Giáo trình cơ sở quang học

MỤC LỤC Chương CƠ SỞ CỦA QUANG HÌNH HỌC 1.1 Các khái niệm, định luật quang hình học 1.2 Những phát biểu tương đương định luật Đêcac 1.3 Các đại lượng trắc quang Chương CƠ SỞ CỦA QUANG HỌC SÓNG GIAO THOA ÁNH SÁNG 2.1 Cơ sở quang học sóng 2.2 Hiện tượng giao thoa hai sóng ánh sáng kết hợp 2.3 Giao thoa gây (màng) mỏng suốt 2.4 Ứng dụng tượng giao thoa Chương NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG 3.1 Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng 3.2 Nhiễu xạ gây sóng cầu 3.3 Nhiễu xạ gây sóng phẳng Chương PHÂN CỰC ÁNH SÁNG 4.1 Ánh sáng tự nhiên ánh sáng phân cực 4.2 Phân cực ánh sáng phản xạ khúc xạ Chương QUANG HỌC LƯỢNG TỬ 5.1 Bức xạ nhiệt, thuyết lượng tử Planck 5.2 Thuyết photon Anhxtanh Chương VẬT LÍ NGUYÊN TỬ 6.1 Nguyên tử Hyđrô, nguyên tử kim loại kiềm 6.2 Mômen động lượng mômen từ êlectron chuyển động quanh hạt nhân; Spin êlectron 6.3 Bảng hệ thống tuần hoàn Menđêleep - Bài tập Chương HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ 7.1 Hạt nhân nguyên tử Độ hụt khối – Năng lượng liên kết 7.2 Hiện tượng phóng xạ 7.3 Tương tác hạt nhân, phản ứng dây chuyền 7.4 Phản ứng nhiệt hạch lượng nhiệt hạch 7.5 Các hạt bản, tương tác CHƯƠNG I CƠ SỞ CỦA QUANG HÌNH HỌC 1.1 CÁC KHÁI NIỆM, ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN CỦA QUANG HÌNH HỌC 1.1.1 Định luật truyền thẳng ánh sáng Trong mơi trường suốt, đồng tính đẳng hướng ánh sáng truyền theo đường thẳng Lưu ý: Khi ánh sáng truyền qua lỗ có kích thước nhỏ gặp vật cản có kích thước vào cỡ bước sóng định luật truyền thẳng ánh sáng khơng 1.1.2 Tia sáng chùm sáng Tia sáng đường truyền ánh sáng Mỗi chùm sáng chứa vô số tia sáng Tập hợp vô số tia sáng xuất phát từ điểm hay gặp điểm tạo thành chùm đồng quy Chùm đồng quy chùm hội tụ hay phân kỳ Chùm song song trường hợp đặc biệt chùm đồng quy Các tia sáng chùm song song xem xuất phát hay gặp điểm vơ cực, tương ứng với sóng phẳng 1.1.3 Ảnh thật Ảnh ảo Vật thật Vật ảo Gọi P’ ảnh P qua hệ quang học lý tưởng (hệ quang học khơng làm tính đồng quy chùm tia sáng) P’ gọi ảnh thật tia sáng qua quang hệ cắt P’, ảnh ảo đường kéo dài tia sáng qua quang hệ cắt P’ Điểm sáng P gọi vật thật thấu kính (hoặc gương) chùm tia xuất phát từ P tới thấu kính (hoặc gương) chùm tia phân kỳ, gọi vật ảo chùm tia tới thấu kính gương chùm tia hội tụ có đường kéo dài cắt P 1.1.4 Định luật tác dụng độc lập tia sáng Tác dụng chùm sáng khác độc lập nhau, nghĩa tác dụng chùm sáng không phụ thuộc vào có mặt hay khơng chùm sáng khác 1.1.5 Nguyên lí tính thuận nghịch chiều truyền ánh sáng Nếu ACB đường truyền ánh sáng (một tia sáng) đường cho ánh sáng từ A đến B từ B đến A C B A 1.1.6 Hai định luật Đêcac (Descartes) 1.1.6.1 Định luật Đêcac thứ (Định luật phản xạ ánh sáng) Tia phản xạ nằm mặt phẳng tới góc phản xạ góc tới: i’ = i 1.1.6.2 Định luật Đêcac thứ hai (Định luật khúc xạ ánh sáng) Tia khúc xạ nằm mặt phẳng tới tỉ số sin góc tới sin góc khúc xạ số khơng đổi: sin i  n 21 sin r n21: chiết suất tỉ đối môi trường môi trường Nếu n21 > môi trường gọi chiết quang môi trường Nếu n21 < môi trường chiết quang môi trường 1.1.6.3 Chiết suất tỉ đối, chiết suất tuyệt đối liên hệ chúng Gọi v1 v2 vận tốc truyền ánh sáng môi trường môi trường Thực nghiệm chứng tỏ chiết suất tỉ đối n21 bằng: n 21  v1 v2 Chiết suất tuyệt đối môi trường (chiết suất - n) chiết suất tỉ đối môi trường chân khơng n c v Gọi n1, n2 chiết chiết suất tuyệt đối môi trường 2; n21 chiết suất tỉ đối mơi trường mơi trường Ta có: n 21  v1 n c v  1 v v c n1 1.1.6.4 Dạng đối xứng định luật Đêcac sin i n  n 21  hay n1sini = n2sinr sin r n1 1.1.6.5 Hiện tượng phản xạ toàn phần ứng dụng 1.2 NHỮNG PHÁT BIỂU TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA ĐỊNH LUẬT ĐÊCAC 1.2.1 Quang lộ Gọi d khoảng cách hai điểm A, B mơi trường đồng tính chiết suất n Thời gian ánh sáng từ A đến B là: t d v Trong v vận tốc ánh sáng môi trường Quang lộ hai điểm A, B (L) đoạn đường ánh sáng truyền chân không khoảng thời gian t, t khoảng thời gian mà ánh sáng đoạn đường AB mơi trường Ta có: L  ct Thay t  d d vào ta có: L  c  nd v v Khi ánh sáng truyền qua nhiều môi trường chiết suất n1, n2, n3 với quãng đường d1, d2, d3  quang lộ tổng cộng là: L  n1d1  n 2d  n 3d    n i d i Khi ánh sáng môi trường mà chiết suất thay đổi liên tục từ điểm đến điểm khác  ta chia đoạn đường thành đoạn nhỏ ds để chiết suất coi không đổi đoạn nhỏ quang lộ hai điểm A B là: B L   nds A 1.2.2 Nguyên lý Fecma 1.2.2.1 Phát biểu Giữa hai điểm AB, ánh sáng truyền theo đường mà quang lộ cực trị (cực đại, cực tiểu khơng đổi) 1.2.2.2 Sự tương đương ngun lí Fecma định luật Đecac  Định luật phản xạ N A M B A M’ B’ - Xét hai điểm A, B nằm phía mặt phản xạ  Gọi AIB đường ánh sáng truyền từ A đến B Ta có: i'  i - Xét điểm I’  Gọi B’ điểm đối xứng B qua mặt phản xạ Ta có: IB  I' B I' B  I' B' Vì i'  i nên AIB’ thẳng hàng Do AI  IB  AI' I' B' hay AI  IB  AI' I' B Nhân hai vế với chiết suất n môi trường ta có L AIB  L AI' B  Định luật khúc xạ - Xét hai điểm A, B nằm hai môi trường suốt chiết suất n1, n2 Lấy điểm I mặt phân cách  Quang lộ theo đường AIB là: L  n1AI  n IB Gọi: AA'  h1 , BB'  h  , A' I  x , A' B'  p Ta có: L  n1 x  h12  n (p  x )  h 22 Theo nguyên lí Fecma, ánh sáng từ A đến B theo đường mà quang lộ cực trị, tức theo đường AIB mà AI  x thỏa mãn điều kiện Ta có: dL  dx dL x px  n1  n2 0 2 dx x  h1 (p  x )  h 22 Hay n1 sin i1  n sin i  công thức định luật khúc xạ Đêcac Như xuất phát từ định luật Đêcac ta tìm nguyên lí Fecma ngược lại nên chúng tương đương với 1.2.3 Định lý Maluyt 1.2.3.1 Mặt trực giao Mặt trực giao mặt vng góc với tia chùm sáng Mặt trực giao a Chùm đồng quy b Chùm song song 1.2.3.2 Định lí Maluyt Phát biểu: Quang lộ tia sáng hai mặt trực giao chùm sáng Chứng minh định lí Xét chùm sáng song song truyền qua mặt phân cách hai môi trường suốt có chiết suất n1 n2; 1 ,  hai mặt trực giao Ta kẻ I1H A I , I H1 I1B1 L1 quang lộ dọc theo đường A1I1B1 L2 quang lộ dọc theo đường A2I2B2 Ta có: L1  n1A1I1  n I1B1  n1A1I1  n I1H1  n H1B1 L  n1A I  n I B2  n1A H  n1H I  n I B2 Theo hình vẽ ta có: A1I1  A H , H1B1  I B2 Mặt khác theo định luật khúc xạ: n1 sin i1  n sin i  n1 H 2I2 IH  n 1  n1.I H  n I1H1 I1I I1I Suy L1  L hay quang lộ hai mặt trực giao 1.3 CÁC ĐẠI LƯỢNG TRẮC QUANG CÁC ĐẠI LƯỢNG TRẮC QUANG Quang thông Độ sáng Độ rọi Nguồn sáng Vật chiếu sáng 1.3.1 Quang thông Quang thông đại lượng đặc trưng cho phần lượng gây cảm giác sáng Quang thông chùm sáng gửi tới diện tích dS đại lượng có trị số phần lượng gây cảm giác sáng gửi tới dS đơn vị thời gian Quang thơng tồn phần nguồn sáng phần lượng gây cảm giác sáng nguồn phát theo phương đơn vị thời gian 1.3.2 Độ sáng 1.3.2.1 Góc khối d Góc khối nhìn thấy tiết diện dS từ điểm O phần không gian giới hạn hình nón có đỉnh O có đường sinh tựa chu vi dS Tỉ số góc khối đo phần diện tích mặt cầu có bán kính đơn vị giới hạn hình nón Theo hệ SI bảng đơn vị hợp pháp, đơn vị góc khối stêradian (sr) Góc khối tồn phần d  4 sr Mối liên hệ góc khối d diện tích dS - Vẽ mặt cầu tâm O, bán kính đơn vị  giá trị góc khối d phần diện tích mặt cầu giới hạn hình nón - Gọi r khoảng cách từ O đến dS ,  góc pháp tuyến n dS r; dS0 hình chiếu dS lên mặt phẳng vng góc với r Ta có: d     dS0  r  Mặt khác dS0  dS cos  nên ta có: d  dS cos  r2 1.3.2.2 Độ sáng Khái niệm: Độ sáng đại lượng đặc trưng cho khả phát sáng nguồn theo phương Độ sáng nguồn theo phương đại lượng có giá trị quang thơng nguồn gởi đơn vị góc khối theo phương Gọi I độ sáng, d quang thơng gởi góc khối d , ta có: I d d Nói chung độ sáng I nguồn thay đổi theo phương phát sáng Nếu độ sáng I theo phương nguồn gọi nguồn đẳng hướng  Quang thơng tồn phần nguồn đẳng hướng:    Id  I  d  4I Đơn vị Theo bảng đơn vị hợp pháp, đơn vị độ sáng canđela (cd) Cenđela độ sáng đo theo phương vng góc diện tích nhỏ, có diện tích 1/600000 m2, xạ vật xạ tồn phần, nhiệt độ đơng đặc platin áp suất 101325 N/m2 Suy đơn vị quang thông từ đơn vị độ sáng Từ I  d  d  Id d Nếu I  cd , d  sr d  cd.1 sr  1lumen Vậy lumen (lm) quang thơng nguồn sáng điểm đẳng hướng có độ sáng cd gửi góc khối sr 1.3.3 Độ rọi 1.3.3.1 Định nghĩa Xét diện tích rọi sáng dS Gọi quang thơng tồn phần gửi tới dS d Người ta định nghĩa độ rọi diện tích dS lượng E  d dS Độ rọi E mặt đại lượng có giá trị quang thơng gửi tới đơn vị diện tích mặt 1.3.3.2 Độ rọi gây nguồn điểm Xét diện tích dS rọi sáng nguồn điểm O có cường độ sáng I Quang thông gửi tới dS là: d  Id   Độ rọi diện tích dS là: E  IdS cos  r2 d I cos   dS r2 Như dùng nguồn điểm, độ rọi mặt chiếu sáng tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách từ mặt đến nguồn 1.3.3.3 Đơn vị độ rọi Từ E  d lm ta thấy d  lm , dS  m E  dS m Đơn vị độ rọi lm/m2 hay gọi lux (lx) Lux độ rọi mặt mà 1m2 mặt nhận quang thông lm 10 lượng liên kết riêng hạt nhân nặng lượng tương tác đẩy Culông tăng lên tăng số prôtôn 7.2 HIỆN TƯỢNG PHÓNG XẠ Nhà vật lý người Pháp Bécơren người khám phá tượng phóng xạ vào năm 1896, ơng phát từ muối Urani phát tia không trông thấy, lại có khả xuyên qua lớp vật chất khơng suốt, ion hóa khơng khí, tác dụng lên kính phim ảnh, gây phát quang số chất, ơng goi tượng phóng xạ Định nghĩa: Phóng xạ tượng hạt nhân nguyên tử tự động phóng xạ gọi tia phóng xạ Tia phóng xạ khơng nhìn thấy có tác dụng lý hố ion hố mơi trường, làm đen kính ảnh, gây phản ứng hoá học Đặc điểm: Hiện tượng phóng xạ hồn tồn ngun nhân bên hạt nhân gây ra, không phụ thuộc vào yếu tố lý hố bên ngồi (ngun tử phóng xạ nằm hợp chất khác có nhiệt độ, áp suất khác xảy phóng xạ loại) Hiện tượng phóng xạ tượng phổ biến hạt nhân nguyên tử Q trình phóng xạ q trình phân rã hạt nhân nguyên tử tiến hành cách tự phát Trong q trình phóng xạ hạt nhân đồng vị phát hạt tia phóng xạ biến thành hạt nhân đồng vị khác Những hạt nhân đồng vị có sẵn thiên nhiên (phóng xạ tự nhiên ) thu cách nhân tạo phản ứng hạt nhân (phóng xạ nhân tạo) Hiện tượng phóng xạ tiếp tục nhiều nhà bác học khác nghiên cứu, phải kể đến đóng góp to lớn hai vợ chồng nhà bác học Mari Pie Quiri Năm 1898 hai ông bà tìm hai chất phóng xạ Pơlơni (Po) Rađi (Ra) có tính phóng xạ mạnh nhiều so với Urani Tiếp theo, người ta tìm thấy hàng chục chất phóng xạ khác Thơri, Actini, Neptuni, … Cho đến nay, thu số liệu thực nghiệm khổng lồ trạng thái lượng sơ đồ phân rã hàng nghìn hạt nhân đồng vị, giúp ta hiểu biết vấn đề quan trọng cấu trúc tính chất hạt nhân Các cơng trình nghiên cứu thực nghiệm tượng phóng xạ xác nhận sản phẩm phân rã phóng xạ hạt nhân gồm tia phóng xạ 54 Marie Curie (1867-1934) Nhà vật lý người Pháp giải Nobel năm 1903 hóa học năm 1911 Pierre Curie (1859-1906) Nhà vật lý người Pháp giải Nobel năm 1903 Tia phóng xạ theo nghĩa gốc dòng hạt chuyển động nhanh phóng từ chất phóng xạ (các chất chứa hạt nhân nguyên tử không trạng thái cân bền) Các hạt phóng chuyển động thành dòng định hướng Tia Alpha (): thực chất 42 He - Bị lệch phía (-) mang q = +2e - Phóng với vận tốc 107m/s - Có khả ion hố chất khí - Đâm xun Trong khơng khí 8cm Tia Bêta (): Gồm + - -: lệch (+), thực chất electron, q = -e - +: lệch phía (-) (lệch nhiều tia  đối xứng với -); thực chất electron dương (pơzitrơn); điện tích +e - Phóng với vận tốc gần vận tốc ánh sáng - Ion hố chất khí yếu  - Khả đâm xuyên mạnh, vài trăm mét khơng khí Tia gammar () - Có chất sóng điện từ bước sóng ngắn (