đời ở đó. Những nghiên cứu về quang học của ông bắt đầu từ năm 1814 và tiếp tục đến khi ông qua đời. Những nghiên cứu đầu tiên của ông về quang sai đã không đƣợc công bố. Trong công trình đầu tiên, ông nghiên cứu hiện tƣợng nhiễu xạ theo quan điểm thuyết sóng. Ông chỉ trích thuyết hạt, vì để giải thích các hiện tƣợng, thuyết hạt đã phải đặt ra quá nhiều giả thuyết giả tạo. Ông kết luận rằng thuyết sóng thích hợp hơn, vì nó giải thích các hiện tƣợng đó tốt hơn thuyết hạt. Trong các công trình tiếp theo sao, ông đã nghiên cứu các ―vành Niutơn‖, sự nhiễu xạ do các dây nhỏ, sự giao thoa trong các điều kiện khác nhau. Ông đã chế tạo ra một trắc vi thị kính đơn giản cho phép đo khoảng cách các vân giao thoa và nhiễu xạ chính xác tới phần mƣời milimét. Ông cũng là ngƣời đề xuất ra phƣơng pháp nghiên cứu giao thoa ánh sáng bằng cách là dùng hai gƣơng phẳng kim loại hợp với nhau một góc gần 180o để thực hiện thí nghiệm giao thoa nhằm loại bỏ hiệu ứng nhiễu xạ gây ra bởi khe hẹp. Điều đó cho phép ông điều khiển thí nghiệm giao thoa đúng nhƣ lý thuyết sóng. Và đó cũng là phƣơng pháp ―gƣơng Fresnel‖, nó đã trở thành kinh điển và đƣợc mô tả trong các sách giáo khoa. Fresnel phục hồi lại nguyên lý Huygens khi đó đã bị lãng quên. Ông giả thuyết rằng: ―Khi sóng ánh sáng truyền tới chổ nào thì làm cho các phân tử vật chất ở đó dao động, và chúng lại trở thành những nguồn phát ra các sóng mới‖. Ông bổ sung vào đó nguyên lý giao thoa mà ông phát biểu độc lập với Thomas Young: ―Các sóng ánh sáng có thể làm yếu hoặc làm tắt lẫn nhau nếu dao động của chúng cản trở nhau, và có thể làm mạnh lẫn nhau nếu dao động của chúng phù hợp với nhau‖. Nguyên lý Huygens đã bổ sung thêm nhƣ vậy đƣợc gọi là nguyên lý Huygens – Fresnel. Từ một nguyên lý hình học, nó đã trở thành một nguyên lý vật lý nhằm giải thích bản chất của ánh sáng. Để giải thích tại sao các sóng nguyên tố không truyền ngƣợc lại mà chỉ truyền về phía trƣớc, Fresnel đã giải thích rằng do phía trƣớc chƣa có sóng nên các sóng mới bị cản trở, không truyền ngƣợc lại đƣợc. GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 10 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 Năm 1818, Fresnel đã tập hợp các nghiên cứu của mình và gửi đi dự một cuộc thi về đề tài nghiên cứu nhiễu xạ ánh sáng mà Viện hàn lâm khoa học Pháp công bố năm 1817. Hội đồng xét công trình của ông gồm năm ngƣời: Biô, Aragô, Laplaxơ, Gay Luyxăc, Poatxông. Trong đó có ba ngƣời kiên quyết bảo vệ thuyết hạt ánh sáng. Hội đồng công nhận mọi kết quả nghiên cứu của Fresnel đều phù hợp với thực nghiệm, nhƣng Poatxông nêu lên một điều ―phi lí‖: Nếu tính lại theo công thức của Fresnel thì tại chính giữa bóng đen của một màn chắn hình tròn đặt ở một khoảng cách mà Poatxông đã tính ra, phải có một đốm sáng, và nó sáng nhƣ không có màn chắn. Aragô đã làm thí nghiệm và quan sát đƣợc đốm sáng đó. Công trình của Fresnel đƣợc nhận giải thƣởng. Tuy vậy, đa số các nhà vật lý thời bấy giờ vẫn ủng hộ thuyết hạt, coi công trình của Fresnel là có giá trị về mặt toán học, đã nêu lên một phƣơng pháp tính toán tốt, nhƣng không công nhận rằng lý thuyết đó phản ảnh bản chất của ánh sáng. Thật ra thì thuyết sóng lúc đó cũng chƣa đƣợc hoàn chỉnh và chƣa thật chặt chẽ. Nguyên lý Huygens – Fresnel chƣa có cơ sở đầy đủ, và cách giải thích việc không có sóng truyền ngƣợc lại bị chỉ trích giả tạo. Khó khăn lớn nhất là thuyết sóng không thể giải thích đƣợc sự phân cực ánh sáng. Từ năm 1816, Fresnel đã nghĩ rằng muốn giải thích sự phân cực, phải điều chỉnh lại thuyết sóng, và phải coi sóng ánh sáng là sóng ngang. Ý nghĩ đó là hết sức táo bạo, nó trái ngƣợc hoàn toàn với mọi quan niệm về sự truyền sóng trong các môi trƣờng đàn hồi. Nếu ánh sáng là sóng ngang thì ête phải có độ đàn hồi nhƣ sắt, thép, trong khi đó thì các hành tinh chuyển động trong ête lại không gặp phải sức cản nào. Vì vậy, phải nhiều năm sau nữa Fresnel mới dứt khoát khẳng định ý nghĩ đó. Khi cùng làm việc với Aragô, Fresnel nhận thấy rằng hai tia sáng đã phân cực theo hai mặt phẳng vuông góc với nhau thì không thể giao thoa với nhau đƣợc. Không thể nào giải thích đƣợc hiện tƣợng đó nếu không công nhận ánh sáng là sóng ngang. Căn cứ vào kết quả nghiên cứu trong nhiều năm, Fresnel đi dến quan niệm sau về ánh sáng: ―Mỗi phân tử ánh sáng đều phát ra những sóng ngang phân cực phẳng, nhƣng các phân tử chuyển động hỗn độn và va chạm nhau hỗn độn, nên sóng của mỗi phân tử dao động theo một phƣơng khác nhau, và phƣơng đó lại luôn luôn thay đổi. Ánh sáng do một vật sáng phát ra (ánh sáng tự nhiên) là sự tổng hợp các sóng của các phân tử, đó là một sóng luôn luôn đổi phƣơng dao động, tức là một sóng phân cực theo mọi phƣơng. Bản thân động tác phân cực ánh sáng trong tinh thể spat Aixơlen không phải làm việc tạo ra các sóng ngang, mà là việc phân tích chúng theo hai phƣơng cố định vuông góc với nhau‖. Trên cơ sở những quan niệm nhƣ vậy, Fresnel đã giải thích thành công các loại hiện tƣợng phân cực, và xây dựng lý thuyết về sự truyền ánh sáng trong các tinh thể lƣỡng chiết. Fresnel phát biểu lý thuyết của mình và trình bày những kết quả nghiên cứu trong những công trình gửi liên tục tới Viện hàn lâm Pari từ năm 1821 đến năm 1823. Trong một thời gian ngắn, ông đã xây dựng về thực chất toàn bộ quang học sóng cổ điển. Ý tƣởng về sóng ngang lúc đó vẫn còn là quá táo bạo, khiến cho Aragô cũng không dám mạnh dạn bảo vệ nó. Một hội đồng của Viện hàn lâm trong đó có Aragô, Ampe và Phuriê sau khi xem xét những công trình của Fresnel đã kết luận: ―… về những tƣ tƣởng lý thuyết của Fresnel … hiện nay chƣa thể có sự phán đoán quyết định‖. Mặc dù đã có thêm nhiều ngƣời ủng hộ thuyết sóng, nhƣng cho đến những năm 30, vấn đề công nhận lý thuyết ánh sáng nào là đúng vẫn còn là một vấn đề bỏ ngỏ. Năm 1832, Hamintôn dựa vào lý thuyết của Fresnel tính ra đƣợc một hiện GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 11 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 tƣợng tinh tế trong các tinh thể lƣỡng trục, đó là sự khúc xạ hình nón: ―Nếu trong tinh thể có một tia song song truyền theo phƣơng của trục quang học, thì tia ló sẽ là một hình nón rỗng; Nếu trong tinh thể có một tia hình nón, nó sẽ khúc xạ ra ngoài bằng một tia song song‖, hiện tƣợng đó đƣợc tìm ra bằng thực nghiệm vào năm 1832. Đó là một thắng lợi xuất sắc của thuyết sóng. Năm 1849, Phido dùng phƣơng pháp bánh xe quay đã xác định đƣợc vận tốc ánh sáng trong không khí bằng 313000 km/s. Năm 1850, Phuco dùng phƣơng pháp gƣơng quay đo vận tốc ánh sáng trong không khí và nƣớc, và chứng tỏ rằng vận tốc ánh sáng trong nƣớc nhỏ hơn trong không khí. Theo thuyết hạt ánh sáng thì vận tốc ánh sáng trong nƣớc lớn hơn trong không khí, theo thuyết sóng thì nó nhỏ hơn. Thí nghiệm Phuco lúc đó đƣợc coi là một lý lẽ quyết định sự thắng lợi của thuyết sóng ánh sáng. Từ giữa thế kỷ XIX, thuyết hạt không còn đƣợc ai nhắc đến nữa. Nhƣng sang đầu thế kỷ XX, nó sẽ đƣợc sống lại dƣới một ánh sáng mới. 1.2.3 Joseph von Fraunhofer 1.2.3.1 Vài nét về tiểu sử Joseph von Fraunhofer Joseph von Fraunhofer (6/3/1787 – 7/6/1826), là ngƣời sống cùng thời với Fresnel, là một nhà vật lý quang học ngƣời Đức, Ông đƣợc biết đến nhờ công lao khám phá ra phổ hấp thụ của ánh sáng Mặt Trời, một khám phá đã tạo nền tảng cho việc chế tạo ra kính quang phổ và các kính viễn vọng tiêu sắc. Sinh ra trong một gia đình thợ làm kính nghèo ở Straubing, 12 tuổi đã mồ côi cả bố lẫn mẹ, từ đó ông đƣợc ngƣời nhận nuôi và trở thành ngƣời học việc cho một thợ làm kính khó tính tên là Philipp Anton Weichelsberger. Hình 1.5: Joseph von Fraunhofer Năm 1801, cửa hàng kính ông làm bị sụp và Fraunhofer bị lấp trong đống vụn đổ nát. Các hoạt động cứu hộ đƣợc dẫn dắt bởi Maximilian IV Joseph, Hoàng tử cử tri của bang Bavaria (tƣơng lai là Maximilian I Joseph), Fraunhofer đƣợc thực hiện ca phẩu thuật và đƣợc cứu sống. Hoàng tử bƣớc vào cuộc sống của Fraunhofer, cung cấp cho ông những cuốn sách và buộc ngƣời chủ của Fraunhofer để ông có thời gian học hành. Sau tám tháng học, Fraunhofer tới làm việc tại viện quang phổ ở Benediktbeuern, một thầy tu dòng Benedic đã truyền dạy cách làm kính cho ông. Với óc thông minh và tính cần cù, ông nhanh chóng trở thành một ngƣời thợ giỏi, một GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 12 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 chuyên gia về quang cụ. Fraunhofer khám phá ra cách chế tác ra các loại kính quang phổ tốt nhất thế giới, ông đã lập ra các phƣơng thức để đo độ tán sắc. Năm 1818, Fraunhofer tự mình sáng lập và trở thành giám đốc viện quang phổ, điều khiển một hãng chế tạo quang cụ nổi tiếng trên thế giới, chuyên chế tạo những quang cụ hảo hạng. Nhờ các dụng cụ quang phổ tốt mà ông đã phát triển, Bavaria (tiểu bang lớn nhất nằm ở cực Nam của Đức) đã vƣợt qua nƣớc Anh để trở thành trung tâm của ngành công nghiệp quang học. Thậm chí những ngƣời nhƣ Michael Faraday cũng không thể sản xuất đƣợc loại kính có thể cạnh tranh với kính của Fraunhofer. Sự nghiệp lừng lẫy của Fraunhofer đã giúp ông giành đƣợc học vị tiến sĩ tại Đại học Erlangen năm 1822. Năm 1824, ông đƣợc trao huân chƣơng danh dự, trở thành một quý tộc và một công dân danh dự của Munchen. Tuy nhiên, cũng giống nhƣ nhiều nhà chế tác kính cùng thời, Fraunhofer cũng bị nhiễm độc hơi hoá học từ kim loại nặng trong quá trình làm kính. Ông qua đời năm 1826 ở tuổi 39. Các công thức làm kính đáng giá nhất của Frauhofer đƣợc cho rằng cũng ra đi cùng cái chết của ông. Các vạch tối trong quang phổ mặt trời quan sát bởi Joseph von Fraunhofer đƣợc xem là cơ sở của vật lí cổ điển, và đƣợc gọi là ―các vạch Fraunhofer‖. Hình 1.6: Các vạch Fraunhofer 1.2.3.2: Những nghiên cứu quang học của Joseph von Fraunhofer Trong xƣởng, ông đã nghiên cứu nhiều để hoàn chỉnh các vật kính tiêu sắc và phải giải quyết vấn đề do sự nhiễu xạ ánh sáng trong các thấu kính. Muốn thế phải tìm ra các phép đo để xác định các vùng trên quang phổ, thay thế cho các khái niệm ―vùng đỏ‖, ―vùng vàng‖, … mang tính chủ quan và thiếu chính xác. Năm 1802, Valaxtôn quan sát thấy có bảy vạch đen trong phổ Mặt Trời. Ông cho đó là giới hạn của các vùng màu sắc trên quang phổ, và không nghiên cứu thêm nữa. Những vạch đó có vị trí cố định trên quang phổ, Fraunhofer thấy rằng đó là những mốc tự nhiên rất thuận tiện trong quang phổ, và quyết định nghiên cứu kĩ hiện tƣợng này. Trong các năm 1814 – 1815, ông phát hiện thêm nhiều vạch mới, xác định vị trí chính xác của gần 600 vạch bằng những bƣớc sóng tƣơng ứng, và dùng các chữ cái để gọi tên các vạch quan trọng nhất. Từ đó trong vật lý học xuất hiện thuật ngữ ―những vạch Fraunhofer‖. Để đo bƣớc sóng của các vạch đen, Fraunhofer nghiên cứu sự nhiễu xạ trong các tia song song, bằng cách hƣớng một tia song song vào ống ngắm, và đặt trƣớc vật kính của ống ngắm một màn chắn có một khe hẹp. Sau đó, ông đã chế tạo ra cách tử nhiễu xạ bằng cách lấy một tắm thuỷ tinh và dùng kim cƣơng khía trên nó những GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 13 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 đƣờng kẻ rất mảnh. Cách tử nhiễu xạ cho một hình ảnh nhiễu xạ đơn giản dễ tính toán, nhờ đó mà ông đã tính toán đƣợc bƣớc sóng của các vạch đen. Cách tử nhiễu xạ về sau đƣợc tiếp tục cải tiến và trở thành một công cụ quang học quan trọng. Chín năm sau khi Fraunhofer mất, Svec đã nêu lên lý thuyết của cách tử, dựa trên thuyết sóng ánh sáng. Những công trình của Fraunhofer là một đóng góp quan trọng vào sự phát triển của quang phổ học. 1.3 CÁC HIỆN TƢỢNG QUANG HỌC 1.3.1 Khúc xạ 1.3.1.1 Hiện tượng khúc xạ ánh sáng Bốn thế kỷ trƣớc CN, Euclide (TK III TCN) đã biết định luật phản xạ trên mặt phẳng: Góc của tia tới tạo với pháp tuyến của mặt phẳng bằng góc của tia phản xạ với chính pháp tuyến đó. Archimède (khoảng 287-212 TCN) đã chứng minh đƣợc rằng có thể tập trung toàn bộ ánh sáng tới vào tiêu điểm của gƣơng nếu gƣơng này có dạng parabol. Sau đó, trong nhiều thế kỉ, ngƣời ta đã lƣu ý tới một sự thật khá kì quặc, nhƣng lại hiển nhiên. Đặt một cái thanh vào trong bát nƣớc thì thấy cái thanh này dƣờng nhƣ không còn là một vật nguyên vẹn nữa, mà trông cứ nhƣ bị cắt làm đôi; sự ―bẽ gãy‖ này là do sự khúc xạ ánh sáng đã làm cho phần bị chìm dƣới nƣớc trông cứ nhƣ không gắn với phần nằm trên mặt nƣớc. Ánh sáng bị khúc xạ khi nó đi ra khỏi nƣớc đã mang lại ảo giác là các vật trong nƣớc hình nhƣ vừa méo mó vừa trông gần hơn – nâng lên cao hơn so với thực tế mà ngƣời ta quan sát thấy. Hình 1.7: Sự khúc xạ ánh sáng bởi ly nƣớc 1.3.1.2 Định luật khúc xạ ánh sáng (Định luật Snell – Descartes) Xét thí nghiệm 1: Chiếu một chùm tia sáng song song hẹp SI (coi nhƣ một tia sáng) vào mặt phân cách giữa không khí và nƣớc, đựng trong một bể nhỏ có thành bằng thuỷ tinh phẳng, thẳng đứng. Tia tới SI nghiêng trên mặt phân cách. Ta sẽ thấy có một phần chùm tia sáng đi xuyên vào trong nƣớc; nhƣng tại điểm tới I, tia sáng bị gẫy khúc. Trong thí nghiệm trên, ta đặt bảng gỗ vuông góc với mặt nƣớc và thay đổi góc tới sao cho tia tới SI quét là là mặt bảng. Ta sẽ thấy tia khúc xạ IK cũng quét là là mặt bảng đó. Nhƣ vậy, tia khúc xạ và tia tới luôn luôn nằm trong cùng một mặt phẳng vuông góc với mặt phân cách. Mặt phẳng này chính là mặt phẳng tới. Nó chứa tia tới SI và pháp tuyến IN của mặt phân cách ở điểm tới. GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 14 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 Hình 1.8: Thí nghiệm khúc xạ ánh sáng Xét thí nghiệm 2: Trên một tấm kính mờ, đặt một bản trụ D bằng chất rắn trong suốt, ví dụ bằng thủy tinh. Trên tấm kính có một vòng tròn chia độ C. Chiếu mội tia sáng SI (tới điểm I là tâm của bán trụ) là là trên mặt phẳng tấm kính , đƣờng đi của ánh sáng có thể quan sát trên mặt phẳng này. Hình 1.9: Thí nghiệm khúc xạ ánh sáng - Quan sát thí nghiệm sẽ cho thấy có tia khúc xạ đi trong bán trụ thủy tinh. Gọi tia khúc xạ là IK NN’ là pháp tuyến tại I của mặt lƣỡng chất Góc (SIN) đƣợc gọi là góc tới i. Góc (KIN’) đƣợc gọi là góc khúc xạ r => Mặt phẳng tạo bởi tia tới và pháp tuyến gọi là mặt phẳng tới Thực hiện thí nghiệm nhiều lần với các góc tới khác nhau và đo góc khúc xạ tƣơng ứng. Lập tỉ số giữa sini và sinr thì ta thấy nó gần nhƣ không đổi. Sự sai khác giữa các kết quả là rất nhỏ và có thể bỏ qua do sai số của phép đo. * Từ thí nghiệm trên ta rút ra nội dung định luật khúc xạ ánh sáng: + Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới + Tia tới và tia khúc xạ nằm ở hai bên pháp tuyến tại điểm tới đối với hai môi trƣờng trong suốt nhất định, tỉ số giữa sin góc tới và sin góc khúc xạ là một hằng số: (1.1) Hằng số n ở trên tùy thuộc vào môi trƣờng khúc xạ (chứa tia khúc xạ) và môi trƣờng tới (chứa tia tới). GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 15 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 + Nếu n > 1 (môi trƣờng khúc xạ chiết quang hơn môi trƣờng tới) thì sini > sinr hay i > r. Trong trƣờng hợp này, khi đi qua mặt lƣỡng chất, tia khúc xạ ánh sáng đi gần pháp tuyến hơn tia tới. + Nếu n < 1 ( môi trƣờng khúc xạ chiết quang kém hơn môi trƣơng tới ) thì sini r: Tia khúc xạ lại gần pháp tuyến và môi trƣờng (2) chiết quang hơn môi trƣờng (1). Khi góc tới i tăng dần thì góc khúc xạ r cũng tăng dần nhƣng luôn luôn nhỏ hơn i. Góc i có thể lấy các giá trị từ 00 tới 900. Đối với tia S1I vuông góc với mặt phân cách: một phần của tia sáng bị phản xạ trở lại, phần còn lại đi qua mặt phân cách không đổi phƣơng. Đối với tia S2I: một phần của tia sáng phản xạ trở lại theo đƣờng IS2’, phần còn lại khúc xạ theo đƣờng IR2. Đối với tia S3I có góc tới đạt giá trị lớn nhất bằng 900: không còn có tia phản xạ, chỉ còn tia khúc xạ có góc khúc đạt một giá trị giá trị lớn nhất là r gh gọi là góc khúc xạ giới hạn đƣợc tính nhƣ sau: Áp dụng định luật khúc xạ ánh sáng: n1sin900 = n2sinrgh (1.5) GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 19 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 Nhƣ vậy, trong trƣờng hợp ánh sáng đi từ môi trƣờng có chiết suất nhỏ hơn sang môi trƣờng có chiết suất lớn hơn thì luôn luôn có tia khúc xạ trong môi trƣờng thứ hai. Hình 1.13: Thí nghiệm ánh sáng đi vào môi trƣờng chiết quang hơn 1.3.2.2 Sự truyền ánh sáng vào môi trường chiết quang kém hơn (n2>n1) Khi ánh sáng truyền từ môi trƣờng có chiết suất lớn sang môi trƣờng có chiết suất nhỏ hơn n1 > n2 thì i < r ( tia khúc xạ đi lệch xa pháp tuyến hơn). Ví dụ: Ánh sáng truyền từ thủy tinh ra không khí, nƣớc sang không khí, từ thuỷ tinh sang không khí, từ thuỷ tinh sáng nƣớc,… Khi góc tới tăng thì góc khúc xạ tăng. Theo định luật bảo toàn năng lƣợng thì năng lƣợng của tia tới đƣợc phân bố cho tia phản xạ và tia khúc xạ. Nên khi góc tới càng tăng thì cƣờng độ của tia phản xạ càng tăng và cƣờng độ của tia sáng khúc xạ càng giảm. Khi góc khúc xạ đạt đến giá trị cực đại 900, tức là cƣờng độ của tia sáng khúc xạ giảm đến không thì góc tới đạt giá trị i gh gọi là góc tới giới hạn thỏa mãn định luật khúc xạ . (1.6) Khi góc tới lớn hơn góc tới giới hạn i> igh, ánh sáng không đi vào môi trƣờng thứ hai, toàn bộ ánh sáng sẽ bị phản xạ và cƣờng độ của tia phản xạ bằng cƣờng độ của tia tới. Lúc đó ta có hiện tƣợng phản xạ toàn phần xảy ra tại mặt phân cách giữa hai môi trƣờng. Góc igh đƣợc gọi là góc giới hạn phản xạ toàn phần. Hình 1.14: Thí nghiệm ánh sáng đi vào môi trƣờng chiết quang kém hơn 1.3.2.3 Hiện tượng phản xạ toàn phần Phản xạ toàn phần là hiện tƣợng trong đó toàn bộ tia sáng tới mặt phân cách hai môi trƣờng trong suốt chỉ cho tia phản xạ, không cho tia khúc xạ. * Điều kiện xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần - Ánh sáng truyền từ môi trƣờng có chiết suất lớn sang môi trƣờng có chiết suất nhỏ hơn n1 > n2. GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 20 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 - Góc tới phải lớn hơn hoặc bằng góc giới hạn i ≥ igh Dấu ―=‖ ở đây chỉ trƣờng hợp giới hạn, hiện tƣợng phản xạ toàn phần bắt đầu xảy ra. 1.3.2.4 Ứng dụng của hiện tượng phản xạ toàn phần 1.3.2.4.1 Cáp quang * Cấu tạo Cáp quang gồm một bó sợi quang: Hình 1.15: Cáp quang - Phần lõi bằng thủy tinh siêu sạch có chiết suất n1 - Phần vỏ bọc cũng trong suốt, bằng thủy tinh có chiết suất n2 n2). Tia sáng này bị gãy khúc liên tiếp đến khi gặp lớp khí mà tại đó góc tới lớn hơn góc giới hạn, thì tia sáng sẽ bị phản xạ toàn phần và và hắt lên. Do bề dày lớp không khí mỏng nên đƣờng gãy khúc trở thành đƣờng cong đi xuống và rồi đi lên đến mắt ngƣời quan sát B. Nhƣ vậy, ngƣời quan sát đồng thời sẽ thấy đỉnh của cây do các tia sáng trực tiếp từ đỉnh của cây truyền tới mắt và nhìn thấy ảnh đối xứng với đỉnh của cây qua mặt đất do các tia sáng phản xạ toàn phần. Nên ngƣời quan sát nhìn thấy một vũng nƣớc có in hình bóng cây. Tùy theo gradien của nhiệt độ theo chiều từ dƣới lên trên là lớn hay nhỏ mà khoảng cách AB (từ cây đến ngƣời quan sát) có thể từ vài chục mét đến vài trăm kilômét. GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 23 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 Hình 1.19: Hiện tƣợng ảo ảnh trên sa mạc Một hiện tƣợng thƣờng thấy: vào những ngày nóng nực mùa hè, ngƣời đi đƣờng thƣờng nhìn thấy vũng nƣớc trên mặt đƣờng nhựa ở xa phía trƣớc, nhƣng khi lại gần thì thấy mặt đƣờng vẫn khô ráo. Vũng nƣớc mà ngƣời đi đƣờng nhìn thấy chỉ là ảnh phản chiếu của bầu trời trên con đƣờng nhựa quá nóng. Hiện tƣợng đó cũng đƣợc giải thích tƣơng tự nhƣ hiện tƣợng trên. * Trƣờng hợp chiết suất không khí càng lên cao càng giảm (ảo tƣợng xứ lạnh) Ví dụ: Ở xứ lạnh, về mùa đông, ban ngày, các lớp không khí ở tiếp giáp mặt biển, hay tuyết trên mặt đất có nhiết độ thấp do đó có mật độ thấp và chiết suất lớn. Những lớp không khí ở trên cao đƣợc sƣởi ấm bởi mặt trời do đó có mật độ nhỏ, chiết suất nhỏ. Nếu có một tia sáng xuất phát ra từ một điểm A trên mặt đất đi lên dƣới góc tới đủ lớn thì lên đến một lớp không khí trên cao nó xẽ bị phản xạ toàn phần và bẻ cong đi xuống vào mắt ngƣời quan sát B (ngƣợc lại với trƣờng hợp trên). Vì vậy có thể nhìn thấy một số vật nằm ở khuất dƣới đƣờng chân trời lại đƣợc nhìn thấy trên bầu trời (nhƣ con tàu hoặc hòn đảo hiện trên bầu trời). Do độ cong của các tia qua các lớp không khí có chiết suất thay đổi rất yếu nên hiện tƣợng ảo ảnh này thƣờng xảy ra ở vùng nƣớc rộng. Khoảng cách AB có thể lên đến vài trăm kilômét. 1.3.2.5.2 Vẻ đẹp rực rỡ của kim cương Kim cƣơng là một tinh thể đối xứng có cấu trúc lập phƣơng và chứa những nguyên tử cacbon bậc 4. Khối lƣợng riêng của kim cƣơng là 3,52 g/cm³. Chiết suất của kim cƣơng rất lớn n =2,42. Khi kim cƣơng ở trong không khí, góc giới hạn của tia sáng tới bề mặt của viên kim cƣơng thƣờng có giá trị khá nhỏ ( ighcỡ 240). Nên khi tia sáng rọi tới một mặt, nó sẽ bị khúc xạ, đi vào trong viên kim cƣơng và bị phản xạ toàn phần nhiều lần giữa các mặt của viên kim cƣơng trƣớc khi ló ra ngoài, nên ta thấy ánh sáng từ viên kim cƣơng lóe ra rất sáng. Kim cƣơng có khả năng tán sắc tốt, do có chiết suất biến đổi nhanh với bƣớc sóng ánh sáng. Điều này giúp kim cƣơng biến những tia sáng trắng thành những màu sắc lấp lánh nhiều màu, tạo nên sức hấp dẫn riêng của kim cƣơng khi là một món trang sức. GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 24 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 Hình 1.20: Kim cƣơng sáng lấp lánh 1.3.2.5.3 Cầu vồng Trƣớc hoặc sau cơn mƣa hay bên cạnh thác nƣớc, không khí chứa nhiều giọt nƣớc hình cầu. Ánh sáng mặt trời khúc xạ vào bên trong giọt nƣớc, phản xạ toàn phần ở mặt phân cách giữa không khí và giọt nƣớc rồi khúc xạ trở ra . Hình 1.21: Hiện tƣợng cầu vòng 1.3.3 Hiệu ứng quang điện Alexandre Edmond Becquerel lần đầu tiên quan sát thấy hiệu ứng quang điện xảy ra với một điện cực đƣợc nhúng trong dung dịch dẫn điện đƣợc chiếu sáng vào năm 1839. Năm 1873, Willoughby Smith phát hiện rằng selen (Se) có tính quang dẫn. Năm 1887, Heinrich Hertz quan sát thấy hiệu ứng quang điện ngoài đối với các kim loại (cũng là năm ông thực hiện thí nghiệm phát và thu sóng điện từ. Sau đó Aleksandr Grigorievich Stoletov (1839-1896) đã tiến hành nghiên cứu một cách tỉ mỉ và xây dựng nên các định luật quang điện. Một trong các công trình của Albert Einstein xuất bản trên tạp chí Annal der Physik đã lý giải một cách thành công hiệu ứng quang điện cũng nhƣ các định luật quang điện dựa trên mô hình hạt ánh sáng, theo Thuyết lƣợng tử vừa đƣợc công bố vào năm 1900 của Max Planck. Các công trình này đã dẫn đến sự công nhận về bản chất hạt của ánh sáng, và sự phát triển của lý thuyết lƣỡng tính sóng - hạt của ánh sáng. 1.3.3.1 Hiện tượng Khi bề mặt của một tấm kim loại đƣợc chiếu bởi bức xạ điện từ có tần số lớn hơn một tần số ngƣỡng (tần số ngƣỡng này là giá trị đặc trƣng cho chất làm nên tấm kim loại này), các điện tử sẽ hấp thụ năng lƣợng từ các photon và sinh ra dòng điện GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 25 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 (gọi là dòng quang điện). Khi các điện tử bị bật ra khỏi bề mặt của tấm kim loại, ta có hiệu ứng quang điện ngoài (external photoelectric effect). Các điện tử không thể phát ra nếu tần số của bức xạ nhỏ hơn tần số ngƣỡng bởi điện tử không đƣợc cung cấp đủ năng lƣợng cần thiết để vƣợt ra khỏi rào thế (gọi là công thoát). Điện tử phát xạ ra dƣới tác dụng của bức xạ điện từ đƣợc gọi là quang điện tử. Ở một số chất khác, khi đƣợc chiếu sáng với tần số vƣợt trên tần số ngƣỡng, các điện tử không bật ra khỏi bề mặt, mà thoát ra khỏi liên kết với nguyên tử, trở thành điện tử tự do (điện tử dẫn) chuyển động trong lòng của khối vật dẫn, và ta có hiêu ứng quang điện trong (internal photoelectric effect). Hiệu ứng này dẫn đến sự thay đổi về tính chất dẫn điện của vật dẫn, do đó, ngƣời ta còn gọi hiệu ứng này là hiệu ứng quang dẫn. 1.3.3.2 Các định luật quang điện và giải thích Có nhiều ngƣời đƣa ra các mô hình giải thích khác nhau về hiệu ứng quang điện tuy nhiên đều không thành công do sử dụng mô hình sóng ánh sáng. Albert Einstein là ngƣời giải thích thành công hiệu ứng quang điện bằng cách sử dụng mô hình lƣợng tử ánh sáng. Heinrich Hertz và Stoletov là những ngƣời nghiên cứu chi tiết về hiệu ứng quang điện và đã thành lập các định luật quang điện. - Ở mỗi tần số bức xạ và mỗi kim loại, cƣờng độ dòng quang điện (cƣờng độ dòng điện tử phát xạ do bức xạ điện từ) tỉ lệ thuận với cƣờng độ chùm sáng tới. - Với mỗi kim loại, tồn tại một tần số tối thiểu của bức xạ điện từ mà ở dƣới tần số đó, hiện tƣợng quang điện không xảy ra. Tần số này đƣợc gọi là tần số ngƣỡng, hay giới hạn quang điện của kim loại đó. - Ở trên tần số ngƣỡng, động năng cực đại của quang điện tử không phụ thuộc vào cƣờng độ chùm sáng tới mà chỉ phụ thuộc vào tần số của bức xạ. - Thời gian trong quá trình từ lúc bức xạ chiếu tới và các điện tử phát ra là rất ngắn, dƣới 10−9 giây. Albert Einstein đã sử dụng Thuyết lƣợng tử để lý giải hiện tƣợng quang điện. Mỗi photon có tần số f sẽ tƣơng ứng với một lƣợng tử năng lƣợng có năng lƣợng , h: là hằng số Planck. * Năng lƣợng mà điện tử hấp thụ đƣợc sẽ đƣợc dùng cho 2 việc: - Thoát ra khỏi liên kết với bề mặt kim loại (vƣợt qua công thoát ) - Cung cấp cho điện tử một động năng ban đầu: Nhƣ vậy, theo định luật bảo toàn năng lƣợng, ta có thể viết phƣơng trình: (1.7) Do động năng luôn mang giá trị dƣơng, do đó, hiệu ứng này chỉ xảy ra khi: Có nghĩa là hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi: (1.8) : Chính là giới hạn quang điện của kim loại. 1.3.3.3 Hiệu ứng quang dẫn GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 26 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 Trong nhiều vật liệu, hiệu ứng quang điện ngoài không xảy ra mà chỉ xảy ra hiện tƣợng quang điện trong (thƣờng xảy ra với các chất bán dẫn). Khi chiếu các bức xạ điện từ vào các chất bán dẫn, nếu năng lƣợng của photon đủ lớn (lớn hơn độ rộng vùng cấm của chất, năng lƣợng này sẽ giúp cho điện tử dịch chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, do đó làm thay đổi tính chất điện của chất bán dẫn (độ dẫn điện của chất bán dẫn tăng lên do chiếu sáng). Hoặc sự chiếu sáng cũng tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống cũng làm thay đổi cơ bản tính chất điện của bán dẫn. Hiệu ứng này đƣợc sử dụng trong các photodiode, phototransitor, pin mặt trời... 1.3.3.4 Ứng dụng của hiệu ứng quang điện - Pin mặt trời, photodiode, phototransistor... - Các sensor ghi ảnh (ví dụ nhƣ sử dụng trong các CCD camera), các cảm biến quang học, các ông nhân quang điện... - Phổ quang điện tử... GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 27 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 Chƣơng 2: LỊCH SỬ HÌNH THÀNH CÁC ĐỊNH LUẬT VẬT LÝ ĐẦU TIÊN VỀ ÁNH SÁNG THỜI CỔ VÀ TRUNG ĐẠI Bộ phận vật lý học đƣợc hình thành và xây dựng từ thế kỉ XVI đến cuối thế kỉ thứ XIX đƣợc gọi là vật lý học cổ điển. Từ đầu thế kỉ XX, khi bắt đầu hình thành một bộ phận vật lý học mới, với một lĩnh vực nghiên cứu mới, với những nguyên lý, những khái niệm cơ bản mới khác hẳn với vật lý học cũ (cổ điển), và đƣợc gọi là vật lý học hiện đại. Triết học tự nhiên thời cổ đại và trung đại coi thế giới tự nhiên và cả bản thân của loài ngƣời là do các thần linh hoặc chúa trời tạo ra và điều khiển hằng ngày. Mọi tri thức cũng đều do chúa ban phát cho con ngƣời, bản thân con ngƣời không có khả năng tự tìm ra chân lí. Trái lại, vật lý học cổ điển coi thế giới tự nhiên là thế giới vật chất, vận động theo những quy luật chính của bản thân nó, không do thần linh nào tạo ra và điều khiển. Con ngƣời với lí trí của mình và với một phƣơng pháp đúng đắn có khả năng nhận thức đƣợc quy luật của thế giới vật chất, vận dụng chúng trong kĩ thuật, sản xuất và đời sống để phục vụ lợi ích của mình. Vật lý học cổ điển bác bỏ sự can thiệp của tôn giáo, của bất kì thế lực hoặc uy quyền cá nhân vào các vấn đề khoa học. Thế kỉ XVII và XVIII là thời đại của cơ học Niutơn, nội dung của quyết định luận của cơ học Niutơn ―ta có thể áp dụng các định luật của cơ học để xác định một cách đơn giá mọi trạng thái tƣơng lai của cơ hệ‖- quyết định luận nâng cao vai trò của khoa học, đồng thời nâng cao vai trò của con ngƣời biết vận dụng khoa học để làm chủ hiện tại và tƣơng lai của mình, và phủ nhận vai trò của các thần linh can thiệp tuỳ tiện vào các hiện tƣợng thiên nhiên. Một định luật vật lý là một sự khái quát hoá một cách khoa học trên các quan sát thực nghiệm. Chúng là các kết luận đƣợc rút ra từ thực tiễn, hay các giả thuyết đƣợc kiểm nghiệm bởi các thí nghiệm vật lý. Mục đích cơ bản của bản của khoa học nói chung hay vật lý nói riêng là mô tả tự nhiên bởi hệ thống các định luật nhƣ vậy. 2.1 THỜI CỔ ĐẠI Từ thời nguyên thủy, con ngƣời cũng tích lũy đƣợc những tri thức về cây cối, các động vật xung quanh, thời tiết, khí hậu, … Nhƣng những tri thức đó chỉ là những kinh nghiệm sống, rời rạc và không có hệ thống. Trong thời kì này, do cuộc sống hết sức chật vật, thấp kém, nên khoa học chƣa có điều kiện phát triển. 2.1.1 Sự phát sinh những tri thức khoa học Tình hình trên đã thay đổi kể từ khi con ngƣời biết trồng trọt, chăn nuôi, con ngƣời có thể đạt đƣợc những vụ gặt ổn định trên cùng một địa điểm, trong nhiều năm liên tục. Và từ 4000 năm TCN, hình thành quốc gia chiếm hữu nô lệ, đó là cái nôi của khoa học hiện đại. (chế tạo công cụ lao động mới, phát triển sản xuất, nền kinh tế phát triển hơn, cơ cấu xã hội phức tạp hơn). Do nền kinh tế phát triển, năng suất lao động đƣợc nâng cao, một số ngƣời đã đƣợc giải phóng khỏi lao động chân tay, trở thành những ngƣời lao động trí óc. - Thiên văn học là môn khoa học đầu tiên của nhân loại đã từ sản xuất mà xuất hiện. Song song với thiên văn học cũng xuất hiện khoa chiêm tinh. - Môn khoa học thứ hai là Toán học, phục vụ nhu cầu trao đổi, đo đạc… GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 28 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 Nhìn chung, thời cổ đại đã có tri thức mầm mống của toán học và thiên văn học, nhƣng chƣa có mầm mống của vật lý học. 2.1.2 Khoa học phƣơng đông cổ đại Từ thế kỉ XVIII – XII TCN, ngƣời Trung Quốc đã làm ra lịch; Thế kỉ XI TCN, đã biết dùng đồng hồ mặt trời; Thế kỉ III TCN, biết dùng la bàn; 105, Thái Luấn chế ra giấy. Các nhà toán học: Trƣơng Sƣơng (TK I TCN), Cảnh Thọ Xƣơng (TK II TCN) phát biểu phƣơng pháp giải hệ phƣơng trình bậc nhất và dùng số âm trong phép tính, mô tả đƣợc phƣơng pháp khai căn bậc 2, bậc 3, giải phƣơng trình bậc 2…; Tổ Xung Chi (TK V TCN) tính đƣợc giá trị gần đúng của pi là 355/133. Ngƣời Ai Cập và ngƣời Babilon cũng đã đạt trình độ toán học khá cao. Tuy nhiên, quan niệm của họ vẫn là quan niệm thiếu hệ thống, hoang đƣờng, dựa trên thần thọai và tôn giáo, những quan niệm khác nhau về thế giới ở Ai Cập và Babilon không có khả năng tập hợp lại đƣợc thành những trƣờng phái rõ rệt. Trái lại, ở Trung Quốc đã diễn ra một cuộc đấu tranh về triết học. Cuối TK VI, đầu TK V TCN đã phát sinh học thuyết của Khổng Tử, có tính luân lý – chính trị. TK V, xuất hiện thuyết của Lão Tử về ―đạo‖ (là một học thuyết tiến bộ, nhƣng về sau đã bị biến thành một tôn giáo). TK III – II TCN, xuất hiện thuyết ngũ hành ở Trung Quốc (mầm mống của quan niệm duy vật thế giới), nhƣng về sau thuyết ngủ hành bị xuyên tạc thành một thuyết huyền bí, mang nội dung mê tính. TK II TCN, xuất hiện học thuyết về ―khí‖, coi nhƣ là cơ sở của vũ trụ… về sau cũng bị bóp méo thành thuyết huyền bí, mê tín. Ở Ấn Độ, 1000 năm TCN có tƣ tƣởng cho rằng vũ trụ ko bao gồm gì khác ngoài vật chất… Khoảng vài trăm năm TCN, có những trƣờng phái duy vật, giải thích những hiện tƣợng trong vũ trụ bằng quan niệm nhân quả và nguyên tử luận, chống lại cách giải thích của tôn giáo. Nhƣ vậy ở phƣơng đông cổ đại đã xuất hiện những mầm mống ban đầu của khoa học, nhƣng trong điều kiện phong kiến đã hình thành và củng cố những thuyết mang tính duy vật dần biến thành những thuyết huyền bí, bị mai một và không đóng góp nhiều vào sự phát triển của khoa học. 2.1.3 Giai đoạn mở đầu của khoa học cổ đại. Triết học tự nhiên cổ Hy lạp TK VI TCN, Hy Lạp cổ đại (quê hƣơng của khoa học hiện đại) đã có điều kiện thuận lợi cho khoa học phát triển, mọi tri thức khoa học của con ngƣời lúc ấy đƣợc tập trung trong 1 môn khoa học duy nhất, đó là TRIẾT HỌC TỰ NHIÊN. Triết học tự nhiên cổ Hy Lạp có ảnh hƣởng chủ yếu đến sự phát triển của khoa học. Việc nghiên cứu khoa học có hệ thống, việc giảng dạy khoa học, sự xuất hiện của các nhà khoa học, các trung tâm khoa học … ở Hy Lạp từ 600 năm TCN đã là cho Hy Lạp trở thành quê hƣơng khoa học của nhân loại. 2.1.3.1 Trường phái Iôni - trường phái đầu tiên của Hi Lạp Ngƣời sáng lập: Talet (khoảng 624 - 547 TCN) nhà khoa học lúc này chƣa biết làm thí nghiệm mà chỉ dựa vào quan sát tự nhiên xã hội dùng phép suy luận để tìm chân lí. GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 29 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 Tƣ tƣởng: + Mọi sự vật đều biến đổi: ―Mọi thứ đều trôi qua‖ và ―không thể lội hai lần xuống cùng một khúc sông‖ (Heraclite). + Trong khi khẳng định mọi thứ đều biến đổi, thì các nhà bác học Iôni cũng cho rằng mọi thứ đều xuất phát từ một vật chất ban đầu, và phát triển lên từ vật chất ban đầu đó. Talet (khoảng 624 - 547 TCN) cho rằng vật chất ban đầu đó là nƣớc, Anaximanđrơ (510 - 546 TCN ) cho đó là một chất vô hạn và không xác định, Anaximen (585_525 TCN) cho đó là không khí. Về sự phát triển biện chứng Mac và Anghen gọi họ là: "Những nhà biện chứng bẩm sinh". Heraclite đã phát triển những tƣ tƣởng đó và nói: ―Thế giới thống nhất từ mọi thứ, không phải do thần linh hay một ngƣời nào tạo ra, mà đã, đang và sẽ là một ngọn lửa sinh động bất diệt, bùng lên một cách có quy luật và tắt đi một cách có quy luật…‖. Lenin coi câu nói trên của Heeraclit là: "Một cách phát biểu rất hay những chủ nghĩa duy vật biện chứng". 2.1.3.2 Trường phái Pitago - một trường phái duy tâm Ngƣời sáng lập: Pitago (khỏang 580 – 500 TCN) Tƣ tƣởng: + Các con số đóng vai trò thần thánh, con số điều khiển thiển thế giới, và mỗi con số là một biểu tƣởng, mỗi con số đều có ý nghĩa, số 1 là nguồn gốc của mọi vật, số 2 là nguồn gốc của mâu thuẫn… Trong trƣờng phái này cũng có 1 hạt nhân hợp lý đáng kể: nó vạch ra ý nghĩa của sự phân tích số lƣợng, của các quan hệ số lƣợng trong khoa học, một vấn đề mà phái duy vật chƣa thấy đƣợc. Nó cũng đạt đƣợc một số thành tựu tích cực: tìm thấy những dây đàn nhƣ nhau, có độ dài tỉ lệ với số nguyên đầu tiên 1:2:3:4:5:6 tạo ra những hợp âm du dƣơng, và tam giác có cạnh tƣơng ứng 3,4,5 là tam giác vông. + Quan niệm rằng trái đất hình cầu và chuyển động, nằm trong một hệ gọi là hệ hỏa tâm: Trái đất và mọi thiên thể đều quay quanh một ngọn lửa trung tâm. Xung quanh ngọn lửa có 10 mặt cầu chuyển động (vì số 10 là con số thiêng liêng). Về sau Copernic (1473 – 1543) đã vứt bỏ ngọn lửa trung tâm và ―phản địa cầu‖, đặt mặt trời vào trung tâm vũ trụ, và xây dựng nên hệ nhật tâm. 2.1.3.3 Trường phái Êlê - một trường phái duy tâm khác Ngƣời sáng lập: Zenon (sinh khoảng 490 TCN) Tƣ tƣởng: Thế giới là đồng nhất và tĩnh tại, sự đa dạng và sự biến đổi quanh ta chỉ là những ảo giác. Để phủ nhận chuyển động và biến đổi, Zenon đã đƣa ra những lập luận gọi là aporia (những lập luận dẫn đến bế tắc)… Ví dụ: aporia về Asin và con rùa, Asin không bao giờ đuổi kịp con rùa, vì thời gian Asin chạy đến vị trí thứ nhất của con rùa thì nó đã đến vị trí thứ hai, và khi Asin đến vị trí thứ 2 thì nó đã đến vị trí thứ 3… và cứ thế mãi mãi. Sai lầm: chỉ chú trọng lập luận mà ko so sánh thực tế. Nhƣng suốt hai nghìn năm sau đó không ai tìm ra đƣợc GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 30 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 lập luận nào để thay thế. Phải tới TK XVII, khi toán học tìm ra phép tính vi phân mới có đƣợc một lập luận khoa học để bác bỏ Aporia của Zezon. Khoa học cổ Hy Lạp mặc dù đã dựa vào tri thức của phƣơng đông cổ đại nhƣng đã đƣa vào những nét mới. Trong lập luận của các nhà khoa học tuy có cái ngây ngô, hoang đƣờng nhƣng đã thể hiện rõ tính vĩnh cửu của vật chất và sự phát triển của thế giới do những nguyên nhân tự nhiên và khách quan. 2.1.4 Nguyên tử luận cổ Hy lạp. Démocrite Tƣ tƣởng Iôni và tƣ tƣởng Êlê không thỏa mãn đƣợc các nhà triết học cổ đại họ đi tìm những lý thuyết khác để giải thích cấu trúc của vũ trụ và những biến đổi trong thiên nhiên. Empédocle (khoảng 490 – 435 TCN) cho rằng vũ trụ cấu tạo từ 4 nguyên tố vật chất: lửa, không khí, nƣớc và đất. Các nguyên tố này bất diệt và ko thay đổi. Empédocle là ngƣời đầu tiên phát biển nguyên lý bảo toàn: ―Không có gì phát sinh ra đƣợc từ cái không có gì, và cái gì đã có thì ko thể bị hủy diệt‖. Empédocle cũng là tác giả của lý thuyết về thị giác xƣa nhất. Liên quan đến ánh sáng, Empédocle cho rằng mắt truyền các ―tia thị giác‖ đến thế giới bên ngoài. 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 những đi theo một chiều từ mắt tới vật mà còn đi theo chiều ngƣợc lại từ vật đến mắt. Leucippe (TK V TCN) thì trái ngƣợc với quan điểm của Empédocle thoát ra thế giới bên ngoài, Leucippe cho rằng thế giới thị giác đến với chúng ta. Và do đó, về thực chất thị giác là một trải nghiệm thụ động. Dƣới tác động của ánh sáng, các hình ảnh về các vật quanh ta tách khỏi bề mặt của vật, nhƣ da của một con rắn lột xác tách ra khỏi cơ thể và đi đến mắt của chúng ta. Các quan điểm của Démocrite (khoảng 460 – 370 TCN) về ánh sáng và thị giác đều dựa trên học thuyết nguyên tử. ông chấp nhận bốn màu cơ bản của Empédocle là đen, trắng, đỏ, vàng xanh, nhƣng thêm vào đó các màu khác gọi là màu thứ cấp nhƣ lục và nâu. Khác với Empédocle, Démocrite không gắn các màu cơ bản cho bốn nguyên tố mà gắn cho các hình dạng khác nhau. Theo Démocrite, các màu (và các đặc tính giác quan khác nhƣ mùi và vị) không hiện hữu trong bản thân các vật. Anaxagore (khoảng 500 – 428 TCN) cho rằng mặt trời, mặt trăng, các hành tinh chỉ là những khối đá nóng bỏng. Vì thế mà ông đã bị trục xuất khỏi Aten. Kế thừa những tƣ tƣởng trên, Démocrite và thầy học của mình là Leucippe đã đề xƣớng ra Nguyên Tử Luận cổ đại. Nguyên tử luận của Démocrite đã bị chủ nghĩa duy tâm và giới tăng lữ chống đối. Nhƣng chính nguyên tử luận cổ đại đã trở thành cơ sở của tự nhiên học hiện đại. 2.1.5 Ánh sáng siêu hình trong con mắt Platon Platon (khoảng 427-347 TCN), là một nhà triết học cổ đại Hy Lạp đƣợc xem là thiên tài trên nhiều lĩnh vực, có nhiều ngƣời coi ông là triết gia vĩ đại nhất mọi thời đại cùng với Socrates là thầy ông. Sinh ra ở Athen, ông đƣợc hấp thụ một nền giáo dục tuyệt vời từ gia đình, ông tỏ ra nổi bật trên mọi lĩnh vực nghệ thuật và đặc biệt là triết học, ngành học mà ông chuyên tâm theo đuổi từ khi gặp Socrates. GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 31 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 Hình 2.1: Platon (427-347 TCN) Platon đã đẩy quan niệm về sự khác biệt căn bản giữa vẻ bề ngoài và bản chất bên trong đến cực điểm. Ông cho rằng có hai cấp độ của thực tại: thực tại của thế giới vật lý mà các giác quan của chúng ta tiếp cận đƣợc - đó là thế giới không vĩnh cửu, hay thay đổi và ảo giác - và thực tại của thế giới thực, thế giới của các Ý niệm vĩnh cửu và bất biến. Để minh hoạ sự lƣỡng phân giữa hai thế giới và quan niệm cho rằng thế giới cảm giác và nhất thời chỉ là sự phản ảnh nhạt nhòa của thế giới các Ý niệm, Platon đã đƣa ra một phúng dụ nổi tiếng gọi là phúng dụ hay thần thoại cái hang. Bên ngoài hang có một thế giới lung linh các màu sắc, các hình dạng và ánh sáng mà con ngƣời trong hang không thể nhìn thấy, không thể tiếp cận đƣợc. Tất cả những gì con ngƣời ở đây tri giác đƣợc, đó là bóng của các vật và các sinh vật của thế giới bên ngoài hắt lên thành hang. Thay vì sự rực rỡ của các sắc màu, sự rõ nét của các hình dạng của hiện thực, họ chỉ đƣợc thấy một màu xám buồn tẻ và các đƣờng viền mờ nhoè của những cái bóng. Tính hai mặt này của thế giới kéo theo tính hai mặt của Tồn tại. Trong thế giới các Ý niệm nơi cái Thiện ngự trị, nó là vĩnh cửu và bất biến, tồn tại bên ngoài thời gian và không gian; còn trong thế giới cảm giác, con tạo nhào nặn vật chất theo các kế hoạch của thế giới các ý niệm. Liên quan đến thị giác, Platon lấy lại một số khái niệm của những ngƣời đi trƣớc và sắp xếp chúng lại theo cách riêng của ông. Chẳng hạn, trong cuốn Timée, ông đã phát triển ý tƣởng "lửa" trong mắt mà Empédocle đã phát biểu bảy mƣơi năm trƣớc. Ông dẫn ví dụ về cái kim rơi xuống đất; chúng ta có thể tìm cái kim này rất lâu, nhƣng, để thấy nó, thì chỉ cần cái nhìn của chúng ta rơi trên nó, chạm vào nó, và trong một chừng mực nào đó là sờ mó nó. Nhƣ vậy thị giác là một loại xúc giác hoạt động thông qua các tia thị giác. Bằng chứng: chẳng phải đôi khi chúng ta cảm thấy có ai đó nhìn sau gáy ta đấy sao? Platon cũng chấp nhận bốn màu cơ bản của Empédocle bằng cách coi chúng gắn liền với bốn nguyên tố. Đi theo dấu chân của Démocrite, ông đã lấy lại quan niệm cho rằng có các màu là do các hạt cơ bản. Nhƣng ông bác bỏ các quan niệm nguyên tử luận của Démocrite và cho rằng thế giới đƣợc cấu thành không phải từ các nguyên tử, mà từ các đa gi ác đều. 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. Nhƣ vậy thị giác là kết quả cảu sự tổng hợp của ba quá trình bổ sung cho nhau. Mắt phát ra lửa, lửa GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 32 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 kết hợp với ánh sáng xung quanh để tạo thành một chùm sáng duy nhất. Chùm sáng này đƣợc phóng thẳng ra phía trƣớc cho đến khi gặp bề mặt của một vật; ở đó, nó gặp tia các hạt do vật phát ra dƣới 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. Các hạt đi qua những lỗ nhỏ xíu trong măt để truyền thông tin đến não, nơi diễn giải những thông tin này. Bởi vì hình ảnh sinh ra chỉ do sự gặp gỡ giữa các tia thị giác có bản chất thần thánh phát ra từ mắt chúng ta với các tia phát ra từ vật, "những gì giống nhau đi đến với nhau", nên Platon có thể giải thích đƣợc tại sao chúng ta không thể nhìn thấy trong bóng tối: sở dĩ mắt không thể nhìn trong đêm tối, chính là bởi vì các vật không phát ra các tia, nên "lửa" bên trong mắt không thể tiếp xúc với "lửa" phát ra từ các vật bên ngoài. Trong sơ đồ Platon, mắt đồng thời là cơ quan phát và cơ quan thu, vừa chủ động vừa thụ động, và vai trò của ánh sáng xung quanh đã đƣợc nêu ra một cách rất rõ ràng. 2.1.6 Vật lý của Aristote Cuối TK V TCN, Aten bắt đầu suy tàn. Hề thống tƣ duy của phái Iôni và nguyên tử luận bị đẩy lùi, nhƣờng chỗ cho triết học duy tâm của Socrate (463 – 399 TCN) và học trò của ông là Platon (427 – 347 TCN). Cuối thế kỷ IV TCN, Alexandre đại đế chinh phục toàn bộ Hy Lạp, một giai đoạn mới của Hy Lạp cổ đại bắt đầu. Aristote (384 – 322 TCN) là học trò của Platon, và là thầy học của Alexandre đại đế khi còn trẻ. Ông là ngƣời sáng lập ra logic hình thức. Hình 2.2: Aristote (384 – 322 TCN) Aristote (384 – 322 TCN) là học trò của Platon, và là thầy học của Alexandre đại đế khi còn trẻ. Ông là ngƣời sáng lập ra logic hình thức. Aristote là ngƣời cha đỡ đầu của vật lý học. Theo ông, để nhận thức đƣợc thiên nhiên vật lý học phải nghiên cứu các quy luật cơ bản (nguyên nhân ban đầu), những quy luật bộ phận (nguyên lý ban đầu), những hạt cơ bản (những nguyên tố) tạo thành mọi vật. Trong cuốn ―Vật lý học‖ của Aristote không có công thức toán học và không có thí nghiệm. Aristote dùng phƣơng pháp nhƣ của Socrate, đi đến kết luận bằng lập luận và vạch ra những mâu thuẩn về mặt logic. Do phƣơng pháp nhƣ vậy, cuốn ―Vật lý học‖ của Aristote đúng ra là một giáo trình triết học hơn là một giáo trình khoa học tự nhiên. GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 33 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 Aristote công nhận sự tồn tại khách quan của vật chất. Nhƣng vật chất chỉ là tiềm năng của vật thật, muốn trở thành vật thật thì vật chất phải có thêm hình thức nữa. Aristote phân tích, phê phán những luận điểm của phái Iôni, Êlê, nguyên tử luận và trình bày luận điểm của mình. Hệ thống triết học tự nhiên của Arixtote không mang nhiều phỏng đoán thiên tài nhƣ các nhà triết học trƣớc, nhƣng nó dựa vào những sự kiện khách quan hơn, đề cập đến nhiều vấn đề thực tế, dẫn đến nhiều kết quả phù hợp với thực tại xung quanh, do đó ảnh hƣởng trực tiếp hơn đén sự phát triển của khoa học tự nhiên. Hệ thống triết học tự nhiên của Aristote pha trộn những yếu tố duy tâm và duy vật, có nhiều luận điểm kì quặc nhƣng cũng có những yếu tố biện chứng, có giá trị. Về sau, giáo hội cơ đốc đã tƣớc bớt những yếu tố duy vật biện chứng và tuyệt đối hóa những yếu tố duy tâm, biến chúng thành những giáo đều (mặc dù Aristote ko có ý nhƣ vậy), nhằm phục vụ lợi ích tôn giáo. Lênin nói: ―Giáo hội đã giết chết phần sống ở Aristote và làm cho phần chết trở thành bất tử‖. Tuy vậy, nhƣng cũng có những ý rất sâu sắc trong học thuyết của Aristote mà khoa học ngày này đã phát triển. * Quan điểm Aristoteles về ánh sáng Aristotes đƣa ra một quan điểm nằm giữa chủ nghĩa duy tâm của Platon và chủ nghĩa duy vật của Démocrite. Là một triết gia thuộc trƣờng phái tự nhiên, ông có cái nhìn cụ thể hơn và kinh nghiệm hơn về hiện thực, đồng thời ông cũng là ngƣời bác bỏ thế giới ý niệm của Platon. Ông cũng không tỏ ra mấy thích thú đối với một thế giới cấu thành từ các nguyên tử và chân không, bởi lẽ chúng không phù hợp với các quan niệm của ông về các phẩm chất và sự thay đổi đặc trƣng của thế giới. Trong khi Démocrite quy giản vạn vật về các thực thể định lƣợng (các nguyên tử), thì Aristote lại cho rằng chính chất chứ không phải lƣợng mới tạo nên hiện thực cơ bản. Chẳng hạn, hãy nhìn một quả cam chín đặt trên đĩa. Theo Aristote, tính chất chín là tiềm năng có ngay từ đầu trong quả cam. Tiềm năng này trở thành hiện thực ngay khi quả cam chín. Sự chín, do đó, đối với ông là một phẩm chất cơ bản. Ngƣợc lại, đối với những ngƣời theo trƣờng phái nguyên tử luận, quả cam chín là bởi vì các nguyên tử cấu thành nó thay đổi vị trí hoặc cách xếp cạnh nhau của chúng. Bằng cách đƣa ra các khái niệm nhƣ "tiềm năng" và "thực tại", Aristote đã bác bỏ quan niệm của Parménide theo đó mọi thay đổi chỉ là ảo giác. Aristote chấp nhận bốn nguyên tố của Empédocle và kết hợp chúng với bốn phẩm chất cơ bản gắn liền với xúc giác: lạnh, nóng, khô và ẩm. Nhƣ vậy, đất là lạnh và khô, nƣớc nóng và ẩm, không khí nóng và ẩm, lửa nóng và khô. Chính sự hòa trộn bốn phẩm chất cơ bản đã tạo ra các tính chất thứ cấp, nhƣ các màu sắc và mùi vị. Liên quan đến thị giác, Aristote bác bỏ dứt khoát các "tia thị giác" của Empédocle, bởi theo ông lý thuyết này không giải thích đƣợc 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 ngƣời quan sát. Theo ông, sự tri giác các vật đƣợc thực hiện không phải thông qua dòng vật chất, mà bởi ấn tƣợng của chúng lên các giác quan, cũng giống nhƣ sáp tiếp nhận dấu ấn của chiếc nhẫn nhƣng không tƣớc mất của nó cái chất, sắt hay vàng, GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 34 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 đã tạo nên chiếc nhẫn đó. Ấn tƣợng tạo bởi vật đã thực tại hóa tiềm năng vốn đã tồn tại trong cơ quan thị giác. Nhƣ vậy mắt tiếp nhận các ấn tƣợng về màu sắc, hình dạng, chuyển động,  Còn sự nhận dạng cuối cùng về vật không diễn ra trong mắt, mà trong một bộ phận mà Aristote gọi là sensus communis (lƣơng tri). Bởi vì Aristote đặt "tâm hồn" không phải trong não, mà trong tim, nên ông cũng đặt "lƣơng tri" ở trái tim. Để tạo ra một hình ảnh tinh thần về các ấn tƣợng, tâm hồn sử dụng một khả năng đặc biệt gọi là "tƣởng tƣợng". Vậy các ấn tƣợng về các vật bên ngoài đƣợc truyền đến các cơ quan thị giác nhƣ thế nào? Theo Aristote, chức năng này đƣợc thực hiện trƣớc hết bởi không khí, sau đó bởi chất lỏng có trong mắt. Chúng ta nhìn thấy các vật bởi vì một nguồn sáng đã làm thay đổi tính chất của môi trƣờng giữa mắt và vật; từ không trong suốt, nó trở thành trong suốt. Môi trƣờng này đã có một tiềm năng trong suốt; chính ánh sáng đã thực tại hóa sự trong suốt này mà Aristote gọi là "diaphane": "Màu làm cho diaphane, nhƣ không khí, chẳng hạn, chuyển động, rồi sự diaphane lại truyền chuyển động của nó cho con mắt mà nó tiếp xúc." Để nhìn đƣợc thì nhất thiết phải có một nguồn sáng lửa, Mặt Trời hay Mặt Trăng, chẳng hạn. Nguồn sáng này cho phép thực tại hóa sự trong suốt cần thiết cho thị giác mà trƣớc đó vẫn chỉ là tiềm năng. Nhƣ vậy, ánh sáng, màu sắc và các hình dạng không phải là các chất di chuyển qua một môi trƣờng. Chúng chỉ làm một việc là làm thay đổi cái môi trƣờng ấy. Chúng không cần thời gian để đi tới chúng ta; do đó sự tri giác là tức thời. Ngƣợc lại với điều mà Empédocle suy nghĩ, ánh sáng theo Aristote không phải là một vật chất: nó không phải là "lửa", không phải là vật, cũng không phải là xạ khí của của vật. Liên quan đến màu sắc, Aristote cho rằng tồn tại hai màu cơ bản: đen và trắng, tạo thành các "phẩm chất cực đoan", mà ông đồng nhất với tối và sáng. Tất cả các màu khác bắt nguồn từ sự hòa trộn hai màu cơ bản này và biểu hiện các "phẩm chất trung gian". Tuy nhiên, sự hòa trộn này không đơn thuần chỉ là sự xếp cạnh của màu đen và trắng vốn chỉ tạo ra màu xám. Ở đây Aristote viện đến vai trò của nhiệt. Chẳng hạn, trong tác phẩm Màu sắc, ông đã miêu tả những con ốc sên vốn màu xám, sau khi bị luộc sẽ chuyển sang màu tím. Các màu khác cũng có thể bắt nguồn từ sự hòa trộn giữa đen và trắng trong một môi trƣờng bán trong suốt: đó là trƣờng hợp các màu nâu đỏ hoặc da cam của cảnh hoàng hôn. Tóm lại, ngƣời Hy Lạp là tác giả của ba lý thuyết rất khác nhau về thị giác: lý thuyết "tia thị giác" xuất phát từ mắt của Empédocle; lý thuyết "hạt" của Leucippe và Démocrite, theo đó các hình dạng chuyển động đƣợc cấu thành từ các nguyên tử tách khỏi bề mặt của các vật; và lý thuyết "diaphane" của Aristote, trong đó một nguồn sáng thực tại hóa sự trong suốt của không khí xung quanh truyền đến mắt ngƣời cảm giác về các màu sắc và hình dạng của các vật. Các quan niệm này đã có ảnh hƣởng to lớn đến các nhà tƣ tƣởng quan tâm đến vấn đề ánh sáng và thị giác trong suốt hai mƣơi thế kỷ sau đó. - Aristote cho rằng chức năng của não là làm lạnh máu. - Các ngôi sao đƣợc nhìn thấy qua một môi trƣờng khác, là ê-te. Đó là nguyên tố thứ năm, có các phẩm chất thần thánh, mà Aristote gọi là "tinh chất". 2.1.7 Vật lý học thời kỳ Hy lạp hóa GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 35 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 Cuối thế kỷ IV TCN, sau khi Alexandre đại đế chết, đế quốc Hy Lạp tan rã. Một thời kỳ mới hình thành, thời kỳ Hy Lạp hóa (ở các quốc gia mới thành lập). Triết học tự nhiên duy nhất bắt đầu tách ra thành những ngành khoa học tự nhiên và khoa học xã hội cụ thể. Museion ở Alexandria là một trung tâm nghiên cứu khoa học lớn. Hầu nhƣ tất cả các nhà khoa họ thời đó đều có quan hệ trực tiếp hoặc trao đổi thƣ từ với cách nhà khoa học Alexandria. Alexandria trở thành trung tâm khoa học thời bấy giờ. Do đó thời kì Hy Lạp hóa cũng đƣợc gọi là thời kì Alexandria. 2.1.7.1 Euclide (TK III TCN) Euclide (TK III TCN) đã tổng kết và hệ thống những tri thức toán học cổ đại. Trong cuốn ―Nguyên lý hình học‖, ông vận dụng phƣơng pháp logic của Aristote và trên cơ sở một số định nghĩa và tiên đề để xây dựng nên một hệ thống hình học ngày nay gọi là hình học Euclide. Không gian của Euclide là không gian diễn ra các hiện tƣợng vật lý của cơ học cổ điển. Euclide cũng đặt cơ sở cho quang hình học mang tên ―Quang học‖ và ―Phản quang học‖. Euclide xây dựng khái niệm tia sáng và dùng hình học để tìm ra những định luật của sự truyền và phản xạ ánh sáng qua gƣơng và gƣơng cầu, nhƣng chƣa xác định đƣợc tiêu điểm của gƣơng cầu. Hình 2.3: Euclide nhà toán học lỗi lạc thời cổ Hy Lạp * Khái niệm tia sáng: Đƣờng thẳng đi từ nguồn sáng theo đƣờng truyền của tia sáng gọi là tia sáng. Có vô số tia sáng phát ra từ một nguồn (dù nhỏ). 2.1.7.2 Archimède (287 – 212 TCN) Archimède (287 – 212 TCN) đã học ở Alexandria. Ông suốt đời mang hiểu biết khoa học vào việc xây dựng và bảo vệ tổ quốc. Một nhà bác học kiêm kỹ sƣ giỏi: chế tạo nhiều lọai máy cơ học để nâng nƣớc sông lên tƣới đồng ruộng, các máy ném đá… Archimède tìm ra quy tắc đòn bẩy, đã định nghĩa trọng tâm của một vật. Trong tác phẩm ―Về các vật nổi‖, Archimède đã phát biểu định luật nổi tiếng về sức đẩy của chất lỏng. Archimède cũng có những nghiên cứu về thiên văn học và quang học, nhƣng không truyển lại tới nay. Ông là đỉnh cao của khoa học cổ đại. GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 36 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 Hình 2.4: Archimède (Ác-si-mét) Nghiên cứu quang học, Archimède đã chứng minh đƣợc rằng có thể tập trung toàn bộ ánh sáng tới vào tiêu điểm của gƣơng nếu gƣơng này có dạng parabol. Nhƣ vậy, ngƣời Hy Lạp đã biết làm chủ kỹ thuật chế tạo gƣơng. Trên thực tế, Archimède đã thiêu rụi hạm đội La Mã đang vây hãm thành phố Syracuse bằng cách dùng các gƣơng parabol khổng lồ tập trung ánh sáng mặt trời lên tàu địch. Hình 2.5: Những chiếc gƣơng dạng parabol đốt cháy những con tàu tấn công Syracuse. Thế kỷ thứ 2 Công Nguyên tác gia Lucian đã viết rằng trong cuộc Bao vây Syracuse (khoảng 214–212 trƣớc Công Nguyên), Archimedes đã dùng lửa đốt cháy các tàu chiến địch. Nhiều thế kỷ sau, Anthemius của Tralles đã đề cập tới những gƣơng đốt cháy nhƣ vũ khí của Archimède. Thiết bị này, thỉnh thoảng đƣợc gọi là "tia chiếu của Archimède ", đã đƣợc dùng để hội tụ ánh mặt trời vào những con tàu đang tiếp cận, khiến chúng bắt lửa. Vũ khí nổi tiếng này đã là chủ đề của những cuộc tranh luận về khả năng của nó từ thời Phục Hƣng. René Descartes coi đây là một sai lầm, trong khi những nhà nghiên cứu hiện đại đã tìm cách tái tạo hiệu ứng này bằng những phƣơng tiện có sẵn trong thời Archimède. Mọi ngƣời cho rằng một mạng lƣới các tấm đồng hay đồng thau đƣợc đánh bóng đã đƣợc sử dụng để hội tụ ánh mặt trời vào một con tàu. Cách này sử dụng nguyên lý hội tụ parabol theo một cách tƣơng tự với lò mặt trời. Một cuộc thử nghiệm tia chiếu của Archimède đã đƣợc tiến hành năm 1973 bởi GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 37 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 nhà khoa học Hy Lạp Archimède. Cuộc thử nghiệm diễn ra tại căn cứ hải quân Skaramagas bên ngoài Athens. Lần này 70 chiếc gƣơng đã đƣợc sử dụng, mỗi chiếc có một lớp phủ đồng với kích thƣớc khoảng 5x3 feet (1.5 x 1 m). Những chiếc gƣơng hƣớng vào một miếng gỗ dán giả làm một tàu chiến La Mã ở khoảng cách khoảng 160 feet (50 m). Khi những chiếc gƣơng đƣợc đặt chính xác, con tàu bốc cháy chỉ sau vài giây. Con tàu gỗ dán có một lớp sơn phủ nhựa đƣờng, có thể đã góp phần vào sự cháy. Ngày nay nguyên lý tập trung ánh sáng này vẫn đƣợc dùng trong kỹ thuật để chế tạo các kính thiên văn lớn. Ở thời kỳ Hy Lạp hóa, nguyên tử luận Démocrite, sau một thời gian bị lãng quên, đã đƣợc Epicure (341 – 270 TCN) và Lucrèce (khoảng 99 -55 TCN) phát triển và bổ sung, làm cho cụ thế và mang nhiều tính chất vật lý hơn. Lucrèce đã so sách chuyển động của các nguyên tử với các hạt bụi trong phòng tối… đó chính là hình ảnh chuyển động Brown ngày nay. Tuy nhiên, do không có những ứng dụng thực tế, nguyên tử luận không đƣợc các nhà khoa học thời bấy giờ chấp nhận. Tới TK III TCN, Thiên Văn học bắt đầu tách thành một môn khoa học riêng biệt. Ératôxten, nhà thiên văn học Hy Lạp sống ở Alexandria đo đƣợc chu vi của trái đất khá chính xác. 2.1.7.3 Ptólemée (khoảng 100-178 TK II TCN) Tới TK II TCN, các nhà thiên văn đã quan trắc thiên văn chính xác để mô tả chuyển động của các thiên thể và lập ra một bản đồ sao gồm hơn 1000 sao. Thuyết địa tâm dựa trên học thuyết của Aristote đƣợc đa số các nhà thiên văn công nhận. Theo thuyết địa tâm Trái đất hình cầu và đứng yên ở trung tâm vũ trụ, bao quanh Trái đất có 7 mặt cầu pha lê tinh khiết là: mặt trời, mặt trăng, và 5 hành tinh. Các mặt cầu này chuyển động liên tục với cùng một vận tốc không đổi. Ngoài cùng là một mặt cầu đứng yên trên đó có gắn vô số các sao bất động. Nhƣng các nhà thiên văn cũng đã phát hiện mâu thuẩn giữa kết quả quan sát và lý thuyểt của Aristote. Để giải quyết những mâu thuẫn đó, Ptólemée (khoảng 100-178 TK II TCN) đã có một giải pháp tài tình mô tả đƣợc chuyển động của các hành tinh và tính đƣợc vị trí của hành tinh trên bầu trời vào một thời điểm nhất định. Theo Ptólemée, chỉ có mặt trời và mặt trăng gắn trực tiếp trên các thiên cầu, mỗi hành tinh chuyển động trên một đƣờng tròn nhỏ gọi là ngoại luân, có tâm nằm trên thiên cầu của hành tinh đó. Khi thiên cầu quay tròn, tâm của các ngoại luân đó sẽ vẽ thành một đƣờng tròn lớn gọi là nội luân. Với thuyết ngoại luân và nộ luân Ptólemée không những mô tả chuyển động của các hành tinh mà còn tính đƣợc chính xác vị trí các hành tinh trên bầu trời vào thời điểm cho trƣớc. Hình 2.6: Ptólemée GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 38 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 Hình 2.7: Chuyển động của các hành tinh Ngƣời Hy Lạp cũng đã biết đến hiện tƣợng khúc xạ. Trong cuốn Quang học, Ptolémée miêu tả thí nghiệm đã từng đƣợc Euclide nhắc đến: + Đặt một cái bát to lên bàn và thả xuống đáy bát một đồng tiền xu. Hãy ngồi ở một chỗ sao cho bạn không thể nhìn thấy đồng tiền xu nếu không hơi nhổm ngƣời lên. Nghĩa là đồng xu đã nằm ngoài tầm mắt của bạn. Sau đó hãy đổ nƣớc từ từ vào trong bát. Mức nƣớc tăng lên và, đến một lúc nào đó, bạn sẽ nhìn thấy đồng xu mà không phải nhổm ngƣời lên. Sở dĩ bạn nhìn thấy đồng xu là nhờ khúc xạ ánh sáng: không có nƣớc, các tia sáng xuất phát từ đồng xu không đi vào mắt; có nƣớc, tia sáng bị lệch về phía đáy và đi vào mắt nên bạn có thể nhìn thấy nó. + Một thí nghiệm khác cũng minh hoạ những hiệu ứng lạ của khúc xạ: đặt một cái bút chì vào trong bát nƣớc và bạn thấy cái bút chì này dƣờng nhƣ không còn là một vật nguyên vẹn nữa, mà trông cứ nhƣ bị cắt làm đôi; khúc xạ làm cho phần bị chìm dƣới nƣớc trông cứ nhƣ không gắn với phần nằm trên mặt nƣớc. 2.1.7.4 Claude Galien Cùng với Hippocrate là hai bác sĩ vĩ đại nhất thời Cổ đại. Claude Galien (131 – 201), ông là một gƣơng mặt lớn đóng góp phần phát triển các ý tƣởng về ánh sáng. Galien đã lấy lại một số quan niệm của Aristolte: dƣới ảnh hƣởng kết hợp của các linh khí thị giác và ánh sáng, không khí bao quanh ta chịu một biến đổi làm cho mắt nhìn thấy đƣợc. Các màu sắc cũng làm cho không khí biến đổi. Theo Galien, trung tâm của thị giác là thủy tinh thể. Hình 2.8: Claude Galien (131-201) GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 39 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 2.2 THỜI TRUNG ĐẠI Từ thế kỷ I TCN, đế chế La Mã ra đời bao gồm các miền đất thuộc Nam Âu, Trung Âu, Trung Đông, Bắc Phi. Cũng vào lúc này, Cơ Đốc giáo ra đời. + Tới TK IV, Cơ Đốc giáo trở thành quốc giáo của đế chế. + Tới TK V, đế chế La Mã tan rã. Trung tâm khoa học và thƣ viện Alexandria bị phá hủy, nền văn hóa phong phú cổ Hy Lạp và cổ La Mã hầu nhƣ bị quét sạch khỏi Châu Âu. Lúc này, Cơ Đốc giáo vẫn giữ đƣợc và vẫn phát triển vai trò chỉ đạo. + Chế độ phát kiến hình thành và phát triển ở Trung Quốc và Ấn Độ. + Từ TK V, ở Trung Đông đã hình thành những quốc gia có nền văn hóa và khoa học phát triển. Các nƣớc ARập đóng vai trò quan trọng, là chiếc cầu nối giữa phƣơng đông và phƣơng tây, giữa thời cổ đại và trung đại. Nếu không có các nƣớc A Rập, nền văn hóa phong phú cổ Hy Lạp có thể bị quét sạch, không còn để lại dấu tích gì trên trái đất chúng ta. 2.2.1 Al-Hazen (965 – 1039) Al-Hazen (965 – 1039), nghiên cứu về quang học, ông là ngƣời đầu tiên biết nguyên tắc của buồng tối. Ông đã nghiên cứu các gƣơng phẳng, gƣơng cầu, gƣơng trụ, gƣơng conic. Nhà toán học Arập Alhazen cũng đã đƣa ra một lý thuyết về khúc xạ ánh sáng vào năm 1000, nhƣng không phải bằng ngôn ngữ toán học. Tuy nhiên, trực giác của ông đã tỏ ra đúng đắn. Ông đã cho ánh sáng một vận tốc hữu hạn và thừa nhận ra rằng vận tốc ánh sáng phụ thuộc vào môi trƣờng mà nó đi qua. Alhazen tách vận tốc ánh sáng làm hai thành phần: một vuông góc với mặt phân cách giữa hai môi trƣờng trong suốt, chẳng hạn không khí và nƣớc, và một song song với mặt phân cách ấy; ông nghĩ rằng thành phần song song của tia sáng chậm hơn thành phần nằm vuông góc khi ánh sáng đi vào một môi trƣờng chiết quang hơn (nhƣ từ không khí vào nƣớc), làm cho ánh sáng bị lệch về phía pháp tuyến của của mặt phân cách. Ông đã nghiên cứu và thấy đƣợc hai góc khúc xạ và góc tới có quan hệ nhƣng không xác định đƣợc giữa chúng có quan hệ nhƣ thế nào. Hình 2.9: Al-Hazen GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 40 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 Alhazen đồng ý với quan điểm của Aristote theo đó ánh sáng đến từ bên ngoài và đi vào mắt, chứ không phải ngƣợc lại. Ông đƣa ra nhiều lập luận để bảo vệ quan điểm này. Có một điểm mới: lập luận của ông dựa trên các quan sát hơn là trên các tiên đề toán học theo cách của Euclide. Chẳng hạn, ông đã từng viết, 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 nhƣ vậy. Ngƣợc lại, nếu ánh sáng mặt trời đi đến mắt chúng ta, thì ánh sáng chói loà của nó có thể dễ dàng giải thích tại sao chúng ta lại thấy khó chịu nhƣ vậy. Alhazen cũng nêu lên hiện tƣợng lƣu ảnh; hãy nhìn một vật trong nắng và sau đó đi vào bóng râm: hình ảnh về vật vẫn đọng lại vài giây trƣớc mắt chúng ta. Một lần nữa, hiện tƣợng này cũng chỉ có thể giải thích đƣợc nếu ánh sáng đi vào mắt chúng ta từ bên ngoài. Nhƣng nếu Alhazen bác bỏ ý tƣởng về ―ngọn lửa bên trong‖, thì không vì thế mà ông từ bỏ cơ sở hình học của thị giác đã đƣợc Euclide phát triển. Theo ông, các tia sáng thật sự tồn tại. Chúng lan truyền theo đƣờng thẳng (ngƣời ta có thể nhìn thấy đƣờng đi thẳng của ánh sáng qua một khe nhờ các hạt bụi làm cho ánh sáng nhìn thấy đƣợc; chỉ có điều, cảm giác về sự lan truyền của chúng bị đảo ngƣợc: chúng lan truyền từ vật đến mắt, chứ không phải từ mắt đến vật. 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 hƣớng (trừ phi vật này là một cái gƣơng, trong trƣờng hợp đó ánh sáng đi ngƣợc trở lại theo một và chỉ một hƣớng), và chỉ một tỉ lệ nhỏ của chúng đi vào mắt chúng ta. Ở đây Alhazen đã đƣa ra ý tƣởng về sự tán xạ ánh sáng. Ngƣợc lại với điều mà Démocrite và Épicure đƣa ra, không phải các ―ảo ảnh‖ xuất phát từ vật, mà là các tia sáng. Mặt nón của Euclide vẫn tồn tại, nhƣng bị đảo lại: đỉnh nằm trên vật, và đáy của nó trên con ngƣơi, chứ không phải ngƣợc lại. Theo Alhazen, ánh sáng trong môi trƣờng xung quanh là cần thiết để nhìn: các tia thị giác chỉ phát ra từ vật nếu bản thân chúng cũng sáng hoặc đƣợc chiếu sáng. Ông cũng đã tấn công quan niệm của Aristote về sự trong suốt; ông cho rằng sự trong suốt của các môi trƣờng trung gian giữa mắt và vật không gắn kết quá mạnh với nguồn sáng, mà có thể đƣợc giải thích bằng các tia sáng lan truyền theo đƣờng thẳng. 2.2.2 Roger Bacon ( 1214-1292 ) Roger Bacon ( 1214-1292 ), là một trong những thầy dòng Franciscan nổi tiếng vào thời của ông. Ông là một triết gia ngƣời Anh đã nhấn mạnh tầm quan trọng đáng kể vào chủ nghĩa kinh nghiệm, ông là một trong những ngƣời châu Âu đầu tiên ủng hộ phƣơng pháp khoa học hiện đại. Trong các sách chuyên luận về ánh sáng và màu sắc, ông đã cố gắng tổng hợp các quan niệm của Alhazen về ánh sáng và màu sắc (vốn là các ― dạng thức‖ phi vật chất ) và các quan niệm của Alhazen ( màu sắc đƣợc truyền bởi các tia phát ra từ tất cả các điểm của vật ). Theo Bacon, mọi vật phóng theo đƣờng thẳng về tất cả các hƣớng một cái gì đó thuộc tinh chất của nó mà ông gọi là ―loài‖. Chẳng hạn, Mặt trời phát ra các ―loài‖ sáng. 2.2.3 René Descartes (1596–1650) GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 41 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 René Descartes (1596–1650) là triết gia, nhà khoa học, nhà toán học ngƣời Pháp, đƣợc một số ngƣời xem là cha đẻ của triết học hiện đại. Hình 2.10: René Descartes 2.2.3.1 Nghiên cứu khoa học: Triết học Descartes, có khi đƣợc gọi là Cartesianism (tiếng Anh), đã khiến cho ông có nhiều giải thích sai lầm về các hiện tƣợng vật lý. Tuy nhiên, các giải thích đó cũng có một giá trị nhất định, vì ông đã dùng những giải thích cơ học thay cho những quan điểm tinh thần mơ hồ của các tác giả đi trƣớc. Ban đầu Descartes đã công nhận thuyết Copernic về hệ thống vũ trụ trong đó các hành tinh xoay quanh Mặt Trời, nhƣng ông đã từ bỏ nó chỉ vì giáo hội Thiên Chúa La Mã phán rằng thuyết đó tà đạo. Thay vào đó ông đƣa ra lý thuyết dòng xoáy – cho rằng vũ trụ đƣợc lấp đầy vật chất, ở các trạng thái khác nhau, xoáy quanh mặt trời. Trong lĩnh vực sinh lý học, Descartes giữ quan điểm rằng máu là một chất lỏng tinh tế mà ông gọi là hồn của động vật. Ông tin rằng hồn động vật tiếp xúc với chất suy nghĩ ở trong não và chảy dọc theo các dây thần kinh để điều khiển cơ bắp và các phần khác của cơ thể. Về quang học, Descartes đã khám phá ra định luật cơ bản của sự phản xạ: góc tới bằng góc phản xạ. Tiểu luận của ông là văn bản đầu tiên trình bày đề cập đến định luật này. Việc Descartes xem ánh sáng nhƣ một thứ áp lực trên môi trƣờng chất rắn đã dẫn đƣờng cho lý thuyết sóng của ánh sáng. 2.2.3.2 Các định luật về ánh sáng 2.2.3.2.1 Sự truyền thẳng của ánh sáng + Định luật Descartes: Trong môi trƣờng trong suốt, đồng tính và đẳng hƣớng ánh sáng truyền theo đƣờng thẳng. Sự truyền thẳng của ánh sáng có rất nhiều ứng dụng trong đời sống và kĩ thuật. Chẳng hạn, dựa vào sự truyền thẳng của ánh sáng, ngƣời ta chế tạo những chiếc thƣớc ngắm để xác định các điểm nằm trên một đƣờng thẳng trong không gian; Khi các em học sinh đứng thẳng hàng, bạn tổ trƣởng đứng đầu hàng (cho dù là học sinh lớp 1 hay 12) cũng ―biết dùng‖ định luật truyền thẳng của ánh sáng để kiểm tra xem hàng đã thẳng chƣa bằng cách … ―ngắm‖. Ngoài ra ta có thể vận dụng đặc điểm về sự truyền thẳng của ánh sáng để giải thích nhiều hiện tƣợng lí thú khác trong tự nhiên: GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 42 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 * “Bóng tối” và “bóng nửa tối” Bóng tối là gì ? Đặt một nguồn sáng nhỏ S (nhƣ bóng đèn, ngọn nến) trƣớc một màn chắn (có thể là bức tƣờng chẳng hạn), trong khoảng từ nguồn sáng đến màn chắn đặt một vật cản ánh sáng (nhƣ tấm bìa cứng), quan sát trên màn chắn ta thấy có một phần không nhận đƣợc ánh sáng từ nguồn sáng chiếu tới phần đó gọi là bóng tối. Hình 2.11: Nghệ thuật tạo bóng bàn tay. Bóng nửa tối là gì? Nếu nguồn sáng là rộng nhƣ ngọn lửa chẳng hạn, quan sát trên màn chắn ta thấy ngoài là bóng tối còn có một phần không tối hoàn toàn bao xung quanh, phần này chỉ nhận đƣợc ánh sáng từ một phần của nguồn sáng chiếu tới gọi là bóng nửa tối. Ví dụ: Vào ban đêm, trong phòng chỉ có một ngọn đèn dầu. Khi ta đứng gần tƣờng, bóng của ta in rõ nét trên tƣờng, nhƣng khi tiến lại gần đèn thì bóng của ta trên tƣờng ngày càng kém rõ nét hơn. Vì sao nhƣ vậy? Đó là vì: Khi đứng gần tƣờng (xa đèn) xuất hiện vùng bóng tối và bóng nửa tối. Do khoảng cách giữa ngƣời và tƣờng nhỏ hơn nhiều so với khoảng cách giữa ngƣời và đèn nên bóng nửa tối bị thu hẹp, ta thấy vùng bóng tối rõ nét. Khi đứng gần đèn, vùng bóng nửa tối đƣợc nới rộng thêm nên vùng bóng tối lại kém rõ nét. * Trong cuộc sống - Từ đồng ruộng … Trên một thửa ruộng ngƣời ta cắm 3 cái cọc thẳng đứng. Nếu trong tay không có một dụng cụ nào, làm thế nào để xác định 3 cái cọc đó có thẳng hàng hay không? Đơn giản nhƣ những ngƣời nông dân vẫn thƣờng làm mà: Nheo một mắt và nhìn bằng mắt kia trƣớc một cọc (đầu tiên) ngắm thẳng theo hƣớng của 2 cái cọc còn lại, nếu 2 cọc còn lại bị cọc đầu tiên che khuất thì cả 3 cọc đã thẳng hàng. Đó là một hệ quả rút ra từ định luật truyền thẳng ánh sáng. - Đến các xƣởng mộc Còn các bác thợ mộc thì sao? Những ngƣời thợ mộc khi bào những thanh gỗ thẳng, thỉnh thoảng họ lại nâng một đầu thanh gỗ lên để ngắm. Làm nhƣ vậy có tác dụng gì ? Nguyên tắc của cách làm này đã dựa trên kiến thức vật lí nào? Bây giờ thì bạn cũng biết rồi: Ngƣời thợ mộc nâng một đầu thanh gỗ lên để ngắm nhằm mục đích kiểm tra GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 43 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 xem mặt gỗ bào đã phẳng chƣa. Nguyên tắc của cách làm này dựa trên định luật truyền thẳng của ánh sáng. - Với lớp học và bệnh viện: Tại sao trong các lớp học, ngƣời ta lắp nhiều bóng đèn ở các vị trí khác nhau mà không dùng một bóng đèn lớn (độ sáng của một bóng đèn lớn có thể bằng độ sáng của nhiều bóng đèn nhỏ hợp lại) ? Đơn giản việc lắp đặt bóng đèn thắp sáng trong các lớp học phải thỏa mãn ba yêu cầu sau: Phải đủ độ sáng cần thiết; Học sinh ngồi ở dƣới không bị chói khi nhìn lên bảng đen và tránh các bóng tối và bóng nửa tối trên trang giấy mà tay học sinh viết bài có thể tạo ra. Trong ba yêu cầu trên, một bóng đèn lớn chỉ có thể thỏa mãn yêu cầu thứ nhất mà không thỏa mãn đƣợc hai yêu cầu còn lại. Trong khi đó, nếu dùng nhiều bóng đèn lắp ở những vị trí thích hợp sẽ thỏa mãn đƣợc cả ba yêu cầu. Đó chính là lý do giải thích vì sao trong lớp học ngƣời ta thƣờng lắp nhiều bóng đèn ở các vị trí khác nhau. Hình 2.12: Ứng dụng định luật vào lớp học Trong các phòng mổ ở bệnh viện, ngƣời ta đã làm nhƣ thế nào để khi mổ, bàn tay của Bác sĩ không che khuất vết mổ hoặc tạo bóng tối trên chỗ mổ của bệnh nhân? Ứng dụng định luật truyền thẳng ánh sáng ngƣời ta thiết kế nhiều bóng đèn ở nhiều vị trí khác nhau sẽ làm cho ánh sáng của các bóng đèn này đan chéo nhau, khi mổ cho bệnh nhân, bàn tay của Bác sĩ có thể tạo ra bóng nửa tối đối với một ngọn đèn nào đó nhƣng không thể tạo bóng tối đối với tất cả các bóng đèn trong phòng. * Vũ trụ Nhật thực và nguyệt thực chỉ là hai hiện tƣợng tự nhiên gần với ta nhất mà khi giải thích, cần phải có kiến thức về sự truyền thẳng ánh sáng, bóng tối và bóng nửa tối… Thời cổ đại, mọi ngƣời không hiểu nhật thực là gì, tại sao lại có hiện tƣợng bất thƣờng nhƣ vậy, họ thƣờng gõ trống la hét để đuổi con ―chó trời‖ đang ăn mất Mặt trời đi, thực ra con chó trời mà họ gọi chính là Mặt trăng. Chúng ta đã biết rằng, Trái đất quay quanh Mặt trời, Mặt trăng lại quay quanh Trái đất, do mặt đất và Mặt trăng đều là những khối hình cầu, trong một lúc chỉ có thể bị Mặt trời chiếu sáng một mặt còn mặt khác thị bị bóng đen bao phủ, ánh Mặt trời chiếu rất mạnh, bóng đen cũng rất dài và rất rõ ràng. Khi Mặt trăng chuyển động đến giữa Trái đất và Mặt trời, nếu nhƣ Mặt trăng, Mặt trời và Trái đất nằm trên một đƣờng thẳng hoặc là gần một đƣờng thẳng thì bóng của Mặt trăng sẽ kéo dài trên bề mặt Trái đất, mọi ngƣời cƣ trú trên Trái đất nơi GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 44 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 có bóng của Mặt trăng thì sẽ nhìn thấy có một hình tròn mầu đen che khuất mất Mặt trời, lúc này bắt đầu xuất hiện hiện tƣợng nhật thực. Dựa theo diện tích lớn nhỏ của Mặt trời khi bị Mặt trăng che khuất, nhật thực có thể chia thành nhật thực một phần ( Mặt trời chỉ bị che khuất mất một phần ) và nhật thực vòng ( phần giữa của Mặt trăng bị che khuất, ở xung quanh vẫn còn một vòng tròn ánh sáng ), nhật thực toàn phần (Mặt trời hoàn toàn bị che khuất), điều này đƣợc quyết định bởi mức độ thẳng hay cong của đƣờng thẳng do Mặt trời, Mặt trăng và Trái đất tạo thành. Do mỗi tháng Mặt trăng chỉ đi vào khoảng giữa của Trái đất và Mặt trời vào ngày mùng một âm lịch nên nhật thực nhất định xảy ra vào ngày mùng một âm lịch, song không phải ngày mùng một nào cũng xuất hiện hiện tƣợng nhật thực . Hình 2.13: Nhật thực Nguyệt thực: Mặt trời chiếu sáng Mặt trăng. Đứng từ Trái đất về ban đêm ta nhìn thấy ánh sáng phản chiếu từ Mặt trăng. Khi Mặt trăng bị Trái Đất che khuất, nó không đƣợc Mặt trời chiếu sáng nữa, lúc đó ta không nhìn thấy Mặt trăng, ta nói là có nguyệt thực. Mặt trăng quay quanh Trái đất, Trái đất lại quay quanh Mặt trời nên chỉ khi mặt trăng đi vào vùng bóng tối của Trái đất hoàn toàn mới có hiện tƣợng nguyệt thực toàn phần , trong trƣờng hợp này chỉ có một số vị trí nhất định trên Trái đất mới quan sát đƣợc (những vị trí này nằm trên mặt đất, xung quanh đƣờng thẳng nối tâm Mặt trời, Trái đất và Mặt trăng. Những khu vực lân cận khác chỉ thấy nguyệt thực một phần). Quang hình học dựa trên khái niệm tia sáng. Tia sáng là đƣờng thẳng, vẽ theo đƣờng truyền của ánh sáng. Đây là một khái niệm lý tƣởng hóa, vì ta không thể tạo ra một lỗ có đƣờng kính bằng 0 để chỉ cho một tia sáng đi qua và ngay cả khi tạo đƣợc lỗ có đƣờng kính bằng 0 hiện tƣợng nhiễu xạ đã ảnh hƣởng rõ rệt, làm cho định luật truyền thẳng không còn đúng nữa. Khi ánh sáng gặp một vật, thì một trong hai hiện tƣợng sẽ xảy ra: hoặc là nó nảy trên bề mặt của vật để quay lại phía sau, và ngƣời ta nói ánh sáng bị phản xạ (chẳng hạn, khi bạn nhìn mình trong gƣơng, thì chính ánh sáng của cơ thể bạn đƣợc phản xạ bởi gƣơng đi vào trong mắt bạn) hoặc là ánh sáng đi vào môi trƣờng mới trong suốt bằng cách thay đổi hƣớng, và ngƣời ta nói ánh sáng bị khúc xạ. 2.2.3.2.2 Sự khúc xạ GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 45 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 Ngƣời đầu tiên thiết lập đƣợc công thức toán học về định luật khúc xạ là Kepler. Trong cuốn Khúc xạ học, Kepler cho rằng tỷ số của góc tới (tức là góc lập bởi tia và pháp tuyến) và góc khúc xạ là không đổi. Nhƣng định luật này chỉ đúng đối với các góc nhỏ. Phải đợi đến thế kỷ XVI, nhà khoa học ngƣời Hà Lan Willibrord Snell (15801626) mới phát hiện ra định luật đúng về khúc xạ: Tỷ số của sin góc tới và sin góc khúc xạ là không đổi, dù góc tới có là thế nào chăng nữa. Định luật khúc xạ đƣợc phát hiện sau khoảng một nghìn năm nghiên cứu này là một trong những định luật đầu tiên của vật lý học đƣợc phát biểu một cách định lƣợng. Nhƣng nếu Snell biết miêu tả hình dạng của ánh sáng khúc xạ bằng một công thức toán học, thì ông lại không thể giải thích đƣợc nó. Descartes cố gắng tìm ra nguồn gốc của định luật của Snell bằng cách mƣợn ý tƣởng của Alhazen: chính sự thay đổi vận tốc của tia sáng khi đi từ môi trƣờng này sang môi trƣờng khác là nguyên nhân của hiện tƣợng khúc xạ. Nhƣng sơ đồ của ông là ngƣợc với sơ đồ của Alhazen: Thay vì phần ánh sáng song song với mặt phân cách giữa hai môi trƣờng chậm lại so với thành phần vận tốc thẳng đứng không thay đổi, Descartes lại cho rằng thành phần vận tốc thẳng đứng tăng lên so với thành phần song song không thay đổi. Ông cho rằng tỷ số sin của góc tới và sin của góc khúc xạ là không đổi và bằng tỷ số của vận tốc ánh sáng trong nƣớc và vận tốc ánh sáng trong không khí. Nhƣng, bởi vì góc tới lớn hơn góc khúc xạ, nên theo Descartes, ánh sáng đi trong nƣớc nhanh hơn đi trong không khí. Vận tốc của ánh sáng tăng khi chuyển từ một môi trƣờng kém chiết quang sang một môi trƣờng chiết quang hơn: một kết quả chí ít cũng là hoàn toàn phi trực giác. Hình 2.14: Snell và Descartes Sau này bằng cách mƣợn lại các quan điểm của Alhazen và Descartes, nhà bác học ngƣời Anh Isaac Newton (1642-1727) đã dùng những suy luận theo thủy động lực học để đƣa ra một sự biện minh sai lầm: các kênh hẹp hơn trong môi trƣờng đặc hơn sẽ buộc ánh sáng phải đi nhanh hơn, giống nhƣ nƣớc chảy nhanh hơn khi chúng ta bóp nhỏ đƣờng kính của ống ở chỗ nƣớc phun ra. Nhƣng lƣơng tri của chúng ta chống lại sự biện minh đó: nó mách bảo chúng ta rằng một môi trƣờng càng đặc (tức chiết quang hơn) sẽ cản trở càng mạnh sự truyền của ánh sáng, và ánh sáng càng bị chậm hơn, chứ không phải ngƣợc lại. Khi ánh sáng gặp một vật, thì một trong hai hiện tƣợng sẽ xảy ra: hoặc là nó nảy trên bề mặt của vật để quay lại phía sau, và ngƣời ta nói ánh sáng bị phản xạ GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 46 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 (chẳng hạn, khi bạn nhìn mình trong gƣơng, thì chính ánh sáng của cơ thể bạn đƣợc phản xạ bởi gƣơng đi vào trong mắt bạn) hoặc là ánh sáng đi vào môi trƣờng mới trong suốt bằng cách thay đổi hƣớng, và ngƣời ta nói ánh sáng bị khúc xạ. * Tìm hiểu định luật Snel – Descartes Thí nghiệm này đã đƣợc ngƣời ta thực hiện từ rất xa xƣa. Thoạt đầu, ngƣời ta tƣởng rằng góc khúc xạ tỉ lệ với góc tới. Tuy nhiên, thực nghiệm cho thấy điều này chỉ đúng đối với những góc tới nhỏ và hoàn toàn sai khi góc tới lớn. Mãi đến năm 1621, Snell (ngƣời Hà Lan) bằng thực nghiệm mới phát hiện ra là sin của góc khúc xạ tỉ lệ với sin của góc tới. Sau đó ít lâu, Descartes (ngƣời pháp) đã chứng minh kết quả này bằng lý thuyết và phát biểu nó dƣới dạng một định luật. Khi phát hiện ra tỉ số giữa sin góc tới và góc khúc xạ là một hằng số, Snell đã đóng góp thành công trong việc phát triển một quy luật định nghĩa một giá trị liên hệ với tỉ số của góc tới và góc khúc xạ, sau này đƣợc gọi là sức bẻ cong hay chiết suất của chất. Trong thực tế, một chất càng có khả năng bẻ cong hay làm khúc xạ ánh sáng, ngƣời ta nói nó có chiết suất càng lớn. Cái que trong nƣớc trông có vẻ bị bẻ cong vì các tia sáng xuất phát từ que bị bẻ cong đột ngột tại mặt phân giới nƣớc - không khí trƣớc khi đi tới mắt chúng ta. Định luật Descartes: Ánh sáng truyền từ môi trƣờng trong suốt có chiết suất n1 qua bề mặt lƣỡng chất phẳng tới môi trƣờng trong suốt có chiết suất n2 với góc tới i1 và góc khúc xạ i2 thì: n1sini1=n2sini2 (2.1) Hình 2.15: Khúc xạ ánh sáng Công thức đặc trƣng của hiện tƣợng khúc xạ, còn gọi là định luật Snell hay định luật khúc xạ ánh sáng có dạng: (2.2) Trong đó: i: là góc giữa tia sáng đi từ môi trƣờng 1 tới mặt phẳng phân cách và pháp tuyến của mặt phẳng phân cách hai môi trƣờng. r: là góc giữa tia sáng đi từ mặt phân cách ra môi trƣờng 2 và pháp tuyến của mặt phẳng phân cách hai môi trƣờng. n1: là chiết suất môi trƣờng 1. GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 47 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 n2: là chiết suất môi trƣờng 2. Tỉ số không thay đổi, phụ thuộc vào bản chất của hai môi trƣờng đƣợc gọi là chiết suất tỉ đối của môi trƣờng chứa tia khúc xạ (môi trƣờng 2) đối với môi trƣờng chứa tia tới (môi trƣờng 1). Nếu tỉ số này lớn hơn 1 thì góc khúc xạ nhỏ hơn góc tới, ta nói môi trƣờng 2 chiết quang hơn môi trƣờng 1. Ngƣợc lại nếu tỉ số này nhỏ hơn 1 thì góc khúc xạ lớn hơn góc tới, ta nói môi trƣờng 2 chiết quang kém môi trƣờng 1. Lưu ý: Trong trƣờng hợp tỉ số , để xảy ra hiện tƣợng khúc xạ thì góc tới phải nhỏ hơn góc khúc xạ giới hạn: Nếu góc tới i lớn hơn góc khúc xạ igh, thì sẽ không có tia khúc xạ, thay vào đó sẽ xảy ra hiện tƣợng phản xạ toàn phần. Năm 1678, một nhà khoa học ngƣời Hà Lan, Christian Huygens, đã nêu ra một mối quan hệ toán học để giải thích các quan trắc của Snell và cho rằng chiết suất của một chất liên quan tới tốc độ của ánh sáng truyền qua chất đó. Huygens xác định đƣợc tỉ số liên hệ giữa góc của các đƣờng đi ánh sáng trong hai chất có chiết suất khác nhau phải bằng với tỉ số vận tốc ánh sáng khi truyền qua mỗi chất đó. Nhƣ vậy, ông cho rằng ánh sáng truyền đi chậm hơn trong chất có chiết suất lớn hơn. Phát biểu cách khác, vận tốc ánh sáng qua một môi trƣờng tỉ lệ nghịch với chiết suất của nó. Mặc dù quan điểm này đã đƣợc xác nhận bằng thực nghiệm kể từ thời đó, nhƣng nó không hiển nhiên ngay đối với đa số các nhà nghiên cứu thế kỉ XVII và XVIII, những ngƣời không có đủ phƣơng tiện đo vận tốc ánh sáng. Đối với những nhà khoa học này, ánh sáng hình nhƣ truyền đi ở cùng một tốc độ, không kể vật chất mà nó truyền trong đó là gì. Hơn 150 năm sau khi Huygens qua đời, tốc độ ánh sáng mới đƣợc đo chính xác để khẳng định lí thuyết của ông là đúng. 2.2.3.2.3 Sự phản xạ Hiện tƣợng phản xạ toàn phần (còn đƣợc gọi là phản xạ nội toàn phần) (tiếng Anh: total internal reflection) là một hiện tƣợng quang học. Nó đƣợc phát biểu thành định luật nhƣ sau: Cho hai môi trƣờng 1 và 2 với độ chiết suất tƣơng ứng là n1 và n2 và n2igh , với igh là góc khúc xạ giới hạn) thì tia sáng sẽ phản xạ ngƣợc trở lại môi trƣờng cũ (thay vì khúc xạ sang môi trƣờng mới). Hình 2.16: Phản xạ toàn phần GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 48 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 Trong định luật trên, góc khúc xạ giới hạn (còn đƣợc gọi là góc khúc xạ tới hạn) đƣợc tính theo công thức: (2.3) * Giải thích hiện tượng dưới góc độ toán học Theo định luật Snell, nếu tia sáng khúc xạ sang môi trƣờng mới, thì mối liên hệ giữa góc tới và góc khúc xạ nhƣ sau: (2.4) suy ra: Nếu góc tới lớn hơn giá trị góc khúc xạ giới hạn: (2.5) Rõ ràng nhƣ thế không tồn tại r để , có nghĩa là tia sáng sẽ không bị khúc xạ, mà nó sẽ phản xạ hoàn toàn trở lại môi trƣờng cũ. Nhƣ vậy ta có thể mô tả một cách tổng quát nhƣ sau: - Nếu i < igh thì tia sáng khúc xạ sang môi trƣờng mới và tuân theo định luật Snell - Nếu i > igh thì tia sáng bị phản xạ toàn phần trở lại môi trƣờng cũ. Ví dụ: Khi tia sáng đi trong môi trƣờng là kính acrylic (tiếng Anh: acrylic glass) (có hệ số chiết suất xấp xỉ 1,500) ra môi trƣờng không khí (hệ số chiết suất xấp xỉ 1,000) thì góc giới hạn cho góc tới của nó bằng: GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 49 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 Chƣơng 3: CÁC PHÁT MINH BAN ĐẦU VỀ QUANG HỌC 3.1 QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH QUAN NIỆM LƢỠNG TÍNH SÓNG HẠT 3.1.1 Huyghens:Lý thuyết sóng ánh sáng 3.1.1.1 Đôi nét về tiểu sử Huyghens Christiaan Huygens (1629-1695) trong một gia đình ƣu tú ở Hà Lan, đƣợc 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 ngƣời Hà Lan này cũng bác bỏ quan điểm của Descartes cho rằng ánh sáng nhƣ một xung động lan truyền tức thời. Theo ông, ánh sáng lan truyền trong không gian cũng giống nhƣ sóng đƣợc sinh ra khi ta ném một viên đá xuống ao, nó sẽ truyền trên khắp mặt nƣớc. Hình 3.1: Huygens Với một bộ óc toàn năng, vừa là nhà thực nghiệm vừa là nhà lý thuyết, Huygens đã có những đóng góp to lớn cho nhiều lĩnh vực khoa học khác nhau. Đóng góp cho thiên văn học của ông là phát hiện ra các vành của Thổ tinh và mặt trăng lớn Titan của hành tinh này. Nhờ phát minh ra kính mắt trong kính thiên văn của ông, cho phép thực hiện đƣợc các quan sát chính xác mà Huygens đã đo đạc đƣợc chuyển động quay của Hỏa tinh. Trong toán học, ông là ngƣời biên soạn chuyên luận đầy đủ đầu tiên về phép tính xác suất. Trong cơ học, ông đã xây dựng lý thuyết con lắc đƣợc sử dụng để điều chỉnh đồng hồ. Trong quang học, ông giải thích các định luật phản xạ và khúc xạ bằng lý thuyết sóng ánh sáng. Năm 1666, ông đƣợc vua Louis XIV và Colbert mời đến Paris để thành lập tại đây Viện Hàn lâm Khoa học, mà ông là Tổng thƣ ký đầu tiên. Vì là ngƣời theo đạo Tin Lành, nên ông đã quay trở về Hà Lan vào năm 1685 do bị cách chức theo chỉ dụ Nantes của vua Henri IV. Chính tại đây vào năm 1690, ông đã cho xuất bản cuốn Luận về ánh sáng nổi tiếng. Theo Huygens, ánh sáng không thể bắt nguồn từ sự dịch chuyển các hạt của vật sáng tới mắt. Nhà vật lý học ngƣời Hà Lan này cũng bác bỏ quan điểm của Descartes cho rằng ánh sáng nhƣ một xung động lan truyền tức thời. Theo ông, ánh sáng lan truyền trong không gian cũng giống như sóng đƣợc sinh ra khi ta ném một viên đá xuống ao, nó sẽ truyền trên khắp mặt nƣớc. 3.1.1.2 Ánh sáng theo quan điểm Huyghens 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 lƣợng, tồn tại nhƣ 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. GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 50 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 Hình 3.2: Sóng và mặt sóng Huyghens 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 dƣới dạng các sóng cầu có tâm tại mỗi một hạt rung này. Vô số các sóng cầu này đƣợc 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 ngƣời 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 trƣờng trong suốt. Huygens thừa nhận rằng các hạt ête cứng và rắn đến mức chúng truyền mọi nhiễu động hầu nhƣ tức thời. Chỉ cần một sự rung nhẹ ở đầu bên này của một hạt ête là ngay lập tức nó sẽ đƣợc truyền sang đầu bên kia. Ngƣợc lại, các hạt không khí mềm hơn và truyền các rung động chậm hơn rất nhiều 3.1.1.3 Huyghens giải thích các hiện tượng * Hiện tượng phản xạ Thuyết sóng xem nguồn sáng phát ra các sóng ánh sáng trải ra theo mọi hƣớng. Khi chạm lên gƣơng, các sóng bị phản xạ theo góc tới, nhƣng với mỗi sóng phản hồi trở lại tạo ra một ảnh đảo ngƣợc. Hình 3.3: Sóng phản xạ GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 51 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 * Hiện tượng khúc xạ Huygens cho rằng vận tốc ánh sáng trong một chất bất kì tỉ lệ nghịch với chiết suất của nó. Nhƣ vậy, vận tốc của ánh sáng trong không khí lớn hơn vận tốc ánh sáng trong nƣớc. (3.1) Hình 3.4: Sóng khúc xạ Khi một chùm ánh sáng truyền giữa hai môi trƣờng có chiết suất khác nhau thì chùm tia bị khúc xạ (đổi hƣớng). Một phần nhỏ của mỗi đầu sóng góc phải chạm đến môi trƣờng thứ hai trƣớc khi phần còn lại của đầu sóng tiến đến mặt phân giới. Phần này sẽ bắt đầu đi qua môi trƣờng thứ hai sẽ chuyển động chậm hơn do chiết suất của môi trƣờng thứ hai cao hơn, trong khi phần còn lại của sóng vẫn còn truyền trong môi trƣờng thứ nhất. Do mặt sóng lúc này truyền ở hai tốc độ khác nhau, nên nó sẽ uốn cong vào môi trƣờng thứ hai, do đó làm thay đổi hƣớng truyền. * Hiện tượng nhiễu xạ Thuyết sóng của Huyghens chƣa giải thích đƣợc hiện tƣợng này. Và để nói lên quan điểm của mình, năm 1960, Huyghen công bố “GIÁO TRÌNH QUANG HỌC”, đây là công trình đầu tiên về lý thuyết sóng ánh sáng. 3.1.2 Newton: Ánh sáng là hạt 3.1.2.1 Đôi nét tiểu sử Newton Isaac Newton là một nhà vật lý, nhà thiên văn học, nhà triết học, nhà toán học, nhà thần học và nhà giả kim ngƣời Anh, đƣợc nhiều ngƣời cho rằng là nhà khoa học vĩ đại và có tầm ảnh hƣởng lớn nhất. Isaac Newton sinh ra tại một ngôi nhà ở Woolsthorpe, gần Grantham ở Lincolnshire, Anh, vào ngày 25 tháng 12 năm 1642 (4 tháng 1, 1643 theo lịch mới). Ông chƣa một lần nhìn thấy mặt cha, do cha ông, một nông dân cũng tên là Isaac Newton, mất trƣớc khi ông sinh ra không lâu. Sống không hạnh phúc với cha dƣợng từ nhỏ, Newton bắt đầu những năm học phổ thông trầm uất, xa nhà và bị gián đoạn bởi các biến cố gia đình. May mắn là do không có khả năng điều hành tài chính trong vai anh cả sau khi cha dƣợng mất, ông tiếp tục đƣợc cho học đại học (trƣờng Trinity College Cambridge) sau phổ thông vào năm 1661, sử dụng học bổng của trƣờng với điều kiện phải phục dịch các học sinh đóng học phí. GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 52 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 Hình 3.5: Isaac Newton Ông đƣợc nhận làm giảng viên của trƣờng Đại học Cambridge năm 1670, sau khi hoàn thành thạc sĩ, và bắt đầu nghiên cứu và giảng về quang học. Ông lần đầu chứng minh ánh sáng trắng thực ra đƣợc tạo thành bởi nhiều màu sắc, và đƣa ra cải tiến cho kính thiên văn sử dụng gƣơng thay thấu kính để hạn chế sự nhòe ảnh do tán sắc ánh sáng qua thuỷ tinh. Newton đƣợc bầu vào Hội Khoa học Hoàng gia Anh năm 1672 và bắt đầu vấp phải các phản bác từ Huygens và Hooke về lý thuyết hạt ánh sáng của ông. Lý thuyết về màu sắc ánh sáng của ông cũng bị một tác giả phản bác và cuộc tranh cãi đã dẫn đến suy sụp tinh thần cho Newton vào năm 1678. Năm 1679 Newton và Hooke tham gia vào một cuộc tranh luận mới về quỹ đạo của thiên thể trong trọng trƣờng. Năm 1684, Halley thuyết phục đƣợc Newton xuất bản các tính toán sau cuộc tranh luận này trong quyển Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Các Nguyên lý của Triết lý về Tự Nhiên). Quyển sách đã mang lại cho Newton tiếng tăm vƣợt ra ngoài nƣớc Anh, đến châu Âu. Năm 1685, Newton đƣợc bầu vào Nghị viện Anh. Năm 1703, đƣợc bầu làm chủ tịch Hội Khoa học Hoàng gia Anh và giữ chức vụ đó trong suốt phần còn lại của cuộc đời. Ông đƣợc Nữ hoàng phong bá tƣớc năm 1705. Ông mất ngày 31 tháng 3 năm 1727 tại Luân Đôn. Trong cơ học, Newton đƣa ra nguyên lý bảo toàn động lƣợng (bảo toàn quán tính). Trong quang học, ông khám phá ra sự tán sắc ánh sáng, giải thích việc ánh sáng trắng qua lăng kính trở thành nhiều màu. Trong toán học, Newton cùng với Gottfried Leibniz phát triển phép tính vi phân và tích phân. Ông cũng đƣa ra nhị thức Newton tổng quát. Năm 2005, trong một cuộc thăm dò ý kiến của Hội Hoàng gia về nhân vật có ảnh hƣởng lớn nhất trong lịch sử khoa học, Newton vẫn là ngƣời đƣợc cho rằng có nhiều ảnh hƣởng hơn Albert Einstein. 3.1.2.2 Nghiên cứu quang học Từ năm 1670 đến 1672, Newton diễn thuyết về quang học. Trong khoảng thời gian này ông khám phá ra sự tán sắc ánh sáng, giải thích việc ánh sáng trắng qua lăng kính trở thành nhiều màu, và một thấu kính hay một lăng kính sẽ hội tụ các dãy màu thành ánh sáng trắng. Newton còn cho thấy rằng ánh sáng màu không thay đổi tính chất, bằng việc phân tích các tia màu và chiếu vào các vật khác nhau. Newton chú ý GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 53 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 rằng dù là gì đi nữa, phản xạ, tán xạ hay truyền qua, màu sắc vẫn giữ nguyên. Vì thế màu mà ta quan sát là kết quả vật tƣơng tác với các ánh sáng đã có sẵn màu sắc, không phải là kết quả của vật tạo ra màu. Nhờ vào những khám phá trên, Newton nhận ra nguyên nhân gây ra sự sai lệch màu của hình ảnh trên kính viễn vọng khúc xạ thời đó. Ông đã áp dụng nguyên lý của James Gregory để tạo ra kính viễn vọng phản xạ đầu tiên, khắc phục đƣợc nhiều nhƣợc điển về ảnh của kính viễn vọng khúc xạ đồng thời giảm đi đáng kể chiều dài của kính viễn vọng. 3.1.2.3 Ánh sáng theo quan điểm Newton Newton quan niệm ánh sáng có tính chất hạt. Ánh sáng đƣợc coi nhƣ những dòng hạt đặc biệt nhỏ bé đƣợc phát ra từ các vật phát sáng và bay theo đƣờng thẳng trong môi trƣờng đồng chất. Ông bác bỏ giả thuyết sóng ánh sáng vì nếu ánh sáng có bản chất sóng, nhƣ âm thanh, thì trong những điều kiện nhƣ nhau, chúng ta sẽ phải nhìn thấy ánh sáng giống nhƣ nghe thấy âm thanh. 3.1.2.4 Newton giải thích các hiện tượng * Nguyên nhân tạo ra màu sắc Do kích thƣớc 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 thƣớc khác nhau. Nhƣ vậy sự tổng giác của chúng ta về các màu là biểu thị chủ quan của một hiện thực khách quan đƣợc quy định bởi kích thƣớc của các hạt. Giải thích các định luật phản xạ, khúc xạ và nhiễu xạ, Newton đã đƣa vào các lực hút và đẩy giữa các hạt ánh sáng, những hạt mà nếu để tự do chúng sẽ truyền theo đƣờng thẳng. * 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 ngƣợc lại tạo ra một hình đảo ngƣợc. 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. Hình 3.6: Các hạt bị nảy lên do tƣợng tƣợng tán xạ ánh sáng GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 54 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 * Hiện tượng khúc xạ Do tác dụng của mặt phân giới lên hạt ánh sáng làm cho hạt đó thay đổi hƣớng truyền và bị gãy khúc ở mặt phân cách giữa hai môi trƣờng. Vì ánh sáng đi vào môi trƣờng đậm đặc hơn sẽ bị các phân tử môi trƣờng đó hút và vận tốc sẽ tăng lên dẫn đến vận tốc ánh sáng trong môi trƣờng nƣớc hay thủy tinh lại lớn hơn vận tốc ánh sáng trong môi trƣờng khí. (3.2) Hình 3.7: Hiện tƣợng khúc xạ của hạt * Tán sắc ánh sáng qua lăng kính Ông đƣa ra giả thuyết cho rằng trên bề mặt của một vật trong suốt (nhƣ 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 trƣờng đặc hơn không khí (nhƣ thủy tinh, chẳng hạn) mạnh hơn so với các hạt lớn hơn có màu đỏ, tức các hạt màu tím bị lệch khỏi đƣờng đi ban đầu của nó nhiều hơn các hạt màu đỏ. Nhƣ vậy, Newton đã giải thích đƣợc tại sao các chùm đơn sắc khác nhau lại bị lệch hƣớng khác nhau bởi cùng một môi trƣờng, và tại sao một chùm đơn sắc bị lệch hƣớng khác nhau trong các môi trƣờng 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 đƣợc sự chấp nhận rộng rãi, nhƣng 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 tƣợng quang học mới rất lạ. vòng tròn đồng tâm (ngày nay đƣợc 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 đƣợc truyền qua. Nhƣng làm thế nào có thể giải thích đƣợc một hạt ánh sáng, khi đến bề mặt của thấu kính, lúc thì phản xạ lúc thì đƣợc truyền qua ? Và do đó ông lại đặt ra một giả thuyết mới, ông cho rằng mỗi hạt ánh GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 55 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 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 đƣa ra lại làm nảy sinh thêm vấn đề khi cần phải có thêm một lí thuyết mới nữa để giải thích cái tính chất gọi là ―accès‖ này. Nhƣ vậy thì lí thuyết hạt của Newton có hoàn toàn hợp lí hay không? 3.1.3 Sự trở lại của lý thuyết sóng ánh sáng Sau khi quyển ―Optiks‖ của Newton đƣợc 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 ngƣợc 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 nhƣ không đƣợc đề cập tới bởi uy tín quá lớn của Newton và những hạn chế của lý thuyết sóng ánh sáng mà Huygens đƣa ra không giải thích đƣợc hiện tƣợng giao thoa và nhiễu xạ ánh sáng. Do đó lý thuyết hạt đã đƣợc tuyệt đại đa số các nhà vật lý trong thế kỷ này chấp nhận. Hình 3.8: Leonhard Euler 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 ngƣời Thụy Sĩ, Leonhard Euler (1707 – 1783). Ông cho rằng có sự tƣơng hóa giữa ánh sáng và âm thanh ―có một sự hài hòa tƣơng tự giữa các nguyên nhân và các tính chất khác của âm thanh và ánh sáng, nhƣ vậy lý thuyết âm thanh chắc chắn sẽ làm sáng tỏ rất nhiều lý thuyết ánh sáng‖. Một trong những quan điểm tiến bộ trong quan niệm sóng của Euler là ông cho rằng: Mỗi một màu của ánh sáng đƣợc đặc trƣng bởi một bƣớc sóng nhất định. Nhƣ vậy, Euler là ngƣời đầu tiên gắn kết các khái niệm bƣớc sóng và tần số với màu sắc. Bƣớc sang thế kỷ XIX, chúng ta sẽ đƣợc chứng kiến sự hồi sinh và phát triển vƣợt bậc của lý thuyết sóng ánh sáng. Ở nữa đầu thế kỷ này đã diễn ra một cuộc cách mạng trong lĩnh vực quang học tƣơng tự nhƣ cuộc cách mạng của Copernic và Galilée trƣớc 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. 3.1.3.1 Thomas Young (1773 - 1829) Năm 1801, ông đã giới thiệu một thí nghiệm cơ bản về ánh sáng thƣờng đƣợc gọi là thí nghiệm hai khe. Thí nghiệm này của ông đã gây một sự ngạc nhiên lớn bởi lần đầu tiên ngƣời ta nhận thấy khi thêm ánh sáng vào ánh sáng thì sẽ cho ra bóng tối, đây chính là hiện tƣợng giao thoa ánh sáng. GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 56 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 Hình 3.9: Hiện tƣợng giao thoa ánh sáng Năm 1802, ông đã tìm ra một định luật đơn giản và tổng quát của hiện tượng giao thoa là: Khi ánh sáng của cùng một nguồn sáng truyền đến mắt ta bằng hai con đƣờng khác nhau, ánh sáng sẽ mạnh nhất tại những điểm mà hiệu đƣờng đi bằng bội số nguyên của một ―độ dài nào đó‖. Lý thuyết của Young mặc dù đã giải thích đƣợc hiện tƣợng giao thoa ánh sáng nhƣng đã không đƣợc nhiều ngƣời 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. 3.1.3.2 Augustin Fresnel (1788 – 1827) Fresnel đã công nhận bản chất sóng của ánh sáng qua thí nghiệm về giao thoa mà ông đã tự bố trí (dùng hai gƣơng phẳng đặt lệch nhau một góc gần bằng 180 o, thƣờng đƣợc gọi là hai gƣơng Fresnel). Fresnel cũng là ngƣời đầu tiên theo trƣờng phái sóng ánh sáng đã giải thích thành công hiện tƣợng phân cực ánh sáng đã khiến cho những ngƣời bảo vệ lý thuyết sóng phải rất đau đầu ngay cả Thomas Young. Bởi nếu coi ánh sáng là sóng giống nhƣ âm thanh thì cả hai phải có cùng các hiệu ứng, trong khi không thể tìm ra hiện tƣợng phân cực ở sóng âm. Để giải thích hiện tƣợng này, Fresnel đã đƣa ra một lời giải mang tính cách mạng: mặc dù cả âm thanh và ánh sáng đều có bản chất sóng, nhƣng chúng khác nhau về mặt phẳng dao động. Nói cách khác, Fresnel là ngƣời 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 đƣợc lý thuyết về sự phân cực ánh sáng trong môi trƣờng lƣỡng chiết. 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 đƣợc 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 nƣớc. 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 phƣơng pháp răng cƣa: GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 57 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 Hình 3.10: Đo vận tốc ánh sáng Kết quả là : C = 312.000 km/s. Năm 1850, Foucault dùng dụng cụ gƣơng quay: Hình 3.11: Dụng cụ gƣơng quay Đƣờng đi của ánh sáng trong dụng cụ của Foucault đủ ngắn để dùng trong các phép đo tốc độ ánh sáng trong các môi trƣờng khác ngoài không khí. Ông phát hiện thấy tốc độ ánh sáng trong nƣớc hoặc trong thủy tinh chỉ khoảng 2/3 giá trị của nó trong không khí. Nhƣ vậy, kết quả của 2 thí nghiệm trên cho thấy trái ngƣợc với kết quả của Newton cho rằng Vận tốc ánh sáng trong không khí lớn hơn vận tốc ánh sáng trong môi trƣờng nƣớc. Những thí nghiệm của Young và Fresnel đã chứng tỏ bản chất sóng của ánh sáng. Đặc biệt, Fresnel đã khẳng định một cách chắc nịch rằng ánh sáng là sóng ngang. Trong lý thuyết của ông đã đề cập đến việc tồn tại hai phƣơng dao động của sóng ánh sáng (ông so sánh với dao động của dây đàn violin – vốn cũng là sóng ngang – có thể dao động từ dƣới lên trên hoặc từ trái sang phải) tƣơng ứng với hai phân cực của ánh sáng: một phân cực theo phƣơng ngang và một phân cực theo phƣơng thẳng đứng. Tuy nhiên để có thể đƣa ra đƣợc mô hình sóng ánh sáng một cách đầy đủ, gọn gàng thì chúng ta phải rẽ sang lĩnh vực điện từ gắn liền với tên tuổi của James Clerk Maxwell (1831 – 1879), nhà vật lý ngƣời Anh, ông là ngƣời đầu tiên phát hiện ra ―ánh sáng chính là cuộc hôn pối giữa điện và từ‖. 3.1.4 Maxwell (1831 – 1879): Lý thuyết điện từ James Clerk Maxwell (1831 – 1879), là một nhà toán học, một nhà vật lý học ngƣời Scotland. Ông đã đƣa ra hệ phƣơng trình miêu tả những định luật cơ bản về điện trƣờng và từ trƣờng đƣợc biết đến với tên gọi phƣơng trình Maxwell. Đây là hệ GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 58 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 phƣơng trình chứng minh rằng điện trƣờng và từ trƣờng là thành phần một trƣờng thống nhất, điện từ trƣờng. Ông cũng đã chứng minh rằng trƣờng điện từ có thể truyền đi trong không gian dƣới dạng sóng với tốc độ không đổi là 300 000 km/s, và đƣa ra giả thuyết rằng ánh sáng là sóng điện từ. Hình 3.12: James Clerk Maxwell Có thể nói Maxwell là nhà vật lý học thế kỷ 19 có ảnh hƣởng nhất tới nền vật lý của thế kỷ 20, ngƣời đã đóng góp vào công cuộc xây dựng mô hình toán học mới của nền khoa học hiện đại. Vào năm 1931, nhân kỉ niệm 100 ngày sinh của Maxwell, Albert Einstein đã ví công trình của Maxwell là "sâu sắc nhất và hiệu quả nhất mà vật lý học có đƣợc từ thời của Isaac Newton". * Ánh sáng: cuộc hôn phối giữa điện và từ: Năm 1864, trong bài báo “Một lý thuyết động lực về trường điện từ”, Maxwell đã tổng hợp các kiến thức về điện và từ đã đƣợc các nhà vật lý xây dựng trƣớc đó thành một hệ gồm 4 phƣơng trình, mỗi phƣơng trình chỉ dài vỏn vẹn một dòng và đƣợc biểu diễn bằng ngôn ngữ toán học cô đọng. Bốn phƣơng trình này đƣợc hậu thế biết đến với tên gọi “Hệ phương trình Maxwell”: (3.3) Phƣơng trình thứ nhất mô tả định luật Gauss, cho biết đƣờng sức điện xuất phát hoặc kết thúc ở các điện tích. Phƣơng trình thứ hai mô tả các đƣờng sức của cảm ứng từ là khép kín hoặc đi ra xa vô tận, từ đó không có cái gọi là ―từ tích‖ hay ―đơn cực từ‖. Hai phƣơng trình còn lại mô tả sự kết hợp giữa điện và từ: từ trƣờng biến thiên sinh ra điện trƣờng xoáy, đến lƣợt mình điện trƣờng biến thiên cũng sinh ra từ trƣờng xoáy. Từ các phƣơng trình trên, Maxwell đã ngạc nhiên khi phát hiện ra rằng sóng điện từ thực chất cũng chính là sóng ánh sáng. Bởi thứ nhất, ông đã dựa vào các phƣơng trình để vẽ ra một kịch bản về cuộc hôn nhân giữa điện và từ, theo đó điện và từ trở thành một cặp thống nhất không thể tách rời. Chúng là hai thành phần của sóng GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 59 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 đện từ lan truyền trong không gian dƣới dạng sóng ngang, tức các đỉnh và các hõm sóng nằm trong một mặt phẳng vuông góc với phƣơng truyền sóng. Thứ hai, vào năm 1873, Maxwell đã tính toán chính xác vận tốc truyền sóng điện từ, đáp số này hoàn toàn trùng khớp với vận tốc ánh sáng. Hình 3.13: Sóng ngang Trong lịch sử vật lý, Newton đã thống nhất trời và đất thông qua định luật vạn vật hấp dẫn thì đến lƣợt Maxwell đã thống nhất không chỉ điện và từ mà còn cả quang học, ông đƣợc coi là nhà thống nhất vĩ đại thứ hai của vật lý học. 3.2 ÁNH SÁNG: LƢỠNG TÍNH SÓNG HẠT 3.2.1 Albert Einstein (1879–1955) Theo quyển nhật ký của nhà toán học David Hilbert (từng là đồng nghiệp của Einstein vào cuối thế kỷ 19) thì vào tháng 8 năm 1898, ông nói Einstein đã phát minh ra một thuyết mà khi nhắc đến, ngƣời đời sẽ sửng sốt. Khi nghiên cứu những vật thể chuyển động với vận tốc rất lớn gần bằng với vận tốc ánh sáng, ngƣời ta thấy rằng cơ học cổ điển của Newton không còn thích hợp nữa. Do đó cần thiết phải xem lại các khái niệm về không gian và thời gian. Việc xem xét này thực hiện trong thuyết tƣơng đối. Hình 3.14: Albert Einstein Lý thuyết tƣơng đối của Albert Einstein bao gồm 2 lý thuyết vật lý: thuyết tƣơng đối hẹp và thuyết tƣơng đối rộng. Các lý thuyết này đƣợc hình thành khi ngƣời ta quan sát thấy bức xạ điện từ chuyển động với vận tốc không đổi trong chân không (vận tốc ánh sáng) trong mọi hệ quy chiếu, không tuân theo các quy luật trong cơ học cổ điển của Isaac Newton. Ý tƣởng cơ bản trong hai lý thuyết để giải thích hiện tƣợng GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 60 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 trên là: khi hai ngƣời chuyển động tƣơng đối với nhau, họ sẽ đo đƣợc những khoảng thời gian và khoảng cách khác nhau giữa cùng những sự kiện, tuy nhiên các định luật vật lý vẫn hiện ra giống nhau đối với cả hai ngƣời. 3.2.2 Thuyết tƣơng đối hẹp – lƣỡng tính sóng hạt ánh sáng Cho đến đầu thế kỉ XIX, quan niệm ánh sáng là sóng đã thực sự đƣợc xác nhận, đặc biệt là sau kết luận của Maxwell khẳng định ánh sáng là sóng điện từ với vận tốc là 300.000 km/s. Nhƣng một vấn đề đƣợc đặt ra lúc này là vận tốc này của ánh sáng đƣợc tính so với cái gì? Các phƣơng trình của Maxwell không trả lời đƣợc cho câu hỏi này. Đi theo vết chân của Newton, Maxwell nghĩ hoàn toàn tự nhiên rằng ánh sáng lan truyền với vận tốc 300.000 km/s là so với một chất ête tĩnh choán đầy trong vũ trụ. Nhƣng ête ở đây đƣợc làm từ gì? Nó bắt nguồn từ đâu và có những tính chất gì? Theo các quan điểm của các nhà khoa học khẳng định ánh sáng là sóng từ trƣớc cho đến cuối thế kỉ XVIII, ta có thể thấy đƣợc vấn đề giải mã chất "ê-te" trong không gian là một vấn đề rất đáng để quan tâm. Chất "ê-te" đƣợc đặt ra nhƣ một môi trƣờng để truyền sóng ánh sáng. Các nhà khoa học ban đầu đã đề xuất sóng ánh sáng nhƣ sóng âm, tức phải là sóng dọc, nhƣng với phát hiện của Augustin Fresnel về hiện tƣợng phân cực ánh sáng đã dẫn đến nhận định ánh sáng phải là sóng ngang. Nhƣ vậy, chất "ê-te" phải là chất rắn để có thể lan truyền đƣợc sóng ngang, nghĩa là môi trƣờng ê-te phải có một mật độ cứng nhất định. Nhƣng bằng cách nào mà Trái đất lại có thể chuyển động trong một môi trƣờng cứng nhƣ vậy mà không bị chậm lại và va vào Mặt Trời? Bằng cách nào mà ête lại có thể cùng lúc vừa là một chất rắn đàn hồi lại vừa là một chất lỏng tinh tế đƣợc? Đó chính là những vấn đề khiến cho các nhà khoa học cuối thế kỉ XIX quan tâm. Có hay không có một môi trƣờng đặc biệt "ê-te" trong sự lan truyền của sóng ánh sáng? Năm 1887, nhà vật lý ngƣời Mỹ, Albert Michelson (1852-1931), và đồng nghiệp của ông là Edward Morley (1838-1923) đã thực hiện một thí nghiệm tài tình để kiểm tra sự tồn tại của ê-te. Hai ông đã chế tạo một dụng cụ gọi là giao thoa kế, dựa trên nguyên lý giao thoa của Thomas Young. Trong giao thoa kế này, một chùm sáng có một tần số duy nhất đƣợc chia làm hai chùm. Hai chùm này đi theo hai con đƣờng khác nhau nhƣng có cùng chiều dài, một theo phƣơng chuyển động của trái đất, một theo phƣơng vuông góc rồi sau đó kết hợp với nhau. Đúng ở thời điểm chúng tách khỏi nhau, hai chùm tia hoàn toàn trùng khít với nhau, nhƣng khi chúng kết hợp thì sự kết hợp phụ thuộc vào vận tốc của hai chùm tia ở thời điểm đó. Nếu có xét đến sự chuyển động của Trái đất thì chắc chắn là vận tốc của 2 chùm tia này là khác nhau, nhƣng kết quả thu đƣợc lại hoàn toàn khác, hai chùm tia vẫn trùng khít nhƣ lúc bị tách ra, điều đó có nghĩa vận tốc ánh sáng truyền theo 2 phƣơng khác nhau là không thay đổi. Trong dự đoán, với giao thoa kế của mình, Michelson và Morley về nguyên tắc có thể đo đƣợc các chênh lệch với cỡ vận tốc khoảng 1,5 km/s, tức là một phần hai mƣơi vận tốc của Trái đất qua chất ete giả thuyết. Nhƣng rõ ràng sau nhiều lần thực hiện thí nghiệm thì hai ông đã kết luận rằng vận tốc ánh sáng không thay đổi dù nó lan truyền theo phƣơng nào đi nữa. GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 61 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 Hình 3.15: Albert Michelson (trái) và Edward Morley (phải) Sau thí nghiệm của Michelson và Morley, con ngƣời dần phải chấp nhận rằng chất "ê-te"chỉ là sản phẩm bởi trí tƣởng tƣợng, dù rằng có nhiều nhà khoa học đã cố gắng để "cứu" lấy khái niệm này. Và mọi chuyện dừng lại ở đó, cho đến khi Albert Einstein (1879-1955) đã khẳng định một nguyên nhân thật đơn giản để lí giải vấn đề trên, ông cho rằng môi trƣờng ête là không hề tồn tại, các sóng ánh sáng, khác với các sóng khác, không cần phải có một môi trƣờng để lan truyền. Ánh sáng có thể lan truyền trong một không gian hoàn toàn trống rỗng. Và Einstein đã giải thích quan điểm đó bằng thuyết tƣơng đối hẹp của mình. Bài báo của Einstein vào năm 1905 đã giới thiệu thuyết tƣơng đối hẹp. Thuyết tƣơng đối hẹp dựa trên một tiên đề duy nhất: "mọi định luật vật lý là giống nhau trong mọi hệ quy chiếu quán tính (tức là những hệ quy chiếu chuyển động với vận tốc không đổi so với nhau)". Do các định luật vật lý giống nhau, mọi ngƣời nằm trong một hệ quy chiếu quán tính không thể làm bất cứ thí nghiệm vật lý nào để xác định trạng thái chuyển động của mình. Với Thuyết tƣơng đối hẹp, không gian và thời gian không phải là bất di bất dịch nhƣ trong quan điểm của Isaac Newton - cha đẻ của vật lý học cổ điển, mà trái lại, nó có thể "co" lại tùy tình hình. Einstein đã thay không gian, thời gian tuyệt đối bằng không gian, thời gian tƣơng đối. Phát biểu ban đầu, Einstein còn đề cập "tiên đề thứ hai" đƣợc phát biểu là: "ánh sáng luôn chuyển động trong chân không với vận tốc không đổi". Tuy nhiên, đây chỉ là hệ quả của tiên đề phát biểu ở trên khi công nhận lý thuyết điện từ. Theo tiên đề trên, lý thuyết điện từ, một lý thuyết đƣa ra công thức tính vận tốc ánh sáng từ các hằng số, là không thay đổi theo hệ quy chiếu quán tính. Vậy hiển nhiên vận tốc ánh sáng, kết quả của lý thuyết điện từ, cũng không thay đổi theo hệ quy chiếu quán tính. Nhƣ vậy cho đến năm 1905, con ngƣời đã có một cái nhìn đúng đắn hơn về sóng ánh sáng, và đặc biệt đó là loại bỏ đƣợc khái niệm về môi trƣờng "ê-te" nhƣ các nhà khoa học trƣớc đây vẫn thƣờng đề cập đến. Nhƣng cũng trong chính năm đó, một luồng gió mới lại thổi tới trong vấn đề bản chất của ánh sáng với một công trình của chính Albert Einstein về "Hiệu ứng quang điện". Hiệu ứng quang điện là một hiện tƣợng trong đó các electron thoát ra khỏi bề mặt của một tấm kim loại khi có ánh sáng chiếu vào. Theo nhƣ quan điểm cổ điển thì với cƣờng độ ánh sáng càng mạnh thì electrong ngày càng tích tụ đƣợc nhiều năng lƣợng để bức ra khỏi kim loại, nhƣng trên thực tế thí nghiệm lại không phải nhƣ vậy. ― Einstein đã nhận thấy rằng, nếu chiếu một ánh sáng có tần số thấp vào một kim loại, thì hiệu ứng vẫn không thể xảy ra, dù chiếu với cƣờng độ mạnh bao nhiêu đi nữa. GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 62 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 Ngƣợc lại khi chiều ánh sáng với tần số cao, nhƣ ánh sáng cực tím thì hiệu ứng lại lập tức xảy ra mà không cần khoảng thời gian để electron tích lũy năng lƣợng.‖ Để giải thích về hiện tƣợng kì lạ này, Einstein đã đặt vấn đề cần xem xét lại bản chất của ánh sáng. Ông đã đƣa ra một giả thuyết táo bạo rằng hiệu ứng quang điện chỉ có thể giải thích đƣợc nếu sóng ánh sáng bị kim loại hấp thụ không phải là một sóng liên tục mà đƣợc cấu thành từ các "hạt" hay các lƣợng tử năng lƣợng xác định. Năng lƣợng này không thể tùy tiện lấy bất kì, mà đúng bằng một bội số của tần số. Einstein đã khai triển thuyết lƣợng tử của Plank và đƣa ra thuyết photon, cho rằng năng lƣợng ánh sáng tập trung trong những hạt nhỏ gọi là photon hay quang tử. 3.2.3 Lý thuyết lƣợng tử ánh sáng 3.2.3.1 Sự bất lực của thuyết điện từ ánh sáng Thuyết điện từ ánh sáng cho rằng ánh sáng là sóng điện từ, năng lƣợng ánh sáng đƣợc truyền đi một cách liên tục theo sóng ánh sáng và tỉ lệ với cƣờng độ sáng. Nếu nhƣ vậy khi chiếu ánh sáng có cƣờng độ lớn, với bƣớc sóng bất kỳ vào kim loại bất kỳ thì nó sẽ cung cấp năng lƣợng cho electron trong kim loại đó và giải phóng đƣợc electron khỏi kim loại nhƣng thực tế không hẳn nhƣ vậy. Vì thế thuyết điện từ ánh sáng không thể giải thích đƣợc tại sao có giới hạn quang điện, tại sao động năng cực đại của các quang electron lại không phụ thuộc vào cƣờng độ chùm sáng tới kích thích. 3.2.3.2 Thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein (thuyết photon) Năm 1905, Einstein phát triển giả thuyết lƣợng tử năng lƣợng của Planck, đƣa ra thuyết lƣợng tử ánh sáng (thuyết Photon). Theo ông: ―Ánh sáng khi bức xạ, hấp thu hay truyền đi cũng thành từng lƣợng năng lƣợng rời rạc, gián đoạn gọi là lƣợng tử ánh sáng hay photon‖. Mỗi photon của một ánh sáng đơn sắc có: - Năng lƣợng xác định: (3.4) Trong đó: : tần số ánh sáng h: là hằng số Planck có giá trị 6,625.10-34 j.s - Động lƣợng: (3.5) Trong đó: c: vận tốc ánh sáng trong chân không, c = 3.108 m/s - Khối lƣợng: (3.6) - Khối lƣợng nghỉ: m0 = 0 3.2.3.3 Công thức Einstein Theo Einstein, trong hiện tƣợng quang điện có sự hấp thu trọn vẹn từng photon của ánh sáng chiếu vào kim loại, mỗi electron sẽ hấp thu toàn bộ năng lƣợng của một photon. Đối với các electron nằm ngay trên bề mặt kim loại, năng lƣợng này dùng để: GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 63 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 - Thắng lực liên kết trong tinh thể và thoát ra ngoài, gọi là công thoát A. - Phần năng lƣợng còn lại biến thành động năng ban đầu cực đại ngay sau khi electron bức ra khỏi bề mặt kim loại. Áp dụng định luật bảo toàn năng lƣợng ta có: (3.7) (3.7) là công thức Einstein về hiện tƣợng quang điện. Đối với các electron nằm ở lớp sâu bên trong mặt kim loại, trong quá trình di chuyển từ trong ra ngoài, chúng va chạm với các ion kim loại và mất một phần lớn năng lƣợng đƣợc phôtn cung cấp, do đó động năng ban đầu của các electron ở ngay trên bề mặt kim loại. 3.2.3.4 Giải thích các định luật quang điện Định luật 1: Theo công thức (3.7), muốn hiện tƣợng quang điện xảy ra lớn (electron bật ra khỏi catod thì photon của ánh sáng tới phải có năng lƣợng hơn hay bằng công thoát A, nghĩ là phải có: , suy ra hay Đặt , ta có: : Giới hạn quang điện của kim loại dùng làm catod Định luật 2: Với các chùm sáng có khả năng gây ra hiện tƣợng quang điện thì số electron quang điện bị bật ra khỏi mặt kim loại trong một đơn vị thời gian tỉ lệ thuận với số photon đến đập vào mặt catod trong thời gian đó. Mặt khác số photon này lại tỉ lệ với cƣờng độ chùm sáng tới, còn cƣờng độ dòng quang điện bảo hòa lại tỉ lệ thuận với số electron quang điện bật ra khỏi catod trong một đơn vị thời gian. Vì vậy cƣờng độ dòng quang điện bảo hòa tỉ lệ thuận với cƣờng độ của chùm sáng chiếu vào catod. Định luật 3: Theo công thức (3.7), động năng ban đầu cực đại của các electron quang điện chỉ phụ thuộc vào tần số của ánh sáng tới chứ không phụ thuộc vào cƣờng độ chùm ánh sáng. F A K A V Hình 3.16: Thí nghiệm xác định động năng ban đầu cực đại của các electron Trong khuôn khổ giả thuyết này thì Einstein đã giải thích đƣợc tất cả các sự kiện thực nghiệm quan sát đƣợc. Nhƣ vậy, một lần nữa ánh sáng lại đƣợc khẳng định về bản chất hạt của nó, tuy nhiên ta có thể thấy quan niệm "hạt ánh sáng" do Einstein đƣa ra là GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 64 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 khác với quan niệm trƣớc đây của Newton, đó không phải là những hạt cơ học đơn giản nhƣ quan niệm của Newton mà có những thuộc tính riêng của nó. Nhờ vào giả thuyết về lƣợng tử ánh sáng này Einstein đã hoàn toàn giải thích đƣợc 3 thí nghiệm của mình về hiệu ứng quang điện. Sau đó hơn 10 năm, trong thập niên 1920, lí thuyết của Einstein về tính chất hạt của ánh sáng một lần nữa đƣợc củng cố bởi các thí nghiệm của nhà vật lí ngƣời Mĩ Arthur H.Compton, ngƣời chứng minh đƣợc photon có xung lƣợng, một yêu cầu cần thiết để củng cố lí thuyết vật chất và năng lƣợng có thể hoán đổi cho nhau, hiệu ứng đó sau này đƣợc gọi là hiệu ứng Compton. Đó là hiện tƣợng xảy ra khi Compton nghiên cứu sự khuếch tán (hay tán xạ) tia X bởi graphit (than chì). Trong thí nghiệm của mình, ông nhận thấy khi cho một chùm tia X có độ dài sóng đi qua một khối graphit, chùm tia bị khuếch tán. Khi khảo sát chùm tia khuếch tán ở một góc khuếch tán nhờ máy quang phổ, ngƣời ta thấy ngoài vạch ứng với độ dài sóng còn một vách ứng với độ dài sóng . Compton đã giải thích hiện tƣợng này bằng sự va chạm giữa photon với electron của chất khuếch tán, trong đó ông photon nhƣ một hạt có tính cơ học. Nếu thừa nhận ánh sáng có bản chất sóng thì Compton sẽ không thể giải thích đƣợc hiện tƣợng đã xảy ra, chỉ khi chấp nhận ánh sáng có bản chất hạt, và sử dụng thuyết photon của Einstein thì ông mới có thể giải thích đƣợc trọn vẹn hiện tƣợng. Nhƣ vậy, cho đến đầu thế kỉ thứ 20 tồn tại một câu hỏi đặt ra cho các nhà khoa học: bản chất của ánh sáng là sóng hay hạt? Trƣớc khi hiện tƣợng quang điện xuất hiện con ngƣời có thể dễ dàng tin chắc rằng ánh sáng là sóng điện từ với các hiện tƣợng liên quan đến sự truyền của ánh sáng nhƣ giao thoa, nhiễu xạ, Tuy nhiên cho đến đầu thế kỉ 20, với lí thuyết sóng ánh sáng con ngƣời sẽ không thể lí giải đƣợc cho các hiện tƣợng về sự tƣơng tác giữa ánh sáng và vật chất nhƣ hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton Để có đƣợc đáp án cho những hiện tƣợng này, con ngƣời sẽ phải chấp nhận quan điểm hạt photon của Einstein. Vậy ánh sáng thực chất là sóng hay hạt? Cùng khoảng thời gian nghiên cứu của Compton, một nhà khoa học ngƣời Pháp Louis Victor-de Broglie cho rằng tất cả vật chất và bức xạ đều có những tính chất vừa giống sóng vừa giống hạt. Dƣới sự chỉ dẫn của Max Planck, De Broglie đã ngoại suy công thức nổi tiếng của Einstein liên hệ khối lƣợng với năng lƣợng chứa luôn hằng số Planck: = mc2 = (3.8) Trong đó : : năng lƣợng của hạt m: là khối lƣợng c: là vận tốc ánh sáng h: là hằng số Planck : là tần số. Công trình của De Broglie, liên hệ tần số của một sóng với năng lƣợng và khối lƣợng của một hạt, mang tính cơ sở trong sự phát triển của một lĩnh vực mới cuối cùng sẽ dùng để giải thích bản chất vừa giống sóng vừa giống hạt của ánh sáng. Đó chính là ngành cơ học lƣợng tử. GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 65 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 Qua đó ta thấy, vấn đề đặt ra ở thế kỉ XX khi tìm hiểu về ánh sáng không phải là sự tranh chấp giữa hai quan điểm để xác định quan điểm nào đúng mà lại là sự thống nhất chúng lại trong một lí thuyết mới. Ngày nay chúng ta công nhận ánh sáng có lƣỡng tính sóng - hạt. Hai tính chất này cùng tồn tại trong một thể thống nhất là ánh sáng và tùy điều kiện của hiện tƣợng khảo sát, bản chất này hay bản chất kia của ánh sáng đƣợc hiện ra. Ta có thể coi" sóng và hạt là hai tính phụ nhau của ánh sáng. Giữa hai mặt sóng và hạt của ánh sáng có những liên hệ, có tính thống nhất, chứ không hoàn toàn là hai mặt độc lập với nhau. Cho đến đầu thế kỉ XX, việc thừa nhận sự kết hợp hai bản chất sóng và hạt đã giúp con ngƣời hiểu đƣợc một cách bao quát các đặc tính của ánh sáng. Ánh sáng không là sóng và cũng chẳng là hạt, nói ánh sáng là lƣỡng tính sóng - hạt thực chất các nhà khoa học muốn đề cập đến ánh sáng nhƣ một đối tƣợng mới trong vật lí học mà bản chất của nó vừa giống sóng vừa giống hạt. Quan điểm này đã thực sự khép lại những cuộc tranh luận về bản chất ánh sáng là sóng hay hạt. Nhiệm vụ của vật lí học về ánh sáng là tìm hiểu về cái bản chất vô cùng đặc biệt này, và hơn thế nữa, đối tƣợng "lƣỡng tính sóng-hạt" không chỉ tồn tại ở ánh sáng mà còn đƣợc suy rộng ra cho các hạt vật chất, nhƣ ta đã biết trong lí thuyết của De Broglie. GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 66 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 Chƣơng 4: CÁC GIẢI THƢỞNG NOBEL VỀ QUANG HỌC 4.1 TÌM HIỂU VỀ GIẢI THƢỞNG NOBEL DANH GIÁ Chúng ta vẫn thƣờng hay nghe nói về giải thƣởng Nobel, một giải thƣởng cao quý dành cho những những phát minh khoa học vĩ đại. Nhƣng không nhiều ngƣời biết, đằng sau giải thƣởng này là một câu chuyện đời phức tạp. 4.1.1 Cuộc đời Nobel Alfred Bernhard Nobel ( 1833 – 1896 ) là một nhà hóa học tài ba, ngƣời phát minh ra thuốc nổ (dynamite). Là con trai thứ ba của nhà khoa học Imanuel Nobel , từ nhỏ, ông đã tỏ ra rất có năng khiếu trong lĩnh vực khoa học kĩ thuật và thƣờng cùng bố và các anh nghiên cứu về thuốc súng và thủy lôi. Hình 4.1: Alfred Bernhard Nobel Hai mƣơi tuổi, Nobel bắt đầu nghiên cứu về thuốc nổ Nitroglycerin - loại thuốc nổ vốn đƣợc phát minh từ năm 1846 nhƣng vì chƣa thể khống chế và sử dụng nó một cách an toàn nên chƣa có ứng dụng thực tế. Sau ba năm nghiên cứu, ông đã tìm ra cách khống chế nó và cho ra đời loại thuốc nổ an toàn có tên là Dynamite. Những năm sau, Nobel thành lập một công ty thuốc nổ. Phục vụ hữu ích cho đời sống (phá núi, đang kênh…), và cùng thời gian xảy ra chiến tranh, công ty của Nobel phất lên nhƣ diều gặp gió. Là một ngƣời có đầu óc kinh doanh ông đã mở xƣởng tại nhiều nƣớc, phát triển thị trƣờng thuốc nổ rộng dãi. Trƣớc sau ông có tới 300 bằng sáng chế có đăng ký bản quyền. Nobel đã trở thành một nhà triệu phú thời bấy giờ với khối tài sản hơn 500 triệu USD. Thời đó, ông đƣợc mệnh danh là ― kẻ buôn bán tử thần‖ do thuốc nổ của ông đƣợc áp dụng vào các cuộc chiến tranh với vô vàn ngƣời chết. Hình 4.2: Thuốc nổ Nitroglycerin GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 67 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 4.1.2 Sự ra đời của giải thƣởng Nobel, nhà hóa học tài ba, nhà kinh doanh tài ba, suốt cuộc đời (63 năm) không lập gia đình (dù cho là có thời gian có mối quan hệ với một vài ngƣời). Một điều nữa, vì ngƣời đời coi ông là ―kẻ buôn bán tử thần‖ và chính ông cũng nhận ra hậu quả từ những phát minh khoa học của mình khi chúng đƣợc áp dụng vào chiến tranh. Có lẽ, những lý do trên đã đƣa Nobel đến một quyết định mà không ai ngờ tới! Ngày 10/12/1896, sau cái chết đột ngột của Nobel, bản di chúc đƣợc công bố trong sự ngỡ ngàng của tất cả mọi ngƣời (nhất là những ngƣời thân cận của Nobel) khi ông dành hầu hết của cải của mình cho khoa học. Khối tài sản giá trị lớn lao này tƣơng đƣơng với là 33.200.000 Coron tƣơng đƣơng với 1,4 tỷ Frăng (năm 1987). Sau đây là phần di chúc liên quan đến giải thƣởng NOBEL: ― Tôi người ký tên dưới đây, Alfred Bernhard Nobel tuyên bố về sự cân nhắc kỹ lưỡng ý nguyện của tôi về vấn đề tài sản khi tôi qua đời như sau: Phần lớn số tiền đó sẽ do những người thực hiện di chúc của tôi đầu tư một cách an toàn nhất và sẽ trở thành một vốn mà mà lợi tức hàng năm sẽ được sử dụng để làm thành các giải thưởng dành cho những ai trong năm trước đó có những công hiến lớn nhất cho lợi ích của nhân loại. Lợi tức đó sẽ được chia thành 5 phần bằng nhau và được phân phối theo cách sau: - Một phần sẽ tặng cho người có khám phá hoặc cải tiến quan trọng nhất trong lĩnh vực Vật lý. - Một phần sẽ dành cho người có khám phá hay cải tiến đặc sắc nhất về hoá học. - Một phần sẽ dành cho người có khám phá quan trọng nhất trong sinh lý học và y học. - Một phần sẽ dành cho người có tác phẩm có ý nghĩa nhất về mặt lý tưởng trong lĩnh vực văn học. Và phần sau cùng sẽ dành cho người có cống hiến lớn nhất hoặc tốt nhất cho tình hữu nghị giữa các quốc gia, dân tộc, cho sự huỷ bỏ hoặc giảm bớt các quân đội thường trực, cho sự tập hợp và tổ chức các Hội nghị Hoà bình. Các giải về Vật lý và Hoá học sẽ do Viện Hàn lâm khoa học Thụy Điển trao tặng. Các giải Sinh học và Y học do Viện Caroline ở Stockholm trao tặng, và các giải thưởng về Hoà bình sẽ do một Uỷ ban gồm năm thành viên do Nghị viện Na Uy đề cử. Điều mong ước khẩn thiết của tôi là sẽ không có một sự phân biệt nào về quốc tịch trong việc trao giải, và người xứng đánh nhất để nhận giải có thể có hay không nguồn gốc Bắc Âu. Paris, ngày 27 tháng 11 năm 1895. Alfred Nobel ”. Và giải thƣởng Nobel danh giá bắt đầu từ đây. Giải thƣởng Nobel đƣợc trao bắt đầu từ năm 1901. Cho tới nay đã có hơn 750 giải thƣởng Nobel đã đƣợc trao cho các nhà khoa học, nhà văn những ngƣời hoạt động hoà bình cho thế giới. Những ngƣời đƣợc giải không những là một vinh dự cho cá nhân mà còn mang lại vinh quang cho tổ GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 68 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 quốc của mình. Đây là giải thƣởng khoa học lớn nhất thế giới có tác dụng thúc đẩy sự nghiệp phát triển khoa học của nhân loại. 4.1.3 Cấu trúc giải thƣởng nobel Phần thƣởng dành cho mỗi giải gồm hai phần: - Một tấm bằng kèm huy chƣơng Nobel. Hình 4.3: Huy chƣơng Nobel - Một món tiền (thay đổi tùy theo lãi của vốn Quỹ Nobel). Theo tính toán của Nobel, những năm đầu, mỗi giải thƣởng tƣơng đƣơng 15 năm lƣơng của một giáo sƣ đại học. Năm 1948, mỗi giải trị giá 32.000 USD. Năm 1980, 210.000 USD. Cuối những năm 1990 là 1 triệu USD. Và năm nay là 1,36 triệu USD. 4.1.4 Không có giải nobel toán học Một thắc mắc đƣợc giới khoa học đặt ra từ lâu xoay quanh giải thƣờng danh giá này. Có rất nhiều cách giải thích. Theo lời đồn đại, Nobel đã quyết định không thành lập giải Nobel Toán học vì một phụ nữ - ngƣời tình hoặc vợ chƣa cƣới - đã từ bỏ ông để đi theo một nhà toán học nổi tiếng Gosta Mittag Leffler. Tuy nhiên, cho đến nay, không hề có bằng chứng nào ủng hộ điều này. Một giả thuyết khác cho rằng việc không có giải toán học bởi Nobel cho rằng toán học là phƣơng tiện cho các môn khoa học tự nhiên khác chứ không trực tiếp tạo ra sản phẩm ứng dụng nhƣ vật lý, hóa học, sinh học hay tác động tức thời tới tinh thần và sức khỏe con ngƣời nhƣ y học và văn học. Lý do thực sự đàng sau vấn đề này không ai rõ. Có một điều rằng, để thay thế sự thiếu hụt này, có một giải toán học tƣơng đƣơng với giải Nobel là giải Fields. Đây cũng là giải mà giáo sƣ Ngô Bảo Châu của chúng ta đã đạt đƣợc. Nobel, nhà khoa học, nhà kinh doanh tài ba đã để lại cho nhân loại ngày nay một thông điệp về mục đích chân chính của khoa học: ―phải phục vụ lợi con ngƣời‖. Ông đã khởi xƣớng giải thƣởng khoa học danh giá nhất, là nguồn cổ vũ và khát vọng của tất cả những ngƣời nghiên cứu khoa học trên thế giới. 4.2 BỐI CẢNH VÀ CÁC GIẢI NOBEL VẬT LÝ 4.2.1 Bối cảnh giải Nobel vật lý GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 69 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 Alfred Nobel đã viết trong di chúc cuối cùng rằng ông để dành tài sản và lấy lãi hàng năm để lập nên 5 giải Nobel (vật lý, hóa học, y học, văn học, và hòa bình) cho "những ai, trong những năm trước khi giải được trao đó, đã đưa đến những lợi ích nhất cho con người.", và …Giải thưởng cho vật lý và hóa học sẽ do viện Hàn lâm Thụy Điển trao tặng. Dù Nobel đã viết nhiều di chúc trong suốt cuộc đời của ông, bản di chúc cuối cùng đƣợc viết gần 1 năm trƣớc khi ông qua đời, và ký tại Câu lạc bộ Na Uy-Thụy Điển ở Paris ngày 27 tháng 11 năm 1895. Nobel dành 94% tổng giá trị tài sản của mình, 31 triệu krona Thụy Điển (tƣơng đƣơng 186 triệu USD thời điểm năm 2008), để thiết lập 5 Giải Nobel. Do mức độ hoài nghi quanh di chúc này, mãi đến ngày 26 tháng 4 năm 1897 thì Quốc hội Na Uy mới phê duyệt. 4.2.2 Quá trình xét giải Giải Nobel Vật lý (Tiếng Thụy Điển: Nobelpriset i fysik) là giải thƣởng thƣờng niên của Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển. Đây là một trong năm giải thƣởng Nobel đƣợc thành lập bởi di chúc năm 1895 của Alfred Nobel, dành cho những đóng góp nổi bật trong lĩnh vực vật lý học. Theo lời của Nobel trong di chúc, Giải Nobel thƣởng đƣợc quản lý bởi Quỹ Nobel và đƣợc trao bởi ủy ban gồm năm thành viên đƣợc lựa chọn từ Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển. Giải Nobel Vật lý lần đầu tiên đƣợc trao cho Wilhelm Conrad Röntgen, ngƣời Đức. Mỗi ngƣời đoạt giải Nobel đều nhận đƣợc huy chƣơng Nobel, bằng chứng nhận và một khoản tiền. Mức tiền thƣởng đã đƣợc thay đổi trong suốt những năm qua. Năm 1901, Wilhelm Conrad Röntgen nhận đƣợc khoản tiền 150.782 krona, tƣơng đƣơng với mức tiền 7.731.004 krona vào tháng 12 năm 2007. Năm 2012, Giải Nobel Vật lí đƣợc trao cho 2 nhà khoa học: Serge Haroche (ngƣời Pháp) và David J. Wineland (ngƣời Mỹ) với công trình nghiên cứu về quang học lƣợng tử. Lễ trao giải thƣởng đƣợc tổ chức tại Stockholmvào ngày 10 tháng 10, nhân dịp kỉ niệm ngày mất của Nobel. John Bardeen là ngƣời duy nhất đoạt hai giải Nobel Vật lý vào năm 1956 và 1972. Marie Curie là ngƣời phụ nữ duy nhất đoạt hai giải Nobel trong hai lĩnh vực khác nhau: Giải Nobel Vật lý năm 1903 và Giải Nobel Hóa học năm 1911. William Lawrence Bragg là ngƣời đoạt giải Nobel trẻ nhất từ trƣớc tới nay: ở tuổi 25. Có hai ngƣời phụ nữ đoạt giải thƣởng này là: Marie Curie và Maria Goeppert-Mayer (1963). Tới năm 2012, Giải Nobel đã đƣợc trao cho 193 cá nhân. Có 6 lần Giải Nobel không đƣợc tổ chức là: 1916, 1931, 1934, 1940-1942. Hình 4.4: Huy chƣơng Nobel Vật lý GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 70 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 4.2.3 Những nhà vật lý không nhận đƣợc giải thƣởng Nobel Thomas Edison và Nikola Tesla, hai nhà phát minh nổi tiếng Thế giới cuối thế kỉ XIX và XX đƣợc coi là những ứng cử viên nặng ký cho Giải Nobel Vật lý năm 1915, nhƣng không ai trong số họ giành đƣợc giải thƣởng này cho dù cả hai đều đóng góp rất lớn cho sự tiến bộ của khoa học và kỹ thuật. Nhiều ngƣời tin rằng ủy ban xét giải đã loại cả hai ngƣời do những mâu thuẫn cá nhân giữa hai nhà phát minh này, nhiều bằng chứng cho thấy cả Edison và Tesla bằng cách này hay cách khác đã tìm cách hạ thấp những cống hiến và sự xứng đáng đoạt giải của ngƣời kia, đồng thời thề sẽ từ chối giải nếu phải cùng nhận hoặc nhận sau địch thủ của mình—nhƣ đồn đại của giới truyền thông. Dù sao thì cũng rất đáng tiếc khi trong danh sách những ngƣời nhận giải không có tên Tesla và Edison. Cần biết rằng lúc này Tesla đang rất cần hỗ trợ về tài chính, chỉ một năm sau khi đƣợc đề cử không thành, ông đã lâm vào cảnh phá sản. Hình 4.5: Nikola Tesla và Thomas Edison Nhà Vật lý nữ ngƣời Áo Lise Meitner đã đóng góp rất lớn vào việc phát hiện ra hiện tƣợng phân hạch năm 1939 nhƣng không bao giờ đƣợc nhận Giải Nobel Vật lý. Trong thực tế, chính bà chứ không phải Otto Hahn, ngƣời đƣợc nhận Giải Nobel Hóa học năm 1944 "vì tạo ra nguyên tố mới nhờ phản ứng phân hạch", đã lần đầu tiên đề cập đến hiện tƣợng phân hạch đồng vị phóng xạ sau khi phân tích các dữ liệu thí nghiệm và cùng Otto Robert Frisch áp dụng thành công mẫu giọt chất lỏng của Niels Bohr để giải thích hiện tƣợng này. Nhiều ngƣời cho rằng Meitner không đƣợc trao giải vì tình trạng trọng nam khinh nữ phổ biến đầu thế kỉ 20 trên Thế giới và ngay trong thành phần ủy ban xét giải, đã dẫn đến những cống hiến của bà bị xem nhẹ và gạt khỏi danh sách trao giải. Giải Nobel Vật lý năm 1956 đƣợc trao cho William Shockley, John Bardeen và Walter Brattain "vì phát minh transistor" trong khi thực tế đã có nhiều phát minh trƣớc đó liên quan đến việc hình thành transistor nhƣ các mẫu transistor hiện đại do Julius Edgar Lilienfeld đăng ký bằng sáng chế từ năm 1928. Ngô Kiện Hùng là nhà Vật lý nữ đƣợc mệnh danh "Đệ nhất phu nhân của Vật lý", "Marie Curie của Trung Quốc", bà đã chứng minh bằng thực nghiệm sự vi phạm bảo toàn tính chẵn lẻ năm 1956 và là phụ nữ đầu tiên đƣợc nhận Giải Wolf cho Vật lý. Tuy vậy đến tận khi mất năm 1997, bà vẫn không đƣợc xét trao Giải Nobel Vật lý. Chính Ngô Kiện Hùng đã đề cập thí nghiệm của mình với Lý Chính Đạo và Dƣơng Chấn Ninh, giúp cho hai nhà Vật lý này chứng minh thành công lý thuyết về sự vi GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 71 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 phạm bảo toàn tính chẵn lẻ trong phân rã điện tử. Lý và Dƣơng đã đƣợc nhận Giải Nobel Vật lý vì công trình này, tƣơng tự trƣờng hợp của Meitner, dƣ luận đã chỉ trích việc ủy ban không đồng trao giải cho Ngô Kiện Hùng nhƣ là một biểu hiện của việc trọng nam khinh nữ trong xét giải của Ủy ban Giải Nobel. Hình 4.6: Ngô Kiện Hùng Năm 1974 giải đƣợc trao cho Martin Ryle và Antony Hewish "vì những nghiên cứu tiên phong trong lĩnh vực Vật lý thiên văn vô tuyến". Hewish đƣợc trao Giải Nobel Vật lý với lý do riêng là đã phát hiện ra xung tinh, nhƣng thực tế thì nhà Vật lý này ban đầu đã giải thích những tín hiệu thu đƣợc là liên lạc của "những ngƣời nhỏ bé da xanh" ("Little Green Men", ám chỉ ngƣời ngoài hành tinh) với Trái Đất. Sự giải thích chính xác chỉ đến khi David Staelin và Edward Reifenstein phát hiện ra một xung tinh ở tâm của Tinh vân con cua (Crab Nebula). Sau đó, Fred Hoyle và nhà thiên văn Thomas Gold đã giải thích chính xác pulsar là những sao neutron quay rất nhanh trong từ trƣờng mạnh nên bức xạ sóng vô tuyến đều đặn và mạnh nhƣ là việc phát ánh sáng của một ngọn hải đăng. Jocelyn Bell Burnell, học trò do Hewish hƣớng dẫn, cũng không đƣợc xét trao giải, mặc dù cô là ngƣời đầu tiên đề cập đến các nguồn sóng vô tuyến từ ngoài vũ trụ mà sau đó đƣợc chứng minh là bắt nguồn từ các pulsar. Một trƣờng hợp tƣơng tự cũng liên quan đến Vật lý thiên văn là Giải Nobel Vật lý năm 1978, năm đó hai ngƣời chiến thắng là Arno Allan Penzias và Robert Woodrow Wilson "vì đã phát hiện ra bức xạ phông vũ trụ" (CMB), trong khi ban đầu chính bản thân hai ngƣời này cũng không thể hiểu đƣợc tầm quan trọng to lớn của phát hiện này và cũng không giải thích đƣợc chính xác nguồn gốc của các tín hiệu tìm thấy. Trong những năm gần đây, Giải Nobel Vật lý cũng không thoát khỏi chỉ trích từ giới khoa học và dƣ luận. Giải năm 1997 đƣợc trao cho Chu Đệ Văn, Claude CohenTannoudji và William Daniel Phillips "vì đã phát triển phƣơng pháp làm lạnh và bẫy nguyên tử bằng laser" trong khi những công trình tƣơng tự đã đƣợc các nhà Vật lý Nga thực hiện từ hơn một thập kỉ trƣớc đó. 4.3 TÌM HIỂU MỘT SỐ CÔNG TRÌNH QUANG HỌC NHẬN ĐƢỢC GIẢI THƢỞNG NOBEL DANH GIÁ 4.3.1 Từ vật lý cổ điển đến vật lý lƣợng tử 4.3.1.1 Wilhelm Röntgen khám phá ra tia X - người đầu tiên đoạt giải Nobel Vật lý năm 1901 GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 72 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 Rontgen (1845 –1923), tên đầy đủ là Wilhelm Conrad Rontgen, sinh ra tại Lennep, Đức, là một nhà vật lý, giám đốc Viện vật lý ở Đại học Würzburg. Hình 4.7: Wilhelm Conrad Rontgen Năm 1869, khi mới 25 tuổi, ông nhận bằng Tiến sĩ tại Đại học Zurich. Năm 1874 Röntgen trở thành giảng viên tại Đại học Strasbourg. Suốt các năm tiếp theo ông công tác tại nhiều trƣờng đại học khác nhau và trở thành nhà khoa học xuất sắc. Năm 1875 ông trở thành một giáo sƣ tại Học viện Nông nghiệp ở Hohenheim, Württemberg. Năm 1876, ông trở lại Strasbourg làm giáo sƣ vật lý và năm 1879 ông đƣợc bổ nhiệm là giáo sƣ vật lý của Đại học Giessen. Năm 1888, ông đƣợc bổ nhiệm làm giáo sƣ vật lý và ông đồng thời trở thành giám đốc Viện vật lý của Đại học Würzburg. Vào ngày 8 tháng 11 năm 1895, ông đã khám phá ra sự bức xạ điện từ, loại bức xạ không nhìn thấy có bƣớc sóng dài mà ngày nay chúng ta đƣợc biết đến với cái tên tia X-quang hay tia Röntgen. Nhờ khám phá này ông trở nên rất nổi tiếng. Năm 1901 ông đƣợc nhận giải Nobel Vật lý lần đầu tiên trong lịch sử vì những đóng của ông. * Khám phá ra tia X-quang – một phát hiện lịch sử Thế kỷ thứ XIX là thời đại của ông. Thời đó, động cơ hơi nƣớc đƣợc coi là phát minh kiệt xuất của nhân loại, kế đó là những sáng chế tiêu biểu nhƣ: xe đạp, máy quay đĩa, điện thoại, điện ảnh… Những môn khoa học cơ bản nhƣ: Toán, Lý, Hóa, Sinh… vẫn còn biệt lập nhau và cách nhau rất xa. Những kiến thức lý thuyết còn phát triển chậm, cho nên, nhà nghiên cứu, trƣớc hết, phải là nhà thực nghiệm giỏi. Ở vào thời kỳ này, nhất là vào những năm 1890, các nhà vật lý tên tuổi đổ xô vào tìm hiểu phát minh mới của Faraday và Hittorf và ―Hiện tƣợng phóng điện trong không khí loãng‖. Tia điện khi đó là đề tài hấp dẫn, là ―mốt‖ theo đuổi của nhiều nhà khoa học, trong đó có Rontgen. Kể từ tối ngày 7/11/1895, phòng thí nghiệm Viện Vật lý thuộc trƣờng Đại học Tổng hợp Wurtzbourg (cách Berlin 300 km về phía tây nam), Giám đốc Rontgen ―chong đèn‖ thâu đêm mải mê nghiên cứu dòng điện vận chuyển trong ống chân không, còn gọi là ống Crookes – Hittorf, (đó là tên của nhà vật lý kiêm Chủ tịch Hội GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 73 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 đồng Hoàng Gia Anh và sáng chế của Crookes đã ra đời cách ngày ấy 40 năm). Rontgen có ý định làm lại các bƣớc thí nghiệm với ống chân không này. Một trong những thiết bị mà Rontgen rất chú ý đến là ống tia âm cực. Đó là một ống thuỷ tinh chân không có hai điện cực ở hai đầu, đƣợc cung cấp điện áp cao thế từ cuộn dây Ruhmkorff và nếu áp suất trong ống thấp, chúng sẽ taọ ra sự phát sáng huỳnh quang (phosphorescence) khi tác động bởi một chùm electron phát sinh từ âm cực. Ông đặt một màn chắn giữa ống và tia âm cực với bản thủy tinh (trong đó có tráng một lớp hỗn hợp phát quang). Khi bật công tắc điện thì màn chắn có chứa barium plation – cyamit (ta thƣờng gọi là Xyanuabari) đặt trƣớc ống chân không bỗng phát ra thứ ánh sáng xanh nhè nhẹ, nhƣng sao nó lại có vẻ khác lạ so với tia điện chúng ta thƣờng biết đến ? Khi rút phích điện ra khỏi ổ cắm, ánh sáng kỳ lạ kia biến mất. Ông kiểm tra lại nơi phát sáng, tình cờ ông thấy tấm bìa tẩm platinocyanure de baryum ở đó. Ông suy đoán: có thể từ chính cái ống crookes kia đã phát ra ―một cái gì đó‖, rồi chính nó lại kích thích chất huỳnh quang trên màn hình. Rontgen tự hỏi: ―Hay tấm bìa phát sáng ? hoặc một khúc xạ nào đó của tia điện? Hay ống nghiệm phát sáng?‖ Ông làm lại thí nghiệm đó bằng cách thử dùng giấy đen bịt kín ống nghiệm lại xem sao. Rontgen thốt lên: ―Lạ thật! Kết quả vẫn nhƣ cũ‖. Ông dự đoán: ―có thể đây là một tia rất mới. Nó xuyên qua cả giấy đen‖. Bà Bertha – ngƣời vợ thân yêu của ông thấy chồng có vẻ đăm chiêu hơn mọi ngày. Ngồi ăn cơm bên nhau mà bà không dám hỏi, e ngại dòng suy nghĩ của chồng bị ngắt quãng. Cả đêm hôm đó ông không thể chợp mắt đƣợc. Ông muốn lao sang phòng thí nghiệm ngay tức khắc. Ông suy đoán miên man không sao ngủ đƣợc. Rồi đột nhiên, ông thốt lên thành lời: ―Phải rồi! May ra chỉ có giấy ảnh mới kiểm chứng đƣợc khả năng xuyên qua giấy đen của thứ tia mới lạ đó‖. Trời vừa mới sáng, ông sang phòng thí nghiệm ngay, lấy từ trong ngăn kéo ra tập giấy ảnh mới mua. Ông bắt tay vào thí nghiệm với giấy ảnh. Rồi giao cho Marstaller – nhân viên của phòng mang đi in thành ảnh. Chỉ ít phút sau đã thấy Marstaller quay trở lại, anh tỏ ra ấp úng: ―Tôi…, tôi… trót mở tung gói giấy ra làm cho chúng đen lại‖. Nhƣng Rontgen nhìn kỹ lại và thấy nó không đen đều. Ông quan sát kỹ hơn thì thấy: có in hình chữ nhật và ở giữa là hình tròn tựa nhƣ chiếc nhẫn. Nhìn vào trong ngăn kéo, ông thấy có một tấm bìa cứng kích thƣớc bằng đúng hình chữ nhật kia và trên đó đặt chiếc nhẫn của ông. Ông chợt nhớ lại: Hai nhà khoa học Kelvin và Gabriel (ngƣời Anh) 15 năm về trƣớc có lần nói đến một số tia lẫn trong tia điện. Phải chăng nó là đây ? Nhƣng sao suốt 15 năm qua không ai tìm ra nó ? Ông ngồi nhìn lại tấm hình trên giấy ảnh. Rồi lại đặt lên bàn, tập trung đến cao độ để giải thích hiện tƣợng này. Bertha kể lại rằng: ―Trong suốt thời gian chung sống với nhau, khoảng gần 25 năm bà chƣa bao giờ thấy ông ấy vui vẻ, rạng rỡ đến nhƣ thế‖. Gần đến ngày lễ Giáng Sinh rồi, nhƣng ông vẫn quyết định thử nghiệm lại một lần nữa. Lần này, Rontgen đƣa thiết bị sang phòng bên cạnh, kéo các rèm cửa lại để làm phòng tối. Gần ống nghiệm có một màn huỳnh quanh. Khi công tắc bật lên, tia lửa điện xuất hiện ngay trong ống và màn huỳnh quang lại phát sáng. Rontgen bịt ống GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 74 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 nghiệm bằng ống giấy, rồi chuyển màn hình quay trở lại phòng thí nghiệm cũ. Ngăn cách hẳn một cánh cửa gỗ, nhƣng màn huỳnh quang vẫn sáng, tuy có yếu hơn trƣớc đôi chút. Lần này thì ông bỏ ống giấy ra, nhƣng đặt thêm một quyển sách khá dày trƣớc màn hình. Ông thận trọng bật công tắc. ―Chà ! Kết quả vẫn không thay đổi‖. Ông mừng rỡ thật sự. Suy tính trong giây lát, một tay ông nâng màn hình lên, tay kia đƣa ngay vào tầm của màn huỳnh quang. Thật là sửng sốt! Ông nhìn thấy những đốt xƣơng bàn tay của chính mình, cả đƣờng gân và mạch máu. Thú vị thay là bộ xƣơng ấy đang sống, nó chuyển động theo sự điều khiển của ông. Rontgen lại tiếp tục đƣa vào những vật cản khác, bằng nhiều chất liệu, cuối cùng ông rút ra kết luận: ―Tia đặc biệt này có khả năng xuyên qua giấy, gỗ, vải, cao su, phần mềm của cơ thể… Nhƣng không đi qua đƣợc kim loại, nhất là những kim loại có tỷ trọng lớn, không đi qua đƣợc một số bộ phận cơ thể, nhất là những bộ phận có chứa nguyên tố nặng nhƣ xƣơng. Mặt khác, nó không bị ảnh hƣởng bởi từ trƣờng, hay điện trƣờng, nó làm cho không khí trở nên dẫn điện hiện lên phim ảnh…‖ Nhà phát minh bỗng cảm thấy cần phải chia sẻ với ngƣời vợ thân yêu của mình. Ông đặt bàn tay bà lên trên tấm kính ảnh. ống nghiệm của ông thì để ở dƣới gậm bàn. Ông dăn vợ: đừng có động đậy bàn tay đang đặt ở trên bàn. Thế là pô ảnh đầu tiên bằng tia mới chƣa kịp đặt tên đã đƣợc ông chụp cho chính bàn tay mềm mại của ngƣời vợ thân yêu. Tấm ảnh chƣa kịp khô, Roentgen đã lấy ra cho vợ xem. Những đốt xƣơng tay của Bertha hiện lên thật rõ nét, cả chiếc nhẫn mà bà đeo trên ngón tay trỏ nữa, chúng đều hiện lên rõ mồn một. Hôm đó là ngày 22/12/1895. Hình 4.8: Ảnh chụp bàn tay của bà Anna Bertha Ludwig Về sau này, ngƣời ta ca ngợi tấm hình ―là bản chụp hình xƣơng ngƣời đầu tiên trong lịch sử y học‖. Từ đây, nó giúp cho con ngƣời có thể thấy đƣợc cơ quan nội tạng của mình mà trƣớc đó không có cách gì thấy đƣợc. Thành công của Rontgen làm mọi ngƣời hết sức kinh ngạc. Gần 7 tuần đã trôi qua, ông miệt mài ở trong phòng thí nghiệm để đánh giá nhận định mô tả lại và rút ra những kết luận tổng quát về tia mới mà ông vừa tìm ra và chƣa kịp đặt tên cho nó. Bắt chƣớc các nhà toán học thƣờng hay đặt tên cho ẩn số bằng những chữ cái, ông quyết định đặt tên cho nó là tia X (tubes X). Rontgen cố gắng viết GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 75 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 gọn lại trong 6 trang để trình bày tại Hội đồng khoa học Vật lý – Y khoa của trƣờng tổng hợp Wurtzbourg. Đến khi hoàn thành báo cáo khoa học thì cũng là lúc ông nghe thấy tiếng ngƣời bƣớc nhè nhẹ tới phòng làm việc của ông. Bertha mở cánh cửa để cho gió mùa xuân lùa vào nơi chồng làm việc. Bà nói: ―Anh yêu ! chúc anh một Giáng sinh hạnh phúc !‖. Rồi chuông từ các Thánh đƣờng trong thành phố Berlin đổ hồi. Công trình khoa học của Roentgen cũng vừa xong, nó nhƣ đƣợc Chúa chứng giám đúng vào mùa Giáng sinh năm ấy, năm 1895, khi ông tròn 50 tuổi. Ba ngày sau, Rontgen gửi báo cáo khoa học tới Đại học Tổng hợp Wurtzbourg. Ông cũng nhờ Franz Exner là học trò cũ của mình gửi bài tóm tắt khoa học tới các tòa báo. Chỉ vài ngày sau, các báo ở Frankfurt, ở Paris, ở St.Petecbur đã đƣa tin về phát minh của Roentgen: Một thành công làm mọi ngƣời kinh ngạc, đó là chụp ảnh bằng tia X. Rồi hàng loạt báo chí của nhiều nƣớc cũng đƣa tin và họ còn phóng đại thêm lên nữa, kiểu nhƣ: ―Có thể đọc đƣợc ý nghĩ trong đầu ngƣời khác‖, ―Có thể chớp đƣợc cảnh bất ngờ ở đằng sau ngôi nhà‖… Các nhà bình luận còn suy đoán nhiều về khả năng ứng dụng của tia X quang trong tƣơng lai… Ngày 23/1/1896, Rontgen trình bày báo cáo khoa học tại Hội đồng Vật lý – Y khoa trƣờng Đại học Tổng hợp Wurtzbourg trƣớc các nhà khoa học hàng đầu về Vật lý và Y khoa của nƣớc Đức. Báo cáo của ông đã thực sự đƣợc đánh giá cao. Để chứng minh, Rontgen đề nghị đƣợc chụp ảnh bàn tay giải phẫu tài ba của các bác sĩ Kolliker bằng X quang. Tháng 2 năm 1896, tại Paris, nhà vật lý Oudin và bác sĩ Barthelemy đã thực nghiệm X quang tại nhà. Dựa vào nguyên lý của Rontgen, họ đã chế tạo máy chiếu X quang đầu tiên trên thế giới. Cũng tại Paris, bác sĩ Antoine Beclere đã chiếu X quang cho ngƣời nấu bếp của mình. Ông nhận thấy phổi của bà có nhiều chỗ bị mờ. Hỏi ra mới biết, trƣớc đó bà đã bị ho ra máu. Đó là trƣờng hợp chuẩn đoán bệnh qua X quang đầu tiên trong lịch sử y học thế giới. Antoine nói, dùng tia X quang để chuẩn đoán bệnh lao là bƣớc tiến quan trọng trong cuộc đời nghề nghiệp của ông. Sau lần đó, bác sĩ chuyên khoa miễn dịch nổi tiếng B.Antoine đã soạn thảo bộ giáo trình: Chuyên khoa X quang chẩn đoán và điều trị bệnh trong nội tạng ngƣời. Giáo trình ấy đƣợc giảng dạy và tồn tại cho đến ngày nay. Ngƣời ta nhớ lại rằng: Khi Rontgen báo cáo khoa học, các thành viên trong Hội đồng khoa học Đại học Tổng hợp Wurtzbourg đã đề nghị đặt tên cho tia X là ―Tia Rontgen‖. Nhƣng nhà bác học khiêm nhƣờng này đã từ chối. Giảng bài cho sinh viên, ông chỉ nói: ―Trong khi làm thí nghiệm với ống nghiệm Crookes – Hittorf ngƣời ta tìm thấy một loại tia mới – tia X quang…‖ Ông không nhắc đến tên mình là ngƣời đã phát minh ra công trình vĩ đại đó. Hoàng gia phong tƣớc cho ông và trao tặng Huân chƣơng Hoàng Gia, để công nhận thành công trong khoa học của ông. Thành công ấy bắt nguồn tự sự thông minh ngay từ hồi còn đi học phổ thông, vì ở cấp học này, ông chỉ học trong 18 tháng. Ông cũng chỉ cảm ơn và từ chối niềm vinh quang đó. Ông chỉ nhận một chức duy nhất là Tiến sỹ danh dự của Đại học Tổng hợp Wurtzbourg. Năm năm sau, năm 1901, ông đƣợc trao giải Nobel về Vật lý, trở thành ngƣời đầu tiên trên thế giới đƣợc nhận giải Nobel. Ngƣời ta càng cảm phục ông hơn vì ông GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 76 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 trao tặng toàn bộ số tiền thƣởng khá lớn đó cho trƣờng Tổng hợp Wurtzbourg để phát triển khoa học. Cũng phải nói thêm rằng: Kể từ khi trở thành giáo viên tại thành phố Zurich, Rontgen luôn hoạt động trong lĩnh vực Vật lý. Nhƣng, những công trình của ông thời đó có tác dụng to lớn cho ngành Y học. Hình 4.9: Ứng dụng tia X trong quang học Tìm ra tia Rontgen đồng nghĩa với việc mang lại niềm hạnh phúc to lớn cho nhiều ngƣời bệnh, nhất là bệnh lao, căn bệnh hiểm nghèo nhất thời bấy giờ. Ngày nay, tia X càng ngày càng có tầm quan trọng đặc biệt. ở Việt Nam, hầu nhƣ bệnh viện lớn nhỏ nào cũng có máy chiếu X quang. ƣớc tính có khoảng 2.000 máy ở khu vực bệnh viện nhà nƣớc và tƣ nhân. Không những vậy, tia X quang còn đƣợc áp dụng rộng rãi trong việc kiểm tra hành lý tại sân bay, dò tìm vết nứt khuyết tật trong ống dẫn dầu, khí, trong công nghiệp… Nay, công nghệ thông tin phát triển cùng với máy X quang đã mở ra con đƣờng nghiên cứu cấu trúc nguyên tử rất thuận lợi. Chỉ 6 tháng sau khi phát hiện ra tia X quang, ngƣời ta đã nhận biết đƣợc hiệu ứng độc hại của nó vì tia X phát ra một loại bức xạ ion hóa có thể gây ra tình trạng lão hóa sớm, đục thủy tinh thể, dị tật bào thai, gây đần độn ở trẻ em, ung thƣ da và phổi v.v… Nếu tiếp xúc trực tiếp, thƣờng xuyên với bức xạ này trong phạm vi bán kính 7 mm mà không có yếm chì, ghế ngồi an toàn và kính chì bảo vệ sẽ rất nguy hiểm. Nguyên lý của máy X quang đã gợi cho giáo sƣ vật lý ngƣời Pháp Henri Becquerel đi sâu nghiên cứu về phóng xạ. Và sau này, ông cùng Marie Cuire (ngƣời Pháp gốc Ba Lan) và Joseph John Thomson (giáo sƣ vật lý ngƣời Anh), đã trở thành cha đẻ về phóng xạ của nhân loại. Ngày 10/2/1923, Wihelm Rontgen qua đời. Nhƣng niềm vinh quang của ông để lại trong lòng dân thì còn mãi. 4.3.1.2 Albert Abraham Michelson - sự phá sản của ê-te Albert Michelson (1852 - 1931) là nhà vật lý học ngƣời Mỹ gốc Phổ, nổi tiếng với nghiên cứu về cách đo tốc độ ánh sáng và đặc biệt là với Thí nghiệm MichelsonMorley. Năm 1907, ông giành đƣợc giải thƣởng Nobel vật lý. Michelson chính là ngƣời Mỹ đầu tiên dành giải Nobel trong lĩnh vực khoa học. GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 77 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 Hình 4.10: Albert Abraham Michelson Sinh ra ở Ba Lan, năm lên 2 tuổi, Michelson gia đình di cƣ sang Hoa Kỳ. Năm 1873, Michelson tốt nghiệp học viện Hải Quân và phục vụ cho quân đội trong vòng 2 năm. Từ năm 1880 đến năm 1882, Michelson học sau đại học tại Đức và Pháp. Năm 1883, Michelson đảm nhiệm chức vụ giáo sƣ vật lý. Từ đầu năm 1887, ông đã bắt đầu tập trung vào việc đo đạc vận tốc ánh sáng và đã có đƣợc những giá trị rất chính xác. Sau này, Michelson tiếp tục tiến hành một số lần đo đạc với các phƣơng pháp cải tiến và thu đƣợc những kết quả chính xác hơn. Cũng trong năm này, ông cùng Edward Morley đã tiến hành thí nghiệm bác bỏ sự tồn tại của ê-te (thí nghiệm MichelsonMorley). Sau đó, ông tiếp tục nghiên cứu để áp dụng kỹ thuật giao thoa trong việc đo đạc các giá trị thiên văn, đặc biệt là khoảng cách giữa các ngôi sao trong các hệ sao đôi. Tuy nhiên, để đạt đƣợc thành công hiếm có ấy, Michelson đã phải vƣợt qua bao nổi đắng cay của số phận. Ông sinh ra tại một thị trấn nhỏ ở Ba Lan, cha ông cũng nhƣ nhiều dồng bào của ồng thời ấy, đã đi tìm hạnh phúc ở bên kia đại dƣơng. Lúc ấy Michelson mới vừa tròn hai tuổi. Mới đầu gia đình ông lập nghiệp ở California, nhƣng công việc làm ăn không phát đạt, họ lại thu xếp chuyển đến Virginia. Ở trƣờng, Michelson học khá, đặc biệt là các môn toán lý. Khi bàn đến tƣơng lai của cậu con trai, ông bố thƣờng yên lặng: ―Học ở trƣờng Đại học thì phải trả tiền, mà tiền thì lấy đâu ra, ở nơi gạo châu củi quế này, gia đình tám miệng ăn đâu phải chuyện thƣờng‖. Cuối cùng Michelson chọn học viện Hải quân chỉ vì học viện này có cho sinh viên học bổng, đồng thời mở ra cho cậu con đƣờng đi vào khoa học. Nhƣng Michelson đạt đƣợc nguyện vọng đó không phải dễ dàng. Ở bang Nevada, nơi gia đình Michelson cƣ trú, Học viện Hải quân chỉ đƣợc dành cho một chỗ và ngƣời đƣợc chọn vào chắc chắn không phải Michelson. Cậu buồn lắm! Cậu phải hành động. Một ý nghĩ lóe lên trong đầu óc chàng trai 17 tuổi… Cậu thu xếp hành trang, một mình tìm đến Washington với ý nghĩ táo bạo: ―Trực tiếp đề nghị tổng thống U.S.Grant tạo điều kiện cho cậu đƣợc vào Học viện‖. Cậu biết rất rõ, cứ sáng sớm, vào giờ nhất định Tổng thống thƣờng đi dạo với con chó của mình. Cậu đứng đợi ở cổng Nhà Trắng. Vừa thấy Tổng thống xuất hiện, cậu lấy hết can đảm bƣớc đến trƣớc mặt ông. Lúc đã về già, Michelson mỉm cƣời nhớ lại lúc ấy đã hứa với Tổng thống rằng ông có thể tự hào về cậu nếu cậu đƣợc vào học viện. Điều đáng ngac nhiên không phải là tổng thống đã chú ý lắng nghe cậu, dành cho cậu GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 78 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 một trong những chỗ còn để trống do đích thân ông phân phối mà là ở chỗ cậu thiếu niên này đã giữ đúng lời hứa của mình. Cậu đã trở thành nhà vật lý thực nghiệm kiệt xuất, cậu đã trở thành ngƣời Mỹ đầu tiên nhận đƣợc giải thƣởng Nobel năm 1907, cậu đã trở thành niềm tự hào và vinh quang của nƣớc Mỹ… * Thí nghiệm Michelson – Morley Lúc mới vào Học viện có 86 sinh viên, nhƣng khi tốt nghiệp chỉ còn cả thảy 29 ngƣời trong số đó có Michelson. Mới đầu, anh làm việc hai năm trên một con tàu quân sự với cấp bậc thiếu úy và khi hết nghĩa vụ, đƣợc gọi về Học viện làm việc tại khoa vật lý và hóa học. Lúc này, kỹ thuật thực nghiệm trong vật lý học cuối thế kỷ XIX đã cho phép đo đƣợc vận tốc ánh sáng một cách chính xác và khẳng định thuyết điện từ về ánh sáng. Để xây dựng mô hình cơ học về sự truyền sóng ánh sáng, ngƣời ta thừa nhận một môi trƣờng giả định là ê-te Vũ trụ, có mặt ở khắp nơi trong Vũ trụ và đứng yên trong không gian tuyệt đối. Do đó các nhà vật lý hy vọng rằng, nếu nhƣ các thí nghiệm cơ học không cho phép phát hiện không gian tuyệt đối thì các thí nghiệm quang học có thể cho phép làm việc đó. Năm 1878, một năm trƣớc khi qua đời, J.C.Maxwell đã nêu lên một thí nghiệm tƣởng tƣợng cho phép phát hiện chuyển động của trái đất trong ê-te. Song tiếc thay, ông không kịp thực hiện thí nghiệm đó trên thực tế. Năm 1881, Michelson đã tìm ra một biện pháp tài tình để biến thí nghiệm tƣởng tƣợng của Maxwell thành thí nghiệm thực hiện đƣợc. Michelson lập luận: ―Trái đất chuyển động trên quỹ đạo quanh mặt trời với vận tốc xấp xỉ 30km/s‖. Nếu nhƣ không gian chứa đầy ê-te Vũ trụ đứng yên tại chỗ, khi trái đất chuyển động ắt phải có một luồng ―gió ê-te‖ thổi ngƣợc lại, giống nhƣ một ngƣời đi xe ôtô lúc trời lặng gió vẫn thấy có luồng gió thổi ngƣợc. Michelson chuẩn bị thí nghiệm tỷ mỷ, công phu. Ông phát minh ra một dụng cụ vô cùng tinh vi mà giờ đây đƣợc gọi là ―Giao thoa kế Michelson‖. Thí nghiệm bắt đầu, nhà vật lý theo dõi dụng cụ một cách căng thẳng. Ngày này qua ngày khác, ông cần mẫn quay giao thoa kế nhích dần theo mọi phƣơng và quan sát kỹ các vân giao thoa. Kết quả thật bất ngờ: ―Không có dấu hiệu gì có gió ê-te, vậy thì ê-te, ―mi‖ ở đâu? Hay có thể, vì trái đất quay theo quỹ đạo quanh mặt trời đã cuốn ê-te theo mình, do vậy mà giao thoa kế không phát hiện thấy sự thay đổi về vận tốc ánh sáng chăng? ‖. Và ông lại thí nghiệm, thí nghiệm tiếp… Các kết quả lại vẫn nhƣ cũ. Ông công bố kết quả và phát biểu giả định của mình. Có thể là trái đất đã cuốn theo khi nó chuyển động nhƣ vậy, phần ê-te bao quanh trái đất là đứng yên so với trái đất, đó là nguyên nhân gây ra kết quả phủ định, kết quả ―âm‖ của thí nghiệm? nhƣng nhiều nhà vật lý học không công nhận giả thuyết đó. Để giải thích nhiều hiện tƣợng vật lý khác, có ngƣời cho rằng ê-te không bị Trái đất kéo theo, có ngƣời cho rằng nó bị kéo theo một phần thôi. Kết quả ―âm‖ lại vẫn là một điều bí hiểm! Về sau, Michelson gặp giáo sƣ hóa học E.W.Morley. Ông này cũng là ngƣời chuộng chính xác. Trong các đo đạc của mình, Morley thƣờng theo đuổi đến độ chính xác hầu nhƣ tuyệt đối. Michelson chừng nhƣ thấy bản thân mình trong Morley. Với con ngƣời ấy, Michelson có thể hoàn toàn tin cậy. GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 79 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 Giờ đây, cả hai cùng hợp sức cải tiến giao thoa kế cho tinh vi hơn. Các dụng cụ đƣợc chế tạo hết sức cẫn thận để loại trừ tất cả các nhiễu loạn có thể xảy ra trong thời gian thí nghiệm. Thế rồi, năm 1887 thí nghiệm đƣợc tiến hành lại. Và cũng giống nhƣ trƣớc, kết quả cũng giống y hệt nhƣ Michelson đã từng nhận đƣợc. Michelson chắc mẩm, lần này với giao thoa kế ―siêu‖ chính xác mới của ông và Morley, may ra có thể phát hiện thấy sự thay đổi về vận tốc ánh sáng… ấy thế mà lại cũng vẫn kết quả ấy! Ông lại cho công bố kết quả âm của mình, lần đầu tiên chứng minh với độ chính xác cao rằng: ―Vận tốc ánh sáng không phụ thuộc vào chuyển động của trái đất, rằng đại lƣợng đó là một hằng số‖. Michelson không tìm đƣợc cái mà ông theo đuổi mấy chục năm ròng. Những thí nghiệm tinh vi của ông đã đƣa tới kết quả ―âm‖. Song theo cách diễn tả của J.D.Bernal, nhà vật lý kiêm triết học xuất sắc thế kỷ XX thì: ―Đó là kết quả ―âm‖ vĩ đại nhất trong tất cả các kết quả ―âm‖ của lịch sử khoa học‖. ―Kết quả nhƣ là bản khai tử cho giả thuyết về đại dƣơng ê-te bất động!‖. Sau này, trên cái nền mà Michelson đã chuẩn bị sẵn thì Einstein với tƣ duy sắc nhạy hiếm có đã xây dựng thuyết tƣơng đối của mình. Còn Michelson khi kể về thí nghiệm này, ông khiêm nhƣờng nói: ―Theo tôi thí nghiệm này không đến nổi tốn công vô ích, bởi vì việc tìm kiếm cách giải quyết vấn đề đặt ra đã dẫn tới việc phát minh ra giao thoa kế‖. Tới năm 70 tuổi, ông lại trở về với lúc ban đầu. Ông đi California… Tại đây, trên ngọn San – Antonio, ông đặt một thiết bị khác trên ngọn Wilson, cách nhau khoảng 35km. Nhiều đêm liên tục, một chùm tia sáng hẹp, sau khi phản xạ từ hệ gƣơng đặt trên núi San – Antino, xuyên qua núi và đập vào gƣơng parabol ở trên núi Wilson. Ba năm trời, bắt đầu từ năm 1924 đến cuối năm 1927, hầu nhƣ tối nào cũng vậy, thí nghiệm nọ nối tiếp thí nghiệm kia… Cuối cùng, ông thu đƣợc kết quả trung bình của vận tốc ánh sáng là 299798 km/s. Lúc này tuổi đã cao, tóc bạc da mồi, Michelson có quyền lắng mình nhìn lại cuộc đời và tự thấy chính ông đã sống nhƣ ông hằng mong muốn. Nhƣng không, Michelson vẫn chƣa thật hài lòng với kết quả đạt đƣợc. Ông lại nghĩ về một thí nghiệm mới, ông muốn làm khoảng cách giữa hai gƣơng dài xa hơn nữa… Trong thời gian làm thí nghiệm cuối cùng, mây mù và khói ở California đã gây không ít khó khăn cho ông. Để loại bỏ tất cả những chƣớng ngại gây rối đó, nhà vật lý cho tia sáng đi qua chân không. Phải tạo một cái ống rất lớn, rồi hút hết không khí ra khỏi ống. Chỉ mổi công việc này cũng mất hàng tuần. Trƣớc kia, chƣa từng bao giờ đo vận tốc ánh sáng trong chân không gần nhƣ hoàn toàn. Một năm rƣỡi, hàng trăm phép tính… Lúc này, ngoài hiện trƣờng nơi tiến hành thí nghiệm, bỗng dƣng ngƣời ta thấy vắng bóng nhà bác học già. Ông bất thình lình bị chảy máu não. Tuy vậy, nằm trên giƣờng bệnh, ông vẫn gắng gƣợng dồn hết sức ―chỉ huy‖ thí nghiệm, góp ý giải quyết những vấn đề nảy sinh trong quá trình thí nghiệm… Kết quả tìm thấy là vận tốc ánh sáng bằng 2997764km/s Thành công này làm ông phấn chấn. Độ chính xác vừa đạt đƣợc chừng nhƣ đƣa lại sinh khí cho ông, ông cảm thấy đẽ chịu hơn, ông đi lại đƣợc, thậm chí còn nhờ GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 80 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 ngƣời dìu tới tham dự một hội nghị có mặt Einstein và nhiều nhà khoa học lớn từ nhiều nƣớc trên thế giới. Trong bữa tiệc chúc mừng mình, Einstein đứng lên kính cẩn hƣớng về phía ông già đang ngồi một cách khiêm tốn giữa những ngƣời khác và nói: ―Thƣa ngài Michelson vô cùng kính mến! Chính ngài đã bắt đầu công trình nghiên cứu của mình khi tôi còn là một đứa trẻ. Ngài đã mở ra cho các nhà vật lý những con đƣờng mới và bằng những thí nghiệm tuyệt vời của mình, ngài đã khai phá con đƣờng đi tới thuyết tƣơng đối. Nếu không có các công trình nghiên cứu của ngài, lý thuyết ấy ngày nay cũng vẫn chỉ là một giả thuyết lý thú‖. Những ai nhìn thấy Michelson vào giây phút ấy đã nói lại rằng, nhà Bác học vô cùng xúc động. Ông đứng dậy, ôm chặt Einstein, tay ông run run, đôi mắt ông hoe đỏ. Cả phòng khách nhƣ lắng xuống… Ông muốn quay trở lại làm việc, nhƣng ngày 1 tháng 3 ông nằm liệt giƣờng, sức khỏe ông giảm sút rất nhanh. Ngày 9 tháng 5 năm 1931, Michelson trút hơi thở cuối cùng. Thi hài ông theo di chúc đƣợc hỏa táng và tro đƣợc thả bay theo gió… Biết tin ông qua đời, Einstein đã lặng đi trong giây lát và thốt lên: ―Michelson là nghệ sĩ vĩ đại nhất trong thế giới thí nghiệm khoa học‖. Thí nghiệm Michelson giờ đây đã trở thành một thí nghiệm kinh điển đƣợc mô tả trong các giáo khoa vật lý các nƣớc. Có thể nói, hầu nhƣ cả cuộc đời Michelson chỉ làm đi làm lại thí nghiệm này. Với ý nghĩa vật lý then chốt của nó, thí nghiệm Michelson chính là xuất phát điểm, là cái thực trên khoa học thời đại, đã giúp cho Einstein với khả năng tƣ duy trừu tƣợng hiếm có của mình, bƣớc tới đỉnh cao của thiên tài. 4.3.1.3 Louis de Broglie - bước sóng de Broglie Louis de Broglie (1892 – 1987) là một nhà vật lý Pháp. Ông là thành viên thứ 16 đƣợc bầu vào vị trí số một của Académie française năm 1944 và là thƣ ký vĩnh viễn của Viện hàn lâm khoa học Pháp. Ông đoạt Giải Nobel Vật lý năm 1929. Hình 4.11: Louis de Broglie Louis de Broglie sinh ra trong một gia đình quý tộc ở Dieppe, Seine-Maritime, con trai thứ của Victor, đệ ngũ công tƣớc của Broglie. Ông trở thành đệ thất công tƣớc Broglie sau khi ngƣời anh trai không có ngƣời thừa kế qua đời vào năm 1960, Maurice, đệ lục công tƣớc của Broglie, cũng là một nhà vật lý. Ông không kết hôn. GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 81 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 Khi ông qua đời ở Louveciennes, ông đã đƣợc kế vị tƣớc công tƣớc một họ hàng xa, Victor-François, đệ bát công tƣớc của Broglie. De Broglie đã dự định theo nghề khoa học nhân văn, và nhận đƣợc bằng đầu tiên ngành lịch sử. Sau đó, mặc dù ông đã chuyển sự chú ý của ông đối với toán học và vật lý và tốt nghiệp vật lý. Với sự bùng nổ của thế chiến thứ nhất vào năm 1914, ông gia nhập quân ngũ và tham gia vào việc phát triển thông tin vô tuyến. Nghiên cứu năm 1924 của ông Recherches sur la théorie des quanta (nghiên cứu về lý thuyết lƣợng tử), giới thiệu lý thuyết của ông về sóng điện tử. Điều này bao gồm thuyết vật chất nhị nguyên sóng-hạt, dựa trên công việc của Max Planck và Albert Einstein về ánh sáng. Các giám khảo luận án, không chắc chắn của luận án, đã chuyển luận văn cho Einstein để đánh giá và Einstein đã hoàn toàn tán thành đề xuất tính nhị nguyên sóng-hạt của ông, De Broglie đã đƣợc trao bằng tiến sĩ. Nghiên cứu này lên đến đỉnh điểm trong giả thuyết de Broglie nói rằng bất kỳ hạt di chuyển của hạt hoặc của vật thể đều có một sóng liên quan. De Broglie do đó tạo ra một lĩnh vực mới trong vật lý, ondulatoire mécanique, hoặc cơ học sóng, kết hợp vật lý năng lƣợng (sóng) và vấn đề (hạt). Do đóng góp này, ông đã đoạt giải Nobel Vật lý năm 1929. * Giả thuyết de Broglie Khi nghiên cứu mẫu nguyên tử của Bohr, De Broglie nảy ra ý tƣởng rằng không nên chỉ coi electron là một hạt mà có thể gán cho nó một tính tuần hoàn nào đó. Ông nêu vấn đề: ―Nếu trong lý thuyết về ánh sáng suốt một thế kỷ trƣớc đó ngƣời ta đã coi nhẹ khái niệm "hạt", chỉ sử dụng khái niệm "sóng", thì trong lý thuyết về vật chất ngƣời ta có phạm sai lầm ngƣợc lại không? Có xem nhẹ khái niệm sóng và chỉ sử dụng khái niệm hạt không?‖ Và ông sửa chữa sai lầm đó bằng cách nêu lên khái niệm "sóng vật chất". Nhƣ ta đã biết ánh sáng vừa có tính chất sóng vừa có tính chất hạt. Tính chất sóng thể hiện ở hiện tƣợng giao thoa, nhiễu xạ,… , còn tính chất hạt thể hiện trong các hiện tƣợng quang điện, compton v.v… Lƣỡng tính sóng hạt đƣợc Einstein nêu lên trong thuyết lƣợng tử ánh sáng. Theo thuyết này ánh sáng đƣợc cấu tạo bởi các hạt photon và: Mỗi hạt năng lƣợng: và có động lƣợng bằng: Từ hai công thức ta thấy rõ: những đại lƣợng đặc trƣng cho tính chất hạt (E, p), những đại lƣợng đặc trƣng cho tính chất sóng (λ, f) của ánh sáng liên hệ chặt chẽ với nhau. Do ánh sáng và các chất đều là các dạng năng lƣợng có thể chuyển hóa cho nhau, nên De Broglie cho rằng các chất cũng có tính chất lƣỡng tính và các hạt nhƣ: electron và sau đó đối mọi vi hạt khác cũng có tính chất sóng hạt. Nếu áp dụng hệ thức trên cho các electron và nói chung cho các hạt vật chất có khối lƣợng m và vận tốc v ta cũng có thể nói rằng mỗi hạt vật chất đều có bƣớc sóng và tần số là: GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 82 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 (4.1) Chú ý rằng: Vì sóng này không phải là sóng điện từ. Bƣớc sóng đó sau này đƣợc gọi là bước sóng De Broglie của hạt. Bản thân De Broglie và các nhà vật lý khác lúc đó không xác định đƣợc bản chất của sóng đó là gì. De Broglie chứng minh đƣợc rằng khi electron chuyển động trên một quỹ đạo khép kín với một vận tốc không đổi v Dựa vào thuyết photon của Einstein chúng ta mới giải thích đƣợc trọn vẹn bản chất và các định luật của hiện tƣợng quang điện. Và ông đƣợc trao Giải Nobel Vật lý năm 1921. Điểm chính yếu là một lƣợng tử ánh sáng riêng lẻ có đủ năng lƣợng để bứt electron ra khỏi vật chất không. Năng lƣợng tối thiểu cần thiết để làm đƣợc việc đó, gọi là công thoát .Cuối cùng, Einstein đã đƣa ra phƣơng trình sau đây nhờ hiệu ứng quang điện: (4.4) Các công trình này đã dẫn đến sự công nhận về bản chất hạt của ánh sáng, và sự phát triển của lý thuyết lƣỡng tính sóng – hạt của ánh sáng. Hiệu ứng quang điện là một hiện tƣợng điện – lƣợng tử, trong đó các điện tử đƣợc thoát ra khỏi vật chất sau khi hấp thụ năng lƣợng từ các bức xạ điện từ. Hiệu ứng quang điện đôi khi đƣợc ngƣời ta dùng với cái tên Hiệu ứng Hertz, do nhà khoa học Heinrich Hertz tìm ra. Việc nghiên cứu hiệu ứng quang điện đƣa tới những bƣớc quan trọng trong việc tìm hiểu về lƣợng tử ánh sáng và các electron, cũng nhƣ tác động đến sự hình thành khái niệm lƣỡng tính sóng hạt. Hình 4.14: Hiệu ứng quang điện Khi bề mặt của một tấm kim loại đƣợc chiếu bởi bức xạ điện từ có tần số lớn hơn một tần số ngƣỡng (tần số ngƣỡng này là giá trị đặc trƣng cho chất làm nên tấm kim loại này), các điện tử sẽ hấp thụ năng lƣợng từ các photon và sinh ra dòng điện (gọi là dòng quang điện). Khi các điện tử bị bật ra khỏi bề mặt của tấm kim loại, ta có hiệu ứng quang điện ngoài (external photoelectric effect). Các điện tử không thể phát ra nếu tần số của bức xạ nhỏ hơn tần số ngƣỡng bởi điện tử không đƣợc cung cấp đủ năng lƣợng cần thiết để vƣợt ra khỏi rào thế (gọi là công thoát). Điện tử phát xạ ra dƣới tác dụng của bức xạ điện từ đƣợc gọi là quang điện tử. Ở một số chất khác, khi đƣợc chiếu sáng với tần số vƣợt trên tần số ngƣỡng, các điện tử không bật ra khỏi bề mặt, mà thoát ra khỏi liên kết với nguyên tử, trở thành điện tử tự do (điện tử dẫn) chuyển động trong lòng của khối vật dẫn, và ta có hiêu ứng quang điện trong (internal photoelectric effect). Hiệu ứng này dẫn đến sự thay đổi về tính chất dẫn điện của vật dẫn, do đó, ngƣời ta còn gọi hiệu ứng này là hiệu ứng quang dẫn. GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 87 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 Có nhiều ngƣời đƣa ra các mô hình giải thích khác nhau về hiệu ứng quang điện tuy nhiên đều không thành công do sử dụng mô hình sóng ánh sáng. Albert Einstein là ngƣời giải thích thành công hiệu ứng quang điện bằng cách sử dụng mô hình lƣợng tử ánh sáng. Albert Einstein đã sử dụng Thuyết lƣợng tử để lý giải hiện tƣợng quang điện. Mỗi photon có tần số sẽ tƣơng ứng với một lƣợng tử năng lƣợng có năng lƣợng: (4.5) Với h: là hằng số Planck. * Năng lƣợng mà điện tử hấp thụ đƣợc sẽ đƣợc dùng cho hai việc: - Thoát ra khỏi liên kết với bề mặt kim loại (vƣợt qua công thoát ) - Cung cấp cho điện tử một động năng ban đầu: Nhƣ vậy, theo định luật bảo toàn năng lƣợng, ta có thể viết phƣơng trình: (4.6) Do động năng luôn mang giá trị dƣơng, do đó, hiệu ứng này chỉ xảy ra khi: Có nghĩa là hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi: : Chính là giới hạn quang điện của kim loại. Rõ ràng là chỉ có sóng ánh sáng có tần số đủ cao mới có thể gây ra hiệu ứng quang điện, còn cƣờng độ dòng quang điện thì tỉ lệ với cƣờng độ của dòng ánh sáng bị hấp thụ, nghĩa là tỷ lệ với số photon có khả năng bức đƣợc electron khỏi vật chất. Lý thuyết Einstein hoàn toàn giải thích đƣợc tất cả các dữ liệu thực nghiệm. Năm 1907, Einstein trong khi nghiên cứu lý thuyết nhiệt dung của các chất rắn đã giải thích rõ thêm giả thuyết lƣợng tử. Vì sao vật thể (nguyên tử, phân tử, tinh thể) lại bức xạ ánh sáng theo Planck, chỉ theo từng lƣợng nhỏ? Einstein trả lời: ―Bởi vì các nguyên tử chỉ có một bộ gián đoạn các giá trị năng lƣợng khả dĩ‖. Nhƣ vậy, lý thuyết bức xạ và hấp thụ đã có đƣợc dạng hoàn chỉnh. Một ngƣời Mỹ tên là Arthur Compton (1892-1926) đã có đƣợc chứng cứ xác nhận quan trọng nhất về các lƣợng tử ánh sáng vào năm 1922. Ông phát hiện ra rằng bƣớc sóng của bức xạ Rơnghen bị thay đổi khi tán xạ trên các electron của vật chất. Nhƣng theo điện động lực học cổ điển khi tán xạ bƣớc sóng ánh sáng không thể thay đổi đƣợc. Khi Compton thực hiện tính toán đã giả thuyết rằng tán xạ lên electron không phải là các sóng mà là các hạt (các photon). Kết quả tính toán trùng với thực nghiệm. Đó là bằng chứng trực tiếp về sự tồn tại thực tế của các photon. GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 88 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 Chƣơng 5: VẬN DỤNG CÁC ĐỊNH LUẬT VẬT LÝ VÀO THỰC TIỄN CUỘC SỐNG VÀ TRONG GIẢNG DẠY 5.1 ỨNG DỤNG VÀO THỰC TIỄN CUỘC SỐNG 5.1.1 Ứng dụng trong y học Vật lý là một ngành khoa học tự nhiên rất thú vị. Vật lý bao trùm nhiều lĩnh vực nhƣ Quang học (tán sắc, khúc xạ, phản xạ…), Điện (điện trƣờng, từ trƣờng ..), Cơ học (lực, chuyển động, dao động, …), Vật Lý hạt nhân (phóng xạ, các đồng vị phóng xạ, ...). Ngoài ra Vật lý còn có các chuyên ngành khác nhƣ: Vật lý lý thuyết, điện tử cơ sở,… Nhƣ vậy Vật lý là một móc xích kết nối nhiều ngành khoa học, nhiều lĩnh vực trong cuộc sống. Do đó, Vật lý đã có rất nhiều công trình đƣợc ứng dụng trong khoa học cũng nhƣ đời sống phục vụ trực tiếp nhu cầu của con ngƣời nhƣ: giao thông vận tải, sản xuất công nghiệp, trong lĩnh vực công nghệ thông tin, truyền thông… Một ứng dụng không thể không nhắc đến của Vật lý đó là ứng dụng của Vật lý trong Y học, nó góp phần quan trọng trong việc chuẩn đoán, điều trị, chăm sóc sức khỏe cho con ngƣời với một số phƣơng pháp mang lại hiệu quả cao nhƣ: Vật lý trị liệu, chụp X Quang, chiếu xạ, chiếu tia phóng xạ, chiếu tia laser… 5.1.1.1 Chế tạo kính cho mắt tật khúc xạ Hiện nay tỷ lệ tật khúc xạ đặc biệt là cận thị có xu hƣớng tăng cao không chỉ ở Việt Nam mà trên toàn thế giới. Tật khúc xạ là một thiếu sót quang học của mắt khiến cho ánh sáng khi đi qua các môi trƣờng trong suốt của mắt không hội tụ trên võng mạc khi mắt ở trạng thái nghỉ không điều tiết. Hình 5.1: Ảnh mô phỏng mắt bình thƣờng Hình 5.2: Ảnh mô phỏng mắt cận thị Hình 5.3: Ảnh mô phỏng mắt viễn thị GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh Hình 5.4: Ảnh mô phỏng mắt loạn thị 89 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 Đối với mắt cận thị thì hình ảnh hội tụ trƣớc võng mạc. Mắt viễn thị hình ảnh hội tụ sau võng mạc. Đặc biệt hơn là mắt loạn thị: Giác mạc ở chiều đứng (trục 90 độ - lát cắt màu đỏ) có độ cong ít hơn ở chiều ngang (trục 180 độ - lát cắt màu xanh). Do đó khi ánh sáng chiếu vào mắt, chùm tia sáng ở trục 90 độ (màu đỏ) đƣợc hội tụ xa hơn và chùm tia sáng ở trục 180 độ (màu xanh) đƣợc hội tụ ở khoảng cách gần hơn. Cách khắc phục các tật của mắt là mang kính viễn thị (thấu kính hội tụ), kính cận thị (thấu kính phân kì), kính loạn thị để đƣa ảnh trở về đúng trên võng mạc. 5.1.1.2 Ứng dụng cáp quang trong nội soi Hình 5.5: Ứng dụng cáp quang trong nội soi phế quản 5.1.2 Lăng kính phản xạ trong thiên văn Lăng kính phản xạ là loại lăng kính dùng để phản xạ ánh sáng, nhằm mục đích đổi góc hình ảnh, đảo ảnh trên dƣới hay lật ảnh trái phải trong các loại kính thiên văn và ống nhòm. Lăng kính Porro (đặt tên theo nhà phát minh Ignazio Porro) là loại lăng kính phản xạ dùng để thay đổi hƣớng quay của hình ảnh. Nó cấu tạo gồm một khối thủy tinh hình lăng trụ tam giác vuông cân đứng. Tia tới đi vào vuông góc với mặt cạnh huyền của tam giác, phản xạ toàn phần hai lần ở hai cạnh bên rồi lại đi ra ở mặt cạnh huyền. Tia ló nằm cách tia tới một khoảng, song song nhƣng ngƣợc chiều với tia tới. Ảnh tạo bởi lăng kính sẽ bị quay ngƣợc 180° nhƣng không bị lật trái - phải do đƣợc phản xạ hai lần. Vì tia tới và tia ló đều vuông góc với mặt nên ánh sáng đi qua lăng kính không bị tán sắc. Hình 5.6: Lăng kính Porro GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 90 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 Lăng kính Porro thƣờng đƣợc dùng theo cặp tạo thành hệ lăng kính Porro kép. Lăng kính thứ hai đƣợc đặt quay góc 90° so với lăng kính thứ nhất sao cho tia sáng đi qua cả hai lăng kính. Kết quả cuối cùng thu đƣợc là tia ló song song và cùng chiều với tia tới, hình ảnh tạo ra sẽ quay ngƣợc 180° nhƣng không bị lật trái - phải giống nhƣ lăng kính đơn. Hình 5.7: Hệ lăng kính Porro kép Hệ lăng kính Porro kép thƣờng đƣợc sử dụng trong các kính thiên văn quang học cỡ nhỏ và đặc biệt là trong các ống nhòm với chức năng đảo ảnh, đồng thời làm tăng độ dài quang học (đƣờng đi tia sáng) nhƣng không làm tăng chiều dài thiết bị. Hình 5.8: Kính thiên văn Thông thƣờng các lăng kính này đƣợc dán chặt với nhau và cắt bớt các góc không cần thiết để giảm kích thƣớc và khối lƣợng. 5.1.3 Giải thích đƣợc một số hiện tƣợng vật lý có liên quan Nhờ hiện tƣợng phản xạ toàn phần, ngƣời thợ lặn có thể quan sát hình ảnh phản xạ của chú rùa biển này trên mặt phân cách giữa mặt biển và không khí. Hình 5.9: Ngƣời thợ lặn nhìn thấy hình ảnh phản xạ của chú rùa biển này GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 91 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 Chiết suất cao của kim cƣơng, vào khoảng 2,417, lớn hơn so với 1,5 của các thủy tinh thông thƣờng, cũng dễ làm xuất hiện sự phản xạ toàn phần trên mặt trong của kim cƣơng tạo độ lấp lánh. Hình 5.10: Kim cƣơng sáng lấp lánh 5.2 TRONG GIẢNG DẠY Ta nhận thấy quá trình đi đến đƣợc nền tảng kiến thức mới bao giờ cũng xuất phát từ nền tảng kiến thức cũ. Kiến thức cũ ở đây không chỉ các kiến thức trong ngành khoa học đó mà đôi khi cả những kiến thức đƣợc rút ra từ các ngành khoa học khác. Do đó trong quá trình giảng dạy, ngƣời giáo viên không đƣợc xem nhẹ phần nào, không đƣợc xem phần này không thi Đại Học, hay không thi Tốt Nghiệp rồi chúng ta sẽ dạy qua loa. Sự phát triển bền vững chính là sự phát triển hài hòa của tất cả các mặt của học sinh: về cả kiến thức tự nhiên xã hội, thể lực . Cùng với đó là một kế hoạch giảng dạy khoa học xuyên suốt và liên tục trong quá trình dạy học. Giáo viên có thể kết hợp các kiến thức liên quan đến các nhà khoa học hoặc định luật, thuyết ánh sáng có liên quan vào chƣơng trình Trung học phổ thông bằng cách: lồng ghép nội dung trực tiếp vào giáo án, hoặc trong quá trình dạy học trên lớp giáo viên đề cập và nhắc sơ lƣợc phần kiến thức có liên quan. Lƣu ý nội dung mà giáo viên cần lồng ghép không chiếm quá nhiều thời gian của tiết học, các kiến thức lồng ghép chỉ mang tính giới thiệu và truyền tải thông tin đến các em nhằm mục đích tạo cho các em có sự hứng thú và sự tò mò của các em trong tiết học. 5.2.1 Chƣơng trình Vật lý 11 Nâng cao “Chƣơng VI: Khúc xạ ánh sáng” Ánh sáng là đối tƣợng nghiên cứu của quang học. Quang hình học nghiên cứu sự truyền ánh sáng qua các môi trƣờng trong suốt và nghiên cứu sự tạo ảnh bằng phƣơng pháp hình học. Nhờ các nghiên cứu về quang hình học, ngƣời ta đã chế tạo ra đƣợc nhiều dụng cụ quang cần thiết cho khoa học và đời sống nhƣ: Chế tạo kính dùng cho mắt tật, cáp quang ứng dụng trong công nghệ thông tin hay y học, … . Ngoài ra còn giải thích đƣợc các hiện tƣợng tự nhiên đầy hấp dẫn, lý thú nhƣ: Hiện tƣợng cầu vòng, ảo giác trên sa mạc,… Vậy dựa vào cơ chế nào mà ngƣời ta làm đƣợc điều đó, các em sẽ đƣợc tìm hiểu ở chƣơng VI: ―Khúc xạ ánh sáng‖ của chƣơng trình Vật lý 12 Nâng cao. Lý thuyết sóng ánh sáng đƣợc Christiaan Huygens (1629 – 1695) đƣa ra, cho rằng dòng ánh sáng là sự lan truyền của sóng. Lý thuyết này giải thích đƣợc nhiều hiện tƣợng mang tính chất sóng của ánh sáng nhƣ giao thoa, nhiễu xạ, đồng thời giải thích GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 92 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 tốt hiện tƣợng khúc xạ và phản xạ của René Descartes (1596 -1650) - nhà triết học, toán học, vật lý học ngƣời Pháp. Mà sau đó ―lý thuyết sóng ánh sáng‖ đã trở thành phƣơng tiện để nhà vật lí ngƣời Đức Albert Einstein phát triển thành ―lƣỡng tính sóng hạt‖ của ánh sáng. Vậy bản chất ―lƣỡng tính sóng hạt‖ của ánh sáng đƣợc thể hiện nhƣ thế nào? Các em sẽ đƣợc tìm hiểu ở chƣơng VII của chƣơng trình Vật lí lớp 12 nâng cao. 5.2.2 Chƣơng trình Vật lý 12 Nâng cao “Chƣơng VI: Sóng ánh sáng” và “Chƣơng VII: Lƣợng tử ánh sáng” Lý thuyết sóng ánh sáng, đƣợc Christiaan Huygens đƣa ra, cho rằng dòng ánh sáng là sự lan truyền của sóng. Lý thuyết này giải thích đƣợc nhiều hiện tƣợng mang tính chất sóng của ánh sáng nhƣ giao thoa, nhiễu xạ; đồng thời giải thích tốt hiện tƣợng khúc xạ và phản xạ. Tuy nhiên, theo quan điểm của Einstein thì ánh sáng có tính chất sóng và hạt, ngƣời ta gọi là ―lƣỡng tính sóng - hạt của ánh sáng‖:―Trong mỗi hiện tƣợng quang học ánh sáng thƣờng chỉ thể hiện một trong hai tính chất trên. Khi tính chất sóng thể hiện rõ thì chất hạt sẽ bị mờ nhạt, và ngƣợc lại‖. Lý thuyết sóng và lý thuyết hạt ánh sáng ra đời cùng thời điểm, thế kỷ XVII và đã gây ra cuộc tranh luận lớn giữa hai trƣờng phái. Vậy ánh sáng có bản chất nhƣ thế nào, các em sẽ đƣợc tìm hiểu ở Chƣơng VI và VII Vật lý 12 Nâng cao. GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 93 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 Phần KẾT LUẬN Đề tài đã khái quát nên quá trình phát triển quan điểm ánh sáng là một quá trình phát triển theo đúng nhƣ quy luật phát triển của vật lý học, qua các thời đại. Từ những quan điểm cơ bản về bản chất ánh sáng mà các nhà Vật lý học đã xây dựng thành các thuyết về ánh sáng: Thuyết hạt của Newton, thuyết sóng của Huygens và thuyết lƣợng tử của Einstein. Đó là một quá trình tiến hóa từ thấp đến cao, trải qua những giai đoạn biến đổi mạnh mẽ và phát triển nhƣ ngày nay. - Những thuận lợi khi nghiên cứu đề tài: + Đƣợc sự giúp đỡ tận tình của giáo viên hƣớng dẫn nhƣ: Nhận đƣợc những góp ý về đề tài, tƣ liệu tham khảo, đƣợc tham khảo luận văn của các anh chị trƣớc,… + Có điều kiện hoàn thành tốt luận văn - Bên cạnh những điều kiện đạt đƣợc, đề tài còn mắc phải một số hạn chế: + Vì thời gian nghiên cứu đề tài hạn chế nên phần nghiên cứu lý thuyết còn chƣa sâu. + Chƣa diễn đạt hết ý làm nổi bật đề tài nghiên cứu. + Đề tài chỉ thực hiện ở mức độ lý thuyết, chƣa áp dụng cụ thể kết hợp vào giảng dạy thực tiễn. - Em sẽ cố gắng khắc phục những mặt còn hạn chế trong tƣơng lai. Tóm lại, thông qua nghiên cứu đề tài thì trong quá trình giảng dạy, theo em bản thân ngƣời giáo nên kết hợp dạy lồng ghép giữa nội dung kiến thức trong sách giáo khoa với những thành tựu mà các nhà khoa học đã đạt đƣợc trong quá trình nghiên cứu khoa học. Giáo viên cần làm rõ về lý thuyết sóng ánh sáng của Huyghens, lý thuyết hạt của Newton, Augustin-Jean Fresnel,… Giúp các em làm sáng tỏ ―mâu thuẫn‖ của các lý thuyết này và quá trình ―đấu tranh‖ để khẳng định tính đúng đắn của thuyết sóng và hạt… Và đây là một đề tài mà em rất tâm đắc và thích thú, chắc chắn mai sau khi về trƣờng phổ thông em sẽ nghiên cứu thật sâu sắc hơn nữa để vận dụng kết hợp dạy lồng ghép nó vào trong giảng dạy. GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 94 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Lƣơng Duyên Bình ,Vật lý học đại cƣơng tập 3, phần 1, NXB Giáo Dục. Năm 1994 2. Nguyễn Hữu Khanh. Giáo trình quang học. Khoa Sƣ Phạm. Đại học Cần Thơ. Năm 2000 3. Nguyễn Viết Kính. Bạch Thành Công. Phan Văn Thích. Vật lý học đại cƣơng tập 2. NXB Đại học quốc gia HN 4. Đào Văn Phúc. Lịch sử vật lý học. NXB Giáo Dục. Năm 2009 5. Trịnh Xuân Thuận (Phạm Văn Thiều - Ngô Vũ dịch). Những Con Đƣờng Của Ánh Sáng – Vật Lý Siêu Hình Học Của Ánh Sáng Và Bóng Tối. NXB Trẻ - TP.HCM. Năm 2007. 7. http://www.bachkhoatrithuc.vn 8. http://bluesday.wordpress.com 9. http://khoahocviet.vn 10. http://luanvan.co 11. http://luanvan.net.vn 12. http://maxreading.com 13. http://www.nxbhcm.com.vn 14. http://phanminhchanh.info 15. http://tolamvienkhoa.wordpress.com 16. http://thienvanhanoi.org 17. http://www.thienvanhoc.org 18. http://thuvienvatly.com 19. http://360.thuvienvatly.com 20. http://ttgiasutphcm.blogspot.com 21. http://vi.wikipedia.org 22. http://vietsciences.free.fr 23. http://www.vietstamp.net GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 95 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 MỤC LỤC Phần MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI ............................................................................................ 1 2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI ............................................................. 2 3. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI ......................................................................................... 2 4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI VÀ PHƢƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI ................................................................................................................................ 2 4.1 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI ....................................................... 2 4.2 PHƢƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI ........................................................... 2 5. CÁC BƢỚC THỰC HIỆN LUẬN VĂN ................................................................. 2 Phần NỘI DUNG ........................................................................................................... 4 Chƣơng 1: VẬT LÝ VỚI NHỮNG ĐỊNH NGHĨA, KHÁI NIỆM, QUAN NIỆM ĐẦU TIÊN VỀ QUANG HỌC ..................................................................................... 4 1.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM, QUAN NIỆM ĐẦU TIÊN VỀ QUANG HỌC, ÁNH SÁNG ........................................................................................................................... 4 1.1.1 Một số khái niệm, quan niệm về quang học .................................................... 4 1.1.2 Một số khái niệm, quan niệm về ánh sáng ...................................................... 4 1.2 NHỮNG NHÀ VẬT LÝ NỔI BẬT TRONG CÔNG CUỘC NGHIÊN CỨU VỀ QUANG HỌC NỬA ĐẦU THẾ KỶ XIX ................................................................... 5 1.2.1 Thomas Young – ngƣời đặt nền móng cho thuyết sóng ánh sáng .................. 5 1.2.1.1 Đôi nét về tiểu sử Thomas Young ............................................................ 6 1.2.1.2 Những nghiên cứu quang học của Thomas Young .................................. 6 1.2.2 Fresnel – nhà khoa học vĩ đại mà thầm lặng .................................................. 8 1.2.2.1 Đôi nét về tiểu sử Augustin Jean Fresnel ............................................... 8 1.2.2.2 Những nghiên cứu quang học của Augustin Jean Fresnel ................... 10 1.2.3 Joseph von Fraunhofer .................................................................................. 12 1.2.3.1 Vài nét về tiểu sử Joseph von Fraunhofer ............................................ 12 1.2.3.2: Những nghiên cứu quang học của Joseph von Fraunhofer ................ 13 1.3 CÁC HIỆN TƢỢNG QUANG HỌC .................................................................. 14 1.3.1 Khúc xạ ......................................................................................................... 14 1.3.1.1 Hiện tượng khúc xạ ánh sáng ............................................................... 14 1.3.1.2 Định luật khúc xạ ánh sáng (Định luật Snell – Descartes) ................. 14 GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 1.3.1.3 Chiết suất của môi trường .................................................................... 16 1.3.1.4 Ảnh của một vật được tạo bởi sự khúc xạ ánh sáng qua mặt phân cách hai môi trường .............................................................................................................. 17 1.3.1.5 Tính thuận nghịch trong sự truyền ánh sáng ...................................... 19 1.3.2 Phản xạ ......................................................................................................... 19 1.3.2.1 Sự truyền ánh sáng vào môi trường chiết quang hơn .......................... 19 1.3.2.2 Sự truyền ánh sáng vào môi trường chiết quang kém hơn (n2>n1) .... 20 1.3.2.3 Hiện tượng phản xạ toàn phần ............................................................ 20 1.3.2.4 Ứng dụng của hiện tượng phản xạ toàn phần...................................... 21 1.3.2.4.1 Cáp quang ..................................................................................... 21 1.3.2.4.2 Lăng kính phản xạ toàn phần ........................................................ 22 1.3.2.5 Một số hiện tượng bắt gặp liên quan .................................................. 23 1.3.2.5.1 Hiện tượng ảo ảnh quang học ...................................................... 23 1.3.2.5.2 Vẻ đẹp rực rỡ của kim cương ........................................................ 24 1.3.2.5.3 Cầu vồng ....................................................................................... 25 1.3.3 Hiệu ứng quang điện .................................................................................... 25 1.3.3.1 Hiện tượng ........................................................................................... 25 1.3.3.2 Các định luật quang điện và giải thích ................................................ 26 1.3.3.3 Hiệu ứng quang dẫn ............................................................................ 26 Chƣơng 2: LỊCH SỬ HÌNH THÀNH CÁC ĐỊNH LUẬT VẬT LÝ ĐẦU TIÊN VỀ ÁNH SÁNG THỜI CỔ VÀ TRUNG ĐẠI .......................................................... 28 2.1 THỜI CỔ ĐẠI ...................................................................................................... 28 2.1.1 Sự phát sinh những tri thức khoa học ............................................................ 28 2.1.2 Khoa học phƣơng đông cổ đại ....................................................................... 29 2.1.3 Giai đoạn mở đầu của khoa học cổ đại. Triết học tự nhiên cổ Hy lạp .......... 29 2.1.3.1 Trường phái Iôni - trường phái đầu tiên của Hi Lạp ............................. 29 2.1.3.2 Trường phái Pitago - một trường phái duy tâm ..................................... 30 2.1.3.3 Trường phái Êlê - một trường phái duy tâm khác .................................. 30 2.1.4 Nguyên tử luận cổ Hy lạp. Démocrite ............................................................ 31 2.1.5 Ánh sáng siêu hình trong con mắt Platon ....................................................... 31 2.1.6 Vật lý của Aristote .......................................................................................... 33 2.1.7 Vật lý học thời kỳ Hy lạp hóa ......................................................................... 35 2.1.7.1 Euclide (TK III TCN) ............................................................................. 36 2.1.7.2 Archimède (287 – 212 TCN) .................................................................. 36 GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 2.1.7.3 Ptólemée (khoảng 100-178 TK II TCN) ................................................. 38 2.1.7.4 Claude Galien ......................................................................................... 39 2.2 THỜI TRUNG ĐẠI .............................................................................................. 40 2.2.1 Al-Hazen (965 – 1039) .................................................................................. 40 2.2.2 Roger Bacon ( 1214-1292 ) ........................................................................... 41 2.2.3 René Descartes (1596–1650) ........................................................................ 41 2.2.3.1 Nghiên cứu khoa học: ............................................................................ 42 2.2.3.2 Các định luật về ánh sáng ...................................................................... 42 2.2.3.2.1 Sự truyền thẳng của ánh sáng ......................................................... 42 2.2.3.2.2 Sự khúc xạ ........................................................................................ 45 2.2.3.2.3 Sự phản xạ ....................................................................................... 48 Chƣơng 3: CÁC PHÁT MINH BAN ĐẦU VỀ QUANG HỌC ............................... 50 3.1 QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH QUAN NIỆM LƢỠNG TÍNH SÓNG - HẠT .. 50 3.1.1 Huyghens:Lý thuyết sóng ánh sáng ............................................................ 50 3.1.1.1 Đôi nét về tiểu sử Huyghens ................................................................ 50 3.1.1.2 Ánh sáng theo quan điểm Huyghens ................................................... 50 3.1.1.3 Huyghens giải thích các hiện tượng .................................................... 51 3.1.2 Newton: Ánh sáng là hạt............................................................................. 52 3.1.2.1 Đôi nét tiểu sử Newton......................................................................... 52 3.1.2.2 Nghiên cứu quang học ......................................................................... 53 3.1.2.3 Ánh sáng theo quan điểm Newton ....................................................... 54 3.1.2.4 Newton giải thích các hiện tượng ........................................................ 54 3.1.3 Sự trở lại của lý thuyết sóng ánh sáng ........................................................ 56 3.1.3.1 Thomas Young (1773 – 1829) .............................................................. 56 3.1.3.2 Augustin Fresnel (1788 – 1827) ......................................................... 57 3.1.4 Maxwell (1831 – 1879): Lý thuyết điện từ ................................................. 58 3.2 ÁNH SÁNG: LƢỠNG TÍNH SÓNG HẠT ....................................................... 60 3.2.1 Albert Einstein (1879–1955) ..................................................................... 60 3.2.2 Thuyết tƣơng đối hẹp – lƣỡng tính sóng hạt ánh sáng................................ 61 3.2.3 Lý thuyết lƣợng tử ánh sáng ........................................................................ 63 3.2.3.1 Sự bất lực của thuyết điện từ ánh sáng ................................................ 63 3.2.3.2 Thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein (thuyết photon) ..................... 63 3.2.3.3 Công thức Einstein ............................................................................... 63 GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 3.2.3.4 Giải thích các định luật quang điện ..................................................... 64 Chƣơng 4: CÁC GIẢI THƢỞNG NOBEL VỀ QUANG HỌC .............................. 67 4.1 TÌM HIỂU VỀ GIẢI THƢỞNG NOBEL DANH GIÁ ..................................... 67 4.1.1 Cuộc đời Nobel ............................................................................................ 67 4.1.2 Sự ra đời của giải thƣởng ............................................................................ 68 4.1.3 Cấu trúc giải thƣởng Nobel ......................................................................... 69 4.1.4 Không có giải Nobel toán học ..................................................................... 69 4.2 BỐI CẢNH VÀ CÁC GIẢI NOBEL VẬT LÝ ................................................. 69 4.2.1 Bối cảnh giải Nobel vật lý ........................................................................... 69 4.2.2 Quá trình xét giải ......................................................................................... 70 4.2.3 Những nhà vật lý không nhận đƣợc giải thƣởng Nobel .............................. 71 4.3 TÌM HIỂU MỘT SỐ CÔNG TRÌNH QUANG HỌC NHẬN ĐƢỢC GIẢI THƢỞNG NOBEL DANH GIÁ ................................................................................... 72 4.3.1 Từ vật lý cổ điển đến vật lý lƣợng tử ........................................................... 72 4.3.1.1 Wilhelm Röntgen khám phá ra tia X - người đầu tiên đoạt giải Nobel Vật lý năm 1901 ............................................................................................................. 72 4.3.1.2 Albert Abraham Michelson - sự phá sản của ê-te ................................ 77 4.3.1.3 Louis de Broglie - bước sóng de Broglie ............................................. 81 4.3.2 Từ thế giới vi mô đến thế giới vĩ mô ........................................................... 84 4.3.2.1 Albert Einstein – người được trao giải Nobel về “Hiệu ứng quang điện” ............................................................................................................................. 84 4.3.2.2 Hiệu ứng quang điện ...................................................................... .... 85 Chƣơng 5: VẬN DỤNG CÁC ĐỊNH LUẬT VẬT LÝ VÀO THỰC TIỄN CUỘC SỐNG VÀ TRONG GIẢNG DẠY ............................................................................. 89 5.1 ỨNG DỤNG VÀO THỰC TIỄN CUỘC SỐNG ............................................... 89 5.1.1 Ứng dụng trong y học ................................................................................... 89 5.1.1.1 Chế tạo kính cho mắt tật khúc xạ .......................................................... 89 5.1.1.2 Ứng dụng cáp quang trong nội soi ....................................................... 90 5.1.2 Lăng kính phản xạ trong thiên văn .............................................................. 90 5.1.3 Giải thích đƣợc một số hiện tƣợng vật lý có liên quan ................................ 91 5.2 TRONG GIẢNG DẠY ........................................................................................ 92 5.2.1 Chƣơng trình Vật lý 11 Nâng cao ................................................................ 92 5.2.1 Chƣơng trình Vật lý 12 Nâng cao ................................................................ 93 Phần KẾT LUẬN ........................................................................................................ 94 GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 95 GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh SVTH: Quách Thùy Dƣơng [...]... hƣơng của khoa học hiện đại) đã có điều kiện thuận lợi cho khoa học phát triển, mọi tri thức khoa học của con ngƣời lúc ấy đƣợc tập trung trong 1 môn khoa học duy nhất, đó là TRIẾT HỌC TỰ NHIÊN Triết học tự nhiên cổ Hy Lạp có ảnh hƣởng chủ yếu đến sự phát triển của khoa học Việc nghiên cứu khoa học có hệ thống, việc giảng dạy khoa học, sự xuất hiện của các nhà khoa học, các trung tâm khoa học … ở Hy... SÁNG THỜI CỔ VÀ TRUNG ĐẠI Bộ phận vật lý học đƣợc hình thành và xây dựng từ thế kỉ XVI đến cuối thế kỉ thứ XIX đƣợc gọi là vật lý học cổ điển Từ đầu thế kỉ XX, khi bắt đầu hình thành một bộ phận vật lý học mới, với một lĩnh vực nghiên cứu mới, với những nguyên lý, những khái niệm cơ bản mới khác hẳn với vật lý học cũ (cổ điển), và đƣợc gọi là vật lý học hiện đại Triết học tự nhiên thời cổ đại và trung... hệ‖- quyết định luận nâng cao vai trò của khoa học, đồng thời nâng cao vai trò của con ngƣời biết vận dụng khoa học để làm chủ hiện tại và tƣơng lai của mình, và phủ nhận vai trò của các thần linh can thiệp tuỳ tiện vào các hiện tƣợng thiên nhiên Một định luật vật lý là một sự khái quát hoá một cách khoa học trên các quan sát thực nghiệm Chúng là các kết luận đƣợc rút ra từ thực tiễn, hay các giả thuyết... đƣợc quy luật của thế giới vật chất, vận dụng chúng trong kĩ thuật, sản xuất và đời sống để phục vụ lợi ích của mình Vật lý học cổ điển bác bỏ sự can thiệp của tôn giáo, của bất kì thế lực hoặc uy quyền cá nhân vào các vấn đề khoa học Thế kỉ XVII và XVIII là thời đại của cơ học Niutơn, nội dung của quyết định luận của cơ học Niutơn ―ta có thể áp dụng các định luật của cơ học để xác định một cách đơn... trong các photodiode, phototransitor, pin mặt trời 1.3.3.4 Ứng dụng của hiệu ứng quang điện - Pin mặt trời, photodiode, phototransistor - Các sensor ghi ảnh (ví dụ nhƣ sử dụng trong các CCD camera), các cảm biến quang học, các ông nhân quang điện - Phổ quang điện tử GVHD: Ths Nguyễn Hữu Khanh 27 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 Chƣơng 2: LỊCH SỬ HÌNH THÀNH CÁC ĐỊNH LUẬT VẬT LÝ ĐẦU TIÊN... vật lý học phải nghiên cứu các quy luật cơ bản (nguyên nhân ban đầu) , những quy luật bộ phận (nguyên lý ban đầu) , những hạt cơ bản (những nguyên tố) tạo thành mọi vật Trong cuốn Vật lý học của Aristote không có công thức toán học và không có thí nghiệm Aristote dùng phƣơng pháp nhƣ của Socrate, đi đến kết luận bằng lập luận và vạch ra những mâu thuẩn về mặt logic Do phƣơng pháp nhƣ vậy, cuốn Vật lý. .. nguyên tử luận, chống lại cách giải thích của tôn giáo Nhƣ vậy ở phƣơng đông cổ đại đã xuất hiện những mầm mống ban đầu của khoa học, nhƣng trong điều kiện phong kiến đã hình thành và củng cố những thuyết mang tính duy vật dần biến thành những thuyết huyền bí, bị mai một và không đóng góp nhiều vào sự phát triển của khoa học 2.1.3 Giai đoạn mở đầu của khoa học cổ đại Triết học tự nhiên cổ Hy lạp TK... chật vật, thấp kém, nên khoa học chƣa có điều kiện phát triển 2.1.1 Sự phát sinh những tri thức khoa học Tình hình trên đã thay đổi kể từ khi con ngƣời biết trồng trọt, chăn nuôi, con ngƣời có thể đạt đƣợc những vụ gặt ổn định trên cùng một địa điểm, trong nhiều năm liên tục Và từ 4000 năm TCN, hình thành quốc gia chiếm hữu nô lệ, đó là cái nôi của khoa học hiện đại (chế tạo công cụ lao động mới, phát. .. logic Do phƣơng pháp nhƣ vậy, cuốn Vật lý học của Aristote đúng ra là một giáo trình triết học hơn là một giáo trình khoa học tự nhiên GVHD: Ths Nguyễn Hữu Khanh 33 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Luận văn tốt nghiệp 2014 Aristote công nhận sự tồn tại khách quan của vật chất Nhƣng vật chất chỉ là tiềm năng của vật thật, muốn trở thành vật thật thì vật chất phải có thêm hình thức nữa Aristote phân tích, phê phán... bắt đầu Aristote (384 – 322 TCN) là học trò của Platon, và là thầy học của Alexandre đại đế khi còn trẻ Ông là ngƣời sáng lập ra logic hình thức Hình 2.2: Aristote (384 – 322 TCN) Aristote (384 – 322 TCN) là học trò của Platon, và là thầy học của Alexandre đại đế khi còn trẻ Ông là ngƣời sáng lập ra logic hình thức Aristote là ngƣời cha đỡ đầu của vật lý học Theo ông, để nhận thức đƣợc thiên nhiên vật