Cùng làm quen v i các đ nh lu t liên quan đ n ánh sáng:
II.1.3.1 Ánh sáng truy n th ng
“Trong m t môi tr ng trong su t, đ ng nh t, ánh sáng truy n đi theo đ ng th ng”
II.1.3.2 Nh ng khi tia sáng ch m ph i m t môi
tr ng khác thì sao?
Khi ánh sáng g p m t v t, thì m t trong hai hi n t ng s x y ra: ho c là nó n y trên b m t c a v t đ quay l i phía sau, và ng i ta nói ánh sáng b ph n x (ch ng h n, khi b n nhìn mình trong g ng, thì chính ánh sáng c a c th b n đ c ph n x b i g ng đi vào trong m t b n); ho c là ánh sáng đi vào môi tr ng m i trong su t b ng cách thay đ i h ng, và ng i ta nói ánh sáng b khúc x .
B n th k tr c CN, Euclide đã bi t đnh lu t ph n x trên m t ph ng: góc c a tia t i t o v i pháp tuy n c a m t ph ng b ng góc c a tia ph n x v i chính pháp tuy n đó. Archimède (kho ng 287-212 tr.CN) đã ch ng minh đ c r ng có th t p trung tồn b
ánh sáng t i vào tiêu đi m c a g ng n u g ng này có d ng parabol. Nh v y, ng i
Hy L p đã bi t làm ch k thu t ch t o g ng. Trên th c t , Archimède đã thiêu r i h m đ i La Mã đang vây hãm thành ph Syracuse b ng cách dùng các g ng parabol kh ng l t p trung ánh sáng m t tr i lên tàu đch. Ngày nay nguyên lý t p trung ánh sáng này v n đ c dùng trong k thu t đ ch t o các kính thiên v n l n.
GI I MÃ NH NG BÍ M T V ÁNH SÁNG
Ng i Hy L p c ng đã bi t đ n hi n t ng khúc x . Trong cu n Quang h c, Ptolémée
miêu t thí nghi m đã t ng đ c Euclide nh c đ n (b n có th d dàng t mình th c hi n thí nghi m này đ b c đ u tìm hi u các hi u ng c a khúc x ánh sáng): đ t m t cái bát to lên bàn và th xu ng đáy bát m t đ ng ti n xu. Hãy ng i m t ch sao cho
b n khơng th nhìn th y đ ng ti n xu n u không h i nh m ng i lên. Ngh a là đ ng
xu đã n m ngoài t m m t c a b n. Sau đó hãy đ n c t t vào trong bát. M c n c t ng lên và, đ n m t lúc nào đó, b n s nhìn th y đ ng xu mà khơng ph i nh m ng i lên. S d b n nhìn th y đ ng xu là nh khúc x ánh sáng: khơng có n c, các tia sáng xu t phát t đ ng xu khơng đi vào m t; có n c, tia sáng b l ch v phía đáy và đi vào m t nên b n có th nhìn th y nó. M t thí nghi m khác c ng minh ho nh ng hi u ng l c a khúc x : đ t m t cái bút chì vào trong bát n c và b n th y cái bút chì này
d ng nh khơng cịn là m t v t nguyên v n n a, mà trông c nh b c t làm đôi;
khúc x làm cho ph n b chìm d i n c trông c nh không g n v i ph n n m trên
m t n c.
M c dù đã nghiên c u v khúc x , nh ng Ptolémée v n ch a bi t các đnh lu t chi
ph i ánh sáng khúc x . Nhà bác h c Ar p Alhazen đã đ a ra m t lý thuy t v khúc x ánh sáng vào n m 1000, nh ng không ph i b ng ngơn ng tốn h c. Tuy nhiên, tr c giác c a ông đã t ra đúng đ n. Ông đã cho ánh sáng m t v n t c h u h n và th a nh n ra r ng v n t c ánh sáng ph thu c vào môi tr ng mà nó đi qua. Alhazen tách v n t c ánh sáng làm hai thành ph n: m t vng góc v i m t phân cách gi a hai môi tr ng trong su t, ch ng h n khơng khí và n c, và m t song song v i m t phân cách y; ông ngh r ng thành ph n song song c a tia sáng ch m h n thành ph n n m vuông góc khi ánh sáng đi vào m t mơi tr ng chi t quang h n (nh t khơng khí vào n c), làm cho ánh sáng b l ch v phía pháp tuy n c a c a m t phân cách.
GI I MÃ NH NG BÍ M T V ÁNH SÁNG
II.1.3.3 Ánh sáng đi ch m h n hay nhanh h n khi đi vào m t tr ng chi t quang h n?
Ng i đ u tiên thi t l p đ c cơng th c tốn h c v đnh lu t khúc x là Kepler. Trong cu n Khúc x h c, Kepler cho r ng t s c a góc t i (t c là góc l p b i tia và pháp tuy n) và góc khúc x là khơng đ i. Nh ng đnh lu t này ch đúng đ i v i các góc nh .
Ph i đ i đ n th k XVI, nhà khoa h c ng i Hà Lan Willibrord Snel (1580-1626) m i phát hi n ra đnh lu t đúng v khúc x : t s c a sin góc t i và sin góc khúc x là khơng đ i, dù góc t i có là th nào ch ng n a . nh lu t khúc x đ c phát hi n sau kho ng m t nghìn n m nghiên c u này là m t trong nh ng đnh lu t đ u tiên c a v t lý h c đ c phát bi u m t cách đnh l ng.
Nh ng n u Snel bi t miêu t hành tr ng c a ánh sáng khúc x b ng m t cơng th c tốn h c, thì ơng l i khơng th gi i thích đ c nó. Descartes c g ng tìm ra ngu n g c c a đnh lu t c a Snel b ng cách m n ý t ng c a Alhazen: chính s thay đ i v n t c c a tia sáng khi đi t môi tr ng này sang môi tr ng khác là nguyên nhân c a hi n t ng khúc x . Nh ng s đ c a ông là ng c v i s đ c a Alhazen: thay vì ph n ánh sáng song song v i m t phân cách gi a hai môi tr ng ch m l i so v i thành ph n v n t c th ng đ ng không thay đ i, Descartes l i cho r ng thành ph n v n t c th ng
đ ng t ng lên so v i thành ph n song song khơng thay đ i. Ơng cho r ng t s sin c a góc t i và sin c a góc khúc x là không đ i và b ng t s c a v n t c ánh sáng trong n c và v n t c ánh sáng trong khơng khí. Nh ng, b i vì góc t i l n h n góc khúc x , nên theo Descartes, ánh sáng đi trong n c nhanh h n đi trong khơng khí. V n t c c a
ánh sáng t ng khi chuy n t m t môi tr ng kém chi t quang sang m t môi tr ng
chi t quang h n: m t k t qu chí ít c ng là hồn tồn phi tr c giác !
Sau này b ng cách m n l i các quan đi m c a Alhazen và Descartes, nhà bác h c
ng i Anh Isaac Newton (1642-1727) đã dùng nh ng suy lu n theo th y đ ng l c h c
GI I MÃ NH NG BÍ M T V ÁNH SÁNG
bu c ánh sáng ph i đi nhanh h n, gi ng nh n c ch y nhanh h n khi chúng ta bóp
nh đ ng kính c a ng ch n c phun ra. Nh ng l ng tri c a chúng ta ch ng l i
s bi n minh đó: nó mách b o chúng ta r ng m t môi tr ng càng đ c (t c chi t quang h n) s c n tr càng m nh s truy n c a ánh sáng, và ánh sáng càng b ch m h n, ch không ph i ng c l i!
II.1.3.4 Fermat và nguyên lí ti t ki m c a t nhiên
Quan đi m nào đúng? Ánh sáng đi nhanh h n hay ch m h n vào môi tr ng đ c h n?
Ng i đ a ra câu tr l i cu i cùng là Pierre Fermat (1601-1665). Ông bác b đnh đ
c a Descartes theo đó “chuy n đ ng c a ánh sáng trong các môi tr ng đ c h n là d
dàng h n và nhanh h n trong các môi tr ng loãng h n. nh đ này có v ng c v i
ánh sáng t nhiên.”
ch ng minh đnh lí Snel, ơng s d ng ngun lí m c đích lu n c a t nhiên, theo
đó t nhiên th c hi n m i vi c m t cách ti t ki m và dè s n: “ch ng minh c a chúng tôi d a trên m t đnh đ duy nh t nói r ng t nhiên v n hành b ng các ph ng ti n và con đ ng d nh t và tho i mái nh t”-ông vi t.
Fernat đã áp d ng nguyên lí này cho hành tr ng c a ánh sáng: m t tia sáng đi t đi m này đ n đi m khác trong m t kho ng th i gian ng n nh t có th . Khi k t h p v i hai nguyên lí khác, nguyên lí v n t c áng sáng truy n h u h n trong khơng khí ho c trong mơi tr ng trong su t đ ng tính, và nguyên lí v n t c ánh sáng ch m l i trong môi tr ng đ c h n, ông đã gi i thích đ c đnh lu t khúc x ánh sáng c a Snell.
II.1.3.5 V n đ c u ng i ch t đu i
Nguyên lý ti t ki m không ch áp d ng cho hành tr ng c a ánh sáng. Nó cịn có các h qu khác th c ti n h n. Ch ng h n, v n đ mà Fermat gi i quy t cho đ ng đi c a ánh sáng c ng là bài toán mà m t nhân viên c u h ph i gi i đ c u m t ng i b i b t c n
GI I MÃ NH NG BÍ M T V ÁNH SÁNG
Ng i c u h ph i làm th nào đ đ n ch ng i ch t đu i nhanh nh t có th . Anh ta
có th l a ch n đ ng đi. Có th ch y th ng xu ng n c theo h ng vng góc v i b
bi n và sau đó b i đ n ch ng i b n n. Nh ng b i s m t nhi u th i gian h n ch y trên b bi n, và anh ta có nguy c đ n mu n. C ng có th ch y m t kho ng cách dài nh t có th trên b bi n n i anh ta th y g n ng i b n n nh t r i sau đó b i th ng (vng góc) t b bi n đ n ch ng i b n n. Ho c c ng có th đi theo m t con đ ng nào đó là trung gian gi a hai con đ ng v a nêu trên. Nguyên lý ti t ki m nói v i chúng ta r ng đ ng đi nhanh nh t đ i v i ng i c u h là s là m t trong s nh ng con đ ng trung gian đó.
Các ti n b sau này c a v t lý đã ch ng t r ng Fermat đã đúng và các phê phán đó là sai l m. Fermat đã nh n ra m t đ c tính chung c a t nhiên bao trùm m t lo t các tình hu ng và có th đ c phát bi u đ n gi n và ng n g n th này: t nhiên hành đ ng ti t ki m nh t có th . Nh ng ng i sáng t o ra khoa h c v c h c và chuy n đ ng s th ng g p trên con đ ng c a mình nguyên lý ti t ki m này, nguyên lý mà h đ t tên là “nguyên lý tác d ng t i thi u” .
II.1.3.6 Grimaldi và nhi u x hay tán x , ph ng
th c lan truy n m i c a ánh sáng
Nh v y ánh sáng có th lan truy n theo ba cách kh d : theo đ ng th ng, b ng ph n
x trên m t m t ph ng nh g ng ch ng h n, và b ng khúc x khi thay đ i môi
tr ng. Nh ng li u ánh sáng có ch gi i h n trong ba hành tr ng này không?
Câu tr l i là khơng, vì n m 1665, n m Fermat qua đ i, là n m công b di c o m t chuyên lu n dài mang nhan đ M t lu n đ siêu hình h c và tốn h c v ánh sáng, màu s c và c u v ng, c a m t tu s dịng Tên, giáo viên d y tốn Bologne (Italia) tên là Francesco Maria Grimaldi (1618-1663). Trong chuyên lu n này, Grimaldi đã thông báo m t phát hi n quan tr ng đ t đ c trong các nghiên c u t m v bóng c a các v t
đ c chi u b i ánh sáng l c qua các l r t nh . Trên th c t ông th y ánh sáng có th lan truy n theo m t cách khác n a: “Tôi s ch ng t v i các b n m t ph ng th c lan
GI I MÃ NH NG BÍ M T V ÁNH SÁNG
truy n th t mà tôi g i là nhi u x , b i vì ánh sáng b phân tán, ngay c trong m t môi tr ng đ ng nh t, lân c n m t v t c n, thành các nhóm tia khác nhau lan truy n theo các h ng khác nhau”. M t ví d đ n gi n khác, nh ng r t ph bi n, c a s nhi u x x y ra khi ánh sáng tán x ho c b b cong b i các h t nh có kích th c v t lí cùng b c đ l n v i b c sóng ánh sáng. M t ví d t t là s tr i r ng ra c a chùm ánh sáng đèn pha ô tô b i s ng mù ho c các h t b i m n. L ng tán x và góc m r ng c a chùm sáng ph thu c vào kích th c và m t đ các h t gây ra s nhi u x . S tán x ánh sáng, m t hình th c nhi u x , c ng là nguyên nhân t o ra màu xanh c a b u tr i và c nh bình minh và hồng hơn th ng r c r có th th y phía chân tr i. N u nh Trái t khơng có b u
khí quy n (khơng có khơng khí, n c, b i và các m nh v n) thì b u tr i s có màu
đen, k c vào ban ngày. Khi ánh sáng t M t Tr i truy n qua b u khí quy n c a Trái
t, nh ng kh i phân t khơng khí riêng bi t có m t đ bi n thiên, do các dao đ ng nhi t và s có m t c a h i n c, s làm tán x ánh sáng. Nh ng b c sóng ng n nh t (tím và xanh d ng) b tán x nhi u nh t, làm cho b u tr i có màu xanh th m. Khi có m t l ng đáng k b i ho c h i m trong khơng khí, thì các b c sóng dài (ch y u là
màu đ ) c ng b tán x cùng v i b c sóng xanh d ng, làm cho b u tr i xanh trong
có v tr ng h n.
Khi M t Tr i trên cao (kho ng gi a tr a) trong b u khí quy n khơ, trong tr o, đa s ánh sáng kh ki n truy n qua b u khí quy n khơng b tán x đáng k , và M t Tr i có v nh tr ng trên n n tr i xanh th m. Khi M t Tr i b t đ u l n, sóng ánh sáng ph i truy n qua l ng nhi u h n c a b u khí quy n, th ng ch a m t s l ng l n các h t
b i l l ng và h i m. D i nh ng đi u ki n này, nh ng b c sóng dài h n c a ánh
sáng tr nên b tán x và nh ng màu khác b t đ u l n át màu c a M t Tr i, bi n đ i t
vàng sang cam, cu i cùng chuy n sang đ tr c khi nó l n khu t d i đ ng chân
tr i.
GI I MÃ NH NG BÍ M T V ÁNH SÁNG
Chúng ta có th th ng th y nh ng s c thái xanh d ng, h ng, tía và xanh lá các
đám mây, phát sinh b i s k t h p c a các hi u ng khi ánh sáng b khúc x và nhi u
x t nh ng gi t n c trong các đám mây đó. L ng nhi u x ph thu c vào b c
sóng ánh sáng, b c sóng càng ng n b nhi u x góc càng l n so v i b c sóng dài (trong th c t , ánh sáng xanh d ng và tím b nhi u x góc l n h n so v i ánh sáng
đ ). Thu t ng nhi u x và tán x c ng th ng đ c dùng hoán đ i nhau và có th
xem g n nh là t ng đ ng trong nhi u tr ng h p. S nhi u x mô t m t tr ng
h p đ c bi t c a s tán x ánh sáng trong đó m t v t có các đ c tr ng l p l i đ u đ n (ví d nh v t tu n hoàn ho c cách t nhi u x ) t o ra hình nh nhi u x có tr t t . Trong th gi i th c, đa s các v t có hình d ng r t ph c t p và ph i đ c xem là g m nhi u đ c tr ng nhi u x riêng r có th cùng t o ra m t s tán x ánh sáng ng u nhiên.
V y là chúng ta k t lu n: Trong môi môi tr ng đ ng tính, ánh sáng truy n th ng, khi g p m t v t c n (môi tr ng khác), ánh sáng s b tán x . Và trong m t s tr ng h p
đ c bi t (b m t v t c n nh n, ch ng h n), ta có hi n t ng ph n x , ho c khúc x , ho c nhi u x .
Bây gi ta th lí gi i đi u trên d a vào nh ng hi u bi t V t Lí sau đây: