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

Cùng với sự hình thành và phát triển ngày một hoàn thiện của môn quang học là một quá trình mà con người không ngừng tìm hiểu quy luật truyền của ánh sáng trong các môi trường, từ đó sẽ

BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ

- -

QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH CÁC ĐỊNH LUẬT VẬT LÝ

CÁC PHÁT MINH KHOA HỌC ĐẦU TIÊN

Luận văn tốt nghiệp

Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ – TIN HỌC

Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện:

Mã số SV: 1100287 Lớp: Sư 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 !

Phần MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Vật lý dường như 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 lượng cũng như về chất lượng Tuy nhiên, những tri thức vật lý đó không phải có sẵn và hoàn chỉnh mà nó cũng như mọi tri thức khoa học khác, được hình thành từng bước 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 như trong tương lai vẫn còn tiếp tục được 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 người không ngừng tìm hiểu quy luật truyền của ánh sáng trong các môi trường, từ đó sẽ đi đến một

số dự đoán về bản chất của ánh sáng được thể hiện qua các giả thuyết về ánh sáng Từ giả thuyết này sẽ lý giải trở lại các hiện tượng về ánh sáng Từ xa xưa, con người đã bắt đầu tìm hiểu về các đặc điểm của vật chất và đặt ra các câu hỏi như: Ánh sáng từ đâu sinh ra? ánh sáng có những đặc điểm và tính chất gì? Trước 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 như thế nào để có được những ―sản phẩm‖ vật lý phát triển như ngày nay? bản chất ánh sáng và các định luật qua thời gian đã được các nhà khoa học đúc kết như thế nào?

Vật lý học cũng như mọi khoa học khác, là một quá trình tiến lên từ cái chưa biết đến cái đã biết, từ tri thức chưa đầy đủ và chưa hoàn chỉnh đến tri thức đầy đủ hơn

và hoàn chỉnh hơn Trong một số lĩnh vực, quá trình nhận thức của từng con người hầu như lặp lại quá trình nhận thức của nhân loại Vì vậy, theo tôi việc dẫn dắt người học

đi lại những bước đi lớn mà nhân loại đã trải qua để đạt tới tri thức như hiện nay là một con đường 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 người giáo viên vật lý trong tương lai như tôi có thêm được 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

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 được quá trình hình thành các học thuyết và các cuộc đấu tranh bảo vệ các thuyết, hiểu được 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 lưỡng tính sóng hạt đánh dấu bước tiến quan trọng của khoa học nhân loại

Tìm hiểu đôi nét về giải thưởng Nobel danh giá, một giải thưởng cao quý dành cho những phát minh khoa học vĩ đại

Nêu được kết luận sư phạm của đề tài, vận dụng vào cuộc sống và giảng dạy trong chương 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 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

4.1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết

Để hoàn thành luận văn này cần sử dụng các phương pháp phân tích, tổng hợp,

và vận dụng các kiến thức để giải thích hiện tượng trong tự nhiên

4.2 PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

- Tài liệu, sách vở, thông tin trên mạng Internet

5 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN LUẬN VĂN

 Bước 1: Nhận đề tài từ giáo viên hướng dẫn tổng hợp, xác định mục đích của đề tài

 Bước 2: Tìm nguồn tài liệu có liên quan

 Bước 3: Nghiên cứu tài liệu, viết đề cương chi tiết

 Bước 4: Nộp đề cương chi tiết và gặp giáo viên hướng dẫn để nghe hướng dẫn cách thực hiện viết luận văn dựa theo đề cương, đọc và tổng hợp lại tài liệu theo hướng của đề tài

 Bước 5: Tiến hành viết luận văn

 Bước 6: Nộp và báo cáo luận văn

Phần NỘI DUNG

Chương 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 tượng 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 gương, và các dụng cụ khác, thí dụ như 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 tượng khách quan, tác động đến mắt gây nên một cảm giác nhìn thấy cho con người 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 tượng nghiên cứu của quang học được 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 tương tự như ánh sáng, ngoại trừ mắt người không thể thấy được như 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 trường Vì ánh sáng chỉ là một trường hợp riêng của bức xạ điện từ, nên quang học có thể được coi như 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 như 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

Trước 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 lưu 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 đưa ra thuyết hạt ánh sáng Theo Niutơn ánh sáng là một dòng các hạt bay ra từ vật phát sáng theo các đường thẳng Cùng thời gian đó Huyghen lại đưa ra thuyết sóng về

ánh sáng Theo ông, ánh sáng là những dao động đàn hồi trong một môi trường 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, nhưng các phân tử chuyển động hỗn độn và va chạm nhau hỗn độn, nên sóng của mỗi phân tử dao động theo một phương khác nhau, và phương 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 phương dao động, tức là một sóng phân cực theo mọi phương 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 phương 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 lượng 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 tượng như giao thoa, nhiễu xạ, phân cực, ánh sáng thể hiện tính chất sóng Còn trong một số hiện tượng khác như 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 bước sóng nằm trong vùng quang phổ nhìn thấy được bằng mắt thường (tức là từ khoảng 380 nm đến

740 nm) Giống như mọi bức xạ điện từ, ánh sáng có thể được mô tả như những đợt sóng hạt chuyển động gọi là photon

Ánh Sáng là một hiện tượng 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 như ánh đèn do đèn tạo ra

* Ánh sáng động vật hay còn được gọi là ánh sáng sinh vật do loài vật phát ra như 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 được gọi là ánh nắng hay còn được 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 người thấy được gọi là ánh trăng Trên thực tế thì đó là ánh sáng do mặt trời chiếu tới mặt trăng phản xạ đi tới mắt người

Môn học nghiên cứu sự lan truyền và các tính chất của ánh sáng trong và giữa các môi trường 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 – người đặt nền móng cho thuyết sóng ánh sáng

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 người Anh Ông rất thông minh, là người có trí tuệ đặc biệt Biết đọc từ năm hai tuổi, lên mười bốn tuổi đã nắm vững mười ngoại ngữ: Tiếng Latin, Hy Lạp, Pháp, Ý, Do Thái, Ả Rập và tiếng Ba Tư Vì vậy, ông đã được gọi là hiện tượng trẻ tại Cambridge Ông học y khoa ở London, Edinburgh, Göttingen và thực hành y khoa ở London.Mặc

dù học y khoa nhưng ông vẫn rất quan tâm tới vật lý Ông nổi tiếng vì đã góp một phần công sức trong việc giải mã các chữ tượng hình Ai Cập, cụ thể là hòn đá Rosetta nổi tiếng có hơn 2000 năm tuổi được tìm thấy ở Ai Cập năm 1799, nó được chạm khắc bằng ba thứ tiếng: Tiếng Ai Cập cao cấp (chữ tượng hình), tiếng Ai Cập bình dân và tiếng Hy Lạp Young là người đầu tiên cho xuất bản một phần phát hiện quan trọng này, mặc dù Francois Champollion người Pháp là người đầu tiên đã giải mã chữ tượng hình Ai Cập trên phiến đá đó Ông được nhiều nhà khoa học ca tụng, trong đó có Herschel, Helmholtz, Maxwell, Einstein và nhiều người khác

Hình 1.1: Thomas Young (I-âng)

Young đã có nhiều đóng góp khoa học quý báu trong nhiều lĩnh vực như thị giác, ánh sáng, cơ học vật rắn, năng lượng, 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 như: 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 người 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 người khởi xướng 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 người đương 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 được hiện tượng ở mặt phân cách giữa

hai môi trường 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 như 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 tượng giao thoa ánh sáng cũng là một hiện tượng sóng, tương tự như hiện tượng giao thoa sóng trên mặt nước Thuật ngữ ―giao thoa‖ được 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 tượng giao thoa là: ―Khi ánh sáng của cùng một nguồn sáng truyền tới mắt ta bằng hai con đường khác nhau, ánh sáng sẽ mạnh nhất tại những điểm mà hiệu đường 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 được 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 đường khác nhau, và đã thu được hình ảnh của các vân giao thoa Thí nghiệm này đã trở thành kinh điển và được mô tả trong các sách giáo khoa Bằng cách đo bề rộng của một vân giao thoa, ông đã xác định được giá trị của cái gọi

là ―độ dài nào đó‖ Đó là là lần đầu tiên trong lịch sử vật lý học ông đo được bước 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

Trước kia, khi khảo sát các ―vành tròn Niutơn‖, Niutơn thực chất cũng đã đo

bước sóng của một số ánh sáng, nhưng ông không cho rằng những độ dài đo được đó gắn với bản chất ánh sáng Thomas Young là người đầu tiên đặt cơ sở cho các phép đo quang phổ

Qua nhiều cuộc tranh luận, Niutơn đã hướng lý thuyết vật lý về bản chất ánh sáng là hạt chứ không phải là sóng Người đã có đề xuất rằng ánh sáng có thuộc tính hạt trong tự nhiên, không thể có thể sai được Tuy nhiên công việc của Young đã sớm được 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 ngược với sóng dọc) có bước sóng xác

định màu, và đã cung cấp một trong các định nghĩa khoa học sớm nhất của năng lượng

Vào năm 1803, nhà thầy thuốc và nhà vật lý trẻ người 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 gương để làm lệch hướng 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 được trên tường là một hình bóng bao gồm những băng ánh sáng và bóng tối giao thoa với nhau, một hiện tượng có thể được 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 được lý thuyết của Niutơn là bản chất ánh sáng là hạt

Lý thuyết của Young mặc dù đã giải thích được hiện tượng giao thoa ánh sáng, nhưng cũng không được nhiều người chú ý, đặc biệt là quê hương của ông ở nước 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 thưởng 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 lưỡng 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 nước và thuỷ tinh, và

đã phát minh ra sự phân cực của ánh sáng phản xạ Ông là người 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 được, nếu quay cực kia về phía mặt đó thì nó không phản xạ được Ông đề nghị gọi tia sáng như vậy là tia sáng ―phân cực‖, và thuật ngữ ―sự phân cực‖ ánh sáng từ đó được chấp nhận trong khoa học

Bởi vì thuyết sóng ánh sáng dựa trên quan niệm về sự truyền sóng trong môi trường ête đàn hồi Sóng đó phải là sóng dọc, và sóng dọc không thể giải thích được sự không đối xứng trong hiện tượng phản xạ, mà nếu ánh sáng là sóng dọc thì không thể giải thích được 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 chưa được giải quyết, với hy vọng rằng chúng sẽ được giải quyết trong những nghiên cứu sau này‖ Với lý luận như vậy tất nhiên lúc đó không thuyết phục được 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 sư và còn là một nhà vật lý học người Pháp, người 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

lẫn thực nghiệm Những thí nghiệm của ông đã khẳng định vững chắc về lý thuyết sóng ánh sáng Ông là người được biết đến nhiều nhất với phát minh về thấu kính Fresnel, được áp dụng sớm nhất cho đèn hải đăng khi ông còn là một người 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 sư Ông sinh ra ở Broglie (Eure, nước 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 trường Ecole Centrale ở Caen, và năm 16 tuổi vào Ecole Polytechnique Ông làm

kỹ sư lần lượt ở các khu hành chính ở Vendeé, Drôme và Ille-et-Vilain Năm 1809 ông được cử đi các tỉnh lẻ phụ trách việc lác đường và sửa đường 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, nhưng không có sách báo khoa học, không có dụng cụ thí nghiệm Do phục vụ dưới vương 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, nhưng không hiểu đó là cái gì Đầu năm 1815, Nabôlêông trốn từ đảo Enbơ về Pháp, mưu toan giành lại binh quyền Vì là người bảo hoàng nên Fresnel bị thải hồi, cho tới cuối năm khi Nabôlêông thua trận bị bắt lại mới được phục hồi Trong thời gian mất việc, ông làm quen được với Aragô và được 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 được Aragô tạo điều kiện cho tới Pari trong mười 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 được giải thưởng của học viện khoa học Paris vài năm sau đó Đến năm 1823, ông được 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 được 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, được coi như là một loại gương để thay thế gương trong các ngọn đèn hải đăng Thấu kính có bề mặt được ghép lại từ các phần của mặt cầu, làm giảm

độ dày của thấu kính, do đó giảm trọng lượng 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 được hội khoa học hoàng gia London trao tặng huy chương 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 được thiết lập trở lại ở nước Pháp, ông được nhận vào làm

kỹ sư 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 được công bố

Trong công trình đầu tiên, ông nghiên cứu hiện tượng nhiễu xạ theo quan điểm thuyết sóng Ông chỉ trích thuyết hạt, vì để giải thích các hiện tượng, 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 tượng 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 mười milimét Ông cũng là người đề xuất ra phương pháp nghiên cứu giao thoa ánh sáng bằng cách là dùng hai gương 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 như lý thuyết sóng Và đó cũng là phương pháp ―gương Fresnel‖, nó đã trở thành kinh điển và được

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 như vậy được 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 ngược lại mà chỉ truyền về phía trước, Fresnel đã giải thích rằng do phía trước chưa có sóng nên các sóng mới bị cản trở, không truyền ngược lại được

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 người: Biô, Aragô, Laplaxơ, Gay Luyxăc, Poatxông Trong đó có ba người 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, nhưng 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 như không có màn chắn Aragô đã làm thí nghiệm và quan sát được đốm sáng đó Công trình của Fresnel được nhận giải thưởng 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 phương pháp tính toán tốt, nhưng không công nhận rằng lý thuyết đó phản ảnh bản chất của ánh sáng Thật ra thì thuyết sóng lúc đó cũng chưa được hoàn chỉnh và chưa thật chặt chẽ Nguyên lý Huygens – Fresnel chưa có cơ sở đầy đủ, và cách giải thích việc không có sóng truyền ngược lại bị chỉ trích giả tạo Khó khăn lớn nhất là thuyết sóng không thể giải thích được 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 ngược hoàn toàn với mọi quan niệm về sự truyền sóng trong các môi trường đàn hồi Nếu ánh sáng là sóng ngang thì ête phải có độ đàn hồi như 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 được Không thể nào giải thích được hiện tượng 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, nhưng các phân tử chuyển động hỗn độn và va chạm nhau hỗn độn, nên sóng của mỗi phân tử dao động theo một phương khác nhau, và phương 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 phương dao động, tức là một sóng phân cực theo mọi phương 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 phương cố định vuông góc với nhau‖ Trên cơ sở những quan niệm như vậy, Fresnel đã giải thích thành công các loại hiện tượng phân cực, và xây dựng lý thuyết về sự truyền ánh sáng trong các tinh thể lưỡng 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 tưởng 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 tư tưởng lý thuyết của Fresnel … hiện nay chưa thể có sự phán đoán quyết định‖ Mặc dù đã có thêm nhiều người ủng hộ thuyết sóng, nhưng 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 được một hiện

tượng tinh tế trong các tinh thể lưỡng trục, đó là sự khúc xạ hình nón: ―Nếu trong tinh thể có một tia song song truyền theo phương 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 tượng đó được tìm ra bằng thực nghiệm vào năm 1832 Đó là một thắng lợi xuất sắc của thuyết sóng

Năm 1849, Phido dùng phương pháp bánh xe quay đã xác định được vận tốc

ánh sáng trong không khí bằng 313000 km/s Năm 1850, Phuco dùng phương pháp gương quay đo vận tốc ánh sáng trong không khí và nước, và chứng tỏ rằng vận tốc ánh sáng trong nước nhỏ hơn trong không khí Theo thuyết hạt ánh sáng thì vận tốc ánh sáng trong nước lớn hơn trong không khí, theo thuyết sóng thì nó nhỏ hơn Thí

nghiệm Phuco lúc đó được coi là một lý lẽ quyết định sự thắng lợi của thuyết sóng ánh

sáng Từ giữa thế kỷ XIX, thuyết hạt không còn được ai nhắc đến nữa Nhưng sang đầu thế kỷ XX, nó sẽ được sống lại dưới 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 người sống cùng thời với Fresnel, là một nhà vật lý quang học người Đức, Ông được 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 được người nhận nuôi và trở thành người 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 được dẫn dắt bởi Maximilian IV Joseph, Hoàng tử cử tri của bang Bavaria (tương lai là Maximilian I Joseph), Fraunhofer được thực hiện ca phẩu thuật và được cứu sống Hoàng tử bước vào cuộc sống của Fraunhofer, cung cấp cho ông những cuốn sách và buộc người 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 người thợ giỏi, một

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 phương 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 vượt qua nước Anh để trở thành trung tâm của ngành công nghiệp quang học Thậm chí những người như Michael Faraday cũng không thể sản xuất được loại kính có thể cạnh tranh với kính của Fraunhofer

Sự nghiệp lừng lẫy của Fraunhofer đã giúp ông giành được học vị tiến sĩ tại Đại học Erlangen năm 1822 Năm 1824, ông được trao huân chương danh dự, trở thành một quý tộc và một công dân danh dự của Munchen Tuy nhiên, cũng giống như 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 được cho rằng cũng ra đi cùng cái chết của ông

Các vạch tối trong quang phổ mặt trời quan sát bởi Joseph von Fraunhofer được xem là cơ sở của vật lí cổ điển, và được 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 xưởng, 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 tượng 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 bước sóng tương 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 bước sóng của các vạch đen, Fraunhofer nghiên cứu sự nhiễu xạ trong các tia song song, bằng cách hướng một tia song song vào ống ngắm, và đặt trước 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 cương khía trên nó những

đường 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 được bước sóng của các vạch đen Cách tử nhiễu xạ về sau được 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

―bẽ gãy‖ này là do sự khúc xạ ánh sáng đã làm cho phần bị chìm dưới nước trông cứ như không gắn với phần nằm trên mặt nước Ánh sáng bị khúc xạ khi nó đi ra khỏi nước đã mang lại ảo giác là các vật trong nước hình như vừa méo mó vừa trông gần hơn – nâng lên cao hơn so với thực tế mà người ta quan sát thấy

Hình 1.7: Sự khúc xạ ánh sáng bởi ly nước

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 như một tia sáng) vào mặt phân cách giữa không khí và nước, 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 nước; nhưng tại điểm tới I, tia sáng bị gẫy khúc Trong thí nghiệm trên, ta đặt bảng gỗ vuông góc với mặt nước 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 Như 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

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 , đường 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 lưỡng chất

Góc (SIN) được gọi là góc tới i Góc (KIN’) được 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 tương ứng Lập tỉ số giữa sini và sinr thì ta thấy nó gần như 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 trường 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 trường khúc xạ (chứa tia khúc xạ) và môi trường tới (chứa tia tới)

+ Nếu n > 1 (môi trường khúc xạ chiết quang hơn môi trường tới) thì sini > sinr hay i > r Trong trường hợp này, khi đi qua mặt lưỡng chất, tia khúc xạ ánh sáng đi gần pháp tuyến hơn tia tới

+ Nếu n < 1 ( môi trường khúc xạ chiết quang kém hơn môi trương tới ) thì sini<sinr hay i < r Trong trường hợp này, khi đi qua mặt lưỡng chất, tia sáng đi xa pháp tuyến hơn tia tới

Hình 1.10: Thí nghiệm định luật khúc xạ ánh sáng

Như vậy, sự khúc xạ của tia sáng khi đi qua mặt phân cách giữa hai môi trường phụ thuộc vào môi trường khúc xạ chiết quang hơn hay kém so với môi trường tới Khi môi trường khúc xạ chiết quang hơn môi trường tới thì tia sáng bị khúc xạ càng mạnh nên đi gần pháp tuyến hơn tia tới Khi môi trường khúc xạ chiết quang kém môi trường tới thì tia sáng bị khúc xạ càng yếu nên đi xa pháp tuyến hơn tia tới

1.3.1.3 Chiết suất của môi trường

* Chiết suất tỉ đối

Hiện tượng khúc xạ ánh sáng gây ra do vận tốc truyền sóng của ánh sáng khác nhau trong các môi trường khác nhau Bằng nguyên lý Huyghen người ta giải thích khi đập vào mặt phân cách vì vận tốc truyền khác nhau nên mặt đầu song đổi phương do

đó phương truyền của tia sáng bị gãy khúc tại mặt phân cách Trong biểu thức định luật khúc xạ, n được gọi là chiết suất tỉ đối của môi trường khúc xạ đối với môi trường tới

Khi cho một giá trị chiết suất tỉ đối thì ta phải hiểu đó là chiết suất tỉ đối của môi trường khúc xạ nào đối với môi trường tới nào

Theo trong lý thuyết sóng ánh sáng, chiết suất tỉ đối này bằng tỉ số giữa các tốc

độ của ánh sáng khi đi trong môi trường 1 (môi trường tới) và môi trường 2 (môi trường khúc xạ):

(1.2)

Như vậy, chiết suất tỉ đối của môi trường 2 đối với môi trường 1 phụ thuộc vào tốc độ của ánh sáng khi đi trong hai môi trường đó Khi tốc độ của ánh sáng khi đi trong môi trường 2 lớn hơn tốc độ của ánh sáng khi đi trong môi trường 1 thì tia khúc

xạ đi xa pháp tuyến hơn tia tới Khi tốc độ của ánh sáng khi đi trong môi trường 2 bé

hơn tốc độ của ánh sáng khi đi trong môi trường 1 thì tia khúc xạ đi gần pháp tuyến hơn tia tới

Từ biểu thức của định luật khúc xạ ta đã rút ra được rằng: khi môi trường khúc

xạ chiết quang hơn môi trường tới thì tia sáng bị khúc xạ càng mạnh nên đi gần pháp tuyến hơn tia tới Khi môi trường khúc xạ chiết quang kém môi trường tới thì tia sáng

bị khúc xạ càng yếu nên đi xa pháp tuyến hơn tia tới Như thế, ý nghĩa của chiết suất tỉ đối giữa hai môi trường là khi chiết suất tỉ đối giữa hai môi trường càng lớn thì tia sáng đi qua mặt phân cách giữa hai môi trường bị khúc xạ càng nhiều

* Chiết suất tuyệt đối

Chiết suất tuyệt đối của một môi trường là chiết suất tỉ đối của môi trường đó đối với chân không Vì tốc độ ánh sáng truyền trong chân không là c = 300.000 km/s nên từ định nghĩa này,chiết suất tuyệt đối của môi trường 1 và chiết suất tuyệt đối của môi trường 2 lần lượt là:

,

Từ đó suy ra chiết suất tỉ đối của môi trường 2 đối với môt trường 1 liên hệ với chiết suất tuyệt đối của từng môi trường như sau:

(1.3) Nếu đặt i =i1, r=i2 Định luật khúc xạ có thể viết lại ở dạng đối xứng:

(1.4)

Từ đây khi nói chiết suất của môi trường là n thì ta hiểu đó là chiết suất tuyệt đối của một môi trường, còn khi nói chiết suất tỉ đối thì phải nói rõ là chiết suất tỉ đối của môi trường 2(môi trường khúc xạ nào) đối với môi trường 1(môi trường tới) nào

Mọi chiết suất tuyệt đối của một môi trường đều lớn hơn 1 vì tốc độ ánh sáng truyền trong các môi trường bao giờ cũng nhỏ hơn tốc độ ánh sáng trong chân không

1.3.1.4 Ảnh của một vật được tạo bởi sự khúc xạ ánh sáng qua mặt phân cách hai môi trường

Một trong những hiện tượng phổ biến nhất là kinh nghiệm mà nhiều người đã từng trải qua khi cố gắng tiến sát tới và chạm tay vào một vật gì đó chìm trong nước nhưng vật nằm trong nước lại luôn trông có vẻ có chiều sâu khác với chiều sâu thật sự của nó Hiện tượng này được minh họa tỉ mỉ bởi ảo giác, tạo ra bằng hiện tượng khúc

xạ Chẳng hạn như khi chúng ta nhìn xuyên qua nước để quan sát cá lội xung quanh

bể, chúng hình như ở gần mặt nước hơn so với thực tế

Hình 1.11: Ảnh của một vật được tạo bởi sự khúc xạ ánh sáng qua mặt phân cách hai

môi trường Ngoài các hiện tượng trên trong thực tế ta còn gặp nhiều hiện tượng khác liên quan đến hiện tượng khúc xạ ánh sáng dưới đây:

* Mặt trời lặn muộn hơn so với thực tế và sự “nhấp nháy” của các ngôi sao

Tương tự, hiện tượng khúc xạ ánh sáng lại ―dối gạt‖ chúng ta thấy rằng Mặt Trời lặn muộn hơn một vài phút so với thực tế nó đã lặn Đó là do sự thay đổi chiết suất khi ánh sáng truyền từ mặt trời đến bầu khí quyển trái đất

Khi quan sát một ngôi sao ta thấy nó luôn nhấp nháy và không ở nguyên một vị trí Khúc xạ ánh sáng cũng là nguyên nhân gây ra hiện tượng này Chiết suất của môi trường thay đổi theo nhiệt độ và chiết suất này không đồng nhất trong khoảng môi trường từ ngôi sao mà ta quan sát đến mắt chúng ta Chính vì điều này sẽ làm phát sinh một số điểm ảnh ảo liên tục khác nhau làm cho người quan sát thấy hiện tượng như trên

* Khúc xạ ánh sáng với thấu kính

Sự khúc xạ ánh sáng khả kiến cũng là một đặc trưng quan trọng ứng dụng trong thấu kính Thấu kính là tên gọi chung chỉ thành phần thủy tinh hoặc chất liệu plastic trong suốt, thường có dạng tròn, có hai bề mặt chính được mài nhẵn một cách đặc biệt nhằm tạo ra sự hội tụ hoặc phân kì của ánh sáng truyền qua chất đó Ở một thấu kính lồi đơn giản, sóng ánh sáng phản xạ từ vật thể được thu gom bởi thấu kính và khúc xạ

về phía trục chính để hội tụ vào tiêu điểm phía sau Vị trí tương đối của vật so với tiêu điểm phía trước của thấu kính xác định cách vật được tạo ảnh Nếu vật nằm phía ngoài khoảng cách hai lần tiêu cự tính từ thấu kính ra thì nó trông nhỏ hơn và bị lộn ngược

và phải được tạo ảnh bằng một thấu kính nữa để phóng to kích thước Tuy nhiên, khi vật ở gần thấu kính hơn so với tiêu điểm phía trước, thì ảnh xuất hiện thẳng đứng và lớn hơn, như có thể dễ dàng chứng minh bằng một cái kính lúp đơn giản

Hồi đầu thế kỉ 19, những người thợ thêu đã sử dụng những bình cầu thủy tinh rất mỏng chứa nước để hội tụ hoặc tập trung ánh sáng ngọn nến lên khu vực làm việc nhỏ của họ, giúp họ nhìn thấy những chi tiết tinh tế rõ ràng hơn Hình dưới đây minh họa cái tụ sáng của người thợ thêu hồi những năm 1800, gồm một vài bình cầu thủy tinh sắp xếp thành hình tròn xung quanh một ngọn nến dựng đứng, cho phép ánh sáng phát

ra từ ngọn nến hội tụ hoặc tập trung vào một vài đốm sáng Bề mặt cong của bình cầu

thủy tinh đóng vai trò làm bề mặt thu thập các tia sáng, sau đó chúng khúc xạ về phía một tiêu điểm chính theo kiểu tương tự như thấu kính lồi(thấu kính hội tụ)

Hình 1.12: Tụ sáng khúc xạ của người thợ thêu

Thấu kính đơn giản có khả năng tạo ảnh (giống như thấu kính hai mặt lồi) có ích trong những dụng cụ thiết kế dành cho các ứng dụng phóng đại đơn giản, như kính phóng to, kính đeo mắt, camera một thấu kính, kính lúp, ống nhòm và thấu kính tiếp xúc

1.3.1.5 Tính thuận nghịch trong sự truyền ánh sáng

Nếu ánh sáng truyền từ S tới R, giả sử theo đường truyền là SIJKR thì khi truyền ngược lại theo tia RK, đường truyền là RKJIS Như vậy, ánh sáng truyền đi theo đường nào thì cũng truyền ngược lại theo đường đó Đó là tính thuận nghịch của

sự truyền ánh sáng

Như thế, tính thuận nghịch này biểu hiện ở sự khúc xạ, sự truyền thẳng và sự phản xạ

1.3.2 Phản xạ

1.3.2.1 Sự truyền ánh sáng vào môi trường chiết quang hơn

Khi n1 < n2 thì i > r: Tia khúc xạ lại gần pháp tuyến và môi trường (2) chiết

quang hơn môi trường (1)

Khi góc tới i tăng dần thì góc khúc xạ r cũng tăng dần nhưng luôn luôn nhỏ hơn

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 rgh gọi là góc khúc

xạ giới hạn được tính như sau:

Áp dụng định luật khúc xạ ánh sáng:

n1sin900 = n2sinrgh (1.5)

Như vậy, trong trường hợp ánh sáng đi từ môi trường có chiết suất nhỏ hơn sang môi trường có chiết suất lớn hơn thì luôn luôn có tia khúc xạ trong môi trường thứ hai

Hình 1.13: Thí nghiệm ánh sáng đi vào môi trường chiết quang hơn

1.3.2.2 Sự truyền ánh sáng vào môi trường chiết quang kém hơn (n 2 >n 1 )

Khi ánh sáng truyền từ môi trường có chiết suất lớn sang môi trường 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, nước sang không khí, từ thuỷ tinh sang không khí, từ thuỷ tinh sáng nước,… Khi góc tới tăng thì góc khúc xạ tăng Theo định luật bảo toàn năng lượng thì năng lượng của tia tới được phân bố cho tia phản xạ và tia khúc xạ Nên khi góc tới càng tăng thì cường độ của tia phản xạ càng tăng và cường độ của tia sáng khúc xạ càng giảm Khi góc khúc xạ đạt đến giá trị cực đại 900, tức là cường độ của tia sáng khúc xạ giảm đến không thì góc tới đạt giá trị ighgọi 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 trường thứ hai, toàn bộ ánh sáng sẽ bị phản xạ và cường độ của tia phản xạ bằng cường độ của tia tới Lúc đó ta có hiện tượng phản xạ toàn phần xảy ra tại mặt phân cách giữa hai môi trường Góc igh được gọi là góc giới hạn phản xạ toàn phần

Hình 1.14: Thí nghiệm ánh sáng đi vào môi trường chiết quang kém hơn

1.3.2.3 Hiện tượng phản xạ toàn phần

Phản xạ toàn phần là hiện tượng trong đó toàn bộ tia sáng tới mặt phân cách hai môi trường 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 trường có chiết suất lớn sang môi trường có chiết suất nhỏ hơn n1 > n2

- Góc tới phải lớn hơn hoặc bằng góc giới hạn i ≥ igh

Dấu ―=‖ ở đây chỉ trường hợp giới hạn, hiện tượng 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<n1

- Ngoài cùng có thêm lớp vỏ bọc bằng nhựa dẻo để tạo cho cáp quang độ bền và độ dai cơ học

* Đường đi của tia sáng trong sợi quang

Hình 1.16: Đường đi của tia sáng trong sợi quang

- Chùm tia sáng khi đi vào sợi quang bị khúc xạ Tia khúc xạ tới mặt tiếp xúc giữa lõi và vỏ dưới góc tới lớn hơn góc tới giới hạn và bị phản xạ toàn phần

- Sau một loạt phản xạ liên tiếp như trên, tia sáng được dẫn qua sợi quang và ra

ngoài mà cường độ ánh sáng bị giảm không đáng kể

* Công dụng

- Trong công nghệ thông tin: cáp quang dùng để truyền thông tin, truyền dữ

liệu Một hệ truyền thông tin dùng cáp quang gồm ba bộ phận chính: Một máy phát biến đổi các tín hiệu điện thành tín hiệu quang, một cáp quang có nhiệm vụ truyền tín hiệu này đi và một máy thu nhận các tín hiệu ra ở đầu thứ hai của cáp quang và biến chúng trở lại các tín hiệu điện

- Trong y học: cáp quang dùng để nội soi (endoscopy) Loại cáp này gồm các

sợi quang rất nhỏ, mỗi sợi thu ảnh của một phần bộ phận và các sợi này phải có vị trí

nhất định trong bó sợi để tạo ảnh trung thực của bộ phận cần quan sát Hiện nay, người

ta có thể chế tạo 5.104

sợi cho 3mm đường kính cáp Bác sĩ có thể quan sát một vết loét dạ dày của bệnh nhân khi đưa hai bó cáp quang vào trong họng bệnh nhân Ánh sáng đưa vào đầu ngoài của một bó, phản xạ toàn phần nhiều lần ở trong bó sợi quang thứ nhất Một phần ánh sáng phản xạ từ thành trong của dạ dày đi ngược lại bó thứ hai theo kiểu bó thứ nhất và được thu nhận để chuyển thành hình ảnh trên màn vô tuyến

- Không bị nhiễu bởi các bức xạ điện từ bên ngoài, bảo mật tốt

- Không có rủi ro cháy (vì không có dòng điện)

- Tương tự với máy ảnh, ống nhòm: lăng kính phản xạ toàn phần để tạo ảnh thuận chiều

1.3.2.5 Một số hiện tượng bắt gặp liên quan

1.3.2.5.1 Hiện tượng ảo ảnh quang học

Thường xảy ra ở hai trường hợp:

* Trường hợp chiết suất không khí càng lên cao càng tăng (ảo tượng xứ nóng):

Ví dụ: Khi người đi trên sa mạc nóng bỏng, họ thấy từ xa một vũng nước có in

hình bóng cây Nhưng khi đi lại gần, họ chỉ thấy cây mọc trên cát khô

Ta có thể giải thích như sau: Lớp không khí gần mặt cát trên sa mạc nhận nhiệt tỏa ra từ mặt cát nóng nên gồm nhiều lớp không khí nóng có chiết suất tăng dần theo

độ cao, càng lên cao chiết suất càng tăng Với tia sáng từ đỉnh A của cây truyền qua lớp không khí trên cao có chiết suất n1 xuống lớp không khí phía dưới có chiết suất n2,

sẽ bị gãy khúc với góc khúc xạ lớn hơn góc tới (n1 > 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 đường gãy khúc trở thành đường cong đi xuống và rồi đi lên đến mắt người quan sát B Như vậy, người 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 người quan sát nhìn thấy một vũng nước có in hình bóng cây Tùy theo gradien của nhiệt độ theo chiều từ dưới lên trên là lớn hay nhỏ mà khoảng cách AB (từ cây đến người quan sát) có thể từ vài chục mét đến vài trăm kilômét

Hình 1.19: Hiện tượng ảo ảnh trên sa mạc

Một hiện tượng thường thấy: vào những ngày nóng nực mùa hè, người đi đường thường nhìn thấy vũng nước trên mặt đường nhựa ở xa phía trước, nhưng khi lại gần thì thấy mặt đường vẫn khô ráo Vũng nước mà người đi đường nhìn thấy chỉ là ảnh phản chiếu của bầu trời trên con đường nhựa quá nóng Hiện tượng đó cũng được giải thích tương tự như hiện tượng trên

* Trường hợp chiết suất không khí càng lên cao càng giảm (ảo tượng 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 được sưởi 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 dưới 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 người quan sát B (ngược lại với trường hợp trên) Vì vậy có thể nhìn thấy một số vật nằm ở khuất dưới đường chân trời lại được nhìn thấy trên bầu trời (như 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 tượng ảo ảnh này thường xảy ra ở vùng nước rộng Khoảng cách AB có thể lên đến vài trăm kilômét

1.3.2.5.2 Vẻ đẹp rực rỡ của kim cương

Kim cương là một tinh thể đối xứng có cấu trúc lập phương và chứa những nguyên tử cacbon bậc 4 Khối lượng riêng của kim cương là 3,52 g/cm³

Chiết suất của kim cương rất lớn n =2,42 Khi kim cương ở trong không khí, góc giới hạn của tia sáng tới bề mặt của viên kim cương thường 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 cương và bị phản xạ toàn phần nhiều lần giữa các mặt của viên kim cương trước khi ló

ra ngoài, nên ta thấy ánh sáng từ viên kim cương lóe ra rất sáng

Kim cương có khả năng tán sắc tốt, do có chiết suất biến đổi nhanh với bước sóng ánh sáng Điều này giúp kim cương biến những tia sáng trắng thành những màu sắc lấp lánh nhiều màu, tạo nên sức hấp dẫn riêng của kim cương khi là một món trang sức

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

(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 ngưỡng bởi điện tử không được cung cấp đủ năng lượng cần thiết để vượt ra khỏi rào thế (gọi là công thoát) Điện tử phát xạ ra dưới tác dụng của bức xạ điện từ được gọi là quang điện tử Ở một số chất khác, khi được chiếu sáng với tần số vượt trên tần số ngưỡng, 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, người 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 người đưa 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 người giải thích thành công hiệu ứng quang điện bằng cách sử dụng mô hình lượng tử ánh sáng Heinrich Hertz và Stoletov là những người 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, cường độ dòng quang điện (cường độ dòng điện tử phát xạ do bức xạ điện từ) tỉ lệ thuận với cường độ chùm sáng tới

- Với mỗi kim loại, tồn tại một tần số tối thiểu của bức xạ điện từ mà ở dưới tần số đó, hiện tượng quang điện không xảy ra Tần số này được gọi là tần số ngưỡng, hay giới hạn quang điện của kim loại đó

- Ở trên tần số ngưỡng, động năng cực đại của quang điện tử không phụ thuộc vào cường 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, dưới 10−9 giây

Albert Einstein đã sử dụng Thuyết lượng tử để lý giải hiện tượng quang điện Mỗi photon có tần số f sẽ tương ứng với một lượng tử năng lượng có năng lượng

, h: là hằng số Planck

* Năng lượng mà điện tử hấp thụ được sẽ được dùng cho 2 việc:

- Thoát ra khỏi liên kết với bề mặt kim loại (vượt qua công thoát )

- Cung cấp cho điện tử một động năng ban đầu:

Như vậy, theo định luật bảo toàn năng lượng, ta có thể viết phương trình:

(1.7)

Do động năng luôn mang giá trị dương, 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

Trong nhiều vật liệu, hiệu ứng quang điện ngoài không xảy ra mà chỉ xảy ra hiện tượng quang điện trong (thường xảy ra với các chất bán dẫn) Khi chiếu các bức

xạ điện từ vào các chất bán dẫn, nếu năng lượng của photon đủ lớn (lớn hơn độ rộng vùng cấm của chất, năng lượng 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 được 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 như sử dụng trong các CCD camera), các cảm biến quang học, các ông nhân quang điện

- Phổ quang điện tử

Chương 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 được hình thành và xây dựng từ thế kỉ XVI đến cuối thế kỉ thứ XIX được 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 được 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 người 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 người, bản thân con người 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 người với lí trí của mình và với một phương pháp đúng đắn có khả năng nhận thức được 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 tương lai của cơ hệ‖- quyết định luận nâng cao vai trò của khoa học, đồng thời nâng cao vai trò của con người biết vận dụng khoa học để làm chủ hiện tại và tương lai của mình, và phủ nhận vai trò của các thần linh can thiệp tuỳ tiện vào các hiện tượng 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 được rút ra từ thực tiễn, hay các giả thuyết được 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 như vậy

2.1 THỜI CỔ ĐẠI

Từ thời nguyên thủy, con người cũng tích lũy được những tri thức về cây cối, các động vật xung quanh, thời tiết, khí hậu, … Nhưng 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 chưa 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 người biết trồng trọt, chăn nuôi, con người có thể đạt được 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 được nâng cao, một số người đã được giải phóng khỏi lao động chân tay, trở thành những người 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…

Nhìn chung, thời cổ đại đã có tri thức mầm mống của toán học và thiên văn học, nhưng chưa có mầm mống của vật lý học

2.1.2 Khoa học phương đông cổ đại

Từ thế kỉ XVIII – XII TCN, người 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: Trương Sương (TK I TCN), Cảnh Thọ Xương (TK II TCN) phát biểu phương pháp giải hệ phương trình bậc nhất và dùng số âm trong phép tính,

mô tả được phương pháp khai căn bậc 2, bậc 3, giải phương trình bậc 2…; Tổ Xung Chi (TK V TCN) tính được giá trị gần đúng của pi là 355/133

Người Ai Cập và người Babilon cũng đã đạt trình độ toán học khá cao Tuy nhiên, quan niệm của họ vẫn là quan niệm thiếu hệ thống, hoang đường, 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 được thành những trường 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, nhưng 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), nhưng 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 như 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 tư tưởng cho rằng vũ trụ ko bao gồm gì khác ngoài vật chất… Khoảng vài trăm năm TCN, có những trường phái duy vật, giải thích những hiện tượng trong vũ trụ bằng quan niệm nhân quả và nguyên tử luận,chống lại cách giải thích của tôn giáo

Như vậy ở phương đông cổ đại đã xuất hiện những mầm mống ban đầu của khoa học, nhưng 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 hương của khoa học hiện đại) đã có điều kiện thuận lợi cho khoa học phát triển, mọi tri thức khoa học của con người lúc ấy được tập trung trong 1 môn khoa học duy nhất, đó là TRIẾT HỌC TỰ NHIÊN Triết học tự nhiên cổ Hy Lạp có ảnh hưởng 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 hương khoa học của nhân loại

2.1.3.1 Trường phái Iôni - trường phái đầu tiên của Hi Lạp

Người sáng lập: Talet (khoảng 624 - 547 TCN) nhà khoa học lúc này chưa biết làm thí nghiệm mà chỉ dựa vào quan sát tự nhiên xã hội dùng phép suy luận để tìm chân lí

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 tư tưởng đó và nói: ―Thế giới thống nhất từ mọi thứ, không phải do thần linh hay một người 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

Người sáng lập: Pitago (khỏang 580 – 500 TCN)

+ 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

Người sáng lập: Zenon (sinh khoảng 490 TCN)

Tư tưởng: 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 đưa 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 Nhưng suốt hai nghìn năm sau đó không ai tìm ra được

lập luận nào để thay thế Phải tới TK XVII, khi toán học tìm ra phép tính vi phân mới

có được một lập luận khoa học để bác bỏ Aporia của Zezon

Khoa học cổ Hy Lạp mặc dù đã dựa vào tri thức của phương đông cổ đại nhưng

đã đưa vào những nét mới Trong lập luận của các nhà khoa học tuy có cái ngây ngô, hoang đường nhưng 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

Tư tưởng Iôni và tư tưởng Êlê không thỏa mãn được 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, nước và đất Các nguyên tố này bất diệt và ko thay đổi Empédocle là người đầu tiên phát biển nguyên lý bảo toàn: ―Không có gì phát sinh ra được 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 xưa 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 ngược lại từ vật đến mắt

Leucippe (TK V TCN) thì trái ngược 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 Dưới tác động của ánh sáng, các hình ảnh về các vật quanh ta tách khỏi bề mặt của vật, như 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, nhưng thêm vào đó các màu khác gọi là màu thứ cấp như lục và nâu Khác với Empédocle, Démocrite không gắn các màu cơ bản cho bốn nguyên tố mà gắn cho các hình dạng khác nhau Theo Démocrite, các màu (và các đặc tính giác quan khác như mùi và vị) không hiện hữu trong bản thân các vật

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 tư tưởng trên, Démocrite và thầy học của mình là Leucippe đã

đề xướng ra Nguyên Tử Luận cổ đại

Nguyên tử luận của Démocrite đã bị chủ nghĩa duy tâm và giới tăng lữ chống đối Nhưng 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 được xem là thiên tài trên nhiều lĩnh vực, có nhiều người coi ông là triết gia vĩ đại nhất mọi thời đại cùng với Socrates là thầy ông Sinh ra ở Athen, ông được 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

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 được - 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 lưỡng 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 đưa 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 người trong hang không thể nhìn thấy, không thể tiếp cận được Tất cả những gì con người ở đây tri giác được, 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 được thấy một màu xám buồn tẻ và các đường 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 người đi trước

và sắp xếp chúng lại theo cách riêng của ông Chẳng hạn, trong cuốn Timée, ông đã phát triển ý tưởng "lửa" trong mắt mà Empédocle đã phát biểu bảy mươi năm trước Ông dẫn ví dụ về cái kim rơi xuống đất; chúng ta có thể tìm cái kim này rất lâu, nhưng, 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 Như 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 Nhưng ông bác bỏ các quan niệm nguyên tử luận của Démocrite và cho rằng thế giới được 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 Như vậy thị giác là kết quả cảu sự tổng hợp của ba quá trình bổ sung cho nhau Mắt phát ra lửa, lửa

kết hợp với ánh sáng xung quanh để tạo thành một chùm sáng duy nhất Chùm sáng này được phóng thẳng ra phía trước cho đến khi gặp bề mặt của một vật; ở đó, nó gặp tia các hạt do vật phát ra dưới tác dụng của ánh sáng xung quanh và kết hợp với chùm sáng ban đầu Tia các hạt này chứa thông tin về tình trạng của vật, màu sắc và kết cấu của nó Sau đó chùm sáng co lại để truyền đến mắt những thông tin này 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 được 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 được 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 tư duy của phái Iôni và nguyên tử luận bị đẩy lùi, nhường 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 người sáng lập ra logic hình thức

Trong cuốn ―Vật lý học‖ của Aristote không có công thức toán học và không có thí nghiệm Aristote dùng phương pháp như của Socrate, đi đến kết luận bằng lập luận

và vạch ra những mâu thuẩn về mặt logic Do phương pháp như vậy, cuốn ―Vật lý học‖ của Aristote đúng ra là một giáo trình triết học hơn là một giáo trình khoa học tự nhiên

Aristote công nhận sự tồn tại khách quan của vật chất Nhưng 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 như các nhà triết học trước, nhưng 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 hưởng 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 nhưng cũng có những yếu tố biện chứng, có giá trị Về sau, giáo hội cơ đốc đã tước 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 như 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, nhưng 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 đưa ra một quan điểm nằm giữa chủ nghĩa duy tâm của Platon và chủ nghĩa duy vật của Démocrite Là một triết gia thuộc trường phái tự nhiên, ông có cái nhìn cụ thể hơn và kinh nghiệm hơn về hiện thực, đồng thời ông cũng là người bác bỏ thế giới ý niệm của Platon

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 trưng của thế giới Trong khi Démocrite quy giản

vạn vật về các thực thể định lượng (các nguyên tử), thì Aristote lại cho rằng chính chất

chứ không phải lượng 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 Ngược lại, đối với những người theo trường 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 đưa ra các khái niệm như "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 Như vậy, đất là lạnh

và khô, nước 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, như 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 được tại sao chúng ta không nhìn thấy trong bóng tối Ông cũng bác bỏ quan niệm của Platon về các hạt thoát ra từ bề mặt các vật để đi vào mắt người quan sát Theo ông, sự tri giác các vật được thực hiện không phải thông qua dòng vật chất, mà bởi ấn tượng của chúng lên các giác quan, cũng giống như sáp tiếp nhận dấu ấn của chiếc nhẫn nhưng không tước mất của nó cái chất, sắt hay vàng,

đã tạo nên chiếc nhẫn đó Ấn tượng tạo bởi vật đã thực tại hóa tiềm năng vốn đã tồn tại trong cơ quan thị giác Như vậy mắt tiếp nhận các ấn tượng 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 (lương tri) Bởi vì Aristote đặt "tâm hồn" không phải trong não, mà trong tim, nên ông cũng đặt "lương tri" ở trái tim Để tạo ra một hình ảnh tinh thần về các ấn tượng, tâm hồn sử dụng một khả năng đặc biệt gọi là "tưởng tượng"

Vậy các ấn tượng về các vật bên ngoài được truyền đến các cơ quan thị giác như thế nào? Theo Aristote, chức năng này được thực hiện trước 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 trường giữa mắt và vật; từ không trong suốt, nó trở thành trong suốt Môi trường 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,

như không khí, chẳng hạn, chuyển động, rồi sự diaphane lại truyền chuyển động của

nó cho con mắt mà nó tiếp xúc." Để nhìn được 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 trước đó vẫn chỉ là tiềm năng Như vậy, ánh sáng, màu sắc và các hình dạng không phải là các chất di chuyển qua một môi trường Chúng chỉ làm một việc là làm thay đổi cái môi trường ấy Chúng không cần thời gian để đi tới chúng ta; do đó sự tri giác là tức thời Ngược 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 trường bán trong suốt: đó là trường hợp các màu nâu đỏ hoặc da cam của cảnh hoàng hôn

Tóm lại, người 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 được 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 người cảm giác về các màu sắc và hình dạng của các vật Các quan niệm này đã có ảnh hưởng to lớn đến các nhà tư tưởng quan tâm đến vấn đề ánh sáng và thị giác trong suốt hai mươi thế kỷ sau

đó

- Aristote cho rằng chức năng của não là làm lạnh máu

- Các ngôi sao được nhìn thấy qua một môi trường 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

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 như tất

cả các nhà khoa họ thời đó đều có quan hệ trực tiếp hoặc trao đổi thư 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 được 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 phương 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

tượng 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 gương và gương cầu, nhưng chưa xác định được tiêu điểm của gương cầu

Hình 2.3: Euclide nhà toán học lỗi lạc thời cổ Hy Lạp

* Khái niệm tia sáng: Đường thẳng đi từ nguồn sáng theo đường 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 sư giỏi: chế tạo nhiều lọai máy cơ học để nâng nước sông lên tưới 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, nhưng không truyển lại tới nay Ông là đỉnh cao của khoa học cổ đại

Hình 2.4: Archimède (Ác-si-mét)

Nghiên cứu quang học, Archimède đã chứng minh được rằng có thể tập trung toàn bộ ánh sáng tới vào tiêu điểm của gương nếu gương này có dạng parabol Như vậy, người Hy Lạp đã biết làm chủ kỹ thuật chế tạo gương Trên thực tế, Archimède

đã thiêu rụi hạm đội La Mã đang vây hãm thành phố Syracuse bằng cách dùng các gương parabol khổng lồ tập trung ánh sáng mặt trời lên tàu địch

Hình 2.5: Những chiếc gương 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 trước Công Nguyên), Archimedes đã dùng lửa đốt cháy các tàu chiến địch Nhiều thế kỷ sau, Anthemius của Tralles đã đề cập tới những gương đốt cháy như vũ khí của Archimède Thiết bị này, thỉnh thoảng được gọi là "tia chiếu của Archimède ", đã được 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 Hưng 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 phương tiện có sẵn trong thời Archimède Mọi người cho rằng một mạng lưới các tấm đồng hay đồng thau được đánh bóng đã được sử dụng để hội tụ ánh mặt trời vào một con tàu Cách này sử dụng nguyên lý hội tụ parabol theo một cách tương tự với lò mặt trời Một cuộc thử nghiệm tia chiếu của Archimède đã được tiến hành năm 1973 bởi

nhà khoa học Hy Lạp Archimède Cuộc thử nghiệm diễn ra tại căn cứ hải quân Skaramagas bên ngoài Athens Lần này 70 chiếc gương đã được sử dụng, mỗi chiếc có một lớp phủ đồng với kích thước khoảng 5x3 feet (1.5 x 1 m) Những chiếc gương hướng vào một miếng gỗ dán giả làm một tàu chiến La Mã ở khoảng cách khoảng

160 feet (50 m) Khi những chiếc gương được đặt chính xác, con tàu bốc cháy chỉ sau vài giây Con tàu gỗ dán có một lớp sơn phủ nhựa đường, có thể đã góp phần vào sự cháy Ngày nay nguyên lý tập trung ánh sáng này vẫn được 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 được 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 được 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 được 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 được 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 Nhưng 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 được chuyển động của các hành tinh và tính được 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 đường 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 đường 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 được chính xác vị trí các hành tinh trên bầu trời vào thời điểm cho trước

Hình 2.6: Ptólemée