. tds Aj e j s
SỰ TÁN XẠ ÁNH SÁNG
§§1. HIỆN TƯỢNG TÁN XẠ ÁNH SÁNG.
Quan sát một chùm tia sáng rọi vào một phịng tối. Nếu khơng khí trong phịng thật sạch, ta khơng thấy được đường đi của chùm tia sáng. Điều đĩ chứng tỏ ánh sáng chỉ truyền theo phương quang hình. Nhưng nếu trong phịng cĩ vẩn các hạt bụi nhỏ thì ta nhìn thấy được
đường đi của chùm tia sáng chiếu vào phịng nhờ những hạt bụi nhỏ, trở thành những hạt
sáng, bên trong chùm tia. Điều này chứng tỏ rằng trong một mơi trường vẩn cĩ lẫn các hạt nhỏ khơng đồng tính (về quang học) với mơi trường, ngồi phần ánh sáng truyền đi theo
phương tới, cịn một phần ánh sáng truyền theo các phương khác. Hiện tượng này gọi là sự tán xạ ánh sáng.
Ta cũng cĩ hiện tượng tán xạ trong các mơi trường vẩn ở thể lỏng, và ngay cả trong
trường hợp tinh thể.
Ta cĩ thể thực hiện một thí nghiệm đơn giản như sau :
Rọi một chùm tia sáng song song qua một chậu nước yên tĩnh. Nếu nước thật sạch thì mắt đặt ở vị trí, giả sử như hình vẽ 1, khơng nhìn thấy đường đi của chùm tia sáng qua
nước. Nhỏ vào chậu nước vài giọt nước hoa, nước trong chậu C trở thành một mơi trường vẩn và mắt nhìn thấy rõ đường đi của chùm tia sáng qua chất lỏng. Vậy mơi trường đã tán xạ ánh sáng.
Hiện tượng tán xạ ánh sáng bởi các hạt nhỏ (so với bước sĩng) trong một mơi trường
đồng tính về quang học được gọi là hiện tượng Tyndall; Tyndall khảo sát thực nghiệm
(1868) và Hayleigh khảo sát về lý thuyết (1871).
§§2. SỰ TÁN XẠ BỞI CÁC HẠT NHỎ SO VỚI BƯỚC SĨNG – HIỆN TƯỢNG TYNDALL. TYNDALL.
Ta khảo sát hiện tượng tán xạ ánh sáng bởi mơi trường vẩn với ánh sáng tự nhiên hoặc ánh sáng phân cực. Thí nghiệm được thiết trí như hình vẽ 2.
Ống T chứa mơi trường tán xạ ánh sáng. Giả sử các hạt tán xạ là những hạt điện mơi,
khơng màu, trong suốt, đồng chất và cĩ dạng hình cầu, kích thước nhỏ so với các bước sĩng
Mắt S H.1 x z o y x T P L S H.2
khảo sát. Mắt quan sát theo phương Oy. Ánh sáng khuếch tán cĩ màu xanh nhạt, trong khi ánh sáng tới là ánh sáng trắng.
Quay kính phân cực P xung quanh phương Ox, ta thấy cường độ ánh sáng tán xạ qua
một cực tiểu gần như triệt tiêu khi phương chấn động của ánh sáng tới song song với
phương quan sát Oy và qua một cực đại khi phương chấn động tới song song với phương Oz.
Ngược lại, ta cĩ thể giữ cố định phương chấn động của ánh sáng tới, thí dụ theo phương Oz và thay đổi phương quan sát OM trong mặt phẳng thẳng gĩc với phương truyền Ox của chùm tia tới thì ta thấy khi phương quan sát OM song song với phương Oy, cường độ ánh sáng tán xạ cực đại; Khi phương quan sát OM trùng với phương Oz, cường độ ánh sáng tán xạ triệt tiêu.
Vậy khơng cĩ ánh sáng tán xạ theo phương của chấn động tới. Ngồi ra, quan sát bằng một nicol phân tích, ta thấy ánh sáng tán xạ cũng là ánh sáng phân cực thẳng.
Nếu ta đo cường độ ánh sáng khuyếch tán I tại mỗi vị trí M bằng một tế bào quang điện C và vẽ đường biễu diễn sự biến thiên của I theo gĩc θ ta được đường cong cĩ dạng như hình vẽ h.4.
- Bây giờ dùng ánh sáng tới là ánh sáng tự nhiên (bỏ kính phân cực P ra). Vì ánnh sáng chỉ truyền được chấn động ngang nên ánh sáng tán xạ theo phương quan sát OM vẫn là ánh sáng phân cực tồn phần. Phương chấn động thẳng gĩc với
OM. Nếu phương tán xạ khơng thẳng gĩc với Ox, ánh sáng tán xạ chỉ phân cực một phần. Ngồi ra, vì sự phân bố đối xứng các chấn động thẳng trong mặt phẳng YOZ xung quanh phương truyền Ox của ánh sáng tự nhiên, ta thấy cường độ ánh sáng tán xạ trong trường hợp này khơng thay
đổi khi quay phương quan sát OM trong mặt phẳng YOZ.
- Trong thí nghiệm ở hình vẽ 2, ta để ống T thẳng đứng, nghĩa là cho trục của ống song song với trục Oz. Đo cường dộ ánh sáng khuyếch tán theo các phương thẳng gĩc với trục Oz. Nếu ánh sáng tới là ánh sáng phân cực chấn động theo phương Oz thì cường độ ánh
sáng khuếch tán I khơng đổi khi phương quan sát OM quay xung quanh O trong mặt phẳng XOY. Nếu ánh sáng tới là ánh sáng tự nhiên thì cường độ I thay đổi theo gĩc ( như hình vẽ 5b với OA = 2OB. z Pr θ I(θ) y H. 4 z θ M C o y H. 3
§§3. ĐỊNH LUẬT RAYLEIGH.
- Cường độ ánh sáng tạn xạ I tỷ lệ nghịch với lũy thừa bậc 4 của bước sĩng ánh sáng 4 K I λ =
K là một hằng số đối với bước sĩng (.
Theo định luật này bước sĩng càng nhỏ thì ánh sáng khuyếch tán cĩ cường độ càng lớn. Chính vì vậy khi cho ánh sáng trắng đi qua mơi trường tán xạ và quan sát ánh sáng tán xạ, ta thấy màu xanh nhạt.
Định luật này được giải thích như sau : Xét một điểm M của thể tích vi cấp v trong mơi
trường tán xạ. Giả sử phương trình chấn động của ánh sáng tới tại điểm M là A cos(t. Theo lý thuyết về nhiễu xạ thì thể tích vi cấp v đĩng vai trị của một nguồn thứ cấp đồng pha với chấn động tới. Chấn động từ nguồn thứ cấp này truyền tới một điểm P cách M một khoảng r là y kA. .cosv t 2 r r π ω λ ⎛ ⎞ = ⎜ − ⎟ ⎝ ⎠
Hệ số k tùy thuộc gĩc mà phương MP làm với phương của tia tới, tính chất của hạt tán xạ, mật độ các hạt tán xạ, bước sĩng ( của ánh sáng.
. .A
k v