5
Khi một chùm ánh sáng truyền giữa hai môi trường có chiết suất khác nhau thì
chùm tia bị khúc xạ và đổi hướng khi truyền từ môi trường thứ nhất vào môi trường
thứ hai. Để xác định xem chùm tia sáng là hạt hay sóng, người ta phải nghĩ ra mỗi
mô hình cho mỗi trường phái để giải thích hiện tượng (hình 1.3). Theo thuyết sóng
của Huygens, một phần nhỏ của mỗi đầu sóng góc phải chạm đến môi trường thứ
hai trước khi phần còn lại củ
a đầu sóng tiến đến mặt phân giới. Phần này sẽ bắt đầu
đi qua môi trường thứ hai trong khi phần còn lại của sóng vẫn còn truyền trong môi
trường thứ nhất, nhưng sẽ chuyển động chậm hơn do chiết suất của môi trường thứ
hai cao hơn. Do mặt sóng lúc này truyền ở hai tốc độ khác nhau, nên nó sẽ uốn cong
vào môi trường thứ hai, do đó làm thay đổi hướng truyền. Trái lại, thuyết hạt có lúc
h
ơi khó giải thích tại sao các hạt ánh sáng phải đổi hướng khi chúng truyền từ môi
trường này sang môi trường khác. Những người đề xướng thuyết hạt cho rằng một
lực đặc biệt, hướng vuông góc với mặt phân giới, tác động đến sự thay đổi vận tốc
của các hạt khi chúng đi vào môi trường thứ hai. Bản chất đích thực của lực này
không được nghiên cứu và không có bằng chứng nào được thu thập để chứng minh
cho lý thuyết.
Hình 1.3. Sự khúc xạ của hạt và sóng.
Một so sánh thú vị khác của hai lý thuyết liên quan tới những khác biệt xảy ra khi
ánh sáng bị phản xạ từ một bề mặt nhẵn, lung linh, như mặt gương chẳng hạn.
Thuyết sóng xem nguồn sáng phát ra các sóng ánh sáng trải ra theo mọi hướng. Khi
chạm lên gương, các sóng bị phản xạ theo góc tới, nhưng với mỗi sóng phản hồi trở
6
lại tạo ra một ảnh đảo ngược (hình 1.4). Hình dạng của sóng tới phụ thuộc nhiều
vào khoảng cách từ nguồn sáng tới gương. Ánh sáng phát ra từ một nguồn ở gần
vẫn giữ được mặt sóng hình cầu, có độ cong cao, còn ánh sáng phát ra từ một nguồn
ở xa sẽ trải rộng hơn và các mặt sóng gần như là phẳng.
Hình 1.4. Hạt và sóng phản xạ bởi gương.
Trường hợp bản chất hạt của ánh sáng đối với hiện tượng phản xạ có sức thuyết
phục hơn nhiều so với hiện tượng khúc xạ. Ánh sáng phát ra từ một nguồn, dù ở gần
hay ở xa, đi tới bề mặt gương dưới dạng một dòng hạt, chúng bị nảy lên, hay là bị
phản xạ bởi bề
mặt nhẵn mịn. Do các hạt rất nhỏ, và có một lượng rất lớn hạt trong
chùm ánh sáng lan truyền, nên chúng sẽ chuyển động sát cánh với nhau. Khi chạm
lên mặt gương, các hạt bị nảy lên từ những điểm khác nhau, nên trật tự của chúng
trong chùm sáng bị đảo ngược lại tạo ra một hình đảo ngược, như được minh họa
trên hình 1.4. Cả thuyết hạt và thuyết sóng đều giải thích thỏa đáng s
ự phản xạ bởi
một bề mặt phẳng. Tuy nhiên, thuyết hạt cũng cho rằng nếu bề mặt quá gồ ghề, thì
các hạt bị nảy lên ở nhiều góc khác nhau, kết quả là làm tán xạ ánh sáng. Thuyết
này rất phù hợp với những quan sát thực nghiệm.
Hạt và sóng cũng sẽ hành xử khác nhau khi chúng chạm phải rìa của một vật và tạo
nên bóng đổ (hình 1.17). Newton sớm chỉ ra trong cuốn Opticks xuất bản n
ăm 1704
của ông rằng: “Ánh sáng không bao giờ truyền đi theo đường cong hay bị bẻ cong
thành bóng đổ”. Khái niệm này phù hợp với thuyết hạt cho rằng ánh sáng luôn luôn
truyền đi theo đường thẳng. Nếu các hạt chạm phải rìa của một rào chắn thì chúng
sẽ không tạo ra bóng đổ vì các hạt không bị rào chắn ngăn cản tiếp tục chuyển động
theo đường thẳng và không trải qua phía sau rìa chắn. Ở phạm vi vĩ mô, quan sát
7
này hầu như là chính xác, nhưng nó không phù hợp với kết quả của thí nghiệm
nhiễu xạ ánh sáng xảy ra ở kích thước nhỏ hơn nhiều.
Hình 1.5. Nhiễu xạ của hạt và sóng.
Khi ánh sáng truyền qua một khe hẹp, chùm tia trải ra và trở nên rộng hơn mong
đợi. Quan sát quan trọng có tính cơ sở này mang lại nhiều tin cậy cho thuyết sóng
ánh sáng. Giống như sóng nước, sóng ánh sáng chạm phải rìa của một vật thì uốn
cong quanh rìa đó và đi vào vùng bóng hình học của nó, là vùng không được rọi
sáng trực tiếp bằng chùm tia sáng. Hành trạng này tương tự như sóng nước cuốn
quanh phần cuối của bè nổi, thay vì ph
ản xạ ra xa.
Gần 100 năm sau khi Newton và Huygens đề xuất lý thuyết của họ, một nhà vật lý
người Anh tên là Thomas Young đã thực hiện một thí nghiệm củng cố mạnh mẽ bản
chất giống sóng của ánh sáng. Vì ông tin rằng ánh sáng là gồm các sóng, Young giải
thích được một số loại tương tác xảy ra khi hai sóng ánh sáng gặp nhau. Để kiểm tra
giả thuyết này, ông dùng một màn chứa một khe hẹp để tạo ra chùm ánh sáng kết
hợp (gồ
m các sóng truyền cùng pha với nhau) từ nguồn ánh sáng Mặt Trời. Khi các
tia sáng Mặt Trời chạm tới khe, chúng trải rộng ra, hay nhiễu xạ, tạo ra một mặt
sóng. Nếu như mặt sóng này được cho rọi tới một màn thứ hai có hai khe đặt rất gần
nhau, thì hai nguồn ánh sáng kết hợp nữa, hoàn toàn đồng bộ với nhau, được tạo ra
(hình 1.6). Ánh sáng từ mỗi khe truyền tới một điểm nằm giữa hai khe phải hoàn
toàn đồ
ng bộ với nhau. Tuy nhiên, nếu xét một điểm nào đó nằm về một phía so với
8
điểm chính giữa, thì ánh sáng từ một khe sẽ truyền tới điểm đó qua một đoạn đường
dài hơn so với ánh sáng truyền từ khe phía bên kia. Ánh sáng từ khe gần hơn sẽ
truyền tới điểm thứ hai này trước so với ánh sáng từ khe ở xa, nên hai sóng không
còn đồng bộ với nhau, và có thể hủy nhau tạo nên bóng tối.
Đúng như ông nghi ngờ, Young phát hiện thấy khi các sóng ánh sáng từ bộ khe thứ
hai bị
trải ra (hay nhiễu xạ), chúng gặp nhau và chồng chập lên nhau. Trong một số
trường hợp, sự chồng chập kết hợp đồng bộ chính xác với nhau. Tuy nhiên, trong
một số trường hợp khác, các sóng ánh sáng kết hợp hoàn toàn không đồng bộ với
nhau hoặc chỉ đồng bộ một phần. Young nhận thấy khi các sóng gặp nhau đồng bộ,
chúng cộng gộp với nhau bằng một quá trình gọi là giao thoa tăng cường. Các sóng
gặp nhau không đồ
ng bộ sẽ hủy lẫn nhau, hiện tượng này gọi là giao thoa triệt tiêu.
Ở giữa hai thái cực này, những mức độ khác nhau của giao thoa tăng cường và triệt
tiêu xảy ra làm tạo ra sóng có phổ biên độ rộng. Young cũng có thể quan sát thấy
các hiệu ứng giao thoa trên màn hình đặt ở một khoảng cách nhất định phía sau hai
khe. Sau khi nhiễu xạ, ánh sáng tái kết hợp bằng giao thoa tạo ra dải vân sáng và tối
dọc theo chiều dài của màn hình.
Hình 1.6. Thí nghiệm hai khe Young.
9
Mặc dù có vẻ quan trọng, nhưng kết luận của Young không được chấp nhận rộng rãi
vào lúc đó, chủ yếu do bởi niềm tin quá mãnh liệt vào thuyết hạt. Ngoài quan sát sự
giao thoa ánh sáng, Young còn cho rằng ánh sáng có các màu khác nhau gồm các
sóng có chiều dài khác nhau, một khái niệm cơ sở được công nhận rộng rãi hiện
nay. Trái lại, thuyết hạt chủ trương rằng màu sắc ánh sáng khác nhau là do các hạt
có khối lượng khác nhau hoặc truyền đi với vận tố
c khác nhau.
Hiệu ứng giao thoa không chỉ giới hạn có ánh sáng. Các sóng tạo ra trên mặt hồ,
hoặc ao, sẽ trải ra theo mọi hướng và chịu sự hành xử tương tự. Khi hai sóng gặp
nhau đồng bộ, chúng sẽ cộng gộp với nhau tạo ra một sóng hơn bằng giao thoa tăng
cường. Các sóng chạm nhau không đồng bộ sẽ hủy nhau qua giao thoa triệt tiêu và
tạo ra bề mặt phẳng trên nước.
Thêm một bằng chứng nữa cho bản ch
ất giống sóng của ánh sáng được phát hiện
khi hành trạng của chùm sáng giữa các kính phân cực đặt chéo nhau được nghiên
cứu tỉ mỉ (hình 1.7). Kính phân cực có cấu trúc phân tử độc nhất vô nhị chỉ cho
phép ánh sáng có một định hướng nào đó truyền qua chúng. Nói cách khác, kính
phân cực có thể được xem như một loại màn che Venice đặc biệt có các hàng thanh
nhỏ xíu định theo một hướng bên trong chất phân cực. Nếu cho một chùm sáng tới
đập vào kính phân cực, chỉ có những tia sáng định h
ướng song song với hướng phân
cực mới có thể truyền qua kính. Nếu đặt một kính phân cực thứ hai phía sau kính
thứ nhất và định hướng giống như kính thứ nhất, thì ánh sáng truyền qua được kính
thứ nhất cũng sẽ truyền qua được kính thứ hai.
Tuy nhiên, nếu quay kính phân cực thứ hai đi một góc nhỏ, thì lượng ánh sáng
truyền qua nó sẽ giảm xuống. Khi quay kính phân cực thứ hai đến vị trí định hướng
vuông góc với kính thứ
nhất, thì không có ánh sáng nào đã truyền qua được kính
thứ nhất sẽ truyền qua được kính thứ hai. Kết quả này dễ dàng giải thích được với
thuyết sóng, còn việc vận dụng thuyết hạt không thể giải thích được ánh sáng bị
chặn lại như thế nào bởi kính thứ hai. Thật vậy, thuyết hạt cũng không thể giải thích
10
thỏa đáng hiện tượng giao thoa và nhiễu xạ, những hiệu ứng mà sau này người ta
xem là thuộc cùng một hiện tượng.
Kết quả quan sát với ánh sáng phân cực đủ để phát triển khái niệm ánh sáng gồm
các sóng ngang có các thành phần vuông góc với hướng truyền sóng. Mỗi thành
phần ngang phải có một định hướng đặc biệt cho phép nó truyền qua hoặc là bị chặn
lại bởi một kính phân cực. Chỉ những sóng có thành phần ngang song song vớ
i bộ
lọc phân cực mới truyền qua được, còn những sóng khác đều bị chặn lại.
Hình 1.7. Hạt và sóng đi qua các kính phân cực đặt vuông góc.
Vào giữa những năm 1800, các nhà khoa học không ngừng bị thuyết phục trước đặc
trưng giống sóng của ánh sáng, nhưng vẫn còn một chỗ hổng lớn chưa được lấp. Đó
là ánh sáng thật ra là gì? Một đột phá được thực hiện bởi nhà vật lý người Anh
James Clerk Maxwell khi ông phát hiện thấy tất cả các dạng bức xạ điện từ đều có
ph
ổ liên tục và truyền qua chân không với cùng một tốc độ là 186000 dặm một giây.
Khám phá của Maxwell thật sự đã đóng đinh quan tài cho thuyết hạt, và vào buổi
bình minh của thế kỉ 20, hình như những câu hỏi cơ bản về ánh sáng và lý thuyết
quang học cuối cùng đã được trả lời.
11
Một tai họa lớn ập đến với thuyết sóng vào cuối thập niên 1880, khi các nhà khoa
học lần đầu tiên phát hiện thấy, dưới những điều kiện nhất định, ánh sáng có thể
đánh đuổi các electron ra khỏi nguyên tử của một vài kim loại (hình 1.8). Mặc dù
lúc đầu chỉ là một hiện tượng hiếu kì và không giải thích nổi, nhưng người ta nhanh
chóng phát hiện thấy ánh sáng cực tím có thể làm bật ra electron từ nguyên tử
của
nhiều kim loại, làm cho chúng tích điện dương. Nhà vật lý người Đức Phillip
Lenard trở nên bị lôi cuốn vào những quan sát này, và ông đã đặt tên cho nó là hiệu
ứng quang điện. Lenard dùng một lăng kính để tách ánh sáng trắng thành các thành
phần màu của nó, và rồi cho hội tụ có chọn lọc mỗi màu lên một đĩa kim loại để
tống khứ các electron ra khỏi nó.
Cái Lenard phát hiện được làm ông bối rối và ngạc nhiên. Đối với một bước sóng
ánh sáng c
ụ thể (chẳng hạn ánh sáng xanh dương), các electron tạo ra một thế
không đổi, hay một lượng năng lượng ổn định. Việc giảm hoặc tăng lượng ánh sáng
tạo ra sự tăng hoặc giảm tương ứng số electron được giải phóng, nhưng mỗi
electron vẫn có năng lượng như cũ. Nói cách khác, các electron thoát khỏi liên kết
nguyên tử có năng lượng phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng, chứ không phải cường
độ
ánh sáng. Điều này trái với cái mà thuyết sóng mong đợi. Lenard cũng khám phá
ra mối liên hệ giữa bước sóng và năng lượng: các bước sóng càng ngắn làm phát
sinh các electron có năng lượng càng lớn.
Hình 1.8. Hiệu ứng quang điện.
12
Việc thiết lập mối quan hệ giữa ánh sáng và các nguyên tử có được vào đầu thập
niên 1800 khi William Hyde Wollaston khám phá thấy phổ của Mặt Trời không
phải là một dải sáng liên tục mà chứa hàng trăm bước sóng bị thiếu. Trên 500 vạch
hẹp ứng với các bước sóng bị thiếu đã được lập biểu đồ bởi nhà vật lý người Đức
Joseph von Fraunhofer, người đặt các kí hiệu chữ cái cho các khe hở lớn nhất. Sau
này, người ta phát hiện thấy các khe hở sinh ra do sự hấp thụ những bước sóng cụ
thể bởi các nguyên tử trong lớp bên ngoài Mặt Trời. Những quan trắc này là một số
liên hệ đầu tiên giữa các nguyên tử và ánh sáng, mặc dù tác dụng cơ bản của nó
không được hiểu rõ vào lúc ấy.
Năm 1905, Albert Einstein đề xuất rằng ánh sáng thực ra có một số đặc trưng hạt,
bất chấp những bằng chứng tràn ngậ
p cho bản chất giống sóng của ánh sáng. Trong
khi phát triển thuyết lượng tử của ông, Einstein đề xuất về mặt toán học rằng các
electron gắn liền với các nguyên tử trong kim loại có thể hấp thụ một số lượng ánh
sáng nhất định (ban đầu đặt tên là lượng tử, nhưng về sau đổi tên là photon), và như
thế nó có năng lượng để thoát ra ngoài. Ông cũng cho rằng nếu năng lượng của
photon tỉ lệ
nghịch với bước sóng thì các bước sóng càng ngắn sẽ tạo ra những
electron có năng lượng càng lớn, một giả thuyết được hình thành trên cơ sở những
kết quả nghiên cứu của Lenard.
Lý thuyết của Einstein được củng cố trong thập niên 1920 bởi các thí nghiệm của
nhà vật lý người Mĩ Arthur H. Compton, người chứng minh được photon có xung
lượng, một yêu cầu cần thiết để củng cố lý thuyết vật chấ
t và năng lượng có thể
hoán đổi cho nhau. Cũng vào khoảng thời gian đó, nhà khoa học người Pháp Louis
Victor-de Broglie cho rằng tất cả vật chất và bức xạ đều có những tính chất vừa
giống sóng vừa giống hạt. Dưới sự chỉ dẫn của Max Planck, de Broglie đã ngoại suy
công thức nổi tiếng của Einstein liên hệ khối lượng với năng lượng chứa luôn hằng
số Planck:
E = mc
2
= hν
13
trong đó E là năng lượng của hạt, m là khối lượng, c là vận tốc ánh sáng, h là hằng
số Planck và ν là tần số. Công trình của de Broglie, liên hệ tần số của một sóng với
năng lượng và khối lượng của một hạt, mang tính cơ sở trong sự phát triển của một
lĩnh vực mới cuối cùng sẽ được dùng để giải thích bản chất vừa giống sóng vừa
gi
ống hạt của ánh sáng. Cơ học lượng tử ra đời từ nghiên cứu của Einstein, Planck,
de Broglie, Niels Bohr, Erwin Schrodinger và những người nỗ lực giải thích bức xạ
điện từ bằng thuật ngữ lưỡng tính hay là hành trạng vừa giống sóng vừa giống hạt.
Có khi ánh sáng hành xử như hạt và đôi khi lại như sóng. Đặc trưng lưỡng tính của
hành trạng của ánh sáng có thể dùng để mô tả tất cả các đặc điểm đã biết được quan
sát thấy bằng thực nghiệm, từ sự khúc xạ, phản xạ, giao thoa và nhiễu xạ cho tới các
hiệu ứng phân cực ánh sáng và hiệu ứng quang điện. Hai đặc trưng của ánh sáng
sống hòa thuận cùng nhau và cho phép chúng ta khám phá những nét đẹp của vũ
trụ.
1.2. Lý thuyết sóng ánh sáng
Lý thuyết sóng ánh sáng dựa trên nguyên lý Huygens và Fresnel, xem hình 1.9:
Nguyên lý Huygens: Bất kỳ một điểm nào có sóng truyền đến đều trở thành ngu
ồn
phát sóng thứ cấp phát sóng về phía trước nó.
Nguyên lý Fresnel: Biên độ và pha của nguồn thứ cấp bằng biên độ và pha của sóng
do nguồn sáng thực tạo ra ở vị trí của nguồn thứ cấp.
(a) Mặt sóng phẳng (b) Mặt sóng cầu
N
g
uồn sơ cấ
p
N
g
uồn thứ cấ
p
Đ
ư
ờn
g
tru
y
ền
Hình 1.9. Sự truyền của
một sóng phẳng (a),
một sóng cầu (b) trong
chân không được hình
dung theo nguyên lý
Huygens.
14
Lý thuyết sóng ánh sáng có thể được chấp nhận khi giải thích thỏa đáng các hiện
tượng như: nhiễu xạ, giao thoa sóng ánh sáng. Sau đây, giới thiệu về hai thí nghiệm
kinh điển minh họa cho tính chất sóng của ánh sáng:
1.2.1. Thí nghiệm giao thoa ánh sáng qua khe đôi được thực hiện bởi Thomas
Young vào năm 1801
[3]
Một trong số những người tiên phong của nền vật lý buổi đầu là nhà khoa học người
Anh hồi thế kỉ 19 tên là Thomas Young, người đã chứng minh được hết sức thuyết
phục bản chất giống sóng của ánh sáng qua hiện tượng giao thoa bằng kỹ thuật
nhiễu xạ. Thí nghiệm của Young cho bằng chứng trái ngược với quan điểm khoa
học phổ biến lúc bấy giờ, xây dựng trên thuyế
t tiểu thể (hạt) của Newton về bản
chất ánh sáng. Thêm nữa, ông cũng là người kết luận rằng màu sắc khác nhau của
ánh sáng là do các sóng có chiều dài khác nhau, và bất cứ màu nào cũng có thể thu
được từ việc pha trộn các đại lượng khác nhau của ánh sáng từ ba màu cơ sở: đỏ,
lục và lam.
Năm 1801, Young tiến hành thí nghiệm khe đôi kinh điển và thường được trích dẫn,
mang đến bằng chứng quan trọng cho thấy ánh sáng khả kiế
n có những tính chất
sóng. Thí nghiệm của ông dựa trên giả thuyết cho rằng nếu ánh sáng là sóng trong
tự nhiên, thì nó phải hành xử theo kiểu giống như các gợn hay sóng trên ao nước.
Nơi hai sóng nước đối diện gặp nhau, chúng phải phản ứng theo kiểu riêng để hoặc
là tăng cường hoặc là triệt tiêu lẫn nhau. Nếu hai sóng đồng bộ (các cực đại gặp
nhau) thì chúng sẽ kết hợp để tạo ra sóng lớn hơn. Ngược lạ
i, khi hai sóng gặp nhau
không đồng bộ (cực đại của sóng này gặp cực tiểu của sóng kia), hai sóng sẽ hủy
nhau và tạo ra bề mặt phẳng lặng tại khu vực đó, xem hình 1.11.
Để kiểm tra giả thuyết của ông, Young đã nghĩ ra một thí nghiệm tài tình. Sử dụng
ánh sáng Mặt Trời nhiễu xạ qua một khe nhỏ làm nguồn chiếu sáng bán kết hợp,
ông đã chiếu tia sáng phát ra từ khe đó lên một màn chắn khác chứa hai khe
đặt
song song nhau. Ánh sáng truyền qua các khe sau đó được cho rơi vào một màn
chắn thứ ba (màn hứng). Young quan sát thấy khi các khe lớn, đặt xa nhau và gần
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét