5. Các bước thực hiện đề tài
7.1.6.1Máy quang phổ lăng kính
Máy quang phổ lăng kính là thiết bị để phân tích chùm ánh sáng phức tạp thành những chùm sáng đơn sắc, dựa trên nguyên tắc hiện tượng tán sắc ánh sáng.
Máy quang phổ gồm có 3 bộ phận chính:
1. Ống chuẩn trực: Là một khe F1 đặt tại tiêu điểm của thấu kính hội tụ L1. Chiếu chùm tia sáng cần nghiên cứu vào khe F1, Khi đó F1 có thể coi như một nguồn sáng truyền qua L1 tạo ra chùm song song.
2. Hệ tán sắc: là một hoặc là nhiều lăng kính có cùng góc lệch cực tiểu với bức xạ trung bình của chùm sáng phân tích. Chùm sáng song song đi vào hệ tán sắc sẽ cho nhiều chùm tia đơn sắc song song, truyền qua những phương khác nhau.
3. Buồng tối T: Là một hộp kín ánh sáng, một đầu là thấu kính hội tụ L2, đầu còn lại là một kính ảnh đặt đúng tiêu diện của thấu kính L2. Chùm tia đơn sắc song song
truyền theo những phương khác nhau đến L2 sẽ cho chùm tia đơn sắc hội tụ trên kính ảnh
S
L F1 L1 P
L2 T
K
Hình 6.9: Sơ đồ cấu tạo máy quang phổ lăng kính
1
O 0
n
Hình 7.6: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc chiết suất của chất khí vào tần số (bước sóng)
K, mỗi chùm hội tụ đơn sắc sẽ cho một ảnh thật đơn sắc của khe F1. Như vậy trên kính
ảnh K, ta chụp được nhiều ảnh có màu khác nhau của khe F1 ứng với các bước sóng khác
nhau và được gọi là vạch quang phổ.
Vị trí, số lượng và cường độ các vạch phổ là những tính chất đặc trưng cho mỗi nguyên tố. Căn cứ vào các vạch đó, chúng ta có thể nhận biết sự có mặt của các nguyên tố đó trong nguồn sáng. Đây chính là nguyên tắc cơ bản của phép phân tích quang phổ. Được ứng dụng phổ biến trong lĩnh vực phân tích cũng như trong nghiên cứu khoa học.
7.2. Hiện tƣợng tán sắc mặt quang suất
7.2.1. Khái niệm
Hiện tượng thay đổi hình dạng của mặt quang suất trong một tinh thể, khi ánh sáng đơn sắc truyền qua tinh thể thay đổi bước sóng gọi là hiện tượng tán sắc mặt quang suất.
7.2.2. Hiện tƣợng tán sắc mặt quang suất
Ở tinh thể lập phương, mặt quang suất là một mặt cầu, chỉ có hiện tượng tán sắc chiết suất (bán kính hình cầu thay đổi theo bước sóng). Thí dụ chiết suất của kim cương đối với ánh sáng có bước sóng khoảng 700m bằng 2,40; đối với bước sóng dưới
m
400 là 2,47; đối với bước sóng màu vàng (trung gian của hai bước sóng trên) là 2,42.
Ở tinh thể dị hướng, những tinh thể có tính hai chiết suất, bao giờ cũng có hiện tượng tán sắc lưỡng chiết suất. Tuy nhiên, trong một số lớn vật chất, sự thay đổi lưỡng chiết suất đối với những bước sóng khác nhau là quá nhỏ nên trong thực hành có thể coi lưỡng chiết suất của chúng là không đổi. Bảng 7.1 cho chiết suất và lưỡng chiết suất của thạch anh đối với một số bước sóng khác nhau.
) (m 658 589 527 486 ng 1,5509 1,5534 1,5564 1,5590 np 1,5419 1,5443 1,5472 1,5497 ng – np 0,0090 0,0091 0,0092 0,0093
Bảng 7.1: Chiết suất và lưỡng chiết suất của thạch anh đối với một số bước sóng khác nhau.
Trong thực hành ta lấy lưỡng chiết suất của thạch là 0,009 đối với mọi bước sóng. Có trường hợp ne và no thay đổi theo bước sóng quá không đồng đều và tinh thể có thể là quang dương đối với bước sóng này nhưng lại là quang âm đối với chiết suất khác; tuy nhiên có một bước sóng trung gian mà tinh thể sẽ trở thành đẳng hướng. Thí dụ, tocbecnit (hệ bốn phương), Cu((UO2)2[PO4]2.8H2O là quang dương đối với ánh sáng đỏ, âm đối với ánh sáng xanh và đẳng hướng đối với ánh sáng có bước sóng 515A0 (màu lục).
Ở những tinh thể hai trục sự thay đổi không đồng đều của các đại lượng ng, nm,và np theo các bước sóng dẫn đến hiện tượng tán sắc góc trục quang, tán sắc vị trí mặt quang trục…. Như ở tinh thể brukit (biến thể hệ thoi của TiO2) mặt trục quang đối với bước sóng màu đỏ song song với hình đôi mặt đáy (001), đối với bước sóng màu xanh – hình đôi mặt bên (010), còn trong ánh sáng vàng lục brukit lại thành một trục.
Trong hệ trực thoi vị trí các trục của mặt quang suất hoàn toàn xác định: chúng trùng với các trục tọa độ của tinh thể. Khi bước sóng của ánh sáng thay đổi thì chỉ có chiết suất, góc trục quang và mặt trục quang có thể thay đổi (mặt trục quang có thể thay đổi trong ba vị trí của mặt đối xứng của tinh thể). Vì sự tán sắc chiết suất ng, nm và np không đồng đều nên góc nhọn 2V giữa hai trục quang có thể thay đổi theo hai cách:
- 2V tăng khi độ dài bước sóng tăng: tán sắc ký hiệu r>v - 2V tăng khi độ dài bước sóng giảm: v>r
Trong tinh thể hệ một nghiêng, một trong ba mặt chính của mặt quang suất luôn trùng với L2 hoặc thẳng góc với mặt đối xứng P của tinh thể, trục này sẽ cố định: hai trục còn lại nằm trong mặt phẳng thẳng góc với trục đầu tiên và có thể tán sắc một trong ba cách sau:
1. Tán sắc xiên: Nm trùng với y, cố định: khi bước sóng thay đổi, vị trí mặt quang suất thay đổi bằng cách xoay quanh trục Nm. Hình 6.10a biểu diễn các vết xuyên của trục quang và phân giác nhọn trên mặt cắt thẳng góc với phân giác nhọn tương ứng với hai bước sóng khác nhau.
2. Tán sắc ngang: phân giác tù của 2V trùng với y, vị trí của mặt quang suất chỉ có thể thay đổi bằng cách xoay quanh trục phân giác tù (hình 6.10b).
3. Tán sắc bắt chéo: phân giác chọn trùng với y, vị trí của mặt quang suất chỉ có thể thay đổi bằng cách xoay quanh trục phân giác nhọn (hình 6.10c).
Trong tinh thể hệ ba nghiêng cả ba trục của mặt quang suất không hề bị ràng buộc bởi một trục đối xứng nào (vì tinh thể ba nghiêng không có trục đối xứng), đối với những bước sóng khác nhau có thể cả ba cùng thay đổi vị trí. Hiện tượng tán sắc càng trở nên phức tạp.
Muốn khảo sát kỹ tính tán sắc của một tinh thể ta phải dùng những ánh sáng đơn sắc có những bước sóng khác nhau. v v . v r r r P v P r r rv
a. Tán sắc xiên b. Tán sắc ngang c. tán sắc bắt chéo
Hình 6.10: Các vết xuyên của phân giác góc nhọn ( ) và trục quang (o) trên mặt phẳng vuông góc với phân giác nhọn (P)
Phần KẾT LUẬN
“Quang học tinh thể” là một trong những đề tài có nhiều ứng dụng trong thực tiễn phục vụ cho các ngành khoa học và trong cuộc sống của con người hiện nay.
Qua từng giai đoạn phát triển của ngành khoa học nói chung và ngành vật lí nói riêng thì “Quang học tinh thể” là một đề tài rất nhiều người quan tâm và tìm hiểu. Qua từng giai đoạn nghiên cứu trong quá trình thực hiện đề tài, tìm hiểu các tài liệu và những thông tin liên quan đến đề tài, tôi đã gặt hái được một số vấn đề sau:
Bản chất của ánh sáng. Ánh sáng tự nhiên và ánh sáng phân cực.
- Bản chất của ánh sáng: tìm hiểu về quan niệm của ánh sáng thông qua thuyết hạt về ánh sáng của Newton, thuyết sóng ánh sáng của Huyghen, thuyết sóng điện từ của Maxwell và thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein.
- Ánh sáng tự nhiên và ánh sáng phân cực: tìm hiểu khái niệm về ánh sáng tự nhiên và ánh sáng phân cực và giải thích được hiện tượng phân cực ánh sáng, biết cách phân biệt được các loại ánh sáng phân cực và một số ứng dụng của phân cực ánh sáng.
Mặt sóng và nguyên lý Huyghen: hiểu được thế nào là mặt sóng và phát biểu được nguyên lý Huyghen, dựa vào nguyên lý Huyghen giải thích được hiện tượng khúc xạ ánh sáng khi ánh sáng truyền từ môi trường này sang môt trường khác.
Hiện tượng phản xạ toàn phần. Đo chiết suất bằng khúc xạ kế.
- Hiện tượng phản xạ toàn phần: nêu được khái niệm hiện tượng phản xạ toàn phần và một số ứng dụng của hiện tượng phản xạ toàn phần.
- Đo chiết suất bằng khúc xạ kế: Cách đo chiết suất của một tinh thể bằng khúc xạ kế Hiện tượng khúc xạ kép trong tinh thể. Mặt chiết suất.
- Hiện tượng khúc xạ kép trong tinh thể: định nghĩa hiện tượng khúc xạ kép, sự truyền ánh sáng qua tinh thể băng lan, xác định được tia thường và tia bất thường (sau khi tia sáng đi qua môi trường tinh thể đơn trục) thông qua mặt sóng trong môi trường đó. Tìm hiểu các tinh thể lưỡng chiết trong kính hiển vi quang học phân cực, đồng thời định nghĩa được lưỡng chiết cấu trúc, lưỡng chiết ứng suất và sức căng, lưỡng chiết dòng chảy.
- Mặt chiết suất: biết được hình dạng của mặt chiết suất trong các tinh thể hạng vừa và trong tinh thể hạng thấp.
Tia sáng và pháp tuyến mặt sóng: pháp tuyến mặt sóng của tia thường và tia bất tường trong tinh thể hạng vừa và hạng thấp.
Mặt quang suất: biết được phương dao động của hai sóng ứng với một phương truyền trong tinh thể một trục và hai trục, hình dạng mặt quang suất trong tinh thể hạng cao, hạng vừa và hạng thấp.
Hiện tượng tán sắc gồm 2 phần:
- Hiện tượng tán sắc ánh sáng: nêu được thí nghiệm của Newton về ánh sáng trắng, hai giả thuyết giải thích hiện tượng tán sắc ánh sáng, mối quan hệ giữa bước sóng và chiết suất của ánh sáng đơn sắc, phương pháp quan sát sự tán sắc và một số ứng dụng của hiện tượng tán sắc.
- Hiện tượng tán sắc mặt quang suất: khái niệm và hiện tượng tán sắc mặt quang suất trong các tinh thể.
Trọng tâm chủ yếu của đề tài này là nói đến mặt quang suất, nắm được hình dạng của mặt quang suất trong các tinh thể một trục, hai trục, tinh thể quang âm hoặc tinh thể quang dương. Dựa vào mặt quang suất ta có thể xác định được phương dao động và đại
lượng chiết suất của hai sóng ứng với một phương truyền cho trước.
Trong quá trình thực hiện đề tài, tôi đã tiến hành nghiên cứu lý thuyết về đường truyền của tia sáng trong các tinh thể để làm rõ yêu cầu của đề tài.
Nội dung trọng tâm của từng chương theo từng đề mục đã đề ra nhằm để người đọc có thể hiểu và nắm rõ những gì cần nói trong đề tài.
Bên cạnh những kết quả đạt được thì trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài thì vẫn còn một số hạn chế:
- Do hạn chế về tài liệu nên công việc nghiên cứu chưa thực sự đi sâu rộng, chỉ mới thể hiện một số nội dung cơ bản nhất của đề tài.
- Chỉ mới nghiên cứu trên cơ sở lý thuyết, chưa có tiến hành thí nghiệm thực hành. Trong tương lai, nếu có đủ điều kiện để phát triển đề tài, tôi sẽ nghiên cứu sâu rộng hơn nữa cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm về đề tài này và những ảnh hưởng sâu rộng của nó trong các ngành nghiên cứu khoa học.
Qua việc nghiên cứu đề tài này, cùng với sự cố gắng học tập của tôi trong suốt những năm qua đã giúp cho tôi có một hành trang quý báu để có thể giúp tôi vững bước đi vào con đường giảng dạy trong tương lai.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1.Quan Hán Khang. Quang học tinh thể và kính hiển vi phân cực. NXB Đại học và trung
học chuyên nghiệp. Năm 1986
2.Trần Định Tường, Hoàng Hồng Hải. Quang kỹ thuật. NXB Khoa học và kỹ thuật. Năm 2006
3.Nguyễn Hữu Khanh. Bài giảng quang học. Trường Đại học Cần Thơ. Năm 2002 4.Lương Duyên Bình. Vật Lí Đại Cương. Tập ba. NXB Giáo Dục. Năm 1998
5.Nguyễn Viết Kính, Bạch Thành Công. Phan Văn Thích. Vật lí học đại cương. Tập II. NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội. Năm 1999
6.Nguyễn Ngọc Long. Vật lí học đại cương Tập II. NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội. Năm 1999
7. Nguyễn Văn Ánh, Hoàng Văn Việt. Giáo trình vật lí đại cương. NXB Đại học Sư Phạm. Năm 2004
8. Trần Ngọc Hợi, Phạm Văn Thiều. Vật lí đại cương các nguyên lí và ứng dụng. NXB Giáo dục. Năm 2006 9. http://tailieu.vn/xem-tai-lieu/hien-tuong-luong-chiet.777191.html 10.http://360.thuvienvatly.com/bai-viet/dien-quang/413-hien-tuong-luong-chiet 11.http://tailieu.vn/xem-tai-lieu/bai-giang-thach-hoc-co-so.572086.html 12.http://vietsciences2.free.fr/giaokhoa/vatly/dienquangdaicuong/chuong19anhsangtrong cacmoitruong.htm 13.http://thuvienvatly.com/home/content/view/1338/2/ 14. http://vi.wikipedia.org/wiki/Ph%C3%A2n_c%E1%BB%B1c