5. Cấu trúc khóa luận
3.3.1 Những thí nghiệm về sự nhiễu xạ
Từ định luật truyền thẳng của ánh sáng ta có thể suy ra rằng, sau các vật không trong suốt sẽ là những bóng tối rõ nét, in lại chu vi của các vật, còn sau các lỗ là những vết sáng có chu vi rõ nét. Trong cả hai trường hợp vùng bóng tối khác biệt với vùng được chiếu sáng một cách rõ rệt. Vấn đề đặt ra là có phải điều đó lúc nào cũng đúng hay không? Ta có thể trả lời được điều đó sau khi làm hàng loạt các thí nghiệm với các sóng có bản chất vật lý khác nhau.
3.3.1.1. Nhiễu xạ của các sóng cơ.
Hình 3.2: Nhiễu xạ của sóng mặt.
Trên đường truyền của các sóng này người ta đặt một miếng kim loại hay miếng thủy tinh 3 dưới đáy của bể sóng và song song với que rung. Mép trên của miếng thủy tinh hay kim loại ló lên mặt nước. Thí nghiệm tiến hành với ba miếng có chiều dài khác nhau.
Trong trường hợp thứ nhất sóng mặt hầu như không đi vào vùng “bóng tối” hình học của miếng kim loại, trong trường hợp thứ hai hiên tượng nhiễu xạ quan sát được khá rõ như hình vẽ:
sóng hai miếng kim loại dọc theo một đường thẳng, giữa hai đầu mút của chúng hình thành một khe. Các miếng kim loại này ló lên khỏi mặt nước. Ta cũng xét ba trường hợp như trên.
Trong trường hợp thứ nhất một chùm tia song song đi qua khe. Trường hợp thứ hai chùm tia đi qua khe không còn song song nữa và sóng đi vào vùng bóng tối hình học như hình vẽ.
Hình 3.4: Sự truyền sóng sau khe
Trường hợp thứ ba sóng truyền dưới dạng những vòng tròn đồng tâm mà tâm ở tại điểm giữa của khe hẹp.
Sóng phẳng PQ trên đường truyền gặp một vật không trong suốt và nó bị giữ lại. Phần sóng phẳng còn lại tiếp tục truyền theo phương cũ. Các điểm A và B của sóng phẳng, đối với trường hợp nửa mặt phẳng là điểm A, trở thành tâm của các sóng nguyên tố. Trong sóng phẳng và trong các sóng nguyên tố đỉnh sóng được biểu diễn bằng những đường liền nét, còn hõm sóng được biểu diễn bằng những nét đứt. Hiệu số pha giữa chúng bằng . Ta đi khảo sát sự giao thoa của các sóng phẳng và các sóng cầu nguyên tố.
Hình 3.5: Hiện tượng nhiễu xạ từ một màn.
Hình 3.6: Hiện tượng nhiễu xạ từ một mặt phẳng.
Tại các điểm D, C, E nghĩa là trong vùng bóng tối hình học, dao động được tăng cường và tại những chỗ đó quan sát được các cực đại nhiễu xạ, trên hình vẽ là những vòng tròn trắng. Tại các điểm K, L, M và N, nghĩa là trong vùng lẽ ra phải được rọi đều, dao động lại bị yếu đi và khi biên độ bằng nhau nhưng chỗ đó sẽ tối, trên hình vẽ là những chấm đen. Dựng hình như vậy giúp ta có thể giải thích một cách định tính cơ cấu của hiện tương nhiễu xạ đối với
phát âm 2, và micro 3 được nối với dao động ký điện tử 1. Giữa loa và micro ta đặt màn 5 bằng gỗ mỏng.
Hình 3.7: Sơ đồ thí nghiệm phát hiện nhiễu xạ âm.
Với tần số âm của loa là 5000 Hz sẽ xuất hiện một dóng điện nhỏ trong mạch của một dao động ký. Màn càng hẹp cường độ dòng điện càng tăng lên, nghĩa là hiệu ứng nhiễu xạ của các sóng âm tăng lên.
Cũng với tần số đó của loa, giữa loa và micro đặt hai màn trong cùng một mặt phẳng hình thành một khe hẹp, bề rộng khoảng
2 1
. Khi dịch chuyển
micro vào miền bóng tối hình học ta phát hiện được dòng điện trong mạch dao động ký. Có thể thay đổi tần số của máy phát âm, nghĩa là thay đổi bước sóng âm, cũng như thay đổi bề rộng của màn và khe. Khi dịch chuyển micro ta phát hiện được sự đi cong của các sóng âm trong những điều kiện thí nghiệm khác nhau.
3.3.1.3. Nhiễu xạ của sóng điện từ.
Angten loa của đài phát và đải thu hướng vào nhau và cách nhau khoảng 1m như hình vẽ. Giữa chúng ta đặt lần lượt một đĩa kim loại và một màn kim loại hẹp.
Hình 3.8
Loa vang lên trong vùng bóng tối hình học sau đĩa hay sau màn hẹp và ở hai phía của khe.
3.3.1.4. Nhiễu xạ ánh sáng.
Do bước sóng ánh sáng rất bé nên để làm thí nghiệm về nhiễu xạ ánh sáng khó hơn nhiều so với các thí nghiệm về nhiễu xạ sóng cơ, sóng âm và sóng điện từ. Việc phát hiện được hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng từ các màn tròn và lỗ hẹp cũng rất khó khăn nên có thể chiếu hai phim về ảnh nhiễu xạ thu được khi ánh sáng truyền gặp một đĩa tròn nhỏ hay truyền qua một lỗ tròn nhỏ.
Trong trường hợp thứ nhất, sau đĩa tròn không trong suốt, nghĩa là trong vùng theo định luật quang học phải hoàn toàn là bóng tối, thì lại quan sát được ảnh nhiễu xạ. Nó gồm một hệ những vân tròn đồng tâm sáng và tối mà tâm luôn là cực đại sáng.
lớn. Tuy nhiên trong những trường hợp này ở khoảng cách không lớn các cực đại và cực tiểu nhiễu xạ sắp xếp dày đặc hơn và tập trung sát nhau ở miền chuyển tiếp giữa chỗ tối hoàn toàn và chỗ được rọi đều. Có thể quan sát chúng bằng kính lúp hay kính hiển vi.
Ở khoảng cách lớn ảnh nhiễu xạ tăng kích thước nhưng cường độ sáng lại giảm đi rất nhiều. Để phát hiện sự nhiễu xạ trong trường hợp này ta có thể chụp ảnh nó nhờ những nguồn sáng mạnh.
Nếu miền chuyển tiếp từ bóng tối sang chỗ rọi đều rất bé so với kích thước của vật không trong suốt thí thực tế các định luật quang hình học được thực hiện.
Ta khảo sát một thí nghiệm với màn hẹp. Nguồn sáng là đèn chiếu 1. Ánh sáng được hướng qua thấu kính 2 lên khe điều chỉnh được 3 (chiếu sáng toàn bộ khe) và đến sợi chỉ mảnh 4. Hình ảnh nhiễu xạ sẽ quan sát trên màn trắng tán xạ ánh sáng và di chuyển được 5. Để dễ nhìn thấy ta đặt màn dưới
góc 45 đối với quang trục của thiết bị và hướng màn về phía người quan sát.
Mặt phẳng chứa dây tóc đèn chiếu vuông góc với mặt thấu kính, còn mép thì song song với khe. Khe và sợi chỉ, hay màn hẹp, trên đó xảy ra nhiễu xạ phải hoàn toàn song song nhau. Nguồn sáng được điều chỉnh sao cho sợi chỉ được rọi sáng nhất và đều nhất.
Có thể thấy sợi chi mảnh 4 băng một khe thứ hai có thể điều chỉnh được. Bề rộng của khe thứ nhất khoảng 0,2 mm; còn bề rộng của khe thứ hai được điều chỉnh bằng ốc cho đến khi ta thu được ảnh nhiễu xạ trên màn không trong suốt hay kính mờ.
Ảnh nhiễu xạ gồm một dãy những vân sáng và tối liên tiếp nhau và song song với màn hẹp hay khe hẹp. Khi quan sát với ánh sáng đơn sắc, đặt kính lọc sắc sau khe thứ nhất, các vân sáng là những vân có màu của kính lọc sắc.
Đối với trường hợp màn hẹp tại chính giữa ảnh nhiễu xạ là một vân sáng, màu của nó là màu của kính lọc sắc được dùng. Khi chiếu bắng ánh sáng trắng vân sáng này có màu trắng. Trong trường hợp khe hẹp vân trung tâm là sáng hay tối có thể thay đổi vân trung tâm từ sáng sang tối và ngược lại, nếu từ từ thay đổi bề rộng của khe thứ hai hay khoảng cách từ khe này đến màn 5.
Ta đi so sánh ảnh nhiễu xạ thu được từ các màn tròn và lỗ tròn với ảnh nhiễu xạ thu được từ các màn và khe hẹp. Trong trường hợp thứ nhất ảnh nhiễu xạ gồm những vòng tròn đồng tâm, trong trường hợp thứ hai gồm những vân thẳng song song. Tại tâm của ảnh nhiễu xạ thu được từ một màn tròn nhỏ và màn hẹp bao giờ cũng là cực đại sáng, còn từ lỗ tròn và khe hẹp có thể là cực đại hay cực tiểu. Cùng với sự tăng kích thước của vật cản các vòng tròn và vân nhiễu xạ giãn rộng ra đến chu vi bóng tối của vật cản và
xảy ra sự phân bổ lại năng lượng của sóng theo nhưng phương pháp khác nhau phù hợp với định luật bảo toàn năng lượng.