Chiết Suất Của Môi Trường Và Bước Sóng ánh Sáng

D ẠNG BÀI TẬP

B DẠNG ÀI TẬP

6.3.5 Chiết suất của môi trường và bước sóng ánh sáng

Trong hiện tượng tán sắc, ta đã thấy chiết suất của cùng một môi trường trong suốt đối với những ánh sáng đơn sắc khác nhau thì khác nhau. Mặt khác, ta lại thấy mỗi ánh sáng đơn sắc có một bước sóng xác định. Như vậy: chiết suất của một môi trường trong suốt nhất định đối với các ánh sáng đơn sắc khác nhau thì phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng đó.

Khi đo chiết suất của các môi trường trong suốt khác nhau (nước, thuỷ tinh, thạch anh v.v.) đối với các ánh sáng đơn sắc khác nhau người ta thấy: chiết suất của một môi trường trong suốt nhất định đối với các ánh sáng có bước sóng dài thì nhỏ hơn chiết suất của môi trường đó đối với các ánh sáng có bước sóng ngắn.

Căn cứ vào thực nghiệm người ta vẽ được các"đường cong tán sắc"là đường Hibelbol biễu diễn sự phụ thuộc chiếc suất của môi trường vào bước sóng

n=A+ B

λ2 (6.9)

Với A và B là hằng số phụ thuộc vào bản chất của môi trường. 6.4 Máy quang phổ. Các loại quang phổ

6.4.1 Máy quang phổ

Một trong những ứng dụng quan trọng của hiện tượng tán sắc ánh sáng trong các lăng kính là để phân tích ánh sáng trong các máy quang phổ. Máy quang phổ là dụng cụ dùng để phân tích chùm sáng có nhiều thành phần thành những thành phần đơn sắc khác nhau. Nói khác đi, nó dùng để nhận biết các thành phần cấu tạo của một chùm sáng phức tạp do một nguồn sáng phát ra.

Máy quang phổ có3 bộ phận chính:

+ Ống chuẩn trực là bộ phận tạo ra chùm tia sáng song song. Nó có một khe hẹpSnằm ở tiêu diện của một thấu kính hội tụL1. Chùm ánh sáng phát ra từ nguồnJ mà ta cần nghiên cứu được rọi vào kheS. Chùm tia sáng ló ra khỏi thấu kínhL1 là một chùm tia song song.

+ Hệ tán sắc P là bộ phận có tác dụng làm tán sắc chùm tia song song từL1chiếu tới thành nhiều chùm tia đơn sắc song song.

+ Buồng ảnh gồm một thấu kính hội tụ L2 đặt chắn chùm tia sáng đã bị tán sắc sau khi qua lăng kínhP.

Chùm tia sáng ló ra khỏi lăng kính gồm nhiều chùm tia sáng đơn sắc song song lệch theo các phương khác nhau. Mỗi chùm tia sáng đơn sắc song song cho trên tiêu diện của thấu kínhL2 một vạch màu. Mỗi vạch màu là một ảnh đơn sắc của kheS.

Tại tiêu diện của thấu kínhL2 có đặt một tấm kính ảnhF để chụp ảnh quang phổ (hoặc một tấm kính mờ để quan sát quang phổ).

Nếu nguồn sángJ phát ra một số ánh sáng đơn sắc có bước sóngλ1, λ2. . . thì trên tấm kính ảnhF ta thu được một số vạch màuS1, S2. . . trên một nền tối. Mỗi vạch màu ứng với một thành phần ánh sáng đơn sắc do nguồnS phát ra.

Tập hợp các vạch màu đó tạo thành quang phổ của nguồnJ.

Kết luận:Nguyên tắc hoạt động của máy quang phổ là dựa vào hiện tượng tán sắc ánh sáng.

6.4.2 Quang phổ liên tục

a. Định nghĩa:Khi chiếu chùm sáng trắng vào khe của máy quang phổ thì trên buồn ảnh ta thấy có một dải sáng có màu biến đổi liên tục từ đỏ đến tím. Đó là quang phổ liên tục.

b. Nguồn phát:

Các vật rắn, lỏng hoặc khí có tỉ khối lớn khi bị nung nóng sẽ phát ra quang phổ liên tục.

Quang phổ của ánh sáng mặt trời là quang phổ liên tục. Trong quang phổ liên tục các vạch màu cạnh nhau nằm sát nhau đến mức chúng nối liền với nhau tạo nên một dải màu liên tục.

c. Đặc điểm:

Một đặc điểm quan trọng của quang phổ liên tục là nó không phụ thuộc thành phần cấu tạo của nguồn sáng, mà chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của nguồn sáng.

Một miếng sắt và một miến sứ đặt trong lò, nung đến cùng một nhiệt độ sẽ cho hai quang phổ liên tục rất giống nhau.

Ở nhiệt độ 5000C, vật bắt đầu phát sáng đỏ, nhưng rất yếu, nên mắt chưa cảm nhận được và vật vẫn tối.

Chú ý: Nhiệt độ càng cao, miền phát sáng của vật càng mở rộng về phía ánh sáng có bước sóng ngắn của quang phổ liên tục.

Các dây tóc bóng đèn có nhiệt độ khoảng từ 2500K đến3000K phát sáng khá mạnh ở vùng ánh sáng nhìn thấy và cho một quang phổ liên tục có đủ màu sắc từ đỏ đến tím. ánh sáng của các bóng đèn này là ánh sáng trắng.

Nhiệt độ của bề mặt Mặt Trời khoảng 6000K. Vùng sáng mạnh của quang phổ liên tục của Mặt Trời nằm lân cận bước sóng0,47µm, ánh sáng mặt trời là ánh sáng trắng.

Trên bầu trời có các ngôi sao màu sáng xanh. Nhiệt độ của các ngôi sao này càng cao hơn nhiệt độ của Mặt Trời rất nhiều.

d. Ứng dụng:

Người ta lợi dụng đặc điểm trên để xác định nhiệt độ của các vật phát sáng do nung nóng như nhiệt độ của dây tóc bóng đèn, hồ quang, lò cao, Mặt Trời, các sao v.v. . .

của một dây tóc bóng đèn ở một vùng bước sóng nào đó (thường là đỏ).

Nhiệt độ của dây tóc bóng đèn ứng với những độ sáng khác nhau đã hoàn toàn biết trước.

6.4.3 Quang phổ vạch phát xạ

a. Định nghĩa:Là quang phổ bao gồm một hệ thống những vạch mầu riêng rẽ nằm trên một nền tối và gọi là quang phổ vạch.

b. Nguồn phát:

Quang phổ vạch phát xạ do các khí hay hơi ở áp suất thấp bị kích thích phát sáng ra. Có thể kích thích cho một chất khí phát sáng bằng cách đốt nóng hoặc bằng cách phóng một tia lửa điện qua đám khí hay hơi đó v.v. . .

Ví dụ: Đối với nguồn phát là đèn hơi Na, quang phổ vạch là hai vạch vàng kép nằm sát nhau trên một nền tối ứng với bước sóng0,5890µm; 0,5896µm

Đối với nguồn phát là đèn hơi Hidro, quang phổ vạch là 4 vạch màu tương ứng ( đỏ, lam, chàm, tím) nằm trên một nền tối.

c. Đặc điểm:

Thực nghiệm cho thấy quang phổ vạch phát xạ của các nguyên tố khác nhau thì rất khác nhau về số lượng các vạch quang phổ, vị trí các vạch, màu sắc các vạch và độ sáng tỉ đối của các vạch đó.

Như vậy, mỗi nguyên tố hoá học ở trạng thái khí hay hơi nóng sáng dưới áp suất thấp cho một quang phổ vạch riêng, đặc trưng cho nguyên tố đó.

d. Ứng dụng:

Dùng để nhận biết sự có mặt của các nguyên tố hóa học, nồng độ và tỉ lệ các nguyên tố trong cùng một chất, một mẫu đem phân tích.

6.4.4 Quang phổ vạch hấp thụ

a. Định nghĩa:

Là quang phổ có dạng những vạch tối nằm trên nền của quang phổ liên tục Chiếu một chùm sáng trắng do một đèn có dây tóc nóng sáng

phát ra vào khe của một máy quang phổ ta thu được một quang phổ liên tục trên tấm kính của buồng ảnh. Nếu trên đường đi của chùm sáng ta đặt một ngọn đèn có hơi natri nung nóng thì trong quang phổ liên tục nói trên xuất hiện một vạch tối (thực ra là hai vạch tối nằm sát cạnh nhau) ở đúng vị trí của vạch vàng trong quang phổ phát xạ của natri. Đó là quang phổ hấp thụ của natri.

Nếu thay hơi natri bằng hơi kali thì trên quang phổ liên tục xuất hiện những vạch tối ở đúng chỗ những vạch màu của quang phổ phát xạ của kali. Đó là quang phổ hấp thụ của kali.

Quang phổ của Mặt Trời mà ta thu được trên Trái Đất là quang phổ hấp thụ. Bề mặt của Mặt Trời (quang cầu) phát ra một quang phổ liên tục. Ánh sáng từ quang cầu đi qua lớp khí quyển của Mặt Trời đến Trái Đất cho ta một quang phổ hấp thụ của khí quyển đó.

b. Điều kiện

Điều kiện để thu được quang phổ hấp thụ là nhiệt độ của đám khí hay hơi hấp thụ phải thấp hơn nhiệt độ của nguồn sáng phát ra quang phổ liên tục.

c. Ứng dung:Quang phổ vạch hấp thụ của mỗi nguyên tố cũng có tính chất đặc trưng riêng cho nguyên tố đó. Vì vậy, cũng có thể căn cứ vào quang phổ vạch hấp thụ để nhận biết sự có mặt của nguyên tố đó trong các hỗn hợp hay hợp chất. Đó là nội dung của phép phân tích quang phổ hấp thụ.

Nhờ có việc phân tích quang phổ hấp thụ của Mặt Trời mà người ta đã phát hiện ra hêli ở trên Mặt Trời, trước khi tìm thấy nó ở Trái Đất. Ngoài ra người ta còn thấy có mặt của rất nhiều nguyên tố trong khí quyển Mặt Trời như hiđrô, natri, canxi, sắt v.v. . .

6.4.5 Hiện tượng đảo sắc các vạch quang phổ:

Có một hiện tượng đặc biệt liên hệ giữa quang phổ vạch hấp thụ và quang phổ vạch phát xạ của cùng một nguyên tố: hiện tượng đảo sắc. Hiện tượng này xảy ra như sau:

Giả sử đám hơi hấp thụ ở trong thí nghiệm trên được nung nóng đến nhiệt độ mà chúng có thể phát sáng, tuy nhiệt độ này vẫn còn thấp hơn nhiệt độ của nguồn sáng trắng. Trên kính ảnh của máy quang phổ, ta thu được quang phổ hấp thụ của đám hơi đó.

Bây giờ ta đột nhiên tắt nguồn sáng trắng đi. Ta sẽ thấy biến mất nền quang phổ liên tục trên kính ảnh, đồng thời những vạch đen của quang phổ hấp thụ trở thành những vạch màu của quang phổ vạch phát xạ của chính nguyên tố đó. Đó là hiện tượng đảo sắc của vạch quang phổ.

Thí dụ: trong quang phổ hấp thụ của hơi natri có một vạch đen kép nằm đúng vị trí của hai vạch vàng (0,589µm; 0,5896µm) của natri.

Vậy, ở một nhiệt độ nhất định, một đám hơi có khả năng phát ra những ánh sáng đơn sắc nào thì nó cũng có khả năng hấp thụ những ánh sáng đơn sắc đó.

6.4.6 Phép phân tích quang phổ và tiện lợi của phép phân tích quang phổ

Phép phân tích thành phần cấu tạo của các chất dựa vào việc nghiên cứu quang phổ gọi là phép phân tích quang phổ.

Trong phép phân tích quang phổ định tính, người ta chỉ cần biết sự có mặt của các thành phần khác nhau trong mẫu mà người ta cần nghiên cứu. Phép phân tích quang phổ định tính thì đơn giản và cho kết quả nhanh hơn các phép phân tích hoá học.

Trong phép phân tích quang phổ định lượng, người ta cần biết cả nồng độ của các thành phần trong mẫu. Phép phân tích quang phổ hết sức nhạy. Người ta có thể phát hiện được một nồng độ rất nhỏ của chất trong mẫu (thường vào khoảng0,002%).

Nhờ phép phân tích quang phổ mà người ta đã biết được thành phần cấu tạo và nhiệt độ của các vật ở rất xa như Mặt Trời và các sao.

6.5 Tia hồng ngoại. Tia tử ngoại. Tia X

6.5.1 Thí nghiệm phát hiện tia hồng ngoại và tia tử ngoại

Chiếu ánh sáng của một hồ quangJ vào khe của một máy quang phổ lăng kính. Trên tiêu diện của thấu kínhL2 buồng ảnh của máy sẽ có một quang phổ liên tục. Đặt một màn chắn có khoét một khe hẹpF tại tiêu diện đó, sao cho có thể tách được một thành phần đơn sắc nhất định. Chùm sáng đơn sắc này được chiếu vào một mối hàn của một pin nhiệt điện nạy. Mối hàn kia được giữ ở một nhiệt độ nhất định.

Ta thấy diện kế G trong mạch của pin nhiệt điện chỉ một dòng nhiệt điện nhất định. Điều đó chứng tỏ chùm sáng đơn sắc nói trên đã có tác dụng nhiệt, làm nóng mối hàn của pin nhiệt điện.

Xê dịch màn chắn sao cho khe F quét hết quang phổ liên tục, từ đầu đỏ đến đầu tím; ta thấy kim điện kế luôn luôn bị lệch, tuy số chỉ của điện kế có thay đổi.

Như vậy: tác dụng nhiệt của các chùm ánh sáng đơn sắc khác nhau thì khác nhau.

Nếu di chuyển khe F và mối hàn của pin nhiệt điện ra ngoài phạm vi dải màu liên tục, ngoài vùng ánh sáng nhìn thấy, ta vẫn thấy kim điện kế bị lệch. Điều đó chứng tỏ ở ngoài vùng dải màu liên tục vẫn còn có những loại ánh sáng (hay còn gọi là bức xạ) nào đó, không nhìn thấy được.

6.5.2 Tia hồng ngoại

a. Định nghĩa:

Tia hồng ngoại là những bức xạ không nhìn thấy dược có bước sóng lớn hơn bước sóng của ánh sáng đỏ (λ >0,76µm) đến khoảng vài mm. ( Hay lớn hơn bước sóng ánh sáng đỏ và nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng vô tuyến)

b. Nguồn phát:

Tia hồng ngoại do các vật bị nung nóng phát ra. Vật có nhiệt độ thấp chỉ phát ra được các tia hồng ngoại. Chẳng hạn như thân thể người ở nhiệt độ370C chỉ phát ra các tia hồng ngoại trong đó mạnh nhất là các tia có bước sóng ở vùng9µm.

Vật ở nhiệt độ 5000C bắt đầu phát ra ánh sáng màu đỏ tối nhưng mạnh nhất vẫn là các tia hồng ngoại ở vùng bước sóng3,7µm.

Trong ánh sáng mặt trời, có khoảng50%năng lượng của chùm sáng là thuộc về các tia hồng ngoại. Nguồn phát tia hồng ngoại thường dùng là các bóng đèn có dây tóc bằng vonfram nóng sáng công suất từ 250W đến1000W. Nhiệt độ dây tóc bóng đèn đó vào khoảng2000C.

c. Tính chất và ứng dụng:

Tia hồng ngoại có bản chất là sóng điện từ.

Tác dụng nổi vật nhất của tia hồng ngoại là tác dụng nhiệt. Ngoài ra, tia hồng ngoại cũng có tác dụng lên một loại kính ảnh đặc biệt gọi là kính ảnh hồng ngoại. Nếu chụp ảnh các đám mây bằng kính ảnh hồng ngoại thì ảnh các đám mây sẽ nổi lên rất rõ rệt. Đó là các đám mây chứa hơi nước ít hay nhiều sẽ hấp thụ các tia hồng ngoại yếu hay mạnh rất khác nhau.

Ứng dụng quan trọng nhất của các tia hồng ngoại là dùng để sấy hoặc sưởi. Trong công nghiệp, người ta dùng tia hồng ngoại để xấy khô các sản phẩm sơn (như vỏ ôtô, vỏ tủ lạnh v.v. . . ) hoặc các hoa quả như chuối, nho v.v. . . Trong y học, người ta dùng đèn hồng ngoại để sưởi ấm ngoài da cho máu lưu thông được tốt.

6.5.3 Tia tử ngoại

a. Định nghĩa:

Tia tử ngoại là những bức xạ không nhìn thấy được, có bước sóng ngắn hơn bước sóng của ánh sáng tím (λ <0,4µm) đến cở 10−9m.

b. Nguồn phát:Nguồn phát ra tia tử ngoại là những vật bị nung nóng ở nhiệt độ cao ( trên20000C). Mặt Trời là một nguồn phát tia tử ngoại rất mạnh. Khoảng 9%công suất của chùm ánh sáng mặt trời là thuộc về các tia tử ngoại.

Các hồ quang điện cũng là những nguồn phát tia tử ngoại mạnh.

Trong các bệnh viện và phòng thí nghiệm, người ta dùng các đèn thuỷ ngân làm nguồn phát các tia tử ngoại. c. Tính chất và ứng dụng:

Tia tử ngoại có bản chất là sóng điện từ, có tính chất tác dụng nhiệt.

Tia tử ngoại bị thuỷ tinh, nước v.v. . . hấp thụ rất mạnh. Thạch anh thì gần như trong suốt đối với các tia tử ngoại có bước sóng nằm trong vùng từ0,18µmđến0,4µm(gọi là vùng tử ngoại gần).

Tia tử ngoại có tác dụng rất mạnh lên kính ảnh. Nó có thể làm cho một số chất phát quang. Nó có tác dụng iôn hoá không khí. Ngoài ra, nó còn có tác dụng gây ra một số phản ứng quang hoá, phản ứng quang hợp v.v. . . Tia tử ngoại còn có tác dụng sinh học.

Trong công nghiệp, người ta sử dụng tia tử ngoại để phát hiện các vết nứt nhỏ, vết xước trên bề mặt các sản phẩm tiện. Muốn vậy, người ta xoa trên bè mặt sản phẩm một lớp bột phát quang rất mịn. Bột sẽ chui vào các khe nứt, vết xước. Khi đưa sản phẩm vào chùm tử ngoại, các vết đó sẽ sáng lên.

Trong y học, người ta dùng tia tử ngoại để chữa bệnh còi xương. 6.6 Tia Ronghen ( Tia X)

6.6.1 Ống Ronghen ( Tia X)

Năm 1895, nhà bác học Rơnghen (Roentgen), người Đức, nhận thấy rằng khi cho dòng tia catốt trong ống tia catốt đập vào một miếng kim loại có nguyên tử lượng lớn như bạch kim hoặc vonfram thì từ đó sẽ phát ra một bức xạ không nhìn thấy được. Bức xạ này đi xuyên qua thành thuỷ tinh ra ngoài và