8. Các chữ viết tắt trong đề tài
2.6.2.4.Lưỡng tính sóng hạt của ánh sán g– Mô hình ánh sáng
Trong phạm vi thuyết phôtôn ánh sáng, ta hiểu sự thống nhất giữa tính chất sóng và tính chất hạt của ánh sáng như thế nào?
Trước hết bản chất ánh sáng là bản chất điện từ. Trường sáng là trường điện từ. Trường điện từ vừa có tính chất sóng, vừa có tính chất hạt (lượng tử). Vậy trường sáng có cấu trúc như thế nào để nó thõa mãn đồng thời cả hai tính chất nói trên?
Các thí nghiệm nhiễu xạ đã cho thấy: muốn có ảnh nhiễu xạ, sóng ánh sáng phải đồng thời có mặt tại nhiều điểm cách xa nhau trong không gian. Ngược lại, phôtôn chỉ có thể định xứ lại một điểm trong không gian.
Người ta làm nhiều thí nghiệm có tính chất quyết định để xem ánh sáng thực sự là sóng hay là hạt. Thí dụ, Taylor (Tay lo) cho một chùm tia sáng rất yếu nhiễu xạ qua một cái kim. S là nguồn sáng, E là màn chắn sáng có lỗ nhỏ; F là kính lọc làm yếu ánh sáng; A là cái kim và P là kính ảnh. Chùm sáng được làm yếu đến mức xác suất để cho hai phôtôn cùng gặp kim A rất nhỏ. Sau một thời gian chụp ảnh rất lâu, trên kính ảnh người ta thu được một ảnh nhiễu xạ của kim A, giống hệt như ảnh nhiễu xạ khi ta dugf một chùm sáng mạnh và chụp ảnh trong thời gian ngắn. Như vậy, hiệu ứng do một số lớn phôtôn gây ra, hạt nọ sau hạt kia, trong một thời gian dài cũng đồng nhất với hiệu ứng do một số lớn phôtôn cùng gây ra đồng thời. Điều đó chứng tỏ từng phôtôn một cũng biễu lộ tính chất sóng.
- Những thí nghiệm như trên cho ta cách giải thích xác suất về lưỡng tính sóng–hạt của ánh sáng. - Những thí nghiệm như trên cho ta cách giải thích xác suất về lưỡng tính sóng – hạt của ánh sáng.
Năng lượng thực sự tập trung tại những chỗ có phôtôn; nhưng sự phân bố của phôtôn trong không gian được xác định bởi bình phương biên độ dao động của sóng ứng với phôtôn đó. Nói khác đi, bình phương của biên độ dao động xác định xác suất phân bố phôtôn trong không gian. Vậy sóng này là sóng điện từ hay “sóng xác suất”?
Để hiểu rõ vấn đề này, ta hãy xét sự phát sáng của một nguyên tử. Theo thuyết lượng tử, khi từ một trạng thái kích thích trở về trạng thái cơ bản, nguyên tử sẽ phát ra một phôtôn. Theo điện động lực học, khi đó, nguyên tử phát ra một đoàn sóng điện từ. Đó là một xung lượng điện từ có dạng rất gần tuần hoàn, chứa tới hàng vạn chu kỳ.
Đoàn sóng điện từ này mang toàn bộ năng lường mà nguyên tử phát ra. Đoàn sóng này ứng với một phôtôn.
Theo phương pháp phân tích Fourier (Fu-riê), ta có thể phân tích đoàn sóng này thành một tập hợp của một số rất lớn các sóng phẳng đơn sắc, tuần hoàn vô hạn trong không gian và thời gian, có tần số nằm trong khoản từ d đến d. Tập hợp các sóng này tạo thành một nhóm sóng hay bó sóng. Như vậy, phôtôn ứng với một đoàn sóng tức là ứng với chỗ mà biên độ dao động tổng hợp của
Trang 55
các sóng trong nhóm sóng này khác không. Vận tốc của phôtôn chính là vận tốc của đoàn sóng (tức là vận tốc nhóm của các sóng đó). Tần số của phôtôn là tần số của sóng cơ bản trong nhóm. Khoảng
d
2 là bề rộng tự nhiên của vạch quang phổ ứng với bó sóng. Bề rộng tự nhiên của vạch quang phổ liên hệ với thời gian sống của nguyên tử ở trạng thái hích thích bởi hệ thức bất định Heisenberg:
d
2
Vạch càng đơn sắc, 2d càng hẹp, thì thời gian sống càng dài và đoàn sóng càng chứa nhiều dao động.
Thí dụ: vạch quang phổ 6000 (đỏ)
0
A có chiều rộng tự nhiên 0,01
0
A sẽ ứng với đoàn sóng chứa chừng 600000 dao động. Nói khác đi bó sóng cang “hẹp” thì đoàn sóng càng “dài” và sóng càng đơn sắc. Ta không thể nào thu được một sóng tuyệt đối đơn sắc; vì không thể có trạng thái kích thích có thời gian sống bằng . Điều đó cũng hiển nhiên, vì sóng đơn sắc sẽ là một sóng phảng tuần hoàn vô hạn trong không gian và thời gian, trong khi đó thì phôtôn lại định xứ tại một điểm nhất định.
Tóm lại, mối phôtôn ứng với một đoàn sóng. Đoàn sóng định xứ lại một điểm nhất định trong không gian, trong khi các sóng trong bó sóng là tuần hoàn vô hạn. Bó sóng chỉ là gần đơn sắc.
Sóng ngắn với phôtôn chính là songsa cơ bản của bó sóng đó. Tần số của sóng này là tần số của phôtôn.
Với quan niệm trên về phôtôn, ta có thể giải thích được nhiều hiện tượng quang học theo cách này hay cách khác và hai cách giải thích đó đều đúng vì chúng thống nhất với nhau. Thí dụ, ta có thể giải thích hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng bằng sự phân bố lại của các phôtôn sau khi gặp vật cản, sự phân bố này quyết định bở sóng nhiễu xạ ứng với phôtôn đó; hoặc bằng sự tạo ra thàng những đoàn sóng mới từ những sóng nhiễu xạ của bó sóng tới.
Như vậy, sóng mà ta nói ở đây là sóng điện từ. Trong vùng không gian của đoàn sóng, vừa có phôtôn, vừa có sóng điện từ. Ngoài vùng không gian đó, không có sóng điện từ và không có phôtôn. Nói rằng một khoản không gian nào đó không có song hoặc có những sóng triệt tiêu lẫn nhau, thực tế chỉ là một.
Vấn đề quan trọng khác cần nói đến trong mô hình ánh sáng là vận tốc ánh sáng. Vận tốc của các phôtôn là vận tốc nhóm của sóng ánh sáng, tức là vận tốc của đoàn sóng. Còn vận tốc pha là vận tốc của sóng đơn sắc trong bó sóng ứng với phôtôn đó. Trong môi trường không tán sắc vận tốc pha bằng vận tốc nhóm.
Trong môi trường tán sắc, vận tốc nhóm nhỏ hơn vận tốc pha.
Cuối cùng, cần nhấn mạnh là dùng mô hình bó sóng và đoàn sóng để mô tả phôtôn và sóng ứng với nó không có nghĩa là ta đã trở về quyết định luận cổ điển của Laplace. Theo Couper (Cu pơ) phôtôn (cũng như các hạt cơ bản khác) là những đối tượng cổ điển nào tương tự với chúng cả. Vì vậy, mô tả phôtôn bằng bất kỳ một khái niệm cổ điển nào (sóng hay hạt) cũng đều thiếu sót. Mô hình đẹp nhất của phôtôn là các mô hình toán học, trong đó chứa đựng cả những đặc trưng sóng và hạt của phôtôn. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Mô hình ánh sáng mà chúng ta đề cập ở đây tuy đã rất phức tạp, nhưng vẫn còn thô thiển. Chúng chưa giải thích được nhiều hiện tượng tế vi như sự sinh cặp, sự hủy cặp chẳng hạn. chính vì vậy mà cho đến cuối đời mình, Einstein vẫn còn viết: “Cho đến nay, tôi vẫn còn tiếp tục suy nghĩ xem ánh sáng là gì?”.