V. ĐẶC TÍNH "HAI MẶT" CỦA ÁNH SÁNG
Dựa trên cơ sở giả thuyết ấy, Planck đã tìm ra
thuyết ấy, Planck đã tìm ra được một công thức tính năng lượng bức xạ của vật đen tuyệt đối hoàn toàn phù hợp với thực nghiệm và ông đã giải thích được các định luật thực nghiệm về bức xạ nhiệt.
N g à y n a y h ệ t h ứ c t r ê n đ ã t r ở trri
thành một trong những cơ sở của vật lí hiện đại. Năm 1913 nhà bác học N.Bohr đã vận đụng thành công thuyết lượng tử của Planck đế giải thích sự bức xạ của nguyên tố đơn giản nhât là hiđro.
Trước đó năm 1887 nhà bác học Hertz lại đã phát hiện ra hiện tượng quang điện(8) : Khi chiếu một chùm ánh sáng thích hợp (có bước sóng ngắn, như tia tử ngoại chẳng hạn) vào mặt tấm kim loại (như đồng, nhôm, bạc, niken...) thì nó làm cho các electron ở mặt kim loại bị bật ra khỏi tấm kim loại.
Từ các kết quả nghiên cứu chi tiết về hiện tượng quang điện các nhà bác học (như Stoletov, Lenard...) đã tìm ra các định luật quang điện. Các định luật này không thể giải thích bằng thuyết điện từ về ánh sáng (coi ánh sáng là sóng điện từ). Để giải thích được các định luật quang điện, nhà bác học người Đức A.Einstein (Hình 7), năm 1905, đã phát triển thuyết lượng tử năng lượng của Planck và nêu lên
thuyết lượng tử ánh sáng hay thuyết photon. Einstein khẳng định rằng
bức xạ khống những được phát xạ và hấp thụ bằng những lượng tử riêng rẽ, mà đồng thời khi truyền đi cũng giữ " cấu trúc lượng tử" của nó. Theo thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein, ánh sáng được phát xạ, hấp thụ và truyền đi dưới dạng những hạt riêng biệt, gọi là "lượng tử ánh sáng" hay photon (hạt ánh sáng).
Hình 7, Albert Einstein
(8) Ngày nay hiện tượng quang điện được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kĩ thuật như truyền hình, điều khiển tự động, pin quang điện bán dẫn....
Mỗi photon của một ánh sáng đơn sắc mang một năng lượng xác định :
E = hf và có một động lượng
với f là tần số của sóng ánh sáng ứng với photon đó và X là bước sóng ánh sáng .
Trong mọi môi trường (kể cả chân không) photon truyền đi với vận tốc bằng vận tốc ánh sáng. Cường độ của chùm ánh sáng tỉ lệ với số photon phát ra từ nguồn trong một đơn vị thời gian. Vì mỗi photon có năng lượng rất nhỏ bé và số photon của chùm sáng rất lớn nên ta có cảm giác chùm ánh sáng là liên tục (một bóng đèn điện 100W phát ra mỗi giây khoảng 200 tỉ tỉ photon!!!). Nhờ giả thuyết này Einstein không những đã giải thích được xác định luật về hiện tượng quang điện mà còn giải thích được cả các hiện tượng khác như nhiệt dung của chất rắn, tác dụng hóa học của ánh sáng, áp suất ánh sáng... về sau người ta còn giải thích thành công các thí nghiệm của Compton thực hiện năm 1923 - còn gọi là hiệu ứng Compton - về sự tán xạ của tia X có bước sóng ngắn lên các electron tự do của vật chất.
4« Lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng
Như vậy các hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ... chứng tỏ ánh
sáng trông thấy, các tia hồng ngoại, tia tử ngoại, tia X, tia gamma đều
là các sóng điện từcỏbước sóng khác nhau. Trên hình 8a là hình ảnh
nhiễu xạ của tia X trên tinh thể muối ăn, còn hình 8b là hình ảnh nhiêu xạ của ánh sáng trông thấy qua một tập hợp các lỗ tròn. Mặt khác hiện tượng quang điện và một số hiện tượng khác lại cho ta thấy
ánh sáng có tính chất hạt(chùm ánh sáng là chùm các photon). Vậy
ánh sáng vừa có tính chất sóng, vừa có tính chất hạt. Người ta nói rằng ánh sáng có lưỡng tính sóng - hạt.
Trở lại hình 4 ta thấy hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng được mố tả như thế nào nếu coi ánh sáng là photon (các chấm tròn biểu thị các hạt photon: cực đại nhiễu xạ là chỗ số photon tới đập vào nhiều nhất trên màn quan sát E).
Những ánh sáng (sóng điện từ) có bước sóng càng dài (tần số càng nhỏ, như ánh sáng trông thấy) thì photon ứng với chúng có năng lượng càng nhỏ, và thực nghiệm cho ta thấy tính chất hạt của chúng càng khó thể hiện, còn tính chất sóng của chúng lại càng dễ bộc lộ (ở các hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ...). Ngược lại những sóng điện từ có bước sóng càng ngắn (tần số càng lớn, như tia tử ngoại, tia X...) thì photon ứng với chúng có năng lượng càng lớn, và thực nghiệm cho ta thây tính chất hạt của chúng thể hiện càng đậm nét (ở hiện tượng quang điện chẳng hạn), còn tính chat sóng của chúng lại càng ít bộc lộ ra.
Hình 8. Hình ảnh nhiễu xạ của tia X (hình a) và của ánh sáng trông thấy (hình b)