TÀI LIỆU LÝ THUYẾT CHƯƠNG V SÓNG ÁNH SÁNG Lời ngỏ: Chương V TÍNH CHẤT SĨNG CỦA ÁNH SÁNG Trong đề thi ĐH lí thuyết chiếm phần khơng nhỏ, HS thường gặp khó dễ câu hỏi Nguyên nhân SGK nâng cao không rõ phục vụ đối tượng nào: học sinh hay giáo viên, mặt khác hai loại sách lại khơng thống nhất, trình bày theo kiểu “thầy bói xem voi” gây khó khăn cho HS Thầy trình bày đầy đủ lại để em tiện theo dõi, mặt khác có bổ xung số phần khơng có SGK sách Tham khảo khơng trình bày lớp học CHƯƠNG V TÍNH CHẤT SÓNG CỦA ÁNH SÁNG CHỦ ĐỀ 01 TÁN SẮC ÁNH SÁNG Sự tán sắc ánh sáng Niu tơn(1682) - Tán sắc ánh sáng phân tích chùm sáng phức tạp thành chùm sáng đơn sắc Ví dụ: chùm sáng trắng sau qua lăng kính bị tách thành dải màu từ đỏ đến tím Trong chùm tia màu đỏ lệch chùm tia màu tím lệch nhiều Dải sáng nhiều màu từ đỏ đến tím gọi quang phổ ánh sáng trắng, gồm màu chính: đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím - Hiện tượng tán sắc khơng xảy lăng kính mà xảy với mơi trường suốt khác - Nguyên nhân tượng tán sắc: + Ánh sáng trắng hỗn hợp nhiều ánh sáng đơn sắc từ đỏ đến tím(lăng kính có vai trò phân tích – tán sắc) + Chiết suất chất dùng làm lăng kính ánh sáng đơn sắc khác khác (n = g()) Chiết suất ánh sáng đỏ nhỏ nhất, ánh sáng tím lớn nhất, tức là: nđỏ < ncam < < ntím Tia đỏ lệch nhất, tím lệch nhiều Theo thuyết sóng ánh sáng Huyghen: môi trường ánh sáng đơn sắc khác có vận tốc khác nên có chiết suất khác nhau: n = c v Tính chất tính chất chung cho mơi trường suốt Khi ánh sáng trắng truyền qua môi trường suốt lưỡng chất phẳng, mặt song song, thấu kính, lăng kính xảy tượng tán sắc thể rõ truyền qua lăng kính Hiện tượng tán sắc xảy đồng thời với tượng khúc xạ ánh sáng Ánh sáng đơn sắc, ánh sáng trắng + Ánh sáng đơn sắc ánh sáng không bị tán sắc qua lăng kính Mỗi ánh sáng đơn sắc có màu gọi màu đơn sắc Mỗi màu đơn sắc mơi trường có tần số xác định Khi truyền qua môi trường suốt khác vận tốc ánh sáng thay đổi, bước sóng ánh sáng thay đổi tần số ánh sáng khơng thay đổi + Ánh sáng trắng tập hợp vô số ánh sáng đơn sắc khác có màu biến thiên liên tục từ đỏ đến tím Dải có màu cầu vồng (có có vơ số màu chia thành màu đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím) gọi quang phổ ánh sáng trắng (hay thành phần ánh sáng trắng) Ứng dụng tán sắc ánh sáng + Hiện tượng tán sắc ánh sáng dùng máy quang phổ để phân tích chùm sáng đa sắc, vật sáng phát ra, thành thành phần đơn sắc + Nhiều tượng quang học khí quyển, cầu vồng chẳng hạn xảy tán sắc ánh sáng Đó trước tới mắt ta, tia sáng Mặt Trời bị khúc xạ phản xạ giọt nước Nhiễu xạ ánh sáng Thầy Nguyễn Hà Thanh Page TÀI LIỆU LÝ THUYẾT CHƯƠNG V SÓNG ÁNH SÁNG Nhiễu xạ ánh sáng tượng truyền sai lệch với định luật truyền thẳng ánh sáng qua lỗ nhỏ gặp vật cản Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng chứng tỏ ánh sáng có tính chất sóng CHỦ ĐỀ 02 GIAO THOA ÁNH SÁNG Điều kiện có giao thoa - Hai chùm sáng kết hợp hai chùm phát ánh sáng có tần số pha có độ lệch pha khơng đổi theo thời gian Giải thích tượng giao thoa - Khi hai chùm sáng kết hợp gặp chúng giao thoa với nhau: Những chỗ sóng gặp mà pha với nhau, chúng tăng cường lẫn tạo thành vân sáng Những chỗ hai sóng gặp mà ngược pha với nhau, chúng triệt tiêu tạo thành vân tối Nếu dùng ánh sáng trắng hệ thống vân giao thoa ánh sáng đơn sắc khác khơng trùng khít với nhau: giữa, vân sáng ánh sáng đơn sắc khác nằm trùng với cho vân sáng trắng gọi vân trắng Ở hai bên vân trắng giữa, vân sáng khác sóng ánh sáng đơn sắc khác không trùng với nữa, chúng nằm kề sát bên cho quang phổ có màu cầu vồng Hiện tượng giao thoa ánh sáng chứng thực nghiệm quan trọng khẳng định ánh sáng có tính chất sóng Vị trí vân, khoảng vân + Vị trí vân sáng: xs = k λD ; với k Z (trong k bậc – thứ tự vân sáng) a + Vị trí vân tối: xt = (k - ) λD ; với k Z (trong k thứ tự vân tối) a + Khoảng vân khoảng cách vân sáng (hoặc vân tối) liên tiếp: i = λD a Giữa n vân sáng liên tiếp có (n – 1) khoảng vân Bước sóng màu sắc ánh sáng + Ánh sáng đơn sắc ánh sáng có bước sóng(tần số) xác định Màu ứng với bước sóng ánh sáng gọi màu đơn sắc + Mọi ánh sáng đơn sắc mà ta nhìn thấy (khả kiến) có bước sóng chân khơng (hoặc khơng khí) khoảng từ 0,38m (ánh sáng tím) đến 0,76m (ánh sáng đỏ) + Những màu quang phổ ánh sáng trắng (đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím) ứng với vùng có bước sóng lân cận Bảng màu bước sóng ánh sáng chân khơng: Màu (m) Đỏ Cam Vàng Lục Lam Chàm Tím 0,6400,760 0,5900,650 0,5700,600 0,5000,575 0,4500,510 0,4300,460 0,3800,440 Một số ví dụ tượng giao thoa - Màu sắc óng ánh, rực rỡ loài chim ruồi, bọ cánh cứng lồi trùng khác có cánh trơng rực rỡ kim loại, số loài bướm đẹp lộng lẫy Ngồi bong bóng xà phòng, trùng lóng lánh ngũ sắc tuyệt đẹp, màu sắc giống cầu vồng quan sát thấy bên vỏ bào ngư (lớp khoáng cứng mỏng gọi xà cừ hay mẹ ngọc trai) Thầy Nguyễn Hà Thanh Page TÀI LIỆU LÝ THUYẾT CHƯƠNG V SÓNG ÁNH SÁNG - Giao thoa nguyên nhân gây màu sắc óng ánh, rực rỡ chim ruồi, nhiều loài bọ cánh cứng (bọ rùa) Ánh sáng trắng phản xạ từ cánh bọ biểu hình ảnh giao thoa lộng lẫy giống trường hợp phản xạ từ bề mặt đĩa compact Con mắt óng ánh lơng cơng ví dụ khác cho tượng giao thoa (hình 9) Trong giới khống vật, ngọc mắt mèo ngũ sắc cấu tạo từ cầu silicat vi mô xếp thành lớp đặn Mỗi cầu phản xạ ánh sáng tới chồng chập với ánh sáng phản xạ từ cầu lân cận tạo dải màu cực đẹp thay đổi người ta xoay ngọc - Vầng màu sặc sỡ váng dầu, mỡ bong bóng xà phòng biểu hiện tượng giao thoa ánh sáng MÁY QUANG PHỔ CÁC LOẠI QUANG PHỔ Máy quang phổ lăng kính - Máy quang phổ dụng cụ phân tích chùm sáng có nhiều thành phần thành thành phần đơn sắc khác - Máy dùng để nhận biết thành phần cấu tạo chùm sáng phức tạp nguồn phát - Máy quang phổ có ba phận chính: + Ống chuẩn trực: phận tạo chùm sáng song song + Hệ tán sắc: có tác dụng phân tích chùm tia song song thành nhiều chùm tia đơn sắc song song + Buồng ảnh: dùng để quan sát hay chụp ảnh quang phổ Nguyên tắc hoạt động máy quang phổ lăng kính dựa tượng tán sắc ánh sáng Quang phổ liên tục - Định nghĩa: Quang phổ liên tục dải màu liên tục (từ đỏ đến tím) - Nguồn phát: Quang phổ liên tục chất rắn, chất lỏng chất khí có áp suất lớn, phát bị nung nóng - Tính chất: Quang phổ liên tục chất khác nhiệt độ hồn tồn giống phụ thuộc vào nhiệt độ chúng, không phụ thuộc vào chất nguồn sáng Nhiệt độ vật phát sáng cao quang phổ lan rộng sang miền bước sóng ngắn - Ứng dụng: Dựa vào ánh sáng vật phát từ xác định nhiệt độ vật (đặc biệt vật xa) Quang phổ vạch phát xạ - Định nghĩa: Quang phổ vạch phát xạ hệ thống vạch sáng riêng lẻ, ngăn cách khoảng tối - Nguồn phát: Quang phổ vạch phát xạ chất khí hay áp suất thấp phát bị kích thích điện hay nhiệt - Tính chất: Quang phổ vạch nguyên tố khác khác số lượng vạch, vị trí độ sáng tỉ đối vạch Mỗi nguyên tố hóa học có quang phổ vạch đặc trưng nguyên tố Ví dụ, quang Thầy Nguyễn Hà Thanh Page TÀI LIỆU LÝ THUYẾT CHƯƠNG V SÓNG ÁNH SÁNG phổ vạch phát xạ hiđrô, vùng ánh sáng nhìn thấy có bốn vạch đặc trưng vạch đỏ, vạch lam, vạch chàm vạch tím - Ứng dụng: Phân tích quang phổ vạch, ta xác định có mặt nguyên tố hàm lượng chúng mẫu vật Quang phổ hấp thụ - Định nghĩa: Quang phổ hấp thụ vạch tối hay đám vạch tối (màu) quang phổ liên tục Quang phổ hấp thụ chất lỏng chất rắn chứa đám vạch, đám gồm nhiều vạch hấp thụ nối tiếp cách liên tục - Nguồn phát: Chiếu vào máy quang phổ đèn dây tóc, ta thu quang phổ quang phổ liên tục Đặt đèn dây tóc khe máy quang phổ bình đựng chất khí hay kim loại quang phổ nói lên số vạch tối - Điều kiện: nhiệt độ đám hay hấp thụ phải thấp nhiệt độ nguồn sáng - Tính chất: Quang phổ hấp thụ chất khí chứa vạch hấp thụ đặc trưng cho chất khí TIA HỒNG NGOẠI VÀ TIA TỬ NGOẠI Phát tia hồng ngoại tử ngoại Ở quang phổ ánh sáng nhìn thấy được, hai đầu đỏ tím, có xạ mà mắt khơng nhìn thấy, nhờ mối hàn cặp nhiệt điện (dựa vào tác dụng nhiệt) bột huỳnh quang mà ta phát Các xạ gọi tia hồng ngoại tia tử ngoại Tia hồng ngoại tia tử ngoại có chất với ánh sáng sóng điện từ Tia hồng ngoại tia tử ngoại tuân theo định luật: truyền thẳng, phản xạ, khúc xạ, gây tượng nhiễu xạ, giao thoa ánh sáng thông thường Tia hồng ngoại - Định nghĩa: Các xạ khơng nhìn thấy có bước sóng dài 0,76m đến khoảng vài milimét gọi tia hồng ngoại - Nguồn phát: Mọi vật có nhiệt độ cao nhiệt độ môi trường phát tia hồng ngoại Nguồn phát tia hồng ngoại thơng dụng lò than, lò điện, đèn điện dây tóc - Tính chất: + Tính chất bật tia hồng ngoại tác dụng nhiệt: vật hấp thụ tia hồng ngoại nóng lên + Tia hồng ngoại có khả gây số phản ứng hóa học, tác dụng lên số loại phim ảnh, loại phim hồng ngoại dùng để chụp ảnh ban đêm + Tia hồng ngoại điều biến sóng điện từ cao tần + Tia hồng ngoại gây hiệu ứng quang điện số chất bán dẫn - Ứng dụng: + Tia hồng ngoại dùng để sấy khô, sưởi ấm + Sử dụng tia hồng ngoại để chụp ảnh bề mặt Trái Đất từ vệ tinh + Tia hồng ngoại dùng điều khiển từ xa để điều khiển hoạt động tivi, thiết bị nghe, nhìn, … + Tia hồng ngoại có nhiều ứng dụng đa dạng lĩnh vực quân sự: Tên lửa tự động tìm mục tiêu dựa vào tia hồng ngoại mục tiêu phát ra; camera hồng ngoại dùng để chụp ảnh, quay phim ban đêm; ống nhòm hồng ngoại để quan sát ban đêm Thầy Nguyễn Hà Thanh Page TÀI LIỆU LÝ THUYẾT CHƯƠNG V SÓNG ÁNH SÁNG Tia tử ngoại - Định nghĩa: Các xạ khơng nhìn thấy có bước sóng ngắn 0,38m đến cỡ vài nanômét gọi tia tử ngoại - Nguồn phát: Những vật nung nóng đến nhiệt độ cao (trên 20000C) phát tia tử ngoại Nguồn phát tia tử ngoại phổ biến đèn thủy ngân hồ quang điện - Tính chất: + Tác dụng mạnh lên phim ảnh, làm ion hóa khơng khí nhiều chất khí khác + Kích thích phát quang nhiều chất, gây số phản ứng quang hóa phản ứng hóa học + Có số tác dụng sinh lí: hủy diệt tế bào da, làm da rám nắng, làm hại mắt, diệt khuẩn, diệt nấm mốc, … + Có thể gây tượng quang điện + Bị nước, thủy tinh… hấp thụ mạnh lại truyền qua thạch anh * Sự hấp thụ tia tử ngoại: Thủy tinh hấp thụ mạnh tia tử ngoại Thạch anh, nước khơng khí suốt với tia có bước sóng 200 nm, hấp thụ mạnh tia có bước sóng ngắn Tầng ơzơn hấp thụ hầu hết tia có bước sóng 300 nm “tấm áo giáp” bảo vệ cho người sinh vật mặt đất khỏi tác dụng hủy diệt tia tử ngoại Mặt Trời - Ứng dụng: Thường dùng để khử trùng nước, thực phẩm dụng cụ y tế, dùng chữa bệnh (như bệnh còi xương), để tìm vết nứt bề mặt kim loại, … TIA X THUYẾT ĐIỆN TỪ ÁNH SÁNG THANG SÓNG ĐIỆN TỪ Định nghĩa Tia X Tia X sóng điện từ có bước sóng từ 10-11 m đến 10-8 m Cách tạo tia X Cho chùm tia catôt – tức chùm electron có lượng lớn – đập vào vật rắn vật phát tia X Có thể dùng ống Rơn-ghen ống Cu-lít- dơ để tạo tia X Tính chất + Tính chất đáng ý tia X khả đâm xuyên Tia X xuyên qua giấy, vải, gỗ, chí kim loại Tia X dễ dàng xuyên qua nhôm dày vài cm, lại bị lớp chì vài mm chặn lại Do người ta thường dùng chì để làm chắn tia X Tia X có bước sóng ngắn khả đâm xuyên lớn; ta nói cứng + Tia X có tác dụng mạnh lên phim ảnh, làm ion hóa khơng khí + Tia X có tác dụng làm phát quang nhiều chất + Tia X gây tượng quang điện hầu hết kim loại + Tia X có tác dụng sinh lí mạnh: hủy diệt tế bào, diệt vi khuẩn, … Công dụng Tia X sử dụng nhiều để chiếu điện, chụp điện, để chẩn đốn tìm chỗ xương gãy, mảnh kim loại người…, để chữa bệnh (chữa ung thư) Nó dùng cơng nghiệp để kiểm tra chất lượng vật đúc, tìm vết nứt, bọt khí bên vật kim loại; để kiểm tra hành lí hành khách máy bay, nghiên cứu cấu trúc vật rắn Thầy Nguyễn Hà Thanh Page TÀI LIỆU LÝ THUYẾT CHƯƠNG V SĨNG ÁNH SÁNG Thang sóng điện từ + Sóng vơ tuyến, tia hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy, tia tử ngoại, tia Rơnghen, tia gamma: sóng điện từ Các loại sóng điện từ tạo cách khác nhau, chất thì chúng chúng khơng có ranh giới rõ rệt (Trong phân rã -phân hủy- hạt nhân nguyên tử người ta thấy có phát sóng điện từ có bước sóng cực ngắn(dưới 10-12m) Sóng gọi tia gamma) Tuy vậy, có tần số bước sóng khác nhau, nên sóng điện từ có tính chất khác (có thể nhìn thấy khơng nhìn thấy, có khả đâm xun khác nhau, cách phát khác nhau) Các tia có bước sóng ngắn (tia X, tia gamma) có tính chất đâm xun mạnh, dễ tác dụng lên kính ảnh, dễ làm phát quang chất dễ ion hóa khơng khí Trong đó, với tia có bước sóng dài ta dễ quan sát tượng giao thoa + Người ta xếp phân loại sóng điện từ theo thứ tự bước sóng giảm dần, hay theo thứ tự tần số tăng dần, gọi thang sóng điện từ Thầy Nguyễn Hà Thanh Page ...TÀI LIỆU LÝ THUYẾT CHƯƠNG V SÓNG ÁNH SÁNG Nhiễu xạ ánh sáng tượng truyền sai lệch với định luật truyền thẳng ánh sáng qua lỗ nhỏ gặp vật cản Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng chứng tỏ ánh sáng có tính... vân khoảng cách vân sáng (hoặc vân tối) liên tiếp: i = λD a Giữa n vân sáng liên tiếp có (n – 1) khoảng vân Bước sóng màu sắc ánh sáng + Ánh sáng đơn sắc ánh sáng có bước sóng( tần số) xác định... ứng với bước sóng ánh sáng gọi màu đơn sắc + Mọi ánh sáng đơn sắc mà ta nhìn thấy (khả kiến) có bước sóng chân khơng (hoặc khơng khí) khoảng từ 0,38m (ánh sáng tím) đến 0,76m (ánh sáng đỏ) +