5. Các bước thực hiện
2.3.2. Các hiện tượng về nhiễu xạ
2.3.2.1Sự nhiễu xạ bởi lưỡi dao cạo
- Nhiễu xạ có thể được nhận thấy ở nhiều kiểu khác nhau. Các nhà khoa học đã khéo léo sử dụng sự nhiễu xạ của neutron và tia X để làm sáng tỏ sự sắp xếp của các nguyên tử bên trong những tinh thể ion nhỏ, các phân tử, và cả những cấu trúc phân tử vĩ mô lớn như thế, như protein và acid nucleic. Nhiễu xạ electron thường được sử dụng để xác định các cấu trúc tuần tự của virus, màng, và những cơ thể sinh vật khác, cũng như các vật liệu có sẵn trong tự nhiên và vật liệu tổng hợp nhân tạo. Không có loại ống kính có sẵn nào sẽ hội tụ neutron và tia X thành hình ảnh, nên các nhà nghiên cứu phải khôi phục hình ảnh phân tử và protein từ đặc trưng nhiễu xạ bằng phép phân tích toán học phức tạp. May thay, thấu kính từ có khả năng hội tụ electron nhiễu xạ trong kính hiển vi điện tử, và thấu kính thủy tinh rất có ích cho việc tập trung ánh sáng nhiễu xạ tạo thành hình ảnh quang học có thể dễ dàng nhìn thấy.
- Một minh chứng rất đơn giản của sự nhiễu xạ ánh sáng có thể kiểm tra bằng cách đưa một cánh tay ra phía trước một nguồn sáng mạnh và từ từ khép hai ngón tay lại gần nhau trong khi quan sát ánh sáng truyền qua giữa chúng. Khi các ngón tay tiến tới gần nhau ở rất sít nhau (gần như tiếp xúc), người ta có thể bắt đầu nhìn thấy một dải vạch tối song song với các ngón tay. Các vạch tối song song cùng với khu vực sáng ở giữa chúng thật ra là hình ảnh nhiễu xạ. Hiệu ứng này được chứng minh rõ ràng trong hình, cho các vòng nhiễu xạ xuất hiện xung quanh các mép sắc nhọn của một lưỡi dao cạo khi nó được chiếu sáng với nguồn ánh sáng xanh mạnh phát ra từ một nguồn laser.
Hình 2.33: Sự nhiễu xạ bởi lưỡi dao cạo
2.3.2.2 Kính hiển vi nhiễu xạ
- Trong kính hiển vi, nhiễu xạ ánh sáng có thể xảy ra tại mặt phẳng đặt mẫu vật do tương tác của ánh sáng với các hạt hoặc đặc trưng nhỏ, và lại ở rìa của vật kính hoặc tại mép của lỗ tròn ở trong hoặc ở gần phía sau vật kính. Sự nhiễu xạ, hay sự trải rộng ánh sáng này cho phép người ta quan sát được hình ảnh phóng to của mẫu vật trong kính hiển vi, tuy nhiên, sự nhiễu xạ cũng giới hạn kích thước của vật thể có thể phân giải được. Nếu ánh sáng truyền qua một mẫu vật và nó không bị hấp thụ hoặc nhiễu xạ thì mẫu vật sẽ không nhìn thấy được khi xem qua thị kính. Cách thức ảnh được tạo ra trong kính hiển vi phụ thuộc sự nhiễu xạ ánh sáng thành các sóng phân kì, rồi chúng tái kết hợp thành hình ảnh phóng đại qua sự giao thoa tăng cường và triệt tiêu.
- Khi chúng ta quan sát mẫu vật, trực tiếp hoặc với kính hiển vi, kính thiên văn, hay thiết bị quang nào khác, hình ảnh chúng ta nhìn thấy gồm vô số điểm sáng chồng chất tỏa ra từ bể mặt của mẫu vật đó. Do đó, sự xuất hiện và tính toàn vẹn của hình ảnh từ một điểm sáng nào đó giữ một vai trò quan trọng đối với sự tạo ảnh toàn thể. Do các tia sáng tạo ảnh bị nhiễu xạ, nên một điểm sáng thật sự chưa bao giờ được thấy là một điểm trong kính hiển vi, mà là một hình ảnh nhiễu xạ gồm một đĩa hoặc một đốm sáng ở giữa có đường kính hạn chế và bao quanh là các vòng nhạt dần. Hệ quả là ảnh của mẫu vật chưa bao giờ là hiện thân chính xác của mẫu vật, và đặt ra giới hạn dưới về những chi tiết nhỏ nhất trong mẫu vật có thể được phân giải. Năng suất phân giải là khả năng của một thiết bị quang học tạo ra hình ảnh tách biệt nhau rõ rệt của hai điểm ở gần kề nhau. Tính đến điểm mà ở đó sự nhiễu xạ làm cho độ phân giải bị giới hạn, thì chất lượng của thấu kính và gương trong thiết bị, cũng như tính chất của môi trường xung quanh (thường là không khí) xác định độ phân giải cuối cùng.
2.3.2.3Mây ngũ sắc
- Mây ngũ sắc là hiện tượng tương đối hiếm, xảy ra khi các đám mây mang nhiều giọt nước có kích thước gần như đồng nhất. Những đám mây này làm nhiễu xạ hoặc bẻ cong ánh sáng theo một cách giống nhau, khiến ánh sáng chiếu theo các bước sóng, hoặc màu sắc khác nhau.
- Hiện tượng mây ngũ sắc tương tự như hiện tượng cầu vồng. Tuy nhiên với cầu vồng cần đến một trận mưa và ánh sáng mặt trời, còn mây ngũ sắc chỉ cần những góc nhìn thích hợp giữa mây và mặt trời là ta có thể nhìn thấy.Vì thế, mây ngũ sắc có màu giống cầu vồng , cũng tạo ra dải màu đa dạng, gồm xanh da trời, xanh lá cây, đỏ, tía và xanh.
Hình 2.34: Đám mây ngũ sắc ở Nam Cực
- Mây ngũ sắc này có màu giống cầu vồng, nhưng cách thức tạo nên mây ngũ sắc và cầu vồng khác nhau. Cầu vồng được tạo thành bởi hiện tượng khúc xạ hay phản xạ. Giống những vật ngũ sắc khác, như lông gà trống, màu của mây ngũ sắc thay đổi tùy thuộc vào góc nhìn.
2.4 CÁC HIỆN TƯỢNG VỀ PHÂN CỰC2.4.1 Kính phân cực chống chói 2.4.1 Kính phân cực chống chói
- Ánh sáng phản xạ từ bề mặt đường xa lộ ở góc Brewster thường tạo ra ánh chói khó chịu và làm người lái xe xao lãng, có thể chứng minh một cách khá dễ dàng bằng cách quan sát phần ở xa của xa lộ hoặc mặt nước hồ bơi vào một ngày nắng nóng. Ánh sáng phản xạ rực rỡ xuất phát từ những bề mặt nằm ngang, ví dụ như xa lộ hoặc nước trong hồ, bị phân cực một phần với các vectơ điện trường dao động theo một hướng song song với mặt đất. Ánh sáng này có thể bị chặn lại bởi các bộ lọc phân cực định theo hướng thẳng đứng với cặp kính râm phân cực.
Hình 2.35: Hoạt động của kính râm phân cực
- Các thấu kính của cặp kính có những bộ lọc phân cực định theo hướng thẳng đứng đối với cấu trúc kính. Trong hình, sóng ánh sáng màu xanh có vectơ điện trường của chúng định theo cùng hướng như các thấu kính phân cực vì vậy, được truyền qua. Trái lại, sóng ánh sáng màu đỏ định hướng dao động vuông góc với định hướng của bộ lọc và bị chặn lại bởi thấu kính. Kính râm phân cực rất có ích khi lái xe dưới cái nắng chói chang hoặc đi ở bờ biển khi ánh sáng Mặt Trời bị phản xạ từ bề mặt đường hoặc mặt nước, dẫn tới ánh chói có thể làm ta gần như không thấy gì nữa.
2.4.2 Nhiếp ảnh
- Các bộ lọc phân cực cũng khá có ích trong nhiếp ảnh, chúng có thể được gắn ở phía trước thấu kính camera để làm giảm ánh chói và làm tăng độ tương phản ảnh toàn thể trong hình chụp hoặc ảnh kĩ thuật số. Các bản phân cực dùng trên camera thường được thiết kế có một vòng lắp cho phép chúng quay khi sử dụng để thu được hiệu ứng mong đợi dưới những điều kiện chiếu sáng khác nhau.
- Một trong những bộ lọc phân cực đầu tiên được chế tạo vào đầu thế kỉ 19 bởi nhà khoa học người Pháp Francis Arago, nhà nghiên cứu tích cực tìm hiểu bản chất của ánh sáng phân cực. Arago đã nghiên cứu sự phân cực của ánh sáng phát ra từ những nguồn khác nhau trên bầu trời và nêu ra một lí thuyết tiên đoán rằng vận tốc ánh sáng phải giảm khi nó truyền vào một môi trường đậm đặc hơn. Ông cũng làm việc với Augustin Fresnel nghiên cứu sự giao thoa trong ánh sáng phân cực và phát hiện thấy hai chùm ánh sáng phân cực với sự định hướng dao động của chúng vuông góc nhau sẽ không chịu sự giao thoa. Các bộ lọc phân cực của Arago, được thiết kế và chế tạo trong năm 1812, chế tạo từ nhiều bản thủy tinh ép sát vào nhau.
- Đa phần chất phân cực được sử dụng ngày nay có nguồn gốc từ những màng tổng hợp do tiến sĩ Erwin H.Land phát minh ra năm 1932, sớm vượt qua tất cả các chất khác làm môi trường được chọn dùng để tạo ra ánh sáng phân cực phẳng. Để chế tạo những
màng này, các tinh thể iodoquinine sulfate nhỏ xíu, định theo cùng một hướng, được gắn vào một màng trùng hợp trong suốt để ngăn chặn sự di trú và định hướng lại của tinh thể. Land đã chế tạo các bản chứa màng phân cực được thương mại hóa dưới cái tên Polaroid (tên thương phẩm đã được đăng kí), trở thành một thuật ngữ được chấp nhận rộng rãi đối với các bản này. Bất cứ dụng cụ nào có khả năng lọc ánh sáng phân cực phẳng từ ánh sáng trắng tự nhiên (không phân cực) ngày nay đều được gọi là bản phân cực, cái tên được đưa ra lần đầu tiên vào năm 1948 bởi A.F. Hallimond. Vì những bộ lọc này có khả năng truyền chọn lọc các tia sáng, phụ thuộc vào sự định hướng của chúng đối với trục bản phân cực, nên chúng biểu hiện một dạng lưỡng sắc, và thường được gọi là bộ lọc lưỡng sắc.
2.4.3 Tinh thể lỏng 7 đoạn LCD
- Một trong những ứng dụng thông dụng và thực tế nhất của sự phân cực là sự hiển thị tinh thể lỏng (LCD) dùng trong hàng loạt dụng cụ như đồng hồ đeo tay, màn hình máy tính, đồng hồ bấm giờ, đồng hồ treo tường và nhiều vật dụng khác. Các hệ hiển thị này dựa trên sự tương tác của các phân tử kết tinh chất lỏng dạng que với điện trường và sóng ánh sáng phân cực. Pha tinh thể lỏng tồn tại ở trạng thái cơ bản được gọi là cholesteric, trong đó các phân tử định hướng thành lớp, và mỗi lớp kế tiếp thì hơi xoắn một chút để tạo ra hình dạng xoắn ốc. Khi sóng ánh sáng phân cực tương tác với pha tinh thể lỏng, sóng đó bị “xoắn lại” một góc gần 90 độ so với sóng tới. Độ lớn chính xác của góc này là hàm mũ của pha tinh thể lỏng cholesteric, nó phụ thuộc vào thành phần hóa học của các phân tử (có thể được điều chỉnh tinh tế bằng sự thay đổi nhỏ trong cấu trúc phân tử).
Hình 2.36: Tinh thể lỏng 7 đoạn LCD
- Một ví dụ lí thú về ứng dụng cơ bản của tinh thể lỏng với các dụng cụ hiển thị có thể tìm thấy trong sự hiển thị số tinh thể lỏng 7 đoạn. Ở đây, pha tinh thể lỏng nằm kẹp giữa hai đĩa thủy tinh có gắn điện cực, tương tự như miêu tả trong hình. Trong hình, các đĩa thủy tinh định hình với 7 điện cực màu đen có thể tích điện riêng rẽ (những điện cực
này là trong suốt đối với ánh sáng trong dụng cụ thực). Ánh sáng truyền qua bản phân cực 1 bị phân cực theo chiều đứng và, khi không có dòng điện áp vào các điện cực, pha tinh thể lỏng gây ra góc “xoắn” 90 độ của ánh sáng cho phép nó truyền qua bản phân cực thứ 2, bản 2 bị phân cực ngang và định hướng vuông góc với bản phân cực 1. Ánh sáng này khi đó có thể tạo nên một trong bảy đoạn trên màn hiển thị.
- Khi dòng điện được áp vào các điện cực, pha tinh thể lỏng sắp thẳng hàng với dòng điện và mất đi đặc trưng xoắn ốc cholesteric. Ánh sáng truyền qua một điện cực tích điện không bị xoắn và bị chặn lại bởi bản phân cực 2. Bằng cách phối hợp điện thế trên bảy điện cực dương và âm, màn hiển thị có khả năng biểu diễn các số từ 0 đến 9. Trong ví dụ này, các điện cực ở phía trên bên phải và phía dưới bên trái được tích điện và chặn ánh sáng truyền qua chúng, cho phép tạo ra số “2” trên màn hiển thị (nhìn ngược lại trong hình).
- Hiện tượng hoạt tính quang học trong những chất nhất định có nguyên nhân từ khả năng của chúng làm quay mặt phẳng của ánh sáng phân cực. Thuộc loại này là nhiều loại đường, amino acid, các sản phẩm hữu cơ tự nhiên, các tinh thể nhất định và một số chất dùng làm thuốc uống. Độ quay được đo bằng cách đặt một dung dịch hóa chất mục tiêu giữa hai bản phân cực bắt chéo trong thiết bị có tên là máy nghiệm phân cực. Được quan sát thấy lần đầu tiên vào năm 1811 bởi nhà vật lí người Pháp Dominique Arago, hoạt tính quang học đóng vai trò quan trọng trong nhiều quá trình sinh hóa đa dạng, trong đó hình học cấu trúc của phân tử chi phối sự tương tác của chúng. Các hóa chất làm quay mặt phẳng dao động của ánh sáng phân cực theo chiều kim đồng hồ được gọi là dextrorotatory levorotatory. Hai hóa chất có cùng công thức phân tử nhưng khác nhau về tính chất quang học được gọi là đồng phân quang học, chúng làm quay mặt phẳng của ánh sáng phân cực theo những hướng khác nhau.
- Các tinh thể không đối xứng có thể được dùng để tạo ra ánh sáng phân cực khi áp điện trường vào bề mặt đó. Một dụng cụ phổ biến sử dụng ý tưởng này có tên là tế bào Pockels, có thể dùng chung với ánh sáng phân cực làm thay đổi hướng phân cực đi 90 độ. Tế bào Pockels có thể bật và tắt rất nhanh bằng dòng điện và thường được dùng làm cửa chắn nhanh cho phép ánh sáng đi qua trong khoảng thời gian rất ngắn (cỡ nano giây). Hình biểu diễn sự truyền ánh sáng phân cực qua tế bào Pockels (sóng màu vàng). Ánh sáng sin màu xanh và đỏ phát ra từ vùng giữa của tế bào biểu diễn cho ánh sáng phân cực đứng hoặc ngang. Khi tế bào tắt, ánh sáng phân cực không ảnh hưởng gì khi nó truyền qua (sóng màu xanh), nhưng khi tế bào hoạt động hoặc mở, vectơ điện của chùm ánh sáng lệch đi 90 độ (sóng màu đỏ). Trong trường hợp có điện trường cực lớn, các phân tử của chất lỏng và chất khí nhất định có thể xử sự như tinh thể dị hướng và sắp thẳng hàng theo kiểu tương tự. Tế bào Kerr, thiết kế dùng chất lỏng và chất khí gia dụng thay cho các tinh thể, cũng hoạt động trên cơ sở làm thay đổi góc ánh sáng phân cực.
2.4.4 Kính hiển vi quang học phân cực
- Kính hiển vi ánh sáng phân cực, dựa trên các bản phân cực vuông góc để xác định chất khúc xạ kép hoặc lưỡng chiết. Khi hai bản phân cực đặt vuông góc nhau, trục truyền của chúng định hướng vuông góc nhau và ánh sáng truyền qua bản phân cực thứ nhất hoàn toàn bị dập tắt, hoặc bị hấp thụ, bởi bản phân cực thứ hai, bản này thường được gọi là bản phân tích.
- Lượng ánh sáng hấp thụ của bộ lọc phân cực lưỡng sắc xác định chính xác bao nhiêu ánh sáng ngẫu nhiên bị dập tắt khi bản phân cực được dùng trong bản cặp bắt chéo, và thường được gọi là hệ số dập tắt của bản phân cực. Về mặt định lượng, hệ số dập tắt được xác định bởi tỉ số của ánh sáng truyền qua bởi cặp phân cực khi trục truyền của chúng định hướng song song và lượng ánh sáng truyền qua khi đặt chúng vuông góc với nhau. Nói chung, hệ số dập tắt từ 10.000 đến 100.000 để tạo ra nền đen thẳm và mẫu vật lưỡng chiết dễ quan sát nhất (và tương phản) trong kính hiển vi quang học.
Phần KẾT LUẬN
Trong suốt 20 thế kỉ, nhân loại đã trải qua nhiều biến chuyển văn hóa và khoa học để đạt tới nền văn minh siêu việt hiện đại. Các nhà khoa học đã để lại những tư liệu quý báu về những hiện tượng xảy ra trên trái đất trong nhiều thế kỉ. Trong đó các hiện tượng quang học cũng là một trong những đề tài bổ ích và thú vị
Vì vậy, nhờ vào quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài này, tôi lại có thêm điều kiện để tìm hiểu kĩ hơn, đi sâu hơn vào các hiện tượng quang học và hiểu được hiện tượng nào là hiện tượng quang học xung quanh chúng ta.