Sự giao thoa và photon

5. Cấu trúc khóa luận

2.2.5 Sự giao thoa và photon

Thí nghiệm Valilop về thăng giáng lượng tử trong trường giao thoa: trong miền giao thoa ta đặt màn có hai lỗ tròn sao cho người quan sát nhìn qua một trong hai lỗ thấy một vết sáng màu xanh lá cây, là cực đại giao thoa; còn qua lỗ kia là vết tối, là cực tiểu giao thoa. Ánh sáng từ nguồn sáng bị chắn 0,9 giây và đi qua trong 0,1 giây. Như vậy cứ sau 0,1 giây sẽ xuất hiện một

hiện tượng giao thoa. Thuyết sóng ánh sáng không giải thích được điều này. Từ đó có thể đưa ra các kết luận:

- Hình ảnh giao thoa vẫn giữ nguyên khi cường độ ánh sáng bình thường, điều đó xác nhận tính chất sóng của ánh sáng.

- Theo thuyết lượng tử ánh sáng, photon chỉ rơi vào những chỗ của ảnh giao thoa, tại đó các vân sáng được tạo nên và hoàn toàn không rơi vào nhưng chỗ tại đó là vân tối.

- Tại các vân sáng giao thoa số photon rơi vào đó trong một đơn vị thời gian là khác nhau, nó thay đổi theo thời gian một cách hỗn loạn. Khi cường độ ánh sáng lớn hơn ngưỡng nhìn, mắt không thể phân biệt được sự khác nhau giữa những số photon đó. Vì vậy hiệu ứng nhìn thấy được lấy trung bình. Tại nưỡng nhìn mắt phân biệt được sự khác nhau đó. Hiện tượng quan sát được chứng tỏ ánh sáng có cấu tạo lượng tử.

- Bức xạ ánh sáng gồm các photon, mật độ của chúng thay đổi theo thời gian không đều đặn, nghĩa là mật độ của photon bị thăng giáng.

- Trong hình ảnh giao thoa, khi cường độ ánh sáng yếu ta nhận thấy cả tính chất sóng lẫn tính chất hạt của ánh sáng.

2.3. Cơ cấu của sự tạo thành các sóng kết hợp trong các thí nghiệm của Fresnel. Sự truyền năng lƣợng trong hiện tƣợng giao thoa.

2.3.1. Cơ cấu của sự tạo thành các sóng kết hợp trong các thí nghiệm của Fresnel. Fresnel.

Trong thực tế các chùm tia sáng giao thoa với nhau không phải xuất phát từ các nguồn bức xạ ảo mà từ nguồn sáng thật. Tuy nhiên nguồn sáng thật của ánh sáng nhìn thấy là một tập hợp rất lớn những nguyên tử phát xạ, chúng không phát ra bức xạ hết hợp. Đó là vì thời gian kéo dài của sự phát xạ ánh sáng bởi các nguyên tử rất ngắn, tất cả các nguyên tử bắt đầu và kết thúc

phát xạ ánh sáng vào những thời điểm khác nhau. Vì vậy hiệu số pha giữa các bức xạ của chúng luôn luôn thay đổi một cách hỗn loạn. Ngoài ra khi vật phát sáng một số nguyên tử từ các mức năng lượng cao hơn (trạng thái kích thích cao hơn) chuyển về trạng thái bình thương hay trạng thái trung gian, còn số nguyên tử khác là từ các mức năng lượng ít cao hơn. Do vậy, tần số các bức xạ của chúng sẽ khác nhau. Vì thế các lần cơ bản liên tiếp phát ra ánh sáng bởi cùng một nguyên tử cũng cho ánh sáng có tần số khác nhau. Trong tất cả các trương hợp này ánh sáng phát ra là không kết hợp.

Vì vậy các sóng ánh sáng thu được từ một lần phát xạ của cùng một nguyên tử cần được hứng vào hai gương hay lăng kính. Nhờ các dụng cụ quang học này mà cùng một hệ sóng được tách ra làm hai, sau đó hệ sóng lại tập trung vào một chỗ. Những sóng sáng như thế có cùng tần số, pha ban đầu như nhau và mặt phẳng dao động như nhau vì vậy chúng là những sóng kết hợp. Khi đi được những quãng đường khác nhau, tại chỗ gặp nhau chúng có một hiệu số pha nào đó. Hiệu số pha này giữ không đổi trong suốt thời gian các sóng còn tồn tại tại điểm đó. Do vậy chúng giao thoa với nhau. Điều này cũng đúng với bức xạ của mỗi nguyên tử của nguồn sáng. Kết quả là một hình ảnh giao thoa bền vững được tạo nên.

Giả sử trước hai gương phẳng hợp với nhau một góc nào đó có một quả cầu gỗ dao động dưới một lò xo. Hai ảnh của nó trong gương sẽ thực hiện các dao động đúng nhịp với dao động của quả cầu. Chúng lặp lại một cách chính xác các dao động của quả cầu thật. Nghĩa là các dao động của hai ảnh của nó cũng xảy ra đồng bộ và đồng pha. Vì vậy dao động của quả cầu cũng là dao động kết hợp.

trên mặt nước (hình 2.8a). Quỹ tích của những điểm mà tại đó do sự giao thoa không có dao động của các hạt nước là các hypebol, năng lượng của sóng không truyền qua các đường cong này. Giữa các hypebol, biên độ dao động bằng không, các hạt nước thực hiện dao động.

Hình 2.8: Sự truyền năng lượng trong miền giao thoa.

a) Hình ảnh chung

b) Truyền năng lượng dọc theo một trong những cực đại của các dao động.

Những chỗ lồi và lõm trên hình 2.8b được truyền theo phương giữa các đường hypebol này. Vì vậy trên màn có thể quan sát thấy những gợn sóng chuyển động, tương ứng với hình ảnh giao thoa trên mặt nước. Năng lượng của quá trình truyền sóng được truyền dọc theo chuyển động trông thấy của các sóng. Những miền này trên hình vẽ được đánh dấu bằng những mũi tên. Hình ảnh giao thoa ở trên hình là ở xa các ngòi rung, gần các ngòi rung thì hiện tượng phức tạp hơn.

Trường sáng giao thoa gồm những hệ hypeboloit, trên đó cường độ sáng đạt đến cực đại và cực tiểu. Năng lượng ánh sáng không chảy qua các hypeboloit tương ứng với các cực tiểu ánh sáng mà được truyền đi giữa các mặt này như là truyền đi giữa các kênh có tiết diện vành khăn.

Trong miền giao thoa xảy ra sự phân bổ lại năng lượng ánh sáng. Tại các vân tối của ảnh giao thoa nói chung ánh sáng không đạt đến, còn lại chỗ các vân sáng cường độ ánh sáng từ hai chùm tia sáng được khuếch đại không phải gấp đôi như có thể dự đoán trên cơ sở các định luật quang hình học mà là gấp bốn lần. Như vậy năng lương toàn phần của ánh sáng trong hai chùm tia kết hợp, trước khi giao thoa vẫn giữ nguyên không đổi.

*Biên độ của dao động tổng hợp.

Khi biên độ của các dao động thành phần bằng nhau, tức là a1= a2= a, có thể tìm được biên độ dao động tổng hợp A từ hệ thức:

  

2 2 1 cos

2

a

A (2.9)

trong đó  là hiệu số pha giữa các dao động thành phần.

Năng lượng và cường độ sáng I tỷ lệ với bình phương biên độ. Vì vậy:

  

2i1 cos

I (2.10)

với i là cường độ của mỗi dao động thành phần.

Khi hiệu số pha: 2nthì cường độ tổng cộng sẽ là: I=4i. Khi  (2n1) thì cường độ tổng cộng bằng không: I = 0.

Trong đó n có thể là số nguyên hoặc bằng không.

Sự phụ thuộc của I vào  có thể được minh họa bằng đồ thị hình 2.9. Giá trị tổng cộng của cường độ Ic 2i cũng được chỉ ra trên hình vẽ.

Từ đồ thị ta thấy độ tăng cường độ của các dao động tại một số điểm so với cường độ tổng cộng Ic được bù trừ bằng một độ giảm như thế về cường độ tại một số điểm khác. Như vậy năng lượng ánh sáng trong miền giao thoa được phân bố lại phù hợp với định luật bảo toàn năng lượng.

Hình 2.9: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc cường độ của dao động vào hiệu số pha của các dao động thành phần.

2.4. Sự giao thoa trong các màng mỏng.

“Màng mỏng” hay “lớp mỏng” không nói về bề dày hình học mà chính là biểu diễn khả năng phát hiện hiện tượng giao thoa trong chúng.

2.4.1. Những sự kiện thực nghiệm.

2.4.1.1. Màng xà phòng.

Một dây đồng có đường kính khoảng 2 - 3 mm có các đầu mút được hàn lại và khung được bôi xà phòng trước khi làm thí nghiệm ta đặt một bình sâu chứa đầy dung dịch nước xà phòng, nhúng khung dây chìm vào đó. Sau đó từ từ hạ thấp bình chứa dung dịch cho màng xà phòng phủ lên khung. Các vân giao thoa được tạo thành trên màng xà phòng. Người ta chiếu màng mỏng thu được đó lên trên màn quan sát bằng ánh sáng truyền qua (hay ánh sáng phản xạ). Mặt màng mỏng được đặt thẳng đứng.

Trên hình 2.10, ánh sáng từ nguồn sáng của đèn chiếu 1 được thấu kính 2 hướng đi qua kính lọc sắc 3 đập vào khung có màng xà phòng 4 và rọi đều nó. Chùm ánh sáng sau khi đi qua màng xà phòng được tập trung bởi vật kính 5 và đi vào lăng kính đảo hình 6. Hình ảnh giao thoa được chiếu lên màn 7.

Hình 2.10: Sơ đồ thí nghiệm về giao thoa ánh sáng trên màng xà phòng trong ánh sáng truyền qua.

Màng xà phòng có những vân giao thoa sáng và tối nằm ngang. Lúc bắt đầu thí nghiệm do dung dịch xà phòng chảy xuống mép dưới của khung nên hình ảnh giao thoa không ổn định, các vân đổi chỗ cho nhau, các vân tối tại một chỗ được thay thế bằng các vân sáng và ngược lại. Điều đó được giải thích bởi sự thay đổi bề dày màng xà phòng theo độ cao của nó. Cuối cùng các vân giao thoa đứng yên và phần trên cùng của màng trong ánh sáng phản xạ trở nên tối:nó không phản xạ ánh sáng đến người quan sát. Nếu dung dịch vẫn tiếp tục chảy xuống phía dưới thì phần tối bên trên rộng ra trên bề mặt và màng mỏng sẽ bị vỡ. Hiện tượng tương tự cũng quan sát được khi thổi bọt xà phòng, trước khi bị vỡ màu của chúng bị nhạt và trở nên tối đi trong ánh sáng phản xạ.

tượng giao thoa.

Khi thay đổi kính lọc sắc, khoảng cách giữa các vân sáng giao thoa cũng thay đổi. Với ánh sáng đỏ các vân sáng này phân bố thưa hơn, với ánh sáng lục thì các vân sáng dày hơn. Có thể nhận thấy rõ rệt sự khác nhau này nấu kính lọc sắc gồm hai phần, giả sử nửa bên trái là thủy tinh đỏ, còn nửa bên phải là thủy tinh màu lục. Khi rọi bằng ánh sáng trắng, các vân sáng có màu khác nhau chuyển từ màu này đến màu khác và chồng lên nhau một phần. Các vân có nhiều màu khác nhau được ngăn cách bằng những khoảng tối.

2.4.1.2. Màu sắt thép.

Ta quan sát hiện tượng giao thoa trên các lớp oxit sắt rất mỏng. Sau khi đốt nóng đến 220 - 420C thì các sản phẩm sẽ có màu và màu của nó phụ thuộc vào nhiệt độ trước đó nó bị đốt nóng. Màu của các lớp mỏng được dùng trong thực tế để xác định gần đúng nhiệt độ nung lại của các sản phẩm bằng thép đã sản xuất.

2.4.2. Giải thích sự giao thoa trong các màng mỏng.

Hiện tượng giao thoa trong các màng mỏng xuất hiện là do sự phản xạ hai lần từ hai mặt của màng.

Trong các màng và lớp mỏng ánh sáng bị phản xạ một phần và một phần bị khúc xạ tại các điểm A, B, C trên hình 2.11.

Hình 2.11: Đường đi của các tia trong lớp mỏng.

Bên trong lớp xảy ra sự phản xạ ánh sáng nhiều lần từ mặt trên và mặt dưới. Tuy nhiên nếu kể đến sự giảm nhanh cường độ và năng lượng ánh sáng khi phản xạ nhiều lần thì có thể xem tại điểm A tia 1 bị tách ra thành tia phản xạ 1’ và tia khúc xạ. Tia này “đi” và “về” qua lớp mỏng của màng mỏng và lại khúc xạ trong không khí ra theo đường 1”. Các tia 1’ và 1” là kết hợp vì chúng được tạo nên từ cùng một tia bị tách ra làm đôi và vì thế các sóng ánh sáng tương ứng giao thoa với nhau sẽ được hứng bởi thấu kính hay hệ quang học của mắt.

Giả sử bề dày của lớp d > , từ hình vẽ ta thấy hiệu số đường đi hình học của các tia 1’ và 1” bằng: AB + AC – AH.

Ta đã biết bước sóng ánh sáng trong không khí 0 và trong vật chất  là không giống nhau. Vì vậy số sóng ánh sáng a có thể chứa trong lớp mỏng của một chất có thể được tính như sau:



BC AB

a 

(2.11) Số sóng ánh sáng b có thể chứa trong không khí trên đoạn thẳng AH

0



b 

(2.12) Khi ánh sáng tại điểm A từ môi trường chiết quang hơn, chẳng hạn tại giới hạn không khí - màng xà phòng, sẽ xảy ra sự biến đổi pha dao động một lượng  , nghĩa là xảy ra sự mất nửa sóng. Theo thuyết điện từ ánh sáng điều đó có nghĩa là khi phản xạ vector cường độ điện trường E đã thay đổi phương của mình theo hướng ngược lại.

Tại điểm B không xảy ra điều đó vì ở đây sóng ánh sáng bị phản xạ từ mặt phân cách với môi trường ít chiết quang hơn. Nếu kể đến điều đó, ta có thể tìm hiệu số đường đi tổng cộng của các tia 1’ và 1” theo bước sóng tại một mặt đầu sóng HC, tức là là khi tia 1” ra khỏi màng mỏng:

2 1 2 1 2 1 0                        AB BC AH a b a b   (2.13) Tại những chỗ của mặt màng mà =1, 2, 3, … sẽ quan sát được sự khuếch đại ánh sáng tức là các cực đại giao thoa. Nếu ,...

2 5 , 2 3 , 2 1   thì xảy ra

sự tắt ánh sáng, ta quan sát được các cực tiểu giao thoa. Kết quả của sự giao thoa phụ thuộc vào bề dày d của màng hay lớp, phụ thuộc vào chiết suất của chất làm màng và độ nghiêng của các tia trong chất đó, góc khúc xạ  càng

lớn thì quãng đường truyền của ánh sáng trong vật chất càng lớn và số sóng ánh sáng chứa đựng trên quãng đường đó càng lớn.

Giả sử có một màng mỏng mặt song song được chiếu bởi chùm tia sáng song song tới vuông góc với bề mặt của nó.

Khi đó có thể viết hiệu đường đi của hai tia 1’ và 1” ở hình 2.12 theo bước sóng ánh sáng: 2 1 2     d (2.13)

Hình 2.12: Giao thoa ánh sáng trong lớp mỏng khi ánh sáng tới chiếu vuông góc.

Khi bề dày của màng khác nhau:

+ nếu 

2 1 

d thì hiệu số đường đi theo bước sóng ánh sáng 1,5. Vì

vậy các sóng ánh sáng bị phản xạ từ mặt trên của màn và các sóng đi qua hai lần trên quãng đường theo bề dày của màng tại điểm A làm tắt lẫn nhau và tạo thành cực tiểu giao thoa.

+ nếu 

4 1 

d thì hiệu số đường 1. Vì vậy các sóng ánh sáng tại

điểm A khuếch đại lẫn nhau và tạo thành cực đại giao thoa. + nếu d  thì đại lượng

 d 2 có thể bỏ qua và nếu 2 1   . Vì vậy tại mặt trên mặt trên của màng mỏng các sóng ánh sáng ngược pha gặp nhau và chúng làm tắt nhau. Tại chỗ này trên màng sẽ thấy tối. Đối với tất cả các tia tới song song khác ta cũng thu được kết quả giao thoa như thế. Điều này giải thích tại sao các màng xà phòng mỏng trước khi vỡ trở nên tối trong ánh sáng phản xạ.

(hình 2.13a), hoặc tập trung nhờ thấu kính tại điểm M0 nếu chúng phân kỳ (hình 2.13b).

Trong trường hợp thứ nhất, giả sử hai sóng là kết hợp, ảnh giao thoa định xứ xuất hiện phía trên nêm. Trường hợp thứ hai, ảnh giao thoa định xứ xuất hiện phía dưới nêm. Khi ánh sáng tới chiếu vuông góc ảnh giao thoa định xứ ngay trên mặt nêm.

Hình 2.13: Sự định xứ của ảnh giao thoa:

a) Phía trên bản nêm, bản thân các tia cắt nhau;

b) Phía dưới bản nêm, phần kéo dài của các tia cắt nhau.