Tiểu luận môn điện tử học lượng tử ứng dụng Bản chất và cơ chế điện tử học lượng tử của ánh sáng và màu sắc

19 515 3
Tiểu luận môn điện tử học lượng tử ứng dụng Bản chất và cơ chế điện tử học lượng tử của ánh sáng và màu sắc

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Thông tin tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BÀI TIỂU LUẬN MÔN: ĐIỆN TỬ HỌC LƯỢNG TỬ ỨNG DỤNG Giảng viên hướng dẫn : GS.TSKH Nguyễn Văn Trị Học viên thực : Vũ Văn Dần Lớp : Cao học kỹ thuật điện tử (KTĐT12.1) Hưng yên, tháng năm 2013 NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ĐỀ TÀI : ĐỀ TIỂU LUẬN 15 Bản chất Cơ chế Điện tử học Lượng tử Ánh sang Màu sắc I Bản chất chế điện tử học lượng tử tượng mắt nhìn thấy Bức xạ Điện từ nàu sắc khác BXĐT II Ngưỡng nhận ánh sang vàng võng mạc 1,7.10-18 W Hỏi có photon tới võng mạc sec? cho biết ánh sang vàng có bước song trung bình 575 nm I Bản chất chế điện tử học lượng tử tượng mắt nhìn thấy Bức xạ Điện từ nàu sắc khác BXĐT Bức xạ điện từ (hay sóng điện từ) kết hợp (nhân vector) dao động điện trường từ trường vuông góc với nhau, lan truyền không gian sóng Sóng điện từ bị lượng tử hoá thành "đợt sóng" có tính chất hạt chuyển động gọi photon Hình 1: Sóng điện từ (BXDT) Hình 2:Sóng điện từ lan truyền theo Z Một trường hợp đặc biệt sóng điện từ lan truyền theo phương Z, gọi sóng phẳng điều hòa với thành phần điện trường dao đông theo phương Y, , Còn từ trường dao động điều hòa theo phương X, Qua nhiều năm nghiên cứu liên tục ánh sáng kỷ 16, 17 có lý thuyết mâu thuẫn coi ánh sáng có tính chất sóng hay hạt Ánh sáng lần liên kết với điện từ vào năm 1845 Michael Faraday nhận thấy ánh sáng phản ứng với từ trường Phát tính chất sóng điện từ ánh sáng vào năm 1800, William Herschel phát ánh sáng hồng ngoại Ông nghiên cứu nhiệt độ màu sắc khác cách di chuyển nhiệt kế qua ánh sáng bị chia qua lăng kính Ông nhận thấy nhiệt độ cao vượt màu đỏ Ông đưa giả thuyết có 'ánh sáng' mà mắt người nhìn thấy Năm 1801, Johann Ritternghiên cứu phía đầu quang phổ thấy có 'các tia hóa học' có hành vi tương tự, xa nữa, tia sáng nhìn thấy màu cực tím Sau họ đổi tên thành xạ cực tím Trong thập niên 1860 James Maxwell nghiên cứu trường điện từ phát chúng truyền gần vận tốc ánh sáng Ông đưa phương trình vi phân để giải thích mối tương quan Những phương trình dự đoán nhiều tần số sóng điện từ truyền với vận tốc ánh sáng Để chứng minh phương trình Maxwell, năm 1886 Heinrich Hertz chế tạo cỗ máy để tạo phát sóng vô tuyến Ông quan sát thấy chúng truyền vận tốc ánh sáng bị phản xạ khúc xạ Trong thí nghiệm sau đó, ông tạo đo vi sóng Những sóng mở đường cho phát minh điện báo không dây vô tuyến Năm 1895 Wilhelm Röntgen phát loại xạ làm thí nghiệm Ông gọi tia X nhận thấy chúng truyền xuyên qua thể người, lại bị vật chất đặc phản xạ, ví dụ xương Sau tia X ứng dụng nhiều lĩnh vực y học Phần cuối phổ điện từ điền đầy với việc phát tia gamma Năm 1900 Paul Villard nghiên cứu phóng xạ Đầu tiên ông nghĩ chúng hạt tương tự hạt alpha beta Tuy nhiên, năm 1910 Ernest Rutherford đo bước sóng chúng thấy chúng sóng điện từ Khi lan truyền, sóng điện từ mang theo lượng, động lượng thông tin Sóng điện từ với bước sóng nằm khoảng 400 nm 700 nm quan sát bằngmắt người gọi ánh sáng Mọi vật thể phát xạ điện từ, dao động nhiệt phân tử hay nguyên tử hạt cấu tạo nên chúng, với lượng xạ phân bố cường độ xạ theo tần số phụ thuộc vào nhiệt độ vật thể, gần giống xạ vật đen Sự xạ lấy nhiệt vật thể Các vật thể hấp thụ xạ phát từ vật thể khác; trình phát hấp thụ xạ trình trao đổi nhiệt Hình 3: Phổ tần số BXĐT Hình 4: Biểu đồ phổ điện từ, thuộc tính khác theo tần số bước sóng Sóng điện từ thường mô tả ba tính chất vật lý sau: tần số f, bước sóng λ, lượng photon E Dải tần số từ 2,4×1023 Hz (1 GeV tia gamma) xuống tần số plasma cục môi trường nguyên tử bị ion hóa (~1 kHz) Bước sóng tỉ lệ nghịch với tần số, tia gamma có bước sóng ngắn phân số kích thước nguyên tử, bước sóng dài vũ trụ Năng lượng photon tỉ lệ thuận với tần số sóng, tia gamma có lượng cao (khoảng tỉ electronvolt) sóng vô tuyến có lượng thấp (khoảng femtô electronvolt) Các mối quan hệ minh họa phương trình sau: Trong đó: • • c = 299.792.458 m/s vận tốc ánh sáng chân không h = 6,62606896(33)×10−34 J s = 4,13566733(10)×10−15 eV s số Planck Bất sóng điện từ tồn môi trường vật chất, bước sóng chúng giảm Bước sóng xạ điện từ, không bị ảnh hưởng môi trường mà chúng truyền qua, thường trích dẫn mặt bước sóng chân không, điều lực quy định rõ ràng Nói chung, xạ điện từ phân loại thành bước sóng với: sóng vô tuyến, vi ba, xạ terahertz (hay mm), hồng ngoại, vùng ánh sáng nhìn thấy, cực tím, tia X tia gamma Việc xạ EM phụ thuộc vào bước sóng Khi xạ EM tương tác với nguyên tử phân tử, hành vi phụ thuộc vào lượng lượng tử (photon) mà mang theo Quang phổ phát vùng lớn phổ EM dải ánh sáng nhìn thấy từ 400 nm đến 700 nm Một phòng thí nghiệm quang phổ thông thường phát bước sóng từ nm tới 2500 nm Thông tin chi tiết tính chất vật lý đối tượng, khí hay chí thu nhờ loại thiết bị Kính quang phổ dùng rộng rãi vật lý học thiên thể Ví dụ, nhiều nguyên tử hydro phát photon sóng vô tuyến có bước sóng 21,12 cm Ngoài ra, tần số 30 Hz thấp tạo quan trọng nghiên cứu tinh vân định tần số cao 2,9×1027 Hz phát từ nguồn vật lý thiên văn Ánh sáng khả kiến biểu tính chất sóng kinh điển, đồng thời bộc lộ tính chất có xu hướng hạt, thể rõ ràng qua thực thể có lượng xung lượng (nhưng khối lượng), gọi photon Nguyên tử nguồn phát xạ điện từ, dù loại nhìn thấy hay không nhìn thấy Các dạng xạ lượng cao, sóng gamma tia X, sinh kiện xảy làm phá vỡ trạng thái cân hạt nhân nguyên tử Bức xạ có lượng thấp, ánh sáng cực tím, khả kiến hồng ngoại, sóng vô tuyến vi ba, phát từ đám mây electron bao quanh hạt nhân tương tác nguyên tử với nguyên tử khác Những dạng xạ xảy thực tế electron chuyển động quỹ đạo xung quanh hạt nhân nguyên tử xếp vào mức lượng khác hàm phân bố xác suất chúng Nhiều electron hấp thụ thêm lượng từ nguồn xạ điện từ bên , kết chúng nhảy lên mức lượng cao không bền Cuối cùng, electron “bị kích thích” giải phóng lượng thừa cách phát xạ điện từ có lượng thấp hơn, đồng thời rơi trở lại mức lượng bền trước Năng lượng xạ phát với lượng ban đầu electron hấp thụ trừ lượng nhỏ lượng bị thất thoát qua số trình thứ cấp Các mức lượng xạ điện từ thay đổi đáng kể phụ thuộc vào lượng nguồn electron hạt nhân Ví dụ, sóng vô tuyến có lượng thấp nhiều so với sóng vi ba, tia hồng ngoại, ánh sáng khả kiến, tất sóng lại chứa lượng ánh sáng tử ngoại, tia X sóng gamma Như quy luật, lượng xạ điện từ cao liên quan đến bước sóng ngắn nhiều dạng xạ có lượng thấp Mối liên hệ lượng sóng điện từ tần số cho phương trình: E = hn = hc/λ Trong đó: E lượng (kJ/mol), h số Planck, biến khác định nghĩa phần Theo phương trình này, lượng sóng điện từ tỉ lệ trực tiếp với tần số tỉ lệ nghịch với bước sóng Như vậy, tần số tăng (với giảm bước sóng tương ứng), lượng sóng điện từ tăng, ngược lại Các đặc trưng chọn lọc loại xạ điện từ khác nhau, định rõ bước sóng, tần số mức lượng nó, trình bày phần sau Mặc dù xạ điện từ thường mô tả bước sóng tần số dạng sóng, tính chất đặc trưng khác quan trọng xem xét cách thức sóng truyền không gian Hình biểu diễn dạng sóng khác tiêu biểu cho trạng thái phổ biến thường dùng để mô tả mức độ đồng xạ điện từ Do ánh sáng khả kiến loại xạ nói tới nhiều nhất, nên ví dụ minh họa hình miêu tả bước sóng vùng phổ Ví dụ, ánh sáng đơn sắc gồm sóng có bước sóng tần số, hay cấp độ vĩ mô, có màu ánh sáng khả kiến Trái lại, ánh sáng khả kiến đa sắc thường xuất dạng ánh sáng trắng đóng góp hỗn hợp tất hay đa số bước sóng nằm vùng phổ từ 400 đến 700 nanomet Hình 5: Dạng sóng trạng thái xạ điện từ Khi ánh sáng không phân cực (hình 5), vectơ điện trường dao động mặt phẳng nằm vuông góc với hướng truyền sóng Ánh sáng phản xạ từ bề mặt phẳng góc tới hạn, truyền qua lọc phân cực, định hướng theo mặt phẳng phân cực, với tất vectơ điện trường dao động mặt phẳng vuông góc với hướng truyền sóng Ánh sáng phát từ Mặt Trời, đa số nguồn phát ánh sáng khả kiến phổ biến bóng đèn nóng sáng huỳnh quang, không phân cực, ánh sáng nhìn qua thấu kính phân cực kính râm bị phân cực theo chiều đứng Trong số trường hợp, ánh sáng bị phân cực elip phân cực tròn truyền qua chất có nhiều chiết suất (các chất khúc xạ kép) Đa số nguồn sáng tự nhiên nhân tạo phát ánh sáng không kết hợp, thể nhiều mối quan hệ pha bước sóng có mặt quang phổ (hình 5) Trong trường hợp này, đỉnh lõm trạng thái dao động sóng không đồng với không gian thời gian Ánh sáng kết hợp gồm bước sóng đồng pha với nhau, hành xử theo kiểu khác với ánh sáng không kết hợp tính chất quang học tương tác với vật chất Mặt đầu sóng ánh sáng kết hợp tạo có dao động đỉện từ pha, có góc phân kì thấp, thường gồm ánh sáng đơn sắc bước sóng có độ phân bố hẹp Laser nguồn phổ biến phát ánh sáng kết hợp Những sóng ánh sáng có đường đồng trục, tương đối không phân kì truyền không gian gọi chuẩn trực Dạng có tổ chức ánh sáng không trải ra, hay không phân kì, mức độ đáng kể khoảng cách tương đối xa Ánh sáng chuẩn trực tạo chùm tia sít sao, không cần thiết phải có dải bước sóng hẹp (không cần phải đơn sắc), mối quan hệ pha chung, trạng thái phân cực định rõ Mặt đầu sóng ánh sáng chuẩn trực mặt phẳng vuông góc với trục truyền Trái lại, ánh sáng phân kì, hay không chuẩn trực, lại trải mức độ rộng truyền không gian, phải cho qua thấu kính lỗ nhỏ làm cho chuẩn trực, hội tụ - Bản chất màu sắc ánh sáng, cảm nhận màu sắc mắt người Ánh sáng khả kiến tượng phức tạp giải thích kinh điển mô hình đơn giản dựa tia truyền mặt đầu sóng, khái niệm nêu lần vào cuối năm 1600 nhà vật lí người Hà Lan Christiaan Huygens Bức xạ điện từ, gia đình rộng lớn tượng kiểu sóng mà ánh sáng khả kiến thuộc (cũng gọi lượng xạ), phương tiện truyền lượng chủ yếu vũ trụ mênh mông Cơ chế mà ánh sáng khả kiến phát bị hấp thụ chất, cách thức tác động lại điều kiện khác truyền không gian khí quyển, hình thành nên sở cho tồn màu sắc vũ trụ Dưới điều kiện bình thường, truyền môi trường đồng tính, không khí chân không, ánh sáng truyền theo đường thẳng tương tác với môi trường vật liệu khác khiến đổi hướng, qua khúc xạ (bẻ cong) phản xạ Cường độ ánh sáng giảm hấp thụ môi trường Nếu sóng ánh sáng truyền qua khe hẹp lỗ nhỏ, chúng bị nhiễu xạ phân tán (tán xạ) tạo nên hình ảnh nhiễu xạ đặc trưng Phù hợp với định luật nghịch đảo bình phương tiếng, cường độ (hay độ chói) xạ điện từ tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách mà chúng truyền Như vậy, sau ánh sáng truyền hai lần khoảng cách cho trước, cường độ giảm bốn lần Hình 6: Sự hấp thụ phát xạ Ánh sáng khả kiến biểu tính chất sóng kinh điển, đồng thời bộc lộ tính chất có xu hướng hạt, thể rõ ràng qua thực thể có lượng xung lượng (nhưng khối lượng), gọi photon Nguyên tử nguồn phát xạ điện từ, dù loại nhìn thấy hay không nhìn thấy Các dạng xạ lượng cao, sóng gamma tia X, sinh kiện xảy làm phá vỡ trạng thái cân hạt nhân nguyên tử Bức xạ có lượng thấp, ánh sáng cực tím, khả kiến hồng ngoại, sóng vô tuyến vi ba, phát từ đám mây electron bao quanh hạt nhân tương tác nguyên tử với nguyên tử khác Những dạng xạ xảy thực tế electron chuyển động quỹ đạo xung quanh hạt nhân nguyên tử xếp vào mức lượng khác hàm phân bố xác suất chúng Nhiều electron hấp thụ thêm lượng từ nguồn xạ điện từ bên (xem hình 6), kết chúng nhảy lên mức lượng cao không bền Hình 7: Sự nhảy mức không bền electron Cuối cùng, electron “bị kích thích” giải phóng lượng thừa cách phát xạ điện từ có lượng thấp hơn, đồng thời rơi trở lại mức lượng bền trước Năng lượng xạ phát với lượng ban đầu electron hấp thụ trừ lượng nhỏ lượng bị thất thoát qua số trình thứ cấp Hình 8: Dải tần số ánh sáng nhìn thấy màu sắc Màu sắc cảm giác mang đến cho hệ thần kinh người từ kết hợp tín hiệu ba loại tế bào cảm thụ màu mắt người Cảm giác bị ảnh hưởng "dài hạn" từ trí nhớ lưu lại trình học hỏi từ lớn lên xã hội, "ngắn hạn" hiệu ứng ánh sáng phông Màu sắc tia ánh sáng cảm giác màu mà tia sáng gây nên mắt người Màu sắc vật thể màu sắc ánh sáng xuất phát từ chúng Các dao động điện trường ánh sáng tác động mạnh đến tế bào cảm thụ ánh sáng mắt người Có loại tế bào cảm thụ ánh sáng mắt người, cảm nhận vùngquang phổ khác (tức ba màu sắc khác nhau) Sự kết hợp lúc tín hiệu từ loại tế bào tạo nên cảm giác màu sắc phong phú Để tạo hình ảnh màu hình, người ta sử dụng loại đèn phát sáng vùng quang phổ nhạy cảm người Tế bào cảm giác màu đỏ màu lục có phổ hấp thụ gần nhau, mắt người phân biệt nhiều màu nằm màu đỏ lục (màu vàng, màu da cam, xanh nõn chuối, ) Tế bào cảm giác màu lục màu lam có phổ hấp thụ nằm xa nhau, nên mắt người phân biệt màu xanh không tốt Hầu hết mắt sinh vật nhạy cảm với xạ điện từ có bước sóng nằm khoảng từ 300 nm đến 1200 nm Khoảng bước sóng trùng khớp với vùng phát xạ có cường độ mạnh Mặt Trời Như suy luận việc loài vật Trái Đất tiến hoá để thu nhận vùng xạ tự nhiên mạnh đem lại lợi sinh tồn cho chúng Không ngẫu nhiên mà bước sóng ánh sáng (vùng quang phổ mắt người nhìn được) trùng vào khu vực xạ mạnh Màu sắc tự tính chất ánh sáng, mà nhận thức màu sắc xảy qua phản ứng kết hợp hệ cảm giác dây thần kinh não – mắt người.Nhận thức màu sắc kết phản ứng mang tính chủ quan hệ cảm giác người với vùng tần số phong phú phổ khả kiến, kết hợp đa dạng tần số ánh sáng tạo phản ứng thị giác “nhìn thấy” màu cụ thể Ví dụ, người cảm nhận màu lục, phản ứng với kết hợp ánh sáng có vài màu sắc khác nhau, không thiết phải có chứa bước sóng “lục” Vào năm 1672, ngài Isaac Newton nghiên cứu tương tác ánh sáng khả kiến với lăng kính thủy tinh lần nhận thấy ánh sáng trắng thật hỗn hợp ánh sáng khác đại diện cho toàn phổ ánh sáng khả kiến Ánh sáng phát từ nguồn nóng sáng tự nhiên nhân tạo phong phú Mặt Trời, phản ứng hóa học (như lửa), dây tóc volfram nóng sáng Phổ phát xạ rộng nguồn thuộc loại thường gọi xạ nhiệt Các nguồn phát ánh sáng khả kiến khác, ống phóng điện khí, có khả phát ánh sáng ngưỡng tần số hẹp, hoàn toàn xác định (tương ứng với màu) phụ thuộc vào chuyển mức lượng đặc biệt nguyên tử chất nguồn Sự cảm nhận mạnh mẽ màu hấp thụ, phản xạ truyền đặc trưng chất vật rọi sáng ánh sáng trắng Sự nhìn màu sắc người trình phức tạp đến chưa hiểu trọn vẹn, hàng trăm năm nghiên cứu mô trôi qua Sự nhìn yêu cầu tương tác gần tức thời hai mắt não thông qua mạng lưới thần kinh, quan thụ cảm tế bào chuyên biệt khác Bước thứ trình cảm giác kích thích quan cảm thụ ánh sáng mắt, biến kích thích sáng hình ảnh thành tín hiệu, truyền tín hiệu điện chứa thông tin nhìn từ mắt đến não thông qua dây thần kinh thị giác Thông tin xử lí tiếp vài giai đoạn, sau truyền đến phần vỏ não có liên quan đến thị giác Hình 9: Cấu tạo mắt người Mắt người có thành phần quang đa dạng, gồm giác mạc, mống mắt, ngươi, thủy dịch thủy tinh dịch, thủy tinh thể có tiêu cự thay đổi, võng mạc (như minh họa hình 9) Những thành phần phối hợp với nhau, tạo nên ảnh vật rơi vào tầm nhìn mắt Khi vật quan sát, trước tiên hội tụ qua thành phần giác mạc lồi thủy tinh thể, hình thành nên ảnh lộn ngược mặt võng mạc, màng nhiều lớp chứa hàng triệu tế bào thị giác Để đến võng mạc, tia sáng bị hội tụ giác mạc phải qua thủy dịch (trong khoang phía trước), thủy tinh thể, thủy tinh dịch sền sệt, lớp mạch máu dây thần kinh võng mạc trước chúng đến phần nhạy sáng bên tế bào hình nón hình que Những tế bào thị giác nhận diện ảnh biến thành tín hiệu điện truyền lên não Chính giác mạc, thủy tinh thể, chịu trách nhiệm cho khả khúc xạ toàn mắt Nhẵn bóng suốt thủy tinh, mềm dẻo bền plastic, phần suốt, có độ cong cao, nằm phía thành trước nhãn cầu cho phép tia sáng tạo ảnh truyền qua vào phần Giác mạc bảo vệ mắt cách làm rào chắn vật lí che chắn phần mắt khỏi vi sinh vật, bụi bặm, sợi nhỏ, chất hóa học chất gây hại khác Mặc dù chiều rộng nhỏ nhiều so với thủy tinh thể, giác mạc mang lại khoảng 65% khả khúc xạ mắt Đa phần sức mạnh bẻ cong ánh sáng tập trung gần giác mạc, nơi tròn mỏng so với phần ngoại biên mô Như cánh cửa sổ điều khiển ánh sáng vào mắt, giác mạc (hình 10) yếu tố cần thiết cho nhìn tốt đóng vai trò lọc ánh sáng tử ngoại Giác mạc loại trừ số bước sóng tử ngoại gây phá hủy có mặt ánh sáng Mặt Trời, bảo vệ võng mạc dễ thương tổn thủy tinh thể khỏi bị phá hoại Nếu giác mạc cong nhiều, trường hợp cận thị, vật xa xuất dạng ảnh mờ, khúc xạ ánh sáng chưa hoàn chỉnh tới võng mạc Trong trường hợp loạn thị, không hoàn hảo hay không giác mạc gây khúc xạ không đồng đều, làm cho ảnh chiếu lên võng mạc bị méo dạng Hình 10: Cấu tạo giác mạc Không giống đa số mô thể người, giác mạc mạch máu nuôi dưỡng bảo vệ chống lại xâm nhiễm Cả mao mạch nhỏ gây trở ngại cho trình khúc xạ xác Giác mạc nhận nuôi dưỡng từ nước mắt thủy dịch, chúng chiếm đầy khoang nằm phía sau cấu trúc Lớp biểu mô phía giác mạc chứa hàng nghìn đầu mút dây thần kinh nhỏ, khiến cho giác mạc nhạy với đau đớn bị chà xát cào xước Chiếm khoảng 10% chiều dày mô, lớp giác mạc chặn đối tượng lạ không cho vào mắt, đồng thời mang lại bề mặt nhẵn cho hấp thụ oxy chất dinh dưỡng Lớp giác mạc, gọi chất nền, chiếm khoảng 90% mô, gồm mạng sợi protein bão hòa nước mang lại sức bền, sức đàn hồi, hình dạng chống đỡ cho biểu mô Các tế bào cấp dưỡng chiếm phần lại lớp chất Vì chất có xu hướng hấp thụ nước, nên nhiệm vụ mô màng bơm nước dư thừa khỏi chất Không có hoạt động bơm này, chất đầy ứ nước, trở nên mờ sương, cuối chuyển thành giác mạc mờ đục, tức mắt bị mù Sự suốt phần toàn thủy tinh thể, lớp bao nó, gây chứng bệnh phổ biến gọi đục nhãn mắt Để chữa bệnh đục nhãn mắt, người ta phẫu thuật cắt bỏ phần thủy tinh thể mờ đục, thay thủy tinh thể plastic Hình 11: Bệnh đục nhãn mắt Chức võng mạc giống kết hợp cảm biến ảnh kĩ thuật số (như dụng cụ tích điện kép CCD) với chuyển đổi tương tự sang số, có mặt hệ camera kĩ thuật số đại Cơ quan thụ cảm bắt lấy ảnh mắt, gọi tế bào hình nón hình que, liên kết với bó sợi dây thần kinh thị giác qua loạt tế bào chuyên biệt phối hợp truyền tín hiệu lên não Lượng ánh sáng phép vào mắt điều chỉnh mống mắt, màng chắn tròn mở rộng mức ánh sáng thấp đóng lại nhằm bảo vệ (lỗ) võng mực mức rọi sáng cao Khi nguồn sáng thay đổi, đường kính (nằm phía trước thủy tinh thể) tự điều chỉnh kích thước đến 8mm, điều chỉnh lượng ánh sáng tới võng mạc Khi nguồn chiếu sáng chói, thu hẹp lại phần thành phần khúc xạ bị chặn khỏi đường tia sáng Kết tia sáng tạo ảnh bị quang sai ảnh võng mạc trở nên sắc nét Con hẹp (khoảng 2mm) tạo nhiễu xạ làm trải rộng ảnh nguồn điểm lên võng mạc Trong não, sợi dây thần kinh thị giác từ mắt cắt nơi giao thoa quang, nơi thông tin thị giác từ hai phần võng mạc truyền song song tương quan nhau, giống vai trò máy phát đồng thời gian dùng máy ghi video kĩ thuật số Từ đó, thông tin thị giác truyền qua ống quang đến phận cong gập hình đầu gối, tín hiệu phân bố qua xạ quang tới hai phẩn vỏ não thị giác nằm phần phía sau, bán cầu não Trong lớp vỏ não dưới, thông tin từ mắt trì dạng cột vạch trội thị giác Khi tín hiệu thị giác truyền tới lớp vỏ não, thông tin từ hai mắt hợp với nhìn hai mắt thiết lập Trong trường hợp mắt không bình thường, mắt xiên, mắt lác, nhìn ảnh bị phá vỡ Trong trường hợp phẫu thuật mắt không đảm bảo, thấu kính gắn kính đeo mắt chữa số tật thuộc loại Nguyên nhân gây gián đoạn hợp tín hiệu từ hai mắt chấn thương, bệnh thần kinh, khuyết tật bẩm sinh Hình 12: Sự phân bố tế bào hình que hình nón võng mạc Hố mắt nằm khu vực gần võng mạc, nằm thẳng dọc theo trục mắt Cũng gọi “điểm vàng”, hố mắt nhỏ (dưới 1mm 2), chuyên biệt Những vùng chứa tế bào hình nón chi chít, mật độ cao (trên 200.000 tế bào hình nón/mm2 mắt người trưởng thành, xem hình 12) Hố mắt khu vực nhìn sắc nét nhất, tạo độ phân giải không gian, độ tương phản màu sắc rõ Mỗi mắt có chừng bảy triệu tế bào hình nón, chúng mỏng (đường kính 3mm) thon dài Mật độ tế bào hình nón giảm bên hố mắt tỉ lệ tế bào hình que so với tế bào hình nón tăng dần lên (hình 12) Tại vùng rìa võng mạc, tổng số hai loại quan thụ cảm thị giác giảm bản, gây mát sâu sắc độ nhạy thị giác rìa võng mạc Điều bù lại thực tế người ta nhìn liên tục vật tầm nhìn (do cử động mắt nhanh tự nhiên), nên ảnh nhận có độ nét đồng Trong thực tế, ảnh bị ngăn cản không cho chuyển động tương đối so với võng mạc (thông qua quang cụ đó), mắt không cảm nhận cảnh sau vài giây Sự xếp quan cảm giảc phần bên võng mạc phần xác định giới hạn độ phân giải vùng khác mắt Để phân giải ảnh, hàng quan thụ quang bị kích thích phải nằm hai hàng quan thụ quang bị kích thích cao Nếu không phân biệt kích thích xuất phát từ hai ảnh nằm gần hay từ ảnh nối đến hai hàng quan thụ cảm Với khoảng cách tâm-nối-tâm biến thiên từ 1,5 đến mm tế bào hình nón hố mắt giữa, kích thích quang có độ phân tách chừng đến mm tạo phân giải cường độ võng mạc Lấy ví dụ tham khảo, bán kính cực tiểu thứ hình ảnh nhiễu xạ hình thành võng mạc khoảng chừng 4,6 mm ánh sáng 550nm đường kính 2mm Như vậy, xếp thành phần cảm giác võng mạc xác định độ phân giải giới hạn mắt Một nhân tố khác, gọi độ sắc nét thị giác (khả mắt nhận vật nhỏ phân giải độ phân tách chúng), thay đổi theo nhiều thông số, bao gồm định nghĩa thuật ngữ phương pháp người ta đo độ sắc nét Trên võng mạc, độ sắc nét thị giác nói chung cao hố mắt giữa, hố mở rộng tầm nhìn chừng 1,4 độ Sự xếp không gian tế bào hình que hình nón với liên kết chúng với dây thần kinh võng mạc biểu diễn hình 13 Các tế bào hình que, chứa sắc tố vàng, có độ nhạy cực đại với ánh sáng xanh dương-xanh (bước sóng khoảng 500nm), chúng biểu phản ứng rộng toàn phổ khả kiến Chúng tế bào thụ cảm thị giác chủ yếu nhất, với mắt chứa khoảng 125-130 triệu tế bào hình que Độ nhạy sáng tế bào hình que gấp 1000 lần so với tế bào hình nón Tuy nhiên, ảnh phát sinh kích thích tế bào hình que tương đối không sắc nét có bóng xám phía ngoài, giống ảnh chụp đen trắng Sự nhìn hình que thường gọi nhìn tối điều kiện ánh sáng yếu, hình dạng độ sáng vật phân biệt được, màu chúng không Cơ chế thích nghi tối cho phép nhận dạng mồi động vật ăn thịt thông qua hình dáng chuyển động nhiều loài động vật có xương sống Hệ thị giác người phản ứng theo hàm mũ, không tuyến tính, cho khả nhận phạm vi độ sáng khó tin đến 10 bậc Trong ánh sáng ban ngày, người ta nhận dạng vật ánh sáng chói chang từ Mặt Trời, vào ban đêm, vật lớn nhận ánh sáng Mặt Trăng tối đen Ở độ nhạy ngưỡng, mắt người phát có mặt khoảng 100-150 photon ánh sáng xanh dương-xanh (500nm) vào Đối với bảy bậc độ sáng trên, nhìn sáng chiếm ưu thế, cảm quang chủ yếu tế bào hình nón võng mạc mang lại Trái lại, bốn bậc độ sáng thấp, gọi nhìn tối, tế bào hình que đóng vai trò Hình 13: Cấu trúc hiển vi võng mạc Sự thích nghi mắt cho phép nhìn thực chức điều kiện độ sáng cực đoan Tuy nhiên, khoảng thời gian trước thích nghi xảy ra, người cảm nhận phạm vi độ sáng khoảng ba bậc Một vài chế nguyên nhân làm cho mắt thích nghi với mức độ sáng cao Sự thích nghi xảy vài giây (bằng phản ứng lúc đầu) vài phút (đối với nhìn tối), tùy thuộc vào mức thay đổi độ sáng Độ nhạy tế bào hoàn toàn hình nón đạt chừng phút, phải khoảng 30 phút để thích nghi từ nhạy sáng vừa phải sang nhạy tối hoàn toàn tế bào hình que Khi hoàn toàn thích nghi với ánh sáng, mắt người có phản ứng bước sóng từ khoảng 400 đến 700nm, với độ nhạy cực đại 555nm (trong vùng xanh phổ ánh sáng khả kiến) Mắt thích nghi tối phản ứng với phổ bước sóng thấp hơn, từ 380 đến 650nm, với cực đại 507nm Đối với nhìn sáng lẫn nhìn tối, bước sóng không tuyệt đối, mà thay đổi theo cường độ ánh sáng Sự truyền ánh sáng qua mắt trở nên thấp dần bước sóng ngắn Trong vùng xanh dương-xanh (500nm), khoảng 50% ánh sáng vào mắt tới điểm ảnh võng mạc Ở 400nm, giá trị giảm xuống vừa 10%, kể mắt người trẻ tuổi Sự tán xạ hấp thụ ánh sáng thành phần thủy tinh thể góp phần làm giảm thêm độ nhạy màu xanh dương nhạt Các tế bào hình nón gồm có ba loại, loại “điều khiển” phản ứng bước sóng riêng có cực đại tập trung 430, 535, 590nm Cơ sở cho cực đại việc sử dụng ba sắc tố quang khác nhau, sắc tố có phổ hấp thụ ánh sáng khả kiến đặc trưng Các sắc tố thay đổi thể cấu tạo chúng photon phát hiện, cho phép chúng phản ứng với transducin khởi động đợt kiện thị giác Transducin loại protein có mặt võng mạc có khả chuyển hóa hiệu lượng ánh sáng thành tín hiệu điện Số lượng tế bào hình nón nhỏ nhiều so với tế bào hình que, với mắt chứa từ tới triệu quan thụ cảm màu sắc thuộc loại Sự nhìn màu sắc thực kích thích tế bào hình nón mang lại Cường độ tương đối phân bố bước sóng ánh sáng tới ba loại quan thụ cảm hình nón xác định màu sắc nhìn được, theo kiểu tương tự hình video RGB cộng màu camera màu CCD Một chùm sáng chứa chủ yếu xạ xanh dương bước sóng ngắn làm kích thích tế bào hình nón phản ứng với ánh sáng 430nm quy mô lớn nhiều so với hai loại tế bào hình nón Chùm kích hoạt sắc tố màu xanh dương tế bào hình nón định, ánh sáng nhận màu xanh dương Ánh sáng có đa số bước sóng tập trung khoảng 550nm nhìn màu xanh cây, chùm tia chứa hầu hết bước sóng 600nm dài trông có màu đỏ Như nói phần trên, nhìn túy tế bào hình nón gọi nhìn sáng, chiếm ưu mức sáng bình thường, nhà phố Đa số động vật có vú loài nhị sắc, thường phân biệt thành phần màu lam lục Trái lại, số động vật bậc cao (đáng ý người) biểu nhìn màu tam sắc, phản ứng đáng kể với kích thích sáng đỏ, lục, lam Minh họa hình 14 phổ hấp thụ bốn sắc tố thị giác người, biểu cực đại vùng đỏ, lục, lam phổ ánh sáng khả kiến mong đợi Khi ba loại tế bào hình nón kích thích nhau, ánh sáng nhận màu, màu trắng Ví dụ, ánh sáng Mặt Trời lúc trưa ánh sáng trắng người, chứa lượng ánh sáng đỏ, lục, lam Một chứng khác cho phổ màu sắc từ ánh sáng Mặt Trời chặn ánh sáng lăng kính thủy tinh, làm khúc xạ (hoặc bẻ cong) bước sóng khác mức độ khác nhau, làm trải ánh sáng thành màu thành phần Sự cảm nhận màu sắc người phụ thuộc vào tương tác tất tế bào thụ cảm với ánh sáng, kết hợp mang lại kích thích gần tam sắc Có lệch độ nhạy màu sắc theo thay đổi mức độ sáng, nên màu xanh trông tương đối sáng ánh sáng lờ mờ màu đỏ trông sáng ánh sáng chói chang Hiệu ứng quan sát cách trỏ đèn flash vào in màu, thấy màu đỏ trông sáng nhiều đậm Trong năm gần đây, quan tâm đến độ nhạy màu sắc thị giác người dẫn đến thay đổi thực tế lâu việc sơn xe tình trạng khẩn cấp, xe chữa cháy xe cấp cứu, toàn màu đỏ Mặc dù màu dành cho xe dễ nhìn thấy tránh né, phân bố bước sóng không dễ nhìn thấy mức ánh sáng yếu gần trông tối đen vào ban đêm Mắt người nhạy nhiều với màu vàng-lục màu tương tự, đặc biệt vào ban đêm, ngày đa số xe tình trạng khẩn cấp phải có phần sơn màu xanh vàng sặc sỡ màu trắng, thường giữ lại số chỗ bật sơn màu đỏ theo sở thích truyền thống Hình 14: Phổ hấp thụ sắc tố thị giác người Khi có hai loại tế bào hình nón kích thích, ngưỡng màu sắc nhận có giới hạn Ví dụ, dải hẹp ánh sáng lục (540-550nm) dùng để kích thích tất tế bào hình nón, có loại chứa sắc tố lục phản ứng lại, tạo cảm giác nhìn thấy màu lục Sự cảm nhận thị giác với màu trừ chủ yếu, ví dụ màu vàng, tăng theo hai cách Nếu tế bào hình nón đỏ lục kích thích đồng thời với ánh sáng đơn sắc vàng có bước sóng 580nm, quan thụ cảm tế bào hình nón phản ứng lại chồng lần phổ hấp thụ chúng xấp xỉ vùng phổ ánh sáng khả kiến Cảm giác màu tương tự thu cách kích thích tế bào hình nón đỏ lục riêng rẽ với hỗn hợp bước sóng đỏ lục riêng biệt chọn lọc từ vùng phổ hấp thụ quan thụ cảm chồng lấn đáng kể Kết quả, hai trường hợp, kích thích đồng thời tế bào hình nón đỏ lục tạo cảm giác màu vàng, kết cuối thu hai chế khác Khả nhận màu sắc khác đòi hỏi phải kích thích một, hai, ba loại tế bào hình nón, đến mức độ khác nhau, với bảng màu bước sóng thích hợp Mặc dù hệ thị giác người có ba loại tế bào hình nón với sắc tố màu tương ứng chúng, cộng với tế bào hình que cảm thụ ánh sáng cho nhìn tối, não người bù đắp cho biến đổi bước sóng ánh sáng nguồn sáng cảm nhận màu sắc Đồng phân dị vị cặp phổ ánh sáng khác não người nhận dạng màu Thật thú vị, màu nhận thức tương đương người lại phân biệt rõ ràng động vật khác, đáng ý chim chóc Các neuron trung gian chuyên chở thông tin thị giác võng mạc não không liên kết đơn giản một-nối-một với tế bào cảm giác Mỗi tế bào hình nón hình que hố mắt gởi tín hiệu đến ba tế bào tam cực, vùng ngoại vi võng mạc, tín hiệu từ số lượng lớn tế bào hình que đổ tế bào hạch trung tâm Độ phân giải không gian phần võng mạc bị tổn hại có số lượng lớn tế bào hình que nối với rãnh, có nhiều tế bào cảm giác tham gia vào việc bắt lấy tín hiệu yếu làm cải thiện đáng kể độ nhạy ngưỡng mắt Đặc điểm mắt người tương tự hoạt động hệ camera kĩ thuật số CCD quét chậm Các tế bào cảm giác, tam cực, tế bào hạch trung tâm võng mạc liên kết với neuron khác, tạo nên mạng đường dẫn ngăn chặn kích thích phức tạp Kết tín hiệu từ đến triệu tế bào hình nón 125 triệu tế bào hình que võng mạc người xử lí chuyên chở đến phẩn vỏ não thị giác khoảng triệu sợi thần kinh thị giác Cơ mắt kích thích điều khiển tế bào hạch trung tâm phần cong gập hình đầu gối, đóng vai trò điều khiển phản hồi võng mạc vỏ não thị giác Mạng đường dẫn kích thích ngăn cản phức tạp võng mạc xếp ba lớp tế bào thần kinh phát sinh từ vùng đặc biệt não phát triển thời kì đầu Các mạch điện vòng phản hồi mang lại kết hợp hiệu ứng tạo sắc nét cạnh, tăng cường độ tương phản, lấy tổng không gian, tính trung bình nhiễu, dạng khác việc xử lí tín hiệu, có lẽ bao gồm số dạng đến chưa khám phá Trong nhìn người, mức độ đáng kể việc xử lí ảnh xảy não, võng mạc có liên quan quy mô rộng nhiệm vụ xử lí Ngưỡng nhận ánh sáng vàng võng mạc 1,7.10-18 W Hỏi II có photon tới võng mạc sec? cho biết ánh sang vàng có bước song trung bình 575 nm BÀI LÀM: Ta có h= 6,62606963.10-34J.s c = 2,99792458.108 m/s bước song ánh sáng vàng λ = 575 nm Đề cho độ nhạy, ta suy lượng tối thiểu mắt cần nhận từ photon để có cảm giác ánh sáng E= P.t = 1,7.10-18J Năng lượng photon tương ứng với bước sóng ánh sáng vàng ε= hc λ = 6,62606963.10 −34.2,99792458.10 575.10 −9 = 0,03454688.10-17J số photon tối thiểu n= E 1,7.10 −18 = 0,03454688.10 −17 ε = 4,9208 Số hạt số nguyên, cần lớn nên ta chọn n = Vậy với ngưỡng nhận ánh sang vàng võng mạc 1,7.10-18 W có photon tới võng mạc 1s [...]... lại quá trình học hỏi từ khi lớn lên trong xã hội, và "ngắn hạn" bởi các hiệu ứng ánh sáng của phông nền Màu sắc của một tia ánh sáng là cảm giác màu mà tia sáng đó gây nên ở mắt người Màu sắc của các vật thể là màu sắc của ánh sáng xuất phát từ chúng Các dao động của điện trường trong ánh sáng tác động mạnh đến các tế bào cảm thụ ánh sáng trong mắt người Có 3 loại tế bào cảm thụ ánh sáng trong mắt... của con người, biểu hiện cực đại trong vùng đỏ, lục, và lam của phổ ánh sáng khả kiến như mong đợi Khi cả ba loại tế bào hình nón được kích thích như nhau, thì ánh sáng nhận được sẽ không có màu, hoặc màu trắng Ví dụ, ánh sáng Mặt Trời lúc giữa trưa có vẻ là ánh sáng trắng đối với con người, do nó chứa các lượng ánh sáng đỏ, lục, và lam hầu như bằng nhau Một bằng chứng khác cho phổ màu sắc từ ánh sáng. .. bước sóng ánh sáng (vùng quang phổ mắt người nhìn được) cũng trùng vào khu vực bức xạ mạnh này Màu sắc tự nó không phải là tính chất của ánh sáng, mà nhận thức về màu sắc xảy ra qua phản ứng kết hợp của hệ cảm giác dây thần kinh não – mắt người.Nhận thức về màu sắc là kết quả của sự phản ứng mang tính chủ quan của hệ cảm giác của con người với những vùng tần số phong phú của phổ khả kiến, và những kết... nhận thấy ánh sáng trắng thật ra là hỗn hợp của các ánh sáng khác nhau đại diện cho toàn bộ phổ ánh sáng khả kiến Ánh sáng phát ra từ các nguồn nóng sáng tự nhiên và nhân tạo phong phú như Mặt Trời, các phản ứng hóa học (như lửa), và các dây tóc volfram nóng sáng Phổ phát xạ rộng của các nguồn thuộc loại này thường được gọi là bức xạ nhiệt Các nguồn phát ánh sáng khả kiến khác, như ống phóng điện khí,... là sự chặn ánh sáng bằng một lăng kính thủy tinh, nó làm khúc xạ (hoặc bẻ cong) các bước sóng khác nhau ở mức độ khác nhau, làm trải ánh sáng thành các màu thành phần của nó Sự cảm nhận màu sắc của con người phụ thuộc vào tương tác của tất cả các tế bào thụ cảm với ánh sáng, và sự kết hợp này mang lại sự kích thích gần như tam sắc Có sự lệch độ nhạy màu sắc theo sự thay đổi mức độ sáng, nên màu xanh... nên màu xanh trông tương đối sáng hơn trong ánh sáng lờ mờ và màu đỏ trông sáng hơn trong ánh sáng chói chang Hiệu ứng này có thể quan sát bằng cách trỏ một ngọn đèn flash vào một bản in màu, sẽ thấy ngay là màu đỏ trông sáng hơn nhiều và đậm hơn Trong những năm gần đây, sự quan tâm đến độ nhạy màu sắc thị giác của con người đã dẫn đến những thay đổi trong thực tế lâu nay của việc sơn các xe tình trạng... với bảng màu bước sóng thích hợp Mặc dù hệ thị giác của con người có ba loại tế bào hình nón với các sắc tố màu tương ứng của chúng, cộng với các tế bào hình que cảm thụ ánh sáng cho sự nhìn tối, nhưng não người bù đắp cho những biến đổi bước sóng ánh sáng và nguồn sáng trong sự cảm nhận màu sắc của nó Đồng phân dị vị là các cặp phổ ánh sáng khác nhau được não người nhận ra dưới dạng cùng một màu Thật... hợp đa dạng của các tần số ánh sáng có thể tạo ra cùng một phản ứng thị giác “nhìn thấy” một màu cụ thể nào đó Ví dụ, con người có thể cảm nhận được màu lục, khi phản ứng với sự kết hợp của ánh sáng có vài màu sắc khác nhau, nhưng trong đó không nhất thiết phải có chứa bước sóng “lục” Vào năm 1672, ngài Isaac Newton đã nghiên cứu tương tác của ánh sáng khả kiến với lăng kính thủy tinh và lần đầu tiên... ống phóng điện khí, có khả năng phát ra ánh sáng trong ngưỡng tần số hẹp, hoàn toàn xác định (tương ứng với một màu) phụ thuộc vào sự chuyển mức năng lượng đặc biệt trong các nguyên tử chất nguồn Sự cảm nhận mạnh mẽ về một màu nào đó cũng là do sự hấp thụ, phản xạ hoặc sự truyền đặc trưng của chất và vật được rọi sáng bằng ánh sáng trắng Sự nhìn màu sắc nổi của con người là một quá trình rất phức tạp... chữa cháy và xe cấp cứu, toàn là màu đỏ Mặc dù màu này dành cho các xe dễ nhìn thấy và tránh né, nhưng sự phân bố bước sóng không dễ nhìn thấy ở mức ánh sáng yếu và gần như trông tối đen vào ban đêm Mắt người nhạy hơn nhiều với màu vàng-lục hoặc các màu tương tự, đặc biệt vào ban đêm, và ngày nay đa số các xe tình trạng khẩn cấp ít nhất phải có một phần sơn màu xanh hơi vàng sặc sỡ hoặc màu trắng, ... : ĐỀ TIỂU LUẬN 15 Bản chất Cơ chế Điện tử học Lượng tử Ánh sang Màu sắc I Bản chất chế điện tử học lượng tử tượng mắt nhìn thấy Bức xạ Điện từ nàu sắc khác BXĐT II Ngưỡng nhận ánh sang vàng võng... "ngắn hạn" hiệu ứng ánh sáng phông Màu sắc tia ánh sáng cảm giác màu mà tia sáng gây nên mắt người Màu sắc vật thể màu sắc ánh sáng xuất phát từ chúng Các dao động điện trường ánh sáng tác động... nhau, ánh sáng nhận màu, màu trắng Ví dụ, ánh sáng Mặt Trời lúc trưa ánh sáng trắng người, chứa lượng ánh sáng đỏ, lục, lam Một chứng khác cho phổ màu sắc từ ánh sáng Mặt Trời chặn ánh sáng lăng

Ngày đăng: 13/03/2016, 13:41

Từ khóa liên quan

Tài liệu cùng người dùng

  • Đang cập nhật ...

Tài liệu liên quan