5. Các bước thực hiện
2.4. Các hiện tượng về phân cực anh sáng
- 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.
Khi thực hiện đề tài, tôi đã tiến hành hệ thống hóa lại các kiến thức cơ bản của quang học và giải thích hầu hết các hiện tượng xảy ra. Nội dung đề tài này được trình bày hai phần, trong đó phần một là cơ sở lý thuyết và phần hai là các hiện tượng quang học.
Trong phần một, tôi đã tập trung trình bày một số kiến thức cơ bản về bản chất của các hiện tượng ánh sáng như: phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, giao thoa, tán xạ (khuếch tán), phân cực và tán sắc ánh sáng. Các cơ sở lý thuyết này là tiền đề để đi sâu vào tìm hiểu và giải thích các hiện tượng quang học thực tế.
Phần hai, là nội dung chính của đề tài, tôi đã trình bày và giải thích được một số các hiện tượng quang học. Các hiện tượng được nhóm theo từng kiến thức quang học. Thứ nhất là các hiện tượng liên quan đến sự phản xạ, khúc xạ ánh sáng xảy ra như cầu vồng, hiện tượng quầng, chậu thau đầy nước nhìn nghiêng thấy nông hơn, hiện tượng khúc xạ thiên văn, hiện tượng khúc xạ trên trái đất, vì sao sao lấp lánh, dẫn ánh sáng đi theo những ống cong, giầy da bôi xi vào càng lau càng bóng, Sự phản xạ trên bề mặt lồi, lõm, hiện tượng ảo cảnh. Thứ hai là các hiện tượng liên quan đến sự tán xạ (khuếch tán) ; dùng bóng đèn mờ có lợi gì hơn bóng đèn trong suốt, vì sao thủy tinh màu khi vụn vỡ thành hạt nhỏ thì những hạt nhỏ này có màu trắng, vì sao mắc một ngọn đèn ở giữa sân để đọc sách ta thấy kém sáng hơn khi ngồi đọc sách trong phòng, màu sắc của bầu trời, hiện tượng hoàng hôn và bình minh, hiện tượng ráng, trong giao thông người ta dùng đèn đỏ để báo hiệu nguy hiểm, nước biển màu xanh nhưng ngọn sóng lại có màu trắng. Thứ ba các hiện tượng giao thoa nhiễu xạ: giao thoa của màng xà phòng, giao thoa ở cánh bướm, bộ lọc giao thoa, tạo ảnh nổi ba chiều bằng sự giao thoa, sự nhiễu xạ bởi lưỡi dao cạo, kính hiển vi nhiễu xạ, mây ngũ sắc. Thứ tư các hiệ tượng phân cực ánh sáng : kính phân cực chóng chói, nhiếp ảnh, Tinh thể lỏng 7 đoạn LCD, kính hiển vi quang học phân cực
Trong các phần trên tôi đã trình bày khá rõ ràng và đầy đủ các kiến thức quang học cơ bản về các hiện tượng ánh sáng. Đưa ra được định nghĩa của các hiện tượng ánh sáng và giải thích hiện tượng, nêu được các định luật cơ bản có liên quan. Dựa trên những kiến thức cơ bản đó tôi đã đi đến tìm hiểu một cách khá cụ thể các hiện tượng quang học liên quan đến khúc xạ, phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ như bình minh, hoàng hôn, cầu vồng, màu sắc của bầu trời.…Trên cơ sở mô tả hiện tượng, rồi đi đến phân tích nguyên tắc cơ bản trong quang học để đi đến giải thích lại các hiện tượng xảy ra.
Như đã nói ở trên thì nội dung của đề tài vẫn còn nhiều hạn chế do chỉ tìm hiểu trên cơ sở lý thuyết để đi đến giải thích các hiện tượng thực tiển không đi sâu vào quá trình thực nghiệm. Kèm theo thời gian nghiên cứu đề tài hạn chế, mà đề tài này là một đề tài tương đối rộng.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Nguyễn Hướng Điền. Khí tượng vật lí. NXB Đại Học Quốc Gia Hà Nội. Năm 2002.
2. Nguyễn Hữu Khanh. Bài giảng quang học. Đại Học Cần Thơ. Năm 2000.
3. Lê Nguyên Long, Nguyễn Khắc Mão. Vật lý – công nghệ - đời sống. NXB Giáo Dục. Năm 2001.
4. Nguyễn Thế Khôi. Sách Giáo Khoa Vật Lý 12. NXB Giáo Dục Việt Nam. Năm 2013. 5. Website http://www.khoahoc.com.vn/doisong/moi-truong/khi-hau/40955_xuat- hien-cau-vong-lua-hiem-gap.aspx 6. Website:http://vi.wikipedia.org/wiki/Ngh%E1%BB%8B_%C4%91%E1%BB%8B nh_th%C6%B0_Ky%C5%8Dto 7. Website: http://www.vietnamplus.vn/eu-giam-40-luong-khi-thai-gay-hieu-ung- nha-kinh-vao-2030/241283.vnp