Chương 3: VẬN DỤNG GIẢI THÍCH THÀNH CÔNG MỘT SỐ HIỆN TƯỢNG ÁNH SÁNG
3.3.HIỆN TƯỢNG PHẢN XẠ ÁNH SÁNG
3.3.1 Mô tả hiện tượng
Hình 3.7: Sự phản xạ từ mặt nước
Sự phản xạ ánh sáng (và các dạng khác của bức xạ điện từ) xảy ra khi sóng chạm phải một bề mặt hoặc một ranh giới khác không hấp thụ năng lượng bức xạ và làm bật sóng ra khỏi bề mặt đó. Ví dụ phản xạ ánh sáng đơn giản nhất là bề mặt của một hồ nước phẳng lặng, ở đó ánh sáng tới bị phản xạ theo kiểu có trật tự, tạo ra ảnh rõ ràng của quang cảnh xung quanh hồ. Ném một hòn đá xuống hồ (xem hình 3.7), và nước bị nhiễu loạn hình thành sóng, làm phá vỡ sự phản xạ bởi nó làm tán xạ các tia sáng phản xạ theo mọi hướng.
3.3.2 Cơ sở kiến thức
Phản xạ ánh sáng là hiện tượng phản xạ toàn bộ tia sáng tới, xảy ra ở mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt.
Điều kiện để có phản xạ toàn phần:
+ Ánh sáng truyền từ một môi trường tới môi trường chiết quang kém hơn. + Góc tới lớn hơn hoặc bằng góc giới hạn
3.3.3 Giải thích hiện tượng
Một số lời giải thích sớm nhất cho sự phản xạ ánh sáng xuất phát từ nhà toán học Hy Lạp cổ đại Euclid, người đã dẫn ra một loạt thí nghiệm vào khoảng năm 300 trước
Công nguyên, và có vẻ đã có một sự hiểu biết tốt về cách ánh sáng bị phản xạ. Tuy nhiên, phải mất hơn một thiên niên kỉ và 5 thế kỉ nữa thì nhà khoa học người Arab Alhazen mới đề ra được một định luật mô tả chính xác điều xảy ra với tia sáng khi nó chạm phải một bề mặt phẳng và rồi bật trở lại vào không gian.
Sóng ánh sáng đến gọi là sóng tới, và sóng bật khỏi bề mặt gọi là sóng phản xạ. Ánh sáng trắng khả kiến có hướng đi đến bề mặt gương ở một góc (tới) bị phản xạ trở lại vào không gian bởi mặt gương ở một góc khác (góc phản xạ) bằng với góc tới, như biểu diễn trên hình 3.8 cho hoạt động của chùm tia sáng phát ra từ đèn flash tác dụng lên bề mặt gương phẳng, nhẵn. Như vậy, góc tới bằng với góc phản xạ đối với ánh sáng khả kiến cũng như mọi bước sóng khác thuộc phổ bức xạ điện từ. Ý tưởng này thường được gọi là định luật phản xạ. Điều quan trọng cần lưu ý là ánh sáng không tách thành các màu thành phần của nó do nó không bị “bẻ cong” hoặc bị khúc xạ, và mọi bước sóng đều bị phản xạ ở góc bằng nhau. Bề mặt phản xạ ánh sáng tốt nhất phải rất nhẵn, ví dụ như gương thủy tinh hoặc mặt kim loại láng bóng, mặc dù tất cả mọi bề mặt đều phản xạ ánh sáng ở mức độ nào đó.
Hình 3.8: Giải thích sự phản xạ ánh sáng
Do ánh sáng hành xử trong một số kiểu giống như sóng và trong một số kiểu khác lại giống như hạt, nên một vài lí thuyết phản xạ ánh sáng độc lập nhau đã ra đời. Theo thuyết sóng, sóng ánh sáng trải ra từ nguồn phát theo mọi hướng, và va chạm lên gương, bị phản xạ ở góc được xác định bởi góc mà ánh sáng đi tới. Quá trình phản xạ làm đảo ngược sóng sau ra trước, đó là lí do tại sao người ta lại nhìn thấy ảnh lộn ngược. Hình dạng của sóng ánh sáng phụ thuộc vào kích thước của nguồn sáng và khoảng cách mà ánh sáng truyền đi để chạm tới gương. Mặt sóng phát ra từ một nguồn ở gần gương sẽ bị cong nhiều, còn mặt sóng phát ra từ một nguồn ở xa sẽ gần như là thẳng, nhân tố sẽ ảnh hưởng tới góc phản xạ.
Theo thuyết hạt, khác biệt với ý tưởng sóng ở một vài chi tiết quan trọng, thì ánh sáng đi đến gương dưới dạng một dòng hạt nhỏ xíu, gọi là photon, chúng bật khỏi bề mặt
gương khi chạm phải. Vì các hạt quá nhỏ, chúng truyền đi rất gần nhau (hầu như liên tục) và nảy trở lại từ những điểm khác nhau, nên trật tự của chúng bị đảo ngược lại, tạo ra ảnh gương. Tuy nhiên, dù cho ánh sáng là sóng hay là hạt thì kết quả của sự phản xạ đều như nhau. Ánh sáng phản xạ tạo ra ảnh gương.
Lượng ánh sáng bị phản xạ bởi một vật, và cách thức nó bị phản xạ, phụ thuộc nhiều vào mức độ nhẵn hoặc kết cấu của bề mặt vật. Khi các khiếm khuyết bề mặt nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng tới (như trường hợp gương), thì hầu như tất cả ánh sáng bị phản xạ giống nhau. Tuy nhiên, trong thế giới thực, đa số các vật có bề mặt gồ ghề biểu hiện sự phản xạ khuếch tán, với ánh sáng tới bị phản xạ theo mọi hướng. Nhiều vật mà chúng ta nhìn thấy ngẫu nhiên trong cuộc sống hàng ngày (con người, xe hơi, nhà cửa, động vật, cây cối,...) tự chúng không phát ra ánh sáng khả kiến mà phản xạ ánh sáng Mặt Trời tự nhiên và ánh sáng nhân tạo đi tới chúng. Thí dụ, một quả táo trông có màu đỏ chói vì nó có bề mặt tương đối nhẵn phản xạ ánh sáng đỏ và hấp thụ các bước sóng không phải màu đỏ (như màu xanh lá cây, xanh dương, và vàng) của ánh sáng. Sự phản xạ ánh sáng có thể phân loại thô thành hai loại phản xạ. Sự phản xạ phản chiếu được định nghĩa là ánh sáng phản xạ từ một bề mặt nhẵn ở mộc góc xác định, còn sự phản xạ khuếch tán được tạo ra bởi những bề mặt gồ ghề có xu hướng phản xạ ánh sáng theo mọi hướng. Trong môi trường sống hàng ngày của chúng ta, sự phản xạ khuếch tán xảy ra nhiều hơn so với phản xạ phản chiếu.