Chương II NỘI DUNG CHƯƠNG GIAO THOA ÁNH SÁNG
V. CÁC NGHIỆM GIAO THOA KHÔNG ĐỊNH XỨ
1. Tính không kết hợp của hai nguồn sáng thông thường.
Trong các nguồn sáng thường gặp như ngọn lửa, đèn điện, mặt trời...tâm phát sáng là các phân tử, nguyên tử, hoặc ion. Theo lí thuyết cổ điển , trong các tâm đó, bình thường điện tử ở tại các trạng thái dừng. Khi nhận được năng lượng kích thích (nhiệt năng, điện năng...), các điện tử nhảy lên các trạng thái kích thích ứng với các mức năng lượng cao hơn. Các trạng thái kích thích không
bền, điện tử lại rơi trở về các quĩ đạo bền, kèm theo việc phát ra năng lượng dưới dạng sóng điện từ.
Đó là quá trình phát sáng. Quá trình đó có các đặc điểm như sau:
-Số tâm phát sáng rất lớn và độc lập với nhau.
-Quá trình phát sáng có tính ngẫu nhiên, các đoàn sóng phát đi từ các tâm riêng biệt, hay các đoàn sóng trước, sau của cùng một tâm phát sáng cũng không có mối liên hệ gì với nhau về pha ban đầu, phương dao động và tần số, biên độ. ( Tuy nhiên một loại tâm phát sáng trong cùng các điều kiện chỉ có thể phát ra một tần số đặc trưng nhất định).
-Các đoàn sóng trong các nguồn sáng thông thường không kéo dài vô tận trong không gian và thời gian ( như các hàm số đơn sắc đã mô tả). Nếu thời gian cho mỗi lần phát sáng vào cỡ 10-8s thì độ dài mỗi đoàn sóng vào cỡ mét.
Xét các đặc trưng trên chúng ta thấy các tâm phát sáng riêng biệt trong nguồn sáng không có tính kết hợp, các phần riêng biệt của một nguồn sáng cũng không kết hợp - hai nguồn sáng độc lập không thể nào có tính kết hợp. Vì vậy thông thường chúng ta chỉ quan sát thấy sự cộng đơn giản của cường độ ánh sáng ( I = I1 + I2) mà không quan sát thấy hiện tượng giao thoa.
Ngày nay, từ năm 1960 người ta đã chế tạo được các nguồn sáng riêng rẽ nhưng kết hợp, đơn sắc và song song. Đó là nguồn laser.
Trong phòng thí nghiệm người ta tạo ra hai nguồn kết hợp bằng cách dùng dụng cụ quang học tạo ra từ hai nguồn thứ cấp ( hay dẫn xuất) kết hợp từ một nguồn sáng ban đầu. Ta sẽ lần lượt khảo sát một số thí nghiệm như vậy.
2. Thớ nghieọm khe Young
H.11
Trước nguồn sáng , người ta đặt một màn chắn A có đục một khe hẹp F để hạn chế kích thước nguồn sáng. Aùnh sáng phát ra từ F, rọi sáng hai khe hẹp, song song, F1, F2 ở trên màn B. Giả sử F1, F2 cách đều khe sáng F. Theo cách bố trí trên, F1, F2 được dùng để tách một đoạn sóng thành 2 đoàn giống hệt nhau, vậy F1, F2 là 2 nguồn kết hơp.
Do hiện tượng nhiễu xạ, các khe F1 và F2 trở thành 2 nguồn sáng dẫn xuất. Trong phần chồng chất của 2 chùm tia phát xuất từ F1, F2, ta có hiện
tượng giao thoa với hệ thống các vân thẳng, song song, sáng tối xen kẽ và cách đều nhau một khoảng i. Tại O ta có vân sáng trung tâm.
Nếu trước một trong 2 nguồn F1, F2, ví dụ F1, ta đặt một bản mỏng có bề dày là e, chiết xuất n. Quang lộ đi từ F1 tới một điểm M trong trường giao thoa trên màn ảnh tăng lên một lượng là e(n - 1). Vân sáng trung tâm cũng như tất cả hệ vân sẽ dịch chuyển một đoạn xác định. Từ đoạn dịch chuyển này ta có thể suy ra bề dày e hoặc chiết suất n của bản.
3. Hai gửụng Fresnel
H.12
Hai gương phẳng G1 và G2 hợp với nhau góc a bé. Giao tuyến của hai gương cắt mặt phẳng hình vẽ tại O, nguồn sáng điểm S đặt cách giao tuyến của hai gương một khoảng r. Mỗi đoàn sóng từ S đều cùng đến được 2 gương. Như vậy 2 chùm tia xuất phát từ hai gương thỏa mãn điều kiện kết hợp. Nhờ độ nghiêng
a giữa hai gương mà 2 chùm tia phản xạ có phần chồng chất lên nhau, cho hiện tượng giao thoa.
Ta có: S1, S2 là hai ảnh ảo của S qua hai gương G1, G2. Có thể xem các chùm tia phản xạ từ gương như xuất phát từ 2 nguồn kết hợp S1, S2. Hai nguồn này, cùng với S, nằm trên đường tròn tâm O bán kính r. Dễ dàng chứng
minhS1OS2 =2a. Như vậy khoảng cách giữa hai nguồn kết hợp: l=2ra
Tương tự như trường hợp giao thoa của hai nguồn sáng điểm, màn quan sát P được đặt vuông góc với đường trung trực của đoạn S1S2. Điểm O' chính là vị trí vân sáng trung tâm. Các công thức từ (4.1) đến (4.5) đều được áp dụng nếu thay l=2ra.
Để cho cường độ sáng của các vân đủ lớn, dễ quan sát, nguồn sáng S được bố trí dưới dạng khe hẹp, song song với giao tuyến của hai gương.
So với trường hợp hai khe Young, giao thoa với hai gương Fresnel tránh được hiện tượng nhiễu xạ.
4. Hai bán thấu kính Billet.
H.13
Một thấu kính hội tụ được cưa đôi theo đường kính ( mặt phẳng đối xứng).
Hai nửa L1 và L2 được tách rời nhau ra, cho ta hai ảnh riêng biệt của cùng một nguồn sáng. S1, S2 là hai nguồn kết hợp. Hiện tượng giao thoa được quan sát trên màn P. Biết khoảng cách l giữa hai nguồn kết hợp, cũng như khoảng cách D từ S1 và S2 đến màn quan sát chúng ta dễ dàng xác định kích thước của hệ vaân giao thoa.
Cách bố trí này cho ta hai nguồn thật, hoàn toàn cách rời nhau. Thành thử ta có thể dễ dàng thay đổi quang lộ của một trong hai chùm tia, bằng cách đặt bản mỏng T có bề dày e và chiết suất n trước nguồn sáng S1 chẳng hạm
5. Gửụng Lloyd
H.14
Chùm tia xuất phát từ S được tách làm 2 phần: Phần đến trực tiếp trên màn quan sát P, phần còn lại đến P sau khi phản xạ từ gương phẳng G. Chùm tia phản xạ như xuất phát từ ảnh ảo S'. S và S' là nguồn kết hợp S được đặt gần mặt phẳng của gương, sao cho khoảng cách l = SS' là bé .
O là giao tuyến giữa đường trung trực của đoạn SS' và màn quan sát P. Ở O lẽ ra ta quan sát thấy vân sáng vì quang lộ SO = SO', thì ta lại thấy vân tối. Để giải thích điều ấy, chúng ta thừa nhận rằng khi phản xạ trên gương G, quang lộ thay đổi đi một nửa bước sóng. Hay nói rằng khi phản xạ trên gương, pha của
chấn động đã thay đổi đi là p. Hiện tượng đổi pha này xảy ra, khi ánh sáng phản xạ trên môi trường chiết quang hơn.