Bài giảng chương 10 ánh sáng trong các môi trường

Chương 10 ÁNH SÁNG TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG Khi ánh sáng qua môi trường vật chất, bị ảnh hưởng theo ba cách Phản xạ khúc xạ Cường độ bị giảm qua môi trường (bị hấp thụ, tán xạ ánh sáng hay phân cực) Vận tốc truyền môi trường nhỏ c (hiện tượng tán sắc) 10.1 SỰ HẤP THỤ ÁNH SÁNG Hiện tượng hấp thụ ánh sáng L Chiếu chùm sáng đơn sắc song song có cường độ Io vuông góc vào lớp môi trường có độ dày L Nếu bỏ qua ánh sáng phản xạ tán xạ mà cường độ I ánh sáng khỏi môi trường giảm dx I Io Hình 10.1 Sự hấp thụ ánh sáng môi trường Giải thích theo quan niệm cổ điển Sự hấp thụ ánh sáng kết qủa tương tác sóng điện từ (ánh sáng) với vật chất Dưới tác dụng điện trường sóng ánh sáng có tần số ω , electron nguyên tử phân tử dịch chuyển hạt nhân thực dao động điều hòa với tần số ω Electron dao động trở thành nguồn phát sóng thứ cấp Giao thoa sóng tới sóng thứ cấp nên môi trường xuất sóng có biên độ khác với biên độ sóng tới Cường độ ánh sáng sau qua môi trường thay đổi: toàn lượng bị hấp thụ nguyên tử phân tử giải phóng dạng xạ mà có hao hụt hấp thụ ánh sáng Định luật Bouguer hấp thụ ánh sáng Chia vật (hình 10.1) thành vô số lớp mỏng có độ dày dx Độ giảm cường độ dI lớp mỏng có độ dày dx chất hấp thụ tỉ lệ với độ dày dx với cường độ ánh sáng tới: dI = − α I.dx Lấy tích phân biểu thức (10.1) từ x = đến x = L I (10.1) L dI ∫I I = ∫0 − α.dx I = I0 exp(−αL) I = I0 exp(−αL) Trong đó: α hệ số, đặc trưng cho độ giảm cường độ gọi hệ số hấp thụ môi trường, không phụ thuộc vào cường độ ánh sáng Cường độ ánh sáng truyền qua môi trường hấp thụ giảm theo hàm số mũ Màu sắc vật Một chất có hệ số hấp thụ nhỏ với xạ khả kiến Vật hấp thụ hoàn toàn ánh sáng thấy Màu sắc dung dịch màu kính lọc màu giải thích hấp thụ có chọn lựa Vật màu sắc Vật có màu đen Ví dụ kính lọc màu đỏ hấp thụ ánh sáng đỏ màu da cam 10.2 SỰ TÁN XẠ ÁNH SÁNG Trong thực tế môi trường hoàn toàn đồng chất, mà có độ chênh lệch mật độ, nhiệt độ Ánh sáng truyền thẳng mà theo phương khác, tức bị tán xạ Sự tán xạ ánh sáng hạt nhỏ (TYNDALL): a) Thí nghiệm Cho chùm tia sáng song song qua ống thủy tinh đựng nước tinh khiết (hình 10.2) OB vuông góc với tia sáng không nhìn thấy chùm tia sáng ống S O B Hình 10.2 Bây nhỏ vài giọt sữa vào ống lắc Nhìn vào ống theo phương OB ta nhìn thấy ánh sáng ống Vậy chất lỏng ống môi trường đục, tán xạ ánh sáng qua A Quy luật : Chùm tia tới ánh sáng trắng, ánh sáng tán xạ theo phương tạo với chùm tia tới góc α lớn ngã màu xanh lam -> Ánh sáng bước sóng ngắn bị tán xạ mạnh Nếu ánh sáng tới ánh sáng tự nhiên ánh sáng tán xạ làm với phương chùm tia tới góc < ϕ < 900 , bị phân cực phần theo phương vuông góc: ϕ = 900, bị phân cực thẳng hoàn toàn Sự phân bổ cường độ ánh sáng tán xạ theo góc tán xạ ϕ xác định theo công thức: Iϕ = Iπ/2 (1 + cos2 ϕ) (10.3) Đường cong (hình 10.3) biểu diễn công thức (10.3) gọi giản đồ thị tán xạ Nó có tính đối xứng phương tia tới phương vuông góc với A O ) B Hình 10.3 α Phương tia tới Phương quan sát Quang thông toàn phần rời mặt S = Quang thông toàn phần rời khỏi đơn vị diện tích nguồn khối = độ trưng R dS Diện tích S Quang thông đơn vị diện tích đơn vị góc khối = độ chói B Hình 10.26 Diện tích dS chói cường độ sáng phát ứng với đơn vị diện tích dSn nhiều dI cường độ ánh sáng diện tích dS phát theo phương AM dI dS n lớn Độ chói diện tích phát sáng dS theo phương AM đại lượng vật lý trị số cường độ sang phát theo phương đơn vị diện tích mặt nhìn thấy dSn dI B= dSn B phụ thuộc góc ϕ ta viết: B = B(ϕ) * Nếu B = const mặt phát sáng gọi nguồn Lambert Đối với nguồn Lambert, quang thông toàn phần phần tử diện tích dS phát bằng: dΦ = πBdS Đơn vị độ chói: Candela mét vuông (cd/m ) hay gọi nít (nt) Độ chói nhỏ mắt người nhận biết khoảng 10−6 nt Dưới ta nêu vài số liệu độ chói số mặt phát sáng: Mặt phát sáng Đèn néon Ngọn lửa đèn dầu hỏa Dây tóc kim loại đèn điện Bề mặt mặt trăng rằm nhìn qua khí Bề mặt mặt trời Độ chói (nit) 1000 1,5.104 (1,5÷2).10 2500 1,5.109 Độ rọi a) Định nghĩa: Độ rọi E mặt đại lượng có giá trị quang thông gửi tới đơn vị diện tích mặt dΦ E= dS b) Độ rọi gây nguồn điểm: O dΩ r n r α dS Hình 10.27 Quang thông gửi tới dS Độ rọi diện tích dS IdS cos α dΦ = IdΩ = r2 dΦ I cos α E= = dS r2 Độ rọi mặt chiếu sáng tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách từ mặt đến nguồn c) Đơn vị đo độ rọi: lux (viết tắt lx) độ rọi mặt mà 1m2 mặt nhận đựoc quang thông lumen d) Sự phát sáng mặt rọi sáng Khi ta rọi ánh sáng đến mặt đó, phần ánh sáng tới bị mặt hấp thụ để truyền qua, phần lại bị mặt phản xạ khuếch tán phía Mặt nhận ánh sáng lại gọi nguồn phát sáng Nếu quang thông gởi tới mặt dФ, quang thông phản xạ hay khuếch tán mặt là: dФ’ = kdФ Gọi: k gọi hệ số phản xạ hay hệ số khuyếch tán E độ rọi bề mặt ta xét: dΦ E= dS R’ độ trưng mặt bề đó: R' = R’ = kE dΦ ' dS Hiệu suất sáng Được định nghĩa tỷ số quang thông phát nguồn sáng công suất vào Đơn vị lm/W Nguồn sáng thông thường chia làm ba loại: b) Đèn a) Đèn nóng có dây tóc tungsten c) Đèn huỳnh quang a) Đèn nóng sáng a) Đèn nóng sáng có dây tóc tungsten đốt nóng đến nhiệt độ cao Đèn loại có hiệu suất tăng lên theo công suất công suất cao, nhiệt độ dây tóc cao phần ánh sáng nhìn thấy toàn xạ lớn b) Đèn Đèn chứa chất khí gây xạ có dòng điện chạy qua Màu ánh sáng phát tùy thuộc vào chất Đèn có hiệu suất cao đèn dây tóc Đèn huỳnh quang Đèn huỳnh quang gồm ống thủy tinh chứa đầy hỗn hợp thủy ngân khí trơ Argon Khi có dòng điện chạy qua hỗn hợp, xạ tử ngoại phát Thành ống phủ lớp phát quang phát ánh sáng nhìn thấy kích thích xạ tử ngoại Đèn huỳnh quang tạo nhiệt nên có hiệu suất cao [...]... nhiên và ánh sáng phân cực Ánh sáng tự nhiên Quang trục OO1 của tinh thể O1 Ánh sáng phân cực thẳng  E O Phương truyền của ánh sáng Hình 10. 5: Ánh sáng tự nhiên Bản tourmaline T Hình 10. 6: Ánh sáng phân cực thẳng Nguồn sáng thông thường là kết quả bức xạ của tập hợp vô số các nguyên tử chứa trong nguồn sáng đó Ánh sáng bức xạ của từng nguyên tử tương đương với ánh sáng của bức xạ lưỡng cực Ánh sáng do... quả là ta có ánh sáng mà phương dao động hoàn toàn xác định Ánh sáng phân cực hoàn toàn hay gọi là phân cực thẳng - Ánh sáng có véctơ cường độ điện trường chỉ dao động theo một phương xác định được gọi là ánh sáng phân cực thẳng hay ánh sáng phân cực toàn phần -Ánh sáng có véctơ cường độ điện trường dao động đều đặn theo mọi phương vuông góc với tia sáng gọi là ánh sáng tự (a) (b) (c) Hình 10. 8 Mặt phẳng... độ ánh sáng đi qua bản tourmaline bằng cường độ ánh sáng tới Khi α =π/2: cosα = 0 → I = 0 Cường độ ánh sáng qua bản tourmaline bị triệt tiêu 10. 5 SỰ PHÂN CỰC ÁNH SÁNG DO PHẢN XẠ VÀ KHÚC XẠ Chiếu một chùm ánh sáng tự nhiên vào mặt phân cách của hai chất điện môi, một phần ánh sáng sẽ bị phản xạ, phần còn lại khúc xạ vào môi trường thứ hai T S iB iB • I • • rB R • Không khí n1 Thuỷ tinh n2 T1 Hình 10. 11... phương truyền Ánh sáng phân cực Sự chuyển động hỗn loạn của các nguyên tử, nên phương dao động của ánh sáng bức xạ từ các nguồn sáng thông thường hướng theo mọi phương xung quanh phương truyền Ánh sáng tự nhiên Cho ánh sáng đi qua một tinh thể tourmaline, tinh thể này có tính chất chỉ cho qua ánh sáng có phương dao động nhất định song song với quang trục của tinh thể Hình 10. 7: Ánh sáng tự nhiên đi... với tia sáng * Đối với ánh sáng phân cực thẳng, biểu diễn chỉ bằng một véctơ nằm trong mặt phẳng vuông góc tia sáng * Nếu chùm tia vừa là ánh sáng tự nhiên vừa là ánh sáng phân cực thẳng thì ta được chùm tia hỗn hợp là ánh sáng phân cực một phần, khi đó độ lớn của véctơ cường độ điện trường không đều theo các phương Độ phân cực P: I max − I min P= I max + I min 3 Định luật Malus Cường độ ánh sáng đi... đoán nhận được kích thước của các hạt có mặt trong dung dịch nghiên cứu Đo 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 Hiện tượng tán xạ còn quan sát được cả trong các môi trường tinh khiết Hiện tượng tán xạ xảy ra do chuyển động nhiệt của các phân tử cấu tạo nên môi trường Tán xạ phân tử Nguyên... 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 và biến thiên theo bước sóng nhanh hơn theo công thức Cauchy Hiện tượng tán sắc dị thường 4 Ứng dụng hiện tượng tán sắc Hiện 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 10. 4 HIỆN TƯỢNG PHÂN CỰC ÁNH SÁNG 1 Ánh sáng. .. dao động Tia sáng Mặt phẳng phân cực Hình 10. 9: Mặt phẳng dao động và mặt phẳng phân cực - Ánh sáng có véctơ cường độ điện trường dao động theo mọi phương vuông góc với tia sáng nhưng có phương dao động mạnh, có phương dao động yếu, được gọi là ánh sáng phân cực một phần 2 Biểu diễn * Biểu diễn ánh sáng tự nhiên bằng cách vẽ rất nhiều véctơ cùng độ dài theo bán kính của đường tròn nằm trong mặt phẳng... là sự thăng giáng mật độ phân tử trong môi trường Do chuyển động nhiệt của các phân tử nên chúng phân bổ không đều trong môi trường Sự thăng giáng mật độ phân tử kéo theo sự thăng giáng khối lượng riêng Làm cho chiết suất của môi trường chịu sự thăng giáng Gây nên hiện tượng tán xạ phân tử Tán xạ phân tử cũng tuân theo định luật Rayleigh: 1 I∝ 4 λ Cường độ của ánh sáng tán xạ phân tử tỉ lệ nghịch với... độ của ánh sáng tán xạ: 9π ε N v  ε − ε 0  Iϕ = I 0 r λ ε + ε0 2 2 2 0 2 4 2 2   (1 + cos 2 ϕ )  V: thể tích của một hạt, N: số hạt có trong 1.0 cm3 r: khoảng cách từ hạt tán xạ đến điểm quan sát ϕ: góc tán xạ Hiện tượng tán xạ Tyndall 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 Nghiên cứu màu sắc của ánh sáng tán