Chương 19: Ánh sáng trong các môi trường

Khi một chùm sáng truyền qua một môi trường vật chất như chất rắn, chất lỏng hoặc khí, nó bị ảnh hưởng theo 2 cách chính: Một là cường độ của nó bao giờ cũng bị giảm trong quá trình đi qua môi t

CHƯƠNG 19 : ÁNH SÁNG TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG I. SỰ HẤP THỤ ÁNH SÁNG 1. Hiện tượng hấp thụ ánh sáng. 2. Giải thích theo quan niệm cổ điển . 3. Ðịnh luật Bouguer về sự hấp thụ ánh sáng . 4. Hệ số hấp thụ 5. Màu sắc của các vật . II. SỰ TÁN XẠ ÁNH SÁNG 1. Sự tán xạ ánh sáng bởi các hạt nhỏ. 2. Sự tán xạ phân tử . 3. Sự tán xạ tổ hợp ánh sáng - Tán xa Raman . III. SỰ TÁN SẮC ÁNH SÁNG 1. Hiện tượng tán sắc ánh sáng . 2. Ðộ tán sắc và đường cong tán sắc . 3. Tán sắc thường và tán sắc vị thường . 4. Phương pháp quan sát hiện tượng tán sắc . 5. Ứng dụng hiện tượng tán sắc. IV. SỰ PHÂN CỰC ÁNH SÁNG 1. Tính chất ngang của sóng ánh sáng. 2. Sự phân cực do phản xạ . 3. Hiện tượng lưỡng chiết. 4. Các dụng cụ phân cực ánh sáng . Khi một chùm sáng truyền qua một môi trường vật chất như chất rắn, chất lỏng hoặc khí, nó bị ảnh hưởng theo 2 cách chính: Một là cường độ của nó bao giờ cũng bị giảm trong quá trình đi qua môi trường. Hai là, vận tốc truyền trong môi trường nhỏ hơn trong chân không. Cường độ sáng giảm do chủ yếu do ánh sáng bị hấp thụ và trong một số trường hợp còn do hiện tượng tán xạ ánh sáng. Aính hưởng của môi trường đến vận tốc truyền được thể hiện ở hiện tượng tán sắc. I. SỰ HẤP THỤ ÁNH SÁNG 1 Hiện tượng hấp thụ ánh sáng TOP 2. Giải thích theo quan niệm cổ điển TOPSự hấp thụ ánh sáng làì kết qủa của sự tương tác của sóng điện từ (sóng ánh sáng) với chất. Dưới tác dụng của điện trường của sóng ánh sáng có tần số (, các electron của nguyên tử và phân tử dịch chuyển đối với hạt nhân tích điện dương và thực hiện dao động điều hòa với tần số (. Electron dao động trở thành nguồn phát sóng thứ cấp. Do sự giao thoa của sóng tới và sóng thứ cấp mà trong môi trường xuất hiện sóng có biên độ khác với biên độ của sóng tới. Do đó, cường độ của ánh sáng sau khi qua môi trường cũng thay đổi: không phải toàn bộ năng lượng bị hấp thụû bởi các nguyên tử và phân tử được giải phóng dưới dạng bức xạ mà có sự hao hụt do sự hấp thụ ánh sáng. Năng lượng bị hấp thụ có thể chuyển thành các dạng năng lượng khác, ví dụ năng lượng nhiệt, khi đó vật sẽ bị nóng lên. 3. Ðịnh luật Bouguer về sự hấp thụ ánh sángTOPÐịnh luật nầy do Bouguer thiết lập năm 1729 nên được gọi là định luật Bouguer Ở đây ( là hệ số, đặc trưng cho độ giảm của cường độ ánh sáng khi đi qua môi trường, được gọi là hệ số hấp thụû của môi trường. Nó không phụ thuộc vào cường độ của ánh sáng. Như vậy, cường độ ánh sáng truyền qua môi trường hấp thụû giảm theo hàm số mũ. 4. Hệ số hấp thụTOP Quan sát hình 19.2 ta thấy có các vạch hấp thụû rất mạnh. Các cực đại ứng với tần số cộng hưởng của electron trong nguyên tử. Ðối với các khí đa nguyên tử, ta quan sát được các vạch hấp thụû nằm sát nhau tạo thành dãy hấp thụû. Cấu trúc của những dãy hấp thụû phụ thuộc vào thành phần và cấu tạo của các phân tử. Vì thế nghiên cứu quang phổ hấp thụû ta có thể biết cấu tạo phân tử. Ðó là nội dung của phương pháp phân tích quang phổ hấp thụû. Các chất rắn, lỏng và khí ở áp suất cao cho ta các đám hấp thụû rất rộng (hình19.3). Khi tăng áp suất của chất khí, các vạch hấp thụû rộng ra và khi áp suất rất cao thì phổ hấp thụ của chất khí rất giống với phổ hấp thụ của nó ở trạng thái lỏng. Ðiều đó cho thấy sự mở rộng các vạch quang phổ là biểu hiện của sự tương tác giữa các phân tử. 5. Màu sắc của các vật TOPNếu một chất có hệ số hấp thụ nhỏ với mọi bức xạ khả kiến ví dụ như không khí hay thủy tinh, thì vật sẽ không có màu sắc. Ngược lại, nếu vật hấp thụû hòan toàn mọi ánh sáng thấy được thì vật có màu đen . Màu sắc của các dung dịch màu và các kính lọc sắc được giải thích bằng sự hấp thụû có chọn lựa. Ví dụ kính lọc sắc đỏ thì ít hấp thụ ánh sáng đỏ và màu da cam nhưng đồng thời lại hấp thụ các bức xạ thấy được còn lại. Trong trường hợp phản xạ,û màu sắc của các vật phản xạ ánh sáng được giải thích bằng sự phản xạ chọn lọc ánh sáng trên bề mặt của chúng. Lưu ý : màu sắc của các vật không phụ thuộc vào tính chất quang học của bề mặt (thí dụ như màu sơn quét trên nó) mà phụ thuộc vào thành phần quang phổ của ánh sáng tới, như khi vật được quét sơn đỏ sẽ có màu đen khi chiếu nó bằng ánh sáng màu lục. II. SỰ TÁN XẠ ÁNH SÁNG TOPChúng ta thường giả thiết rằng ánh sáng truyền trong môi trường đồng tính trong thực tế lại không có môi trường nào hoàn toàn đồng tính, mà bao giờ cũng xuất hiện độ chênh lệch của mật độ, nhiệt độ do chuyển động nhiệt của các nguyên tử, phân tử cấu tạo nên môi trường. Trong môi trường như thế ánh sáng không những truyền thẳng mà còn theo các phương khác, tức là bị tán xạ. Ðó là sự tán xạ thường được gọi là tán xạ phân tử. Một số môi trường còn có thể có các hạt lạ, mà chiết suất và hệ số hấp thụû của chúng khác với chiết suất và hệ số hấp thụû của các nguyên tử và phân tử cấu tạo nên môi trường. Môi trường chứa các hạt lạ như vậy được gọi là môi trường vẫn đục và nó tán xạ ánh sáng theo mọi phương gọi là tán xạ bởi các hạt nhỏ hay là tán xạ Tyndall. Các hạt lạ đó có thể là các hạt rắn trong không khí như khói, bụi, các hạt nước trong sương mù, các hạt keo trong dung dịch keo .Vậy nguyên nhân làm tán xạ ánh sáng trong cả hai trường hợp trên đều là sự không đồng tính quang học của môi trường. Ngoài hai loại tán xạ nói trên, Raman còn phát hiện ra một hiện tượng tán xạ mới được gọi là tán xạ tổ hợp ánh sáng. 1. Sự tán xạ ánh sáng bởi các hạt nhỏ TOP a) Thí nghiệmNếu quan sát theo phương OA (phương của chùm tia tới) sẽ thấy có ánh sáng; còn theo phương khác, chẳn hạn phương OB vuông góc với phương ánh sáng tới sẽ không nhìn thấy chùm tia sáng trong ống. Nước tinh khiết là môi trường đồng tính quang học, nên nó không tán xạ ánh sáng. Bây giờ nhỏ vài giọt sữa vào ống và lắc đều. Nhìn vào ống theo phương OB ta sẽ nhìn thấy ánh sáng trong ống. Vậy chất lỏng trong ống bây giờ là một môi trường vẫn đục, tán xạ ánh sáng đi qua nó. Hình 19.5 Ðường cong (Hình 19.5) biểu diễn công thức (19.4) được gọi là giản đồ chỉ thị tán xạ. Nó có tính đối xứng đối với phương của tia tới và phương vuông góc với nó b) Lý thuyết tán xạ của RayleighHiện tượng tán xạ Tyndan luôn luôn xảy ra trong dung dịch có các hạt lơ lửng, đặc biệt là dung dịch keo, trong bầu khí quyển, trong nhiều đồ uống v.v . Do đó, nghiên cứu màu sắc của ánh sáng tán xạ có thể đoán nhận được kích thước của các hạt có mặt trong dung dịch nghiên cứu. Ðo cường độ của ánh sáng tán xạ có thể xác định một cách định lượng những chất lơ lửng trong dung dịch, độ trong suốt của khí quyển v.v . 2. Sự tán xạ phân tử TOP Hiện tượng tán xạ còn quan sát được cả trong các môi trường tinh khiết, nghĩa là môi trường không chứa một hạt lạ nào như không khí, nước tinh khiết v.v . Thực nghiệm cho thấy rằng, cường độ ánh sáng tán xạ càng lớn nếu nhiệt độ càng cao. Như vậy hiện tượng tán xạ này xảy ra do chuyển động nhiệt của các phân tử cấu tạo nên môi trường, nên người ta gọi nó là tán xạ phân tử. Cường độ của ánh sáng tán xạ phân tử bé hơn nhiều so với tán xạ Tyndall. Tuy vậy ta vẫn quan sát được nó trong khí quyển, trong nước biển. Sự thăng giáng mật độ xảy ra mạnh nhất trong các chất khí ở trạng thái tới hạn, tức là ở trạng thái mà chất khí về tính chất trở nên đồng nhất với chất lỏng. Khi đó ánh sáng bị tán xạ rất mạnh. 3. Sự tán xạ tổ hợp ánh sáng - Tán xa Raman. TOPNăm 1928, độc lập với nhau, hai nhà vật lý Manderstam và Raman đã phát hiện một dạng tán xạ đặc biệt trong chất lỏng và chất khí. Manderstam và Raman nhận thấy rằng, trong các thành phần quang phổ của ánh sáng tán xạ, ngoài các vạch có tần số bằng tần số của ánh sáng kích thích, ở hai bên của mỗi vạch mạnh còn xuất hiện một vạch yếu hơn gọi là vạch tùy tùng, có tần số bằng tổ hợp của tần số ánh sáng kích thích và tần số dao động riêng của nguyên tử, đặc trưng cho chất tán xạ. Vì vậy, hiện tượng tán xạ này được gọi là tán xạ tổ hợp ánh sáng. Tán xạ tổ hợp ánh sáng có những quy luật sau đây: 1.Mi vch quang ph ca ỏnh sỏng kớch thớch u cú vch tựy tựng. 4.Khi tng nhit ụ, cng ca cỏc vch tựy tựng "tớm" tng nhanh; cũn cng ca cỏc vch tựy tựng "" gim i. Hỡnh 19.6 Vch tựy tựng "" cũn gi l vch Stock, v vch tựy tựng "tớm" gi lỹ vch i Stock. S xut hin cỏc vch Stock v i Stock trong quang ph tỏn x ỏnh sỏng cú th gii thớch c theo lý thuyt c in, nhng khụng gii thớch c s phõn b cng ca chỳng. Chng hn, t lý thuyt c in s suy ra c cng ca vch Stock v i Stock bng nhau. éú l iu trỏi vi thc nghim. Cỏc hin tng tỏn x t hp ỏnh sỏng cho ta mt phng phỏp quan trng nghiờn cu cu to phõn t, c bit l phõn t cỏc cht hu c. Tn s hp thỷ hng ngoi ca mt cht chớnh l tn s dao ng riờng ca cỏc nguyờn t trong phõn t ca cht ú. Nh hin tng tỏn x t hp ỏnh sỏng nờn ta cú th thay th vic nghiờn cu ph hp thỷ hng ngoi khú khn v phc tp bng ph tỏn x t hp ỏnh sỏng n gin hn. Nh quang ph tỏn x t hp ỏnh sỏng, ta cú th xỏc nh nhanh chúng tn s dao ng riờng ca nguyờn t trong phõn t, t ú cú th úan nhn tớnh cht i xng ca phõn t, v lc ni phõn t v s tng tỏc gia cỏc phõn t. Vi ph tỏn x t hp ỏnh sỏng, cú th phõn tớch cỏc hn hp phõn t phc tp m cỏc phộp phõn tớch húa hc tin hnh rt khú khn, ụi khi khụng th lm c. Ngoi hin tng tỏn x t hp ỏnh sỏng núi trờn gi l s tỏn x t hp t phỏt, cũn cú s tỏn x t hp cng bc xy ra do kớch thớch cht nghiờn cu bng tia Laser cụng sut ln. III. S TN SC NH SNG 1. Hin tng tỏn sc ỏnh sỏng TOPNm 1672, Newton ó nghiờn cu thc nghim thy rng mt chựm ỏnh sỏng trng i qua lng kớnh thy tinh b phõn tớch thnh mt di nhiu mu trờn mn quan sỏt t sau lng kớnh. Cỏc mu xp theo th t :, cam, vng, lc, lam, chm, tớm. Di nhiu mu ú c gi l quang ph liờn tc v hin tng ú c gi l hin tỹng tỏn sc ỏnh sỏng. Quan sỏt k ta thy chựm tia b lch ớt nht, trỏi li chựm tia tớm b lch nhiu nht, chng t chit sut ca cht lm lng kớnh ph thuc vo bc súng ca ỏnh sỏng (hình 19.7). Tóm lại : chiết suất của chất làm lăng kính phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng hay chiết suất là mộüt hàm số của bước sóng 2. Ðộ tán sắc và đường cong tán sắcTOPÐại lượng trên cho biết tốc độ và chiều biến thiên của chiết suất theo bước sóng tại bước sóng đã cho . 3.Tán sắc thường và tán sắc vị thường TOPSự phụ thuộc của chiết suất vào bước sóng trong vùng phổ ánh sáng là rất phức tạp. Ðối với những chất ít hấp thụ ánh sáng qua nó thì sự phụ thuộc của chiết suất vào bước sóng gần như tuân theo công thức Cauchy Ðối với các chất có sự hấp thụ ánh sáng đáng kể, thì ở vùng phổ hấp thụ ta thấy: Chiết suất tăng khi bước sóng tăng. Chiết suất biến thiên theo bước sóng nhanh hơn theo công thức Cauchy. Hiện tượng đó được gọi là tán sắc dị thường.Hiện tượng tán sắc dị thường không những có ở chất khí mà còn quan sát ở các chất lỏng, chất rắn nhưng, nói chung ở chất khí là mạnh hơn cả. Tóm lại, hiện tượng tán sắc dị thường chỉ xảy ra với những chất có độ hấp thụ ánh sáng mạnh. Các chất trong suốt như thủy tinh, thạch anh không gây ra tán sắc dị thường trong miền bước sóng khả kiến. 4. Phương pháp quan sát hiện tượng tán sắc TOPa) Tán sắc thường Phương pháp đầu tiên do Newton nghiên cứu là dùng lăng kính bắt chéo. Nó cho phép quan sát hiện tượng tán sắc thường và dị thường. Aïnh sáng phát ra từ khe S qua thấu kính L1 biến thành chùm tia song song đập vào lăng kính thứ nhất p1, cho quang phổ I1 trên màn E. Nếu đặt thêm lăng kính P2 sao cho cạnh của nó là vuông góc với cạnh của lăng kính P1, ta thấy quang phổ lúc đo ï sẽ có dạng bị uốn cong, càng đi về phía tia tím độ cong càng tăng chứng tỏ chiết suất càng tăng khi bước sóng giảm, đó là hiện tượng tán sắc thường Hình 19.4 b) Tán sắc dị thường 5. Ứng dụng hiện tượng tán sắc TOPHiện tượng tán sắc ánh sáng được ứng dụng trong các máy quang phổ lăng kính để phân tích thành phần quang phổ của nguồn sáng. Cấu tạo máy quang phổ lăng kính được vẽ ở hình 19.11 cấu tạo giống như máy quang phổ cách tử, chỉ khác ở bộ phận tán sắc dùng lăng kính P thay cho cách tử nhiễu xạ. Giảì sử nguồn S phát ra ánh sáng gồm nhiều ánh sáng đơn sắc có bước sóng khác nhau. Lăng kính P sẽ phân tích ánh sáng nầy thành các chùm tia sáng đơn sắc song song. Mỗi chùm ứng với một bước sóng xác định. Các chùm đơn sắc nầy sau khi qua thấu kính L3 sẽ hội tụ tại các điểm khác nhau trên tiêu diện của thấu kính L3. Như vậy trên kính ảnh M ta thụ được một dải vạch S1, S2, S3 . nằm rời rạc. Mỗi vạch là ảnh của khe S với ánh sáng có bước sóng tương ứng. Dải vạch đó được gọi là quang phổ vạch. Sự phân bố các vạch trong quang phổ tuân theo một qui luật nhất định. Mỗi quang phổ vạch đặc trưng cho một nguyên tố hóa học. Nghiên cứu quang phổ vạch phát xạ của một chất, cụ thể là xác định vị trí bước sóng và cường độ các vạch trong quang phổ, ta có thể đoán nhận được các nguyên tố hóa học có mặt trong chất đó cũng như hàm lượng của chúng. Ðó là phép phân tích quang phổ phát xạ, nó được dùng rộng rãi trong các ngành luyện kim, địa chất, chế tạo cơ khí .để phân tích thành phần hóa học của nguyên liệu và thành phẩm. IV SỰ PHÂN CỰC ÁNH SÁNG 1 Tính chất ngang của sóng ánh sáng TOPa) Thí nghiệm: [...]... ÁNH SÁNG TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG I. SỰ HẤP THỤ ÁNH SÁNG 1. Hiện tượng hấp thụ ánh sáng. 2. Giải thích theo quan niệm cổ điển . 3. Ðịnh luật Bouguer về sự hấp thụ ánh sáng . 4. Hệ số hấp thụ 5. Màu sắc của các vật . II. SỰ TÁN XẠ ÁNH SÁNG 1. Sự tán xạ ánh sáng bởi các hạt nhỏ. 2. Sự tán xạ phân tử . 3. Sự tán xạ tổ hợp ánh sáng - Tán xa Raman . III. SỰ TÁN SẮC ÁNH SÁNG 1. Hiện tượng tán sắc ánh. .. 2 cách chính: Một là cường độ của nó bao giờ cũng bị giảm trong q trình đi qua mơi trường. Hai là, vận tốc truyền trong môi trường nhỏ hơn trong chân không. Cường độ sáng giảm do chủ yếu do ánh sáng bị hấp thụ và trong một số trường hợp còn do hiện tượng tán xạ ánh sáng. nh hưởng của mơi trường đến vận tốc truyền được thể hiện ở hiện tượng tán sắc. I. SỰ HẤP THỤ ÁNH SÁNG 1 Hiện tượng hấp thụ ánh. .. Tyndall. Các hạt lạ đó có thể là các hạt rắn trong khơng khí như khói, bụi, các hạt nước trong sương mù, các hạt keo trong dung dịch keo Vậy nguyên nhân làm tán xạ ánh sáng trong cả hai trường hợp trên đều là sự khơng đồng tính quang học của mơi trường. Ngồi hai loại tán xạ nói trên, Raman cịn phát hiện ra một hiện tượng tán xạ mới được gọi là tán xạ tổ hợp ánh sáng. 1. Sự tán xạ ánh sáng bởi các. .. thấy có ánh sáng; cịn theo phương khác, chẳn hạn phương OB vng góc với phương ánh sáng tới sẽ khơng nhìn thấy chùm tia sáng trong ống. Nước tinh khiết là mơi trường đồng tính quang học, nên nó khơng tán xạ ánh sáng. Bây giờ nhỏ vài giọt sữa vào ống và lắc đều. Nhìn vào ống theo phương OB ta sẽ nhìn thấy ánh sáng trong ống. Vậy chất lỏng trong ống bây giờ là một môi trường vẫn đục, tán xạ ánh sáng. .. nhiệt của các nguyên tử, phân tử cấu tạo nên môi trường. Trong môi trường như thế ánh sáng khơng những truyền thẳng mà cịn theo các phương khác, tức là bị tán xạ. Ðó là sự tán xạ thường được gọi là tán xạ phân tử. Một số mơi trường cịn có thể có các hạt lạ, mà chiết suất và hệ số hấp thụû của chúng khác với chiết suất và hệ số hấp thụû của các nguyên tử và phân tử cấu tạo nên môi trường. Môi trường. .. keo, trong bầu khí quyển, trong nhiều đồ uống v.v Do đó, nghiên cứu màu sắc của ánh sáng tán xạ có thể đốn nhận được kích thước của các hạt có mặt trong dung dịch nghiên cứu. Ðo cường độ của ánh sáng tán xạ có thể xác định một cách định lượng những chất lơ lửng trong dung dịch, độ trong suốt của khí quyển v.v 2. Sự tán xạ phân tử TOP Hiện tượng tán xạ còn quan sát được cả trong các môi trường. .. tia sáng hỗn hợp là ánh sáng phân cực một phần khi đó độ lớn của véctơ cường độ điện trường không đều theo các phương. Khi biểu diễn ta vẽ nhiều véctơ có độ dài khác nhau trong mặt phẳng phân cực và đầu mút của các véctơ đó tạo khi chiếu vào tinh thể bằng ánh sáng tự nhiên hoặc bằng ánh sáng phân cực (Hình 19.20). Nhưng nếu dùng ánh sáng tự nhiên thì cường độ của hai tia bằng nhau. Còn nếu dùng ánh. .. cường độ rất khác nhau và ánh sáng ra khỏi bản là ánh sáng phân cực một phần. Nhưng nếu với bản tuamalin dày chừng 1 mm thì thực tế tia thường bị hấp thụ hồn tồn và ánh sáng ra khỏi bản là ánh sáng phân cực phẳng (Hình 19.28). Hệ số hấp thụ của bản Tuamalin đối với tia bất thường phụ thuộc vào tần số ánh sáng. Vì vậy, khi rọi vào bản tuamalin bằng ánh sáng trắng, thì ánh sáng truyền qua có màu lục... thụû hịan tồn mọi ánh sáng thấy được thì vật có màu đen . Màu sắc của các dung dịch màu và các kính lọc sắc được giải thích bằng sự hấp thụû có chọn lựa. Ví dụ kính lọc sắc đỏ thì ít hấp thụ ánh sáng đỏ và màu da cam nhưng đồng thời lại hấp thụ các bức xạ thấy được còn lại. Trong trường hợp phản xạ,û màu sắc của các vật phản xạ ánh sáng được giải thích bằng sự phản xạ chọn lọc ánh sáng trên bề mặt... Lưu ý : màu sắc của các vật khơng phụ thuộc vào tính chất quang học của bề mặt (thí dụ như màu sơn quét trên nó) mà phụ thuộc vào thành phần quang phổ của ánh sáng tới, như khi vật được quét sơn đỏ sẽ có màu đen khi chiếu nó bằng ánh sáng màu lục. II. SỰ TÁN XẠ ÁNH SÁNG TOP Chúng ta thường giả thiết rằng ánh sáng truyền trong môi trường đồng tính trong thực tế lại khơng có mơi trường nào hồn tồn . CHƯƠNG 19 : ÁNH SÁNG TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG I. SỰ HẤP THỤ ÁNH SÁNG 1. Hiện tượng hấp thụ ánh sáng. 2. Giải thích theo. bị giảm trong quá trình đi qua môi trường. Hai là, vận tốc truyền trong môi trường nhỏ hơn trong chân không. Cường độ sáng giảm do chủ yếu do ánh sáng bị