Luong tinh song hat cua anh sang

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI KHOA SƯ PHẠM KHOA HỌC TỰ NHIÊN BÀI THUYẾT TRÌNH MƠN LỊCH SỬ VẬT LÝ CHUN ĐỀ: LƯỠNG TÍNH SĨNG - HẠT CỦA ÁNH SÁNG SINH VIÊN THỰC HIỆN Lê Thị Ngọc Chi Trịnh Thị Phương Thảo Trần Thị Thư Phạm Văn Cảnh Đoàn Kim Minh Nga Nguyễn Văn Đại La Gia Nghi Lê Hoa Như Ý Đồng Nai, 2017 MỤC LỤC A MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI .3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN .3 CẤU TRÚC ĐỀ TÀI B NỘI DUNG: LƯỠNG TÍNH SĨNG - HẠT CỦA ÁNH SÁNG I Những tảng môn Quang học .4 Sơ lược phát triển quang học .4 Những nhà khoa học đóng góp vào phát triển quang học .9 II Sự hình thành phát triển quang học sóng 15 Bối cảnh lịch sử 15 Sự phát triển sóng ánh sáng 16 2.1 Bước phát triển quang học sóng .16 2.2 Những nghiên cứu quang học Huygens 16 2.3 Những nghiên cứu quang học Leonhard Euler 19 2.4 Lý thuyết Lomonoxop .20 2.5 Những nghiên cứu quang học Young .23 2.6 Những nghiên cứu quang học Fresnel 25 2.7 Những nghiên cứu khoa học Fraunhofer 30 2.8 Những nghiên cứu khoa học Maxwell 31 2.9 Mơi trường Ete có hay không? 33 2.10 Các cơng trình thực nghiệm khẳng định tính sóng ánh sáng 34 III Cuộc khủng hoảng vật lý học nửa cuối kỷ 19 35 IV Sự đời phát triển thuyết quang học hạt 37 Isaac Newton .37 Malus 40 Max Planck 41 Albert Einstein .43 Các cơng trình thực nghiệm khẳng định tính hạt ánh sáng .45 Những tranh cãi xoay quanh chất ánh sáng – sóng hay hạt ? 45 V Lưỡng tính sóng hạt ánh sáng .52 C KẾT LUẬN 57 A MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI “Ánh sáng gì? Ánh sáng bắt nguồn từ đâu? Đâu chất ánh sáng phép nhìn thấy giới xung quanh? Một ngày Trái Đất khơng nhận tia sáng từ mặt trời chuyện xảy ra?” Những câu hỏi ám ảnh nhà tư tưởng vĩ đại từ hai nghìn năm trăm năm Bởi ánh sáng từ lâu coi yếu tố quý giá tự nhiên, mắt phận quý giá người, nên nhà tư tưởng vĩ đại như: Aristotle, Newton, Huygens, Eintein,… nhiều nhà khoa học khác quan tâm đến vấn đề chất ánh sáng vật lý quang học đời Họ phát ánh sáng có hai mặt, số hồn cảnh ánh sáng trình diện sóng, hồn cảnh khác lại biến hóa thành hạt, riêng với Albert Einstein ơng nghiên cứu nguồn gốc, chất ánh sáng nào? Chính lý nên tơi chọn đề tài nghiên cứu “Lịch sử hình thành phát triển lưỡng tính sóng hạt ánh sáng” Và tin đề tài gây tò mò, say mê với người yêu tìm hiểu ánh sáng, đặc biệt bạn sinh viên chun ngành vật lí MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI Tìm hiểu phát triển ngành quang học vật lý Nguyên nhân tranh cãi hai nhà khoa học Huyghens Newton lịch sử hình thành phát triển lưỡng tính sóng hạt ánh sáng ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Lịch sử phát triển quang học nghiên cứu quang học nhà khoa học qua giai đoạn lịch sử PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN Để hoàn thành luận văn cần sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết phân tích, tổng hợp vận dụng kiến thức để giải thích tượng tự nhiên CẤU TRÚC ĐỀ TÀI Đề tài “Lịch sử hình thành phát triển lưỡng tính sóng hạt ánh sáng” với phần nội dung gồm hai phần Phần I trình bày tảng môn Quang học Phần II tìm hiểu hình thành phát triển quang học sóng – quang học hạt lưỡng tính sóng hạt ánh sáng B NỘI DUNG: LƯỠNG TÍNH SĨNG - HẠT CỦA ÁNH SÁNG I Những tảng môn Quang học Sơ lược phát triển quang học Quang học ngành khoa học vật lí nghiên cứu nguồn gốc truyền ánh sáng, cách thức biến đổi, hiệu ứng mà gây ra, tượng khác với Có hai ngành quang học Ngành quang lí nghiên cứu chất tính chất ánh sáng Ngành quang hình học khảo sát ngun lí chi phối tính chất tạo ảnh thấu kính, gương, dụng cụ khác, thí dụ xử lí liệu quang học Hình 1: Thấu kính Layard Những trải nghiệm sớm loài người với ánh sáng quang học thuộc giới tự nhiên: ánh sáng mặt trời, lửa, tính chất phản xạ khúc xạ (bẻ cong ánh sáng) nước, tinh thể, số chất khác có mặt tự nhiên Lửa công cụ sớm tổ tiên loài người đại sử dụng, có lẽ từ cách khoảng 1,4 triệu năm, có khả khơng sử dụng để thắp sáng vào ban đêm cách 500.000 năm Hồi 15.000 năm trước, loài người đốt chất béo dầu loại đèn để thắp sáng bóng đêm, dụng cụ nhân tạo dùng để tạo ánh sáng Hình 2: Đèn đốt dầu nguyên thủy làm từ vỏ động vật 3000 năm TCN văn hóa Trung Đông Châu Á bắt đầu nghiên cứu ánh sáng bóng đổ có khả khai thác tính chất chúng để giải trí Các văn minh châu Á sản xuất sử dụng gương Quang học bắt đầu với phát triển thấu kính người Ai Cập cổ đại Lưỡng Hà Thấu kính sớm biết tới làm từ tinh thể mài bóng, thường thạch anh, có niên đại vào khoảng năm 700 trước Công nguyên Assyria thấu kính Layard/Nimrud Người La Mã Hy Lạp cổ đại đổ đầy cầu kính nước để tạo thấu kính Những cách làm sau nhà triết học Hy Lạp Ấn Độ phát triển thành lý thuyết ánh sáng nhìn, người La Mã phát triển lý thuyết quang hình học Từ optics xuất phát từ tiếng Hy Lạp cổ đại, có nghĩa "biểu hiện, nhìn nhận" Triết học Hy Lạp chia quang học thành hai lý thuyết đối lập dựa cách miêu tả mắt người nhìn được, "lý thuyết mắt phát tia sáng" "lý thuyết mắt thu nhận tia sáng" Lý thuyết mắt thu nhận tia sáng cho người nhìn thấy vật vật phát giống y hệt chúng (gọi eidola) mà mắt người thu nhận Với ủng hộ nhiều triết gia Democritus, Epicurus, Aristotle môn đệ, lý thuyết dường có nét giống với lý thuyết đại thị giác, tiên đốn mà thiếu thí nghiệm kiểm tra Plato người nêu lý thuyết mắt người phát tia sáng, lý thuyết cho cảm nhận thị lực tia sáng phát từ mắt người chiếu vào vật thể Ơng bình luận tính chẵn lẻ thơng qua đối xứng gương miêu tả vấn đề Timaeus Vài trăm năm sau, Euclid viết sách “Quang học” ông bắt đầu liên hệ nhìn với môn hình học, tạo sở cho ngành quang hình học Cuốn sách ơng viết dựa sở lý thuyết phát tia Plato Euclid miêu tả quy tắc tốn học phép phối cảnh hiệu ứng khúc xạ cách định tính, ơng đặt nghi vấn chùm tia sáng từ mắt người liệu làm sáng lên nháy mắt Ptolemy, “Quang học” ông miêu tả lý thuyết kết hợp hai lý thuyết trên: tia sáng từ mắt tạo thành hình nón, với đỉnh nằm mắt đáy nón xác định lên trường nhìn Các tia sáng nhạy với vật chúng mang thông tin chứa hướng khoảng cách vật trở lại não người quan sát Ông tổng kết lại kết Euclid đến miêu tả cách đo góc khúc xạ, ơng khơng nhận mối liên hệ góc với góc tới tia sáng Trong thời Trung Cổ, ý tưởng người Hy Lạp phục hồi mở rộng văn tự giới Hồi giáo Một văn tự sớm Al-Kindi (khoảng 801–873) viết giá trị ý tưởng trường phái Aristote Euclid quang học, ủng hộ cho lý thuyết mắt phát tia sáng dùng để miêu tả định lượng tượng quang học Năm 984, nhà toán học Ba Tư Ibn Sahl viết luận thuyết "Về cách nung chảy tạo gương thấu kính", ơng miêu tả định luật khúc xạ mà có nét tương đương với định luật Snell Ông sử dụng định luật nhằm tính tốn hình dạng tối ưu cho thấu kính gương cầu lõm Ở đầu kỷ 11, Alhazen (Ibnal-Haytham) viết sách quang học (Kitabalmanazir) ơng giải thích phản xạ khúc xạ đề xuất hệ thống giải thích cho khả nhìn vật ánh sáng dựa quan sát thực nghiệm Ông phê phán "lý thuyết phát tia sáng" trường phái Ptolemy mắt người phát tia nhìn, mà thay vào ông có ý tưởng ánh sáng phản xạ theo đường thẳng hướng từ điểm vật thể quan sát sau tia sáng vào mắt, ơng khơng thể giải thích đắn làm để mắt thu nhận tia sáng Cơng trình Alhazen phần lớn bị lãng quên giới Ả Rập học giả vô danh biên dịch sang tiếng La tinh vào khoảng năm 1200 sau thầy tu người Ba Lan Witelo tổng kết mở rộng đưa trở thành sách mẫu mực quang học châu Âu gần 400 năm Ở kỷ 13, giám mục người Anh Robert Grosseteste viết tác phẩm ánh sáng nhiều chủ đề khoa học bốn quan điểm khác nhau: nhận thức luận ánh sáng, lý luận siêu hình học ánh sáng, thuyết nguyên nhân tính chất vật lý ánh sáng, lý luận thần học ánh sáng, dựa cơng trình trường phái Aristotle Plato Môn đệ tiếng Grosseteste, Roger Bacon, viết cơng trình với nguồn trích dẫn phong phú dựa dịch thời nghiên cứu quang học triết học, bao gồm Alhazen, Aristotle, Avicenna, Averroes, Euclid, al-Kindi, Ptolemy, Tideus Constantine the African Bacon dùng phần khối cầu thủy tinh để làm kính lúp để chứng tỏ ánh sáng phản xạ từ vật thể phát từ chúng Kính mắt phát minh vào khoảng năm 1286 Italia Điều dẫn tới đời ngành cơng nghiệp quang học với mục đích mài cắt đánh bóng thấu kính để làm kính mắt, lúc đầu Venice Florence vào kỷ 13 sau với trung tâm chế tạo kính quang học Hà Lan Đức Những nhà chế tạo kính mắt cải tiến loại thấu kính để hiệu chỉnh hình ảnh dựa kinh nghiệm thực tiễn thu từ quan sát hiệu ứng thấu kính từ lý thuyết quang học thơ sơ ngày (các lý thuyết hồi chưa giải thích kính mắt hoạt động nào) Những phát triển thực tiễn, làm chủ thí nghiệm với thấu kính dẫn tới phát minh trực tiếp kính hiển vi quang học vào khoảng 1595 kính thiên văn phản xạ năm 1608, hai làm trung tâm sản xuất kính quang học Hà Lan Đầu kỷ 17, Johannes Kepler nghiên cứu mở rộng lĩnh vực quang hình học, bao gồm thấu kính, phản xạ từ gương phẳng gương cầu, nguyên lý chụp ảnh qua lỗ hổng, định luật tỷ lệ nghịch đảo bình phương cường độ ánh sáng cách giải thích quang học cho tượng thiên văn nguyệt thực nhật thực thị sai Ông suy luận vai trò võng mạc quan ghi nhận hình ảnh Kepler đánh giá định lượng cách khoa học hiệu ứng mà nhà quang học quan sát từ 300 năm từ loại thấu kính khác Sau kính thiên văn phát minh ra, Kepler thiết lập sở lý thuyết miêu tả hoạt động chúng cách để nâng cao khả phóng đại kính thiên văn, mà ngày gọi kính thiên văn Kepler, với hai thấu kính lồi tạo phóng đại ảnh lớn so với kính thiên văn trước Năm 1611, Kepler xuất “Chiết quang học” ơng vẽ đường tia sáng kính thiên văn Kết hợp nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm, Kepler tìm cơng thức để xác định tiêu cự thấu kính Lý thuyết quang học tiến triển kỷ 17 với cơng trình nhà bác học René Descartes, ơng giải thích nhiều tượng quang học khác phản xạ khúc xạ dựa mơ hình hạt ánh sáng Điều khác so với quan điểm lý thuyết phát xạ người Hy Lạp cổ đại Cuối thập kỷ 1660 1670, Newton mở rộng ý tưởng Descartes thành lý thuyết hạt ánh sáng ơng tiếng với cơng trình xác định ánh sáng trắng tập hợp tia sáng đơn sắc mà tách nhờ lăng kính Năm 1690, Christiaan Huygens nêu lý thuyết sóng ánh sáng dựa đề xuất Robert Hooke nêu vào năm 1664 Chính Hooke phê bình lý thuyết Newton hạt ánh sáng phản đối hai người kéo dài tận Hooke qua đời Năm 1704, Newton cho xuất Opticks, hợp tác phẩm thí nghiệm ơng ánh sáng, màu sắc quang học, trình diễn lí thuyết hạt ánh sáng ơng Là kiệt tác vật lí thực nghiệm, sách khơng trình bày cơng phu nghiên cứu trước ơng quang học, mà nêu rõ làm sử dụng thí nghiệm để khảo sát đề tài Ơng giải thích cách sử dụng giả thuyết để thúc đẩy thêm thí nghiệm thu thập đủ thơng tin để thức đề xuất lí thuyết Cuộc tranh luận hai người chất ánh sáng dường có phần thắng thuộc Newton thời Trắc quang học thành tựu quan trọng quang học kỉ XVIII Người sáng lập trắc quang học Bughe (1698-1758) Lambe (1728-1777) Bughe định nghĩa khái niệm trắc quang học mà ngày gọi “quang thông”, “cường độ sáng nguồn”, “độ rọi”, “độ chói” Bughe xây dựng nguyên tắc phép đo trắc quang học, thiết kế quang kế đơn giản xây dựng phương pháp san độ rọi nhiều nguồn sáng khác tạo Ơng tìm định luật hấp thụ ánh sáng: bề dày lớp hấp thụ tăng cường độ quang thơng giảm theo quy luật lũy thừa Định luật định luật phụ thuộc độ rọi vào khoảng cách tới nguồn sáng ngày goik cách không định Lambe Lambe xác hóa thêm khái niệm trắc quang học phát minh định luật phụ thuộc đọ chói vào góc nghiêng tia sáng tới thuộc độ chói nguồn sáng vào góc ánh sáng Những thành tựu đáng kể khác việc phát minh ống kính tiêu sắc dùng cho kính thiên văn kính viễn vọng (một việc mà Newton cho làm được) việc Bratlay phát minh tượng tinh sai vào năm 1728 Phát minh cho phép xây dựng phép đo vận tốc ánh sáng có vai trò quan trọng phát triển quang học môi trường chuyển động Những thành tựu nghiên cứu quang học kỉ XVIII nghèo nàn Thuyết sóng ánh sáng đời, đưa phương pháp khác để giải thích tượng quang học mà thuyết hạt ánh sáng giải thích Thuyết sóng ánh sáng chưa đủ sức giải thích nhiễu xạ giao thoa ánh sáng phát từ kỉ XVII Vì cuối kỉ thứ XVIII thuyết hạt ánh sáng chiếm ưu lí thuyết Huygens, Euler Lomonoxop ủng hộ bị lãng quên với cường độ ánh sáng mạnh electron ngày tích tụ nhiều lượng để khỏi kim loại, thực tế thí nghiệm lại khơng phải Einstein nhận thấy rằng, chiếu ánh sáng có tần số thấp vào kim loại, hiệu ứng khơng thể xảy ra, dù chiếu với cường độ mạnh Ngược lại chiều ánh sáng với tần số cao, ánh sáng cực tím hiệu ứng lại xảy mà không cần khoảng thời gian để electron tích lũy lượng Để giải thích tượng kì lạ này, Einstein đặt vấn đề cần xem xét lại chất ánh sáng Ông đưa giả thuyết táo bạo hiệu ứng quang điện giải thích sóng ánh sáng bị kim loại hấp thụ khơng phải sóng liên tục mà cấu thành từ “hạt” hay lượng tử lượng xác định Năng lượng tùy tiện lấy bất kì, mà bội số tần số Einstein khai triển thuyết lượng tử Plank đưa thuyết photon, cho lượng ánh sáng tập trung hạt nhỏ gọi photon hay quang tử Trong khn khổ giả thuyết Einstein giải thích tất kiện thực nghiệm quan sát Như vậy, lần ánh sáng lại khẳng định chất hạt nó, nhiên ta thấy quan niệm “hạt ánh sáng” Einstein đưa khác với quan niệm trước Newton, khơng phải hạt học đơn giản quan niệm Newton mà có thuộc tính riêng Nhờ vào giả thuyết lượng tử ánh sáng Einstein hồn tồn giải thích thí nghiệm hiệu ứng quang điện Chính “Hiệu ứng quang điện” cơng trình mang đến cho Einstein giải thưởng Nobel “Thuyết tương đối hẹp” nhiều người thường lầm tưởng Các cơng trình thực nghiệm khẳng định tính hạt ánh sáng 1887 - Hertz giúp thiết lập hiệu ứng quang điện (mà sau giải thích Albert Einstein) ông nhận thấy vật nhiễm điện âm chiếu sáng tia cực tím bị giảm bớt điện tích âm 1900 - Max Planck sáng tạo lý thuyết lượng tử 1905 - Công trình Albert Einstein hiệu ứng quang điện, thuyết photon ánh sáng lại khẳng định chất hạt 1920 - Các thí nghiệm nhà vật lí người Mĩ Arthur H.Compton chứng minh photon có xung lượng, yêu cầu cần thiết để củng cố lí thuyết vật chất lượng hốn đổi cho hiệu ứng Compton 46 1924 - De Broglie nêu lên khái niệm “sóng vật chất” luận án tiến sĩ Những tranh cãi xoay quanh chất ánh sáng – sóng hay hạt ? Bản chất đích thực ánh sáng khả kiến bí ẩn làm lúng túng loài người nhiều kỉ Các nhà khoa học Hy Lạp thuộc trường phái Pythagore cổ đại cho vật khả kiến phát dòng hạt đặn, Aristotle kết luận ánh sáng truyền theo kiểu giống sóng đại dương Mặc dù ý tưởng trải qua hàng loạt cải tiến thu tiến đáng kể kỉ 20 Hình 31: Ánh sáng sóng hạt Một quan điểm nhìn nhận ánh sáng giống sóng tự nhiên, chúng tạo lượng truyền không gian theo kiểu tương tự gợn sóng lan dần bề mặt ao nước phẳng lặng sau bị đá rơi xuống làm nhiễu động Quan điểm đối lập cho ánh sáng gồm dòng hạt đặn, giống với giọt nước nhỏ xíu phun từ vòi tưới vườn Trong vài kỉ qua, quan điểm trí khoảng thời gian đó, lại bị lật đổ chứng cho quan điểm Vào đầu kỉ 19, chủ đề chất ánh sáng đẩy cộng đồng khoa học tới chỗ chia phe dựng trại chiến đấu kịch liệt bảo vệ cho giá trị lí thuyết ưa chuộng họ Một nhóm nhà khoa học, người tán thành thuyết sóng, tập trung bàn luận khám phá nhà khoa học người Hà Lan Christiaan Huygens Còn trại bên trích dẫn thí nghiệm lăng kính ngài Isaac Newton 47 Lý thuyết khúc xạ ánh sáng Huygens, dựa khái niệm chất giống sóng ánh sáng, cho vận tốc ánh sáng chất tỉ lệ nghịch với chiết suất Nói cách khác, Huygens cho ánh sáng bị bẻ cong, hay khúc xạ, vào chất, chậm truyền qua chất Những người ủng hộ ơng kết luận ánh sáng dòng hạt, xảy kết ngược lại, ánh sáng vào mơi trường đậm đặc bị phân tử môi trường hút vận tốc tăng lên, khơng giảm xuống Mặc dù lời hòa giải cho cãi vã đo vận tốc ánh sáng chất khác nhau, khơng khí thủy tinh chẳng hạn, thời kì đó, dụng cụ dùng để làm việc chưa đời Thêm nữa, ánh sáng chuyển động với vận tốc, bất chấp mơi trường mà qua Phải 150 năm sau, vận tốc ánh sáng đo với độ xác cao để chứng minh thuyết Huygens Hình 32: Những nhà tiên phong ngành vật lý nghiên cứu ánh sáng khả kiến Bất chấp danh cao vọng trọng ngài Isaac Newton, số nhà khoa học có danh tiếng vào đầu năm 1700 không tán thành thuyết tiểu thể ông Một số người tranh luận ánh sáng hạt, hai chùm sáng cắt ngang nhau, số hạt va chạm lên gây chệch hướng chùm sáng Rõ ràng điều không xảy ra, nên họ kết luận ánh sáng tập hợp hạt rời rạc Huygens, đề xuất chun luận năm 1690 ơng rằng, sóng ánh sáng truyền không gian qua trung gian ête, chất bí ẩn khơng trọng lượng, tồn thực thể vơ hình khơng khí khơng gian Công săn lùng ête ngốn lượng đáng kể tài nguyên kỉ 19 trước cuối phải dừng lại Thuyết ête tồn cuối năm 1800, chứng mô hình 48 Charles Wheatstone đề xuất, chứng minh ête mang sóng ánh sáng cách dao động theo hướng vng góc với hướng truyền sóng mơ hình chi tiết James Clerk Maxwell mô tả việc xây dựng chất vơ hình Năm 1887, nhà vật lý người Mỹ, Albert Michelson ( 1852 – 1931), đồng nghiệp ông Edward Morley ( 1838 – 1923) thực nghiệm để kiểm tra tồn ête Nhưng sau nhiều lần thực thí nghiệm hai ông kết luận vận tốc ánh sáng khơng thay đổi dù lan truyền theo phương Sau thí nghiệm Michelson Morley, người dần phải chấp nhận chất “ ete” sản phẩm trí tưởng tượng, có nhiều nhà khoa học cố gắng để “ cứu” lấy khái niệm Và chuyện dừng lai đó, Albert Einstein ( 1879 – 1955) khẳng định nguyên nhân thật đơn giản để lí giải vấn đề trên, ông cho môi trường ête khơng tồn tại, sóng ánh sáng, khác với sóng khác, khơng gian hồn tồn trống rỗng Và Einstein giải thích quan điểm thuyết tương đối hẹp Vào năm 1799, Thomas Young, nhà Vật lý người Anh phản đối thuyết hạt ánh sáng Newton thuyết hạt ánh sáng khơng giải thích tượng quang học xảy mặt phân cách hai môi trường (phản xạ, khúc xạ) Năm 1801, ông đưa thuyết ánh sáng dựa vào thuyết ete vũ trụ, cảm giác màu sắc khác tác động lên võng mô tần số dao động khác nhau, giới thiệu thí nghiệm khe, sóng ánh sáng sóng dọc Năm 1802, Young giải thích tượng giao thoa ánh sáng nhờ nguyên lý chồng chất sóng: Khi ánh sáng nguồn sáng truyền đến mắt ta theo hai đường khác nhau, ánh sáng mạnh điểm mà hiệu đường bội số nguyên “độ dài đó”, độ đài phụ thuộc vào màu sắc Bằng thực nghiệm ông đo độ dài bước sóng Mặc dù quan trọng, kết luận Young khơng chấp nhận rộng rãi vào lúc đó, chủ yếu niềm tin mãnh liệt vào thuyết hạt Năm 1815, Augustin Fresnel phản đối thuyết hạt ánh sáng Newton thuyết hạt ánh sáng khơng giải thích tượng giao thoa, nhiễu xạ phân cực ánh sáng Fresnel làm thí nghiệm giao thoa ánh sáng với gương Fresnel cơng nhận ánh sáng có chất sóng Ơng bổ sung số định đề vào nguyên lý Huygens giải thích thành cơng tượng nhiễu xạ ánh sáng (Nguyên lý Huygens: Bất kỳ điểm mà ánh sang truyền tới trở thành nguồn phát 49 sáng thứ cấp phát sáng phía trước nó) Ơng cho ánh sáng sóng ngang giải thích phân cực ánh sáng Vào kỉ 19, nhà khoa học không ngừng bị thuyết phục trước đặc trưng giống sóng ánh sáng, chỗ hổng lớn chưa lấp đầy Đó ánh sáng thật gì? Một đột phá thực nhà vật lí người Anh James Clerk Maxwell ông phát thấy tất dạng xạ điện từ có phổ liên tục truyền qua chân không với tốc độ: 186000 dặm giây Khám phá Maxwell thật đóng đinh quan tài cho thuyết hạt vào buổi bình minh kỉ 20, câu hỏi ánh sáng lí thuyết quang học cuối trả lời Một tai họa lớn ập đến với thuyết sóng vào cuối thập niên 1880, nhà khoa học lần phát thấy, điều kiện định, ánh sáng đánh đuổi electron khỏi nguyên tử vài kim loại Mặc dù lúc đầu tượng hiếu kì khơng giải thích nổi, người ta nhanh chóng phát thấy ánh sáng cực tím làm bật electron từ nguyên tử nhiều kim loại, làm cho chúng tích điện dương Nhà vật lí người Đức Phillip Lenard trở nên bị lôi vào quan sát ơng đặt tên cho “hiệu ứng quang điện” Lenard dùng lăng kính để tách ánh sáng trắng thành thành phần màu cho hội tụ có chọn lọc màu lên đĩa kim loại để tống khứ electron khỏi Cái Lenard phát làm ơng bối rối ngạc nhiên Đối với bước sóng ánh sáng cụ thể (chẳng hạn ánh sáng xanh dương), electron tạo không đổi, hay lượng lượng ổn định Việc giảm tăng lượng ánh sáng tạo tăng giảm tương ứng số electron giải phóng, electron có lượng cũ Nói cách khác, electron khỏi liên kết nguyên tử có lượng phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng, khơng phải cường độ ánh sáng Điều trái với mà thuyết sóng mong đợi Lenard khám phá mối liên hệ bước sóng lượng: bước sóng ngắn làm phát sinh electron có lượng lớn 50 Hình 33: Hiệu ứng quang điện Việc thiết lập mối quan hệ ánh sáng nguyên tử có vào đầu thập niên 1800 William Hyde Wollaston khám phá thấy phổ Mặt Trời dải sáng liên tục mà chứa hàng trăm bước sóng bị thiếu Trên 500 vạch hẹp ứng với bước sóng bị thiếu lập biểu đồ nhà vật lí người Đức Joseph von Fraunhofer, người đặt kí hiệu chữ cho khe hở lớn Sau này, người ta phát thấy khe hở sinh hấp thụ bước sóng cụ thể nguyên tử lớp bên Mặt Trời Những quan trắc số liên hệ nguyên tử ánh sáng, tác dụng khơng hiểu rõ vào lúc Nhưng đến đầu kỷ XX tượng Hiệu ứng quang điện khơng thể giải thích ta xem ánh sáng sóng Từ ,năm 1905, Albert Einstein đề xuất ánh sáng thực có số đặc trưng hạt, bất chấp chứng tràn ngập cho chất giống sóng ánh sáng Trong phát triển thuyết lượng tử ông, Einstein đề xuất mặt toán học electron gắn liền với nguyên tử kim loại hấp thụ số lượng ánh sáng định (ban đầu đặt tên lượng tử, sau đổi tên photon) có lượng để ngồi Ơng cho lượng photon tỉ lệ nghịch với bước sóng bước sóng ngắn tạo electron có lượng lớn, giả thuyết hình thành sở kết nghiên cứu Lenard Sau 10 năm, thập niên 1920, lí thuyết Einstein tính chất hạt ánh sáng lần củng cố thí nghiệm nhà vật lí người Mĩ Arthur H.Compton, người chứng minh photon có xung lượng, u cầu 51 Hình 33: Hiệu ứng quang điện cần thiết để củng cố lí thuyết vật chất lượng hốn đổi cho nhau, hiệu ứng sau gọi hiệu ứng Compton Đó tượng xảy Compton nghiên cứu khuếch tán (hay tán xạ) tia X graphit (than chì) Trong thí nghiệm mình, ông nhận thấy cho chùm tia X có độ dài sóng l qua khối graphit, chùm tia bị khuếch tán Khi khảo sát chùm tia khuếch tán góc khuếch tán nhờ máy quang phổ, người ta thấy ngồi vạch ứng với độ dài sóng l vách ứng với độ dài sóng l’ lớn l Compton giải thích tượng va chạm photon với electron chất khuếch tán, ơng photon hạt có tính học Nếu thừa nhận ánh sáng có chất sóng Compton khơng thể giải thích tượng xảy ra, chấp nhận ánh sáng có chất hạt, sử dụng thuyết photon Einstein ơng giải thích trọn vẹn tượng Như vậy, đầu kỉ thứ 20 tồn câu hỏi đặt cho nhà khoa học: chất ánh sáng sóng hay hạt Trước tượng quang điện xuất người dễ dàng tin ánh sáng sóng điện từ với tượng liên quan đến truyền ánh sáng giao thoa, nhiễu xạ,…Tuy nhiên đầu kỉ 20, với lí thuyết sóng ánh sáng người khơng thể lí giải cho tượng tương tác ánh sáng vật chất hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton… Để có đáp án cho tượng này, người phải chấp nhận quan điểm hạt photon Einstein Vậy ánh sáng thực chất sóng hay hạt? V Lưỡng tính sóng hạt ánh sáng Hình 34: Louis de Broglie 52 Louis Victor Pierre Raymond, đời thứ dòng họ duc de Broglie, (sinh Dieppe, Pháp vào ngày 15 tháng năm 1892 – Louveciennes, Pháp, ngày 19 tháng năm 1987) nhà vật lý Pháp Ông thành viên thứ 16 bu vo v trớ s ca Acadộmie franỗaise(Vin hn lâm khoa học Pháp) năm 1944 thư ký vĩnh viễn Viện hàn lâm khoa học Pháp Ông đoạt Giải Nobel Vật lý năm 1929 Louis de Broglie sinh gia đình quý tộc Dieppe, Seine-Maritime, trai thứ Victor, đệ ngũ công tước Broglie Ơng trở thành đệ thất cơng tước Broglie sau người anh trai khơng có người thừa kế qua đời vào năm 1960, Maurice, đệ lục công tước Broglie, nhà vật lý Ơng khơng kết hôn Khi ông qua đời Louveciennes, ông truy tặng tước công tước từ họ hàng xa, Victor-Franỗois, bỏt cụng tc ca Broglie De Broglie dự định theo nghề khoa học nhân văn, nhận ngành lịch sử Sau đó, ông chuyển ý ông toán học, vật lý tốt nghiệp vật lý Với bùng nổ chiến thứ vào năm 1914, ông gia nhập quân ngũ tham gia vào việc phát triển thông tin vô tuyến Năm 1924, hội nghị nhà vật lí Leningrad nêu lên nhận xét thuyết sóng lẫn thuyết lượng tử khơng có khả bao qt hết tượng quang học Cần xây dựng lí thuyết tồn diện ánh sáng, cho phép giải quán tượng quang học biết Cũng khoảng thời gian nghiên cứu Compton, luận án tiến sĩ mình, Broglie (1892-1987) đề xuất hướng hoàn toàn mẻ Khi nghiên cứu mẫu nguyên tử Bohr, De Broglie nảy ý tưởng không nên coi electron hạt mà gán cho tính tuần hồn De Broglie đặt vấn đề: Nếu lí thuyết ánh sáng, suốt kỉ người ta coi nhẹ khái niệm “hạt”, sử dụng khái niệm “sóng”, lý thuyết vật chất người ta có phạm sai lầm tương tự khơng, có coi nhẹ khái niệm “sóng” sử dụng khái niệm “hạt” khơng? De Broglie sửa chữa sai lầm nêu lên khái niệm “sóng vật chất” Ý tưởng sóng vật chất ý tưởng kỳ lạ Nếu ý tưởng lượng tử lượng, hạt ánh sáng nảy sinh nhu cầu phải giải thích số tượng cụ thể, lúc khơng có kiện thực nghiệm đặt yêu cầu phải nảy sinh ý tưởng sóng vật chất Ý tưởng nảy tư tinh tế De Broglie, ơng đưa vào luận án tiến sĩ mà ông bảo vệ năm 1924 Einstein khun học trò đọc kỹ luận án Einstein nói: "Nó giống viết gã 53 điên rồ, lập luận vững vàng" Ý tưởng De Broglie gây ấn tượng mạnh mẽ đến Schrödinger, sở Schrưdinger xây dựng nên phương trình Schrưdinger tiếng Ông cho tất vật chất xạ có tính chất vừa giống sóng vừa giống hạt Tính chất sóng thể tượng giao thoa, nhiễu xạ v.v…, tính chất hạt thể tượng quang điện, compton v.v…Lưỡng tính sóng hạt Einstein nêu lên thuyết lượng tử ánh sáng Theo thuyết ánh sáng cấu tạo hạt photon và: Dưới dẫn Max Planck, De Broglie ngoại suy công thức tiếng Einstein liên hệ khối lượng với lượng chứa số Planck: E  hf  mc � hf  pc hf c h � p  h � p � p Trong đó: E lượng hạt, m khối lượng, c vận tốc ánh sáng, h số Planck f tần số Từ hai công thức ta thấy rõ: đại lượng đặc trưng cho tính chất hạt (E, p), đại lượng đặc trưng cho tính chất sóng (λ, f) ánh sáng liên hệ chặt chẽ với Do ánh sáng chất dạng lượng chuyển hóa cho nhau, nên De Broglie cho chất có tính chất lưỡng tính hạt như: electron sau vi hạt khác có tính chất sóng hạt Nếu áp dụng hệ thức cho electron cho hạt vật chất nói chung có khối lượng m vận tốc v ta nói hạt vật chất có bước sóng tần số là: 54 Chú ý : Vì sóng khơng phải sóng điện từ Nếu vật chất chuyển động giống hạt với động lượng p di chuyển giống lan truyền sóng với bước sóng λ Bước sóng sau gọi bước sóng De Broglie hạt Bản thân De Broglie nhà vật lý khác lúc khơng xác định chất sóng De Broglie chứng minh electron chuyển động quỹ đạo khép kín với vận tốc khơng đổi v