5. Cấu trúc khóa luận
2.2.4 Giao thoa ánh sáng
2.2.4.1. Thí nghiệm với gương Fresnel
Đặt hai gương I và II hợp với nhau một góc xấp xỉ 180 (hình 2.5). Một chùm tia sáng từ một nguồn điểm được chiếu vào hai gương này. Do các gương mà chùm tia sáng được tách thành hai chùm. Từ mỗi gương ánh sáng được truyền đi thành chùm phân kỳ. Trục của các chùm làm với nhau một góc nào đó. Sau khi phản xạ cả hai chùm sáng sẽ chồng chất lên nhau tại một miền nào đó trong không gian và tạo thành hiện tượng giao thoa. Màn quan sát hợp với phương truyền sáng một góc nào đó, trường hợp đặc biệt nó bằng
90, và cắt các chùm tia sáng. Hình ảnh giao thoa quan sát được trên màn gồm một dãy các vân sáng và vân tối kế tiếp nhau, vân trung tâm là vân sáng. Vân này nuông góc với đường nối liền các nguồn sáng ảo. Khoảng cách giữa các vân giao thoa phụ thuộc vào màu sắc của các chùm tia sáng.
Hình 2.5: Hiện tượng giao thoa ánh sáng trong thí nghiệm với gương Fresnel.
Các vân sáng giao thoa có màu sắc của kính lọc sáng đặt trước nguồn sáng. Nếu không có kính lọc sáng thì các vân giao thoa sẽ bị lẫn nhiều màu khác nhau. Vân màu tím nằm phía gàn tâm ảnh giao thoa hơn, còn vân màu đỏ nằm xa tâm giao thoa hơn cả. Trong trường hợp này vân giao thoa có màu trắng.
Khi bắt đầu nghiên cứu hiện tượng giao thoa cũng như nhiều hiện tượng quang học khác, trong đó thành phần quang phổ của bức xạ đóng một vai trò xác định thì trước hết ta khảo sát hiện tượng với ánh sáng đơn sắc rồi sau đó mới khảo sát bằng ánh sáng trắng.
Trên hình 2.5 ta thấy rằng, các sóng phản xạ từ hai gương giao thoa với nhau. Các đoạn kéo dài của hai chùm tia sáng hội tụ với nhau ở các điểm S1 và S2. Theo phép dựng hình học thì các điểm này là các ảnh ảo của một
nguồn sáng thực S. Quãng đường ánh sáng đi từ nguồn S đến gương và sau khi phản xạ đến màn và từ ảnh ảo đến màn là như nhau. Các ảnh ảo là tâm của các sóng cầu phản xạ từ các gương.
2.2.4.2. Thí nghiệm với lưỡng lăng kính Fresnel.
Lưỡng lăng kính gồm hai lăng kính hẹp chồng hai đáy với nhau như hình 2.6. Chùm tia sáng từ một nguồn điểm đi qua lăng kính, do hiện tượng khúc xạ bị tách làm đôi.
Hình 2.6: Hiện tượng giao thoa ánh sáng trong thí nghiệm với lưỡng lăng kính Fresnel.
Trường giao thoa được tạo nên tại chỗ gặp nhau của hai chùm kết hợp. Đoạn kéo dài về phía ngược lại của các chùm tia sáng phân kỳ gặp nhau tại các điểm S1 và S2, S1 và S2 là những nguồn ảo. Ta cũng làm tương tự như thí ng nghiệm giao thoa với gương Fresnel.
Hình 2.7: Thiết bị thí nghiệm về giao thoa ánh sáng với lưỡng lăng kính Fresnel.
Điều kiện để hình thành các cực đại và cực tiểu của cương độ sáng trên màn. Hiệu số đường đi của hai sóng đạt đến điểm O bằng không:
S1O - S2O = 0
Vì vậy tại tâm ảnh giao thoa ta thấy một vân sáng, màu của nó là màu của kính lọc sắc, hay một vân màu trắng nếu quan sát hiện tượng giao thoa của ánh sáng trắng. Trong trường hợp này, mỗi cặp sóng đơn sắc ở trong cả hai chum tia đạt đến điểm O có hiệu số pha bằng không nên chúng khuếch đại lẫn nhau. Hỗn hợp tất cả các cặp sóng đơn sắc tại điểm O cho ta vân màu trắng.
Tại điểm A bất kỳ, hiệu số đường đi của hai sóng:
A S A S N S x 1 1 2 (2.9) Nếu 2 6 ; 2 4 ; 2 2
x … thì tại điểm A ta quan sát được vân sáng, cực đại ánh sáng có màu của kính lọc sắc.
Nếu 2 5 ; 2 3 ; 2 1
x … thì tại điểm này ta thấy các vân tối hay cực tiểu ánh sáng.
Đối với ánh sáng đơn sắc thì hình ảnh giao thoa là một hệ các vân sáng cùng một màu, cách biệt với nhau bởi những vân tối, còn đối với các ánh sáng trắng thì các vân sáng nhuốm các màu khác nhau.
Các vân giao thoa nằm đối xứng với vân sáng trung tâm là vân sáng ở chính giữa, cực đại bậc không n = 0. Cực đại đầu tiên bên cạnh n = 1 là tập hợp các vân màu có phần tím ở gần vân cực đại trung tâm. Các cực đại bậc cao hơn, |n| > 1, chồng lên nhau một phần vì thế chúng ít sáng hơn.
Như vậy ta có thể kết luận, hiện tượng giao thoa là một bằng chứng khẳng định ánh sáng có tính chất sóng và thuyết sóng ánh sáng là đúng đắn. Để giải thích hiện tương giao thoa ánh sáng cần phải dùng các khái niệm của thuyết điện từ ánh sáng. Hiện tượng này được tao nên là do điện trường E biến đổi theo hàm số sin của hai sóng điện từ tại chỗ chúng gặp nhau. Kết quả của sự tổng hợp các vector là trường tổng hợp có thể được khuếch đại hay là
bị yếu đi tùy thuộc vào hiệu số pha và giữa vector E1 và E2. Ở đây ta chỉ
xét dao động của vector cường độ điện trường, các vector cảm ứng từ trong sóng điện từ và về sự tổng hợp những vector này theo nguyên lý chồng chất.