Sóng ánh Sáng

TÍNH CHẤT SÓNG CỦA ÁNH SÁNG.

A. LÝ THUYẾT

. TÁN SẮC ÁNH SÁNG

* Sự tán sắc ánh sáng

  Tán sắc ánh sáng là sự phân tách một chùm sáng phức tạp thành các chùm sáng đơn sắc.

* Ánh sáng đơn sắc, ánh sáng trắng

Ánh sáng đơn sắc là ánh sáng không bị tán sắc khi đi qua lăng kính. Mỗi ánh sáng đơn sắc có một màu gọi là màu đơn sắc.

Mỗi màu đơn sắc trong mỗi môi trường có một bước sóng xác định.

Khi truyền qua các môi trường trong suốt khác nhau vận tốc của ánh sáng thay đổi, bước sóng của ánh sáng thay đổi còn tần số của ánh sáng thì không thay đổi.

Ánh sáng trắng là tập hợp của vô số ánh sáng đơn sắc khác nhau có màu biến thiên liên tục từ đỏ đến tím.

 Dải có màu như cầu vồng (có có vô số màu nhưng được chia thành 7 màu chính là đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím)  gọi là quang phổ của ánh sáng trắng.

Chiết suất của các chất lỏng trong suốt biến thiên theo màu sắc của ánh sáng và tăng dần từ màu đỏ đến màu tím.

* Ứng dụng của sự tán sắc ánh sáng

Hiện tượng tán sắc ánh sáng được dùng trong máy quang phổ để phân tích một chùm sáng đa sắc, do các vật sáng phát ra, thành các thành phần đơn sắc.

Nhiều hiện tượng quang học trong khí quyển, như cầu vồng chẳng hạn xảy ra do sự tán sắc ánh sáng. Đó là vì trước khi tới mắt ta, các tia sáng Mặt Trời đã bị khúc xạ và phản xạ trong các giọt nước.

Hiện tượng tán sắc làm cho ảnh của một vật trong ánh sáng trắng qua thấu kính không rỏ nét mà bị nhòe, lại bị viền màu sắc (gọi là hiện tượng sắc sai)

 NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG. GIAO THOA ÁNH SÁNG

* Nhiễu xạ ánh sáng

    Nhiễu xạ ánh sáng là hiện tượng truyền sai lệch với sự truyền thẳng của ánh sáng khi đi qua lỗ nhỏ hoặc gặp vật cản. Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng chứng tỏ ánh sáng có tính chất sóng.

* Hiện tượng giao thoa ánh sáng

    Hai chùm sáng kết hợp là hai chùm phát ra ánh sáng có cùng tần số và cùng pha hoặc có độ lệch pha không đổi theo thời gian.

    Khi hai chùm sáng kết hợp gặp nhau chúng sẽ giao thoa với nhau: Những chổ 2 sóng gặp nhau mà cùng pha với nhau, chúng tăng cường lẫn nhau tạo thành các vân sáng. Những chổ hai sóng gặp nhau mà ngược pha với nhau, chúng triệt tiêu nhau tạo thành các vân tối.

    Nếu dùng ánh sáng trắng thì hệ thống vân giao thoa của các ánh sáng đơn sắc khác nhau sẽ không trùng khít với nhau: ở chính giữa, vân sáng của các ánh sáng đơn sắc khác nhau nằm trùng với nhau cho một vân sáng trắng gọi là vân trắng chính giữa. Ở hai bên vân trắng chính giữa, các vân sáng khác của các sóng ánh sáng đơn sắc khác nhau không trùng với nhau nữa, chúng nằm kề sát bên nhau và cho những quang phổ có màu như ở cầu vồng.

    Hiện tượng giao thoa ánh sáng là bằng chứng thực nghiệm quan trọng khẵng định ánh sáng có tính chất sóng.

* Vị trí vân, khoảng vân

 + Vị trí vân sáng: xs = k\[\frac{\lambda D}{a}\]; với k Î Z.

+ Vị trí vân tối: xt = (2k + 1) \[\frac{\lambda D}{2a}\]; với k Î Z.

+ Khoảng vân là khoảng cách giữa 2 vân sáng (hoặc 2 vân tối) liên tiếp:

i = \[\frac{\lambda D}{a}\]. Giữa n vân sáng liên tiếp có (n – 1) khoảng vân.  

* Bước sóng và màu sắc ánh sáng

+ Ánh sáng đơn sắc là ánh sáng có một bước sóng xác định. Màu ứng với mỗi bước sóng của ánh sáng gọi là màu đơn sắc.

+ Mọi ánh sáng đơn sắc mà ta nhìn thấy đều có bước sóng trong chân không (hoặc không khí) trong khoảng từ 0,38mm (ánh sáng tím) đến 0,76mm (ánh sáng đỏ).

+ Những màu chính trong quang phổ ánh sáng trắng (đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím) ứng với từng vùng có bước sóng lân cận nhau.

Bảng màu và bước sóng của ánh sáng trong chân không

Màu	Đỏ	Cam	Vàng	Lục	Lam	Chàm	Tím
l (mm)	0,640¸   0,760	0,590¸   0,650	0,570¸   0,600	0,500¸   0,575	0,450¸   0,510	0,430¸   0,460	0,380¸   0,440

 + Ngoài các màu đơn sắc còn có các màu không đơn sắc là hỗn hợp của nhiều màu đơn sắc với những tỉ lệ khác nhau.

QUANG PHỔ

* Máy quang phổ lăng kính

+ Máy quang phổ là dụng cụ phân tích chùm sáng có nhiều thành phần thành những thành phần đơn sắc khác nhau.

+ Máy dùng để nhận biết các thành phần cấu tạo của một chùm sáng phức tạp do một nguồn phát ra.

+ Máy quang phổ có ba bộ phận chính:

- Ống chuẫn trực là bộ phận tạo ra chùm sáng song song.

- Hệ tán sắc có tác dụng phân tích chùm tia song song thành nhiều chùm tia đơn sắc song song.

- Buồng buồng ảnh dùng để quan sát hay chụp ảnh quang phổ.

+ Nguyên tắc hoạt động của máy quang phổ lăng kính dựa trên hiện tượng tán sắc ánh sáng.

* Quang phổ liên tục

+ Quang phổ liên tục là một dải màu liên tục từ đỏ đến tím.

+ Quang phổ liên tục do các chất rắn, chất lỏng hoặc chất khí có áp suất lớn, phát ra khi bị nung nóng.

+ Quang phổ liên tục của các chất khác nhau ở cùng một nhiệt độ thì hoàn toàn giống nhau và chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của chúng.

* Quang phổ vạch phát xạ

+ Quang phổ vạch phát xạ là một hệ thống những vạch sáng riêng lẻ, ngăn cách nhau bởi những khoảng tối.

+ Quang phổ vạch phát xạ do các chất khí hay hơi ở áp suất thấp phát ra khi bị kích thích bằng điện hay bằng nhiệt.

+ Quang phổ vạch của các nguyên tố khác nhau thì rất khác nhau về số lượng các vạch, vị trí và độ sáng tỉ đối giữa các vạch. Mỗi nguyên tố hóa học có một quang phổ vạch đặc trưng của nguyên tố đó. Ví dụ, trong quang phổ vạch phát xạ của hiđrô, ở vùng ánh sáng nhìn thấy có bốn vạch đặc trưng là vạch đỏ, vạch lam, vạch chàm và vạch tím.

+ Phân tích quang phổ vạch, ta có thể xác định sự có mặt của các nguyên tố và cả hàm lượng của chúng trong mẫu vật.

* Quang phổ hấp thụ

+ Quang phổ hấp thụ là các vạch hay đám vạch tối trên nền của một quang phổ liên tục.

+ Quang phổ hấp thụ của chất lỏng và chất rắn chứa các đám vạch, mỗi đám gồm nhiều vạch hấp thụ nối tiếp nhau một cách liên tục.

+ Quang phổ hấp thụ của chất khí chỉ chứa các vạch hấp thụ và là đặc trưng cho chất khí đó.

 TIA HỒNG NGOẠI . TIA TỬ NGOẠI

* Phát hiện tia hồng ngoại và tử ngoại

    Ở ngoài quang phổ ánh sáng nhìn thấy được, ở cả hai đầu đỏ và tím, còn có những bức xạ mà mắt không nhìn thấy, nhưng nhờ mối hàn của cặp nhiệt điện và bột huỳnh quang mà ta phát hiện được. Các bức xạ đó gọi là tia hồng ngoại và tia tử ngoại.

    Tia hồng ngoại và tia tử ngoại có cùng bản chất với ánh sáng.

    Tia hồng ngoại và tia tử ngoại cũng tuân theo các định luật: truyền thẳng, phản xạ, khúc xạ, và cũng gây được hiện tượng nhiễu xạ, giao thoa như ánh sáng thông thường.

*  Tia hồng ngoại

+ Các bức xạ không nhìn thấy có bước sóng dài hơn 0,76mm đến khoảng vài milimét được gọi là tia hồng ngoại.

+ Mọi vật có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ môi trường đều phát ra tia hồng ngoại. Nguồn phát tia hồng ngoại thông dụng là lò than, lò điện, đèn điện dây tóc.

+ Tính chất:

- Tính chất nổi bật nhất của tia hồng ngoại là tác dụng nhiệt: vật hấp thụ tia hồng ngoại sẽ nóng lên.

- Tia hồng ngoại có khả năng gây ra một số phản ứng hóa học, có thể tác dụng lên một số loại phim ảnh, như loại phim hồng ngoại dùng để chụp ảnh ban đêm.

-  Tia hồng ngoại có thể điều biến được như sóng điện từ cao tần.

- Tia hồng ngoại có thể gây ra hiệu ứng quang điện trong ở một số chất bán dẫn.

+ Ứng dụng:

- Tia hồng ngoại dùng để sấy khô, sưởi ấm.

- Sử dụng tia hồng ngoại để chụp ảnh bề mặt Trái Đất từ vệ tinh.

- Tia hồng ngoại được dùng trong các bộ điều khiển từ xa để điều khiển hoạt động của tivi, thiết bị nghe, nhìn, …

- Tia hồng ngoại có nhiều ứng dụng đa dạng trong lĩnh vực quân sự: Tên lửa tự động tìm mục tiêu dựa vào tia hồng ngoại do mục tiêu phát ra; camera hồng ngoại dùng để chụp ảnh, quay phim ban đêm; ống nhòm hồng ngoại để quan sát ban đêm.

* Tia tử ngoại

+ Các bức xạ không nhìn thấy có bước sóng ngắn hơn 0,38mm đến cở vài nanômét được gọi là tia tử ngoại.

+ Nguồn phát: Những vật được nung nóng đến nhiệt độ cao (trên 20000C) đều phát tia tử ngoại. Nguồn phát tia tử ngoại phổ biến hơn cả là đèn hơi thủy ngân và hồ quang điện.

+ Tính chất:

- Tác dụng mạnh lên phim ảnh, làm ion hóa không khí và nhiều chất khí khác.

- Kích thích sự phát quang của nhiều chất, có thể gây một số phản ứng quang hóa và phản ứng hóa học.

- Có một số tác dụng sinh lí: hủy diệt tế bào da, làm da rám nắng, làm hại mắt, diệt khuẩn, diệt nấm mốc, …

- Có thể gây ra hiện tượng quang điện.

- Bị nước, thủy tinh… hấp thụ rất mạnh nhưng lại có thể truyền qua được thạch anh.

+ Sự hấp thụ tia tử ngoại:

    Thủy tinh hấp thụ mạnh các tia tử ngoại. Thạch anh, nước và không khí đều trong suốt với các tia có bước sóng trên 200 nm, và hấp thụ mạnh các tia có bước sóng ngắn hơn.

    Tầng ôzôn hấp thụ hầu hết các tia có bước sóng dưới 300 nm và là “tấm áo giáp” bảo vệ cho người và sinh vật trên mặt đất khỏi tác dụng hủy diệt của các tia tử ngoại của Mặt Trời.

+ Ứng dụng: Thường dùng để khử trùng nước, thực phẩm và dụng cụ y tế, dùng chữa bệnh (như bệnh còi xương), để tìm vết nứt trên bề mặt kim loại, …

TIA X. THUYẾT ĐIỆN TỪ ÁNH SÁNG. THANG SÓNG ĐIỆN TỪ

* Tia X

    Tia X là những sóng điện từ có bước sóng từ 10-11 m đến 10-8 m.

* Cách tạo ra tia X

    Cho một chùm tia catôt – tức là một chùm electron có năng lượng lớn –  đập vào một vật rắn thì vật đó phát ra tia X.

    Có thể dùng ống Rơn-ghen hoặc ống Cu-lít-dơ để tạo ra tia X.

* Tính chất

+ Tính chất đáng chú ý của tia X là khả năng đâm xuyên. Tia X xuyên qua được giấy, vải, gổ, thậm chí cả kim loại nữa. Tia X dễ dàng đi xuyên qua tấm nhôm dày vài cm, nhưng lại bị lớp chì vài mm chặn lại. Do đó người ta thường dùng chì để làm các màn chắn tia X. Tia X có bước sóng càng ngắn thì khả năng đâm xuyên càng lớn; ta nói nó càng cứng.

+ Tia X có tác dụng mạnh lên phim ảnh, làm ion hóa không khí.

+ Tia X có tác dụng làm phát quang nhiều chất.

+ Tia X có thể gây ra hiện tượng quang điện ở hầu hết kim loại.

+ Tia X có tác dụng sinh lí mạnh: hủy diệt tế bào, diệt vi khuẩn, …

* Công dụng

    Tia X được sử dụng nhiều nhất để chiếu điện, chụp điện, để chẩn đoán hoặc tìm chổ xương gãy, mảnh kim loại trong người…, để chữa bệnh (chữa ung thư). Nó còn được dùng trong công nghiệp để kiểm tra chất lượng các vật đúc, tìm các vết nứt, các bọt khí bên trong các vật bằng kim loại; để kiểm tra hành lí của hành khách đi máy bay, nghiên cứu cấu trúc vật rắn...

*  Thang sóng điện từ

+ Sóng vô tuyến, tia hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy, tia tử ngoại, tia Rơnghen, tia gamma là sóng điện từ. Các loại sóng điện từ đó được tạo ra bởi những cách rất khác nhau, nhưng về bản chất thì thì chúng cũng chỉ là một và giữa chúng không có một ranh giới nào rỏ rệt.

    Tuy vậy, vì có tần số và bước sóng khác nhau, nên các sóng điện từ có những tính chất rất khác nhau (có thể nhìn thấy hoặc không nhìn thấy, có khả năng đâm xuyên khác nhau, cách phát khác nhau). Các tia có bước sóng càng ngắn (tia X, tia gamma) có tính chất đâm xuyên càng mạnh, dễ tác dụng lên kính ảnh, dễ làm phát quang các chất và dễ ion hóa không khí. Trong khi đó, với các tia có bước sóng dài ta dễ quan sát hiện tượng giao thoa.

+ Người ta sắp xếp và phân loại sóng điện từ theo thứ tự bước sóng giảm dần, hay theo thứ tự tần số tăng dần, gọi là thang sóng điện từ. 

B. CÁC CÔNG THỨC

Vị trí vân sáng, vân tối, khoảng vân:

    xs = k\[\frac{\lambda .D}{a}\]; xt = (2k + 1) \[\frac{\lambda .D}{2a}\]; i = \[\frac{\lambda .D}{a}\]; với k Î Z.

Nếu khoảng vân trong không khí là i thì trong môi trường trong suốt có chiết suất n sẽ có khoảng vân là i’ = \[\frac{i}{n}\].

Giữa n vân sáng (hoặc vân tối) liên tiếp là (n – 1) khoảng vân.

Tại M có vân sáng khi: \[\frac{{{x}_{M}}}{i}=\frac{\overline{OM}}{i}\] = k, đó là vân sáng bậc k.

Tại M có vân tối khi: \[\frac{{{x}_{M}}}{i}\] = (2k + 1)\[\frac{1}{2}\].

Ánh sáng đơn sắc cho vân sáng tại vị trí đang xét nếu:

x = k\[\frac{\lambda .D}{a}\]; kmin =  \[\frac{ax}{D{{\lambda }_{d}}}\]; kmax =  \[\frac{ax}{D{{\lambda }_{t}}}\]; l = \[\frac{ax}{Dk}\]; với k Î Z.

    Ánh sáng đơn sắc cho vân tối tại vị trí đang xét nếu:

x = (2k + 1)\[\frac{\lambda .D}{2a}\]; kmin = \[\frac{ax}{D{{\lambda }_{d}}}-\frac{1}{2}\]; kmax = \[\frac{ax}{D{{\lambda }_{t}}}-\frac{1}{2}\]; l = \[\frac{2ax}{D(2k+1)}\].

Bề rộng quang phổ bậc n trong giao thoa với ánh sáng trắng:

\[\Delta \]xn = n\[\frac{({{\lambda }_{d}}-{{\lambda }_{t}})D}{a}\].

Bước sóng ánh sáng trong chân không: l = \[\frac{c}{f}\].

Bước sóng ánh sáng trong môi trường: l’ = \[\frac{v}{f}=\frac{c}{nf}=\frac{\lambda }{n}\].

Trong ống Culitgiơ: \[\frac{1}{2}\]mv\[_{\max }^{2}\] = eU0AK = hfmax = \[\frac{hc}{{{\lambda }_{\min }}}\].

CÁC DẠNG TOÁN THƯỜNG GẶP

I. TÓM TẮT LÍ THUYẾT

1. Hiện tượng tán sắc ánh sáng.

* Đ/n: Là hiện tượng ánh sáng bị tách thành nhiều màu khác nhau khi đi qua mặt phân cách của hai môi trường trong suốt.

* Ánh sáng đơn sắc là ánh sáng không bị tán sắc

   Ánh sáng đơn sắc có tần số xác định, chỉ có một màu.

   Bước sóng của ánh sáng đơn sắc $\lambda =\frac{v}{f}$, truyền trong chân không ${{\lambda }_{0}}=\frac{c}{f}$ $\Rightarrow \frac{{{\lambda }_{0}}}{\lambda }=\frac{c}{v}\Rightarrow \lambda =\frac{{{\lambda }_{0}}}{n}$

* Chiết suất của môi trường trong suốt phụ thuộc vào màu sắc ánh sáng. Đối với ánh sáng màu đỏ là nhỏ nhất, màu tím là lớn nhất.

* Ánh sáng trắng là tập hợp của vô số ánh sáng đơn sắc có màu biến thiên liên tục từ đỏ đến tím.

   Bước sóng của ánh sáng trắng: 0,38 mm £ l £ 0,76 mm.

2. Hiện tượng giao thoa ánh sáng (chỉ xét giao thoa ánh sáng trong thí nghiệm Iâng).

* Đ/n: Là sự tổng hợp của hai hay nhiều sóng ánh sáng kết hợp trong không gian trong đó xuất hiện những vạch sáng và những vạch tối xen kẽ nhau.

  Các vạch sáng (vân sáng) và các vạch tối (vân tối) gọi là vân giao thoa

 

* Hiệu đường đi:${{d}_{2}}-{{d}_{1}}=\frac{\text{ax}}{D}$ của ánh sáng (hiệu quang trình)

Trong đó: a = S1S­2 là khoảng cách giữa hai khe sáng

                   D = OI là khoảng cách từ hai khe sáng S­1, S2 đến màn quan sát

                   S1M = d1; S2M = d2

                   x = OM  là (toạ độ) khoảng cách từ vân trung tâm đến điểm M ta xét

* Vị trí (toạ độ) vân sáng: d2 – d1 = kl Þ $x=k\frac{\lambda D}{a}\text{;  }k\in Z$

            k = 0:  Vân sáng trung tâm

            k = ±1: Vân sáng bậc (thứ) 1

            k = ±2: Vân sáng bậc (thứ) 2

k = bậc vân sáng

* Vị trí (toạ độ) vân tối: d2 – d1 = (k + 0,5)l Þ $x=(k+0,5)\frac{\lambda D}{a};\text{  }k\in Z$

            k = 0, Vân tối thứ (bậc) nhất

            k = 1, Vân tối thứ (bậc) hai

            k = 2, Vân tối thứ (bậc) ba

k = Thứ vân tối - 1

* Khoảng vân i: Là khoảng cách giữa hai vân sáng hoặc hai vân tối liên tiếp: $i=\frac{\lambda D}{a}$

            - Khoảng cách vân sáng và vân tối liên tiếp nhau bằng: $\frac{i}{2}$

II. CÁC DẠNG TOÁN THƯỜNG GẶP

 

            Dạng 1:   Xác định tại một điểm trong vùng giao thoa la vân sáng hay vân tối

            Gọi XM la tọa độ điểm M     

 

            $\frac{{{X}_{M}}}{i}=k\to $          Điểm M là vân sáng bậc k

            $\frac{{{X}_{M}}}{i}=\left( k+\frac{1}{2} \right)\to $Điểm M là vân tối thứ ( k + 1)

 

            Dạng 2:  Xác định số vân sáng và số vân tối trong vùng giao thoa

                       

- Gọi L độ rộng vùng giao thoa.

                        $\frac{L}{2i}=k+p$ ( ví dụ: $\frac{L}{i}=3,7$ , ta có k =3, p =0,7)

                        - Số vân sáng : Ns = 2k + 1

 

                        - Số vân tối : Nt = 2(k + 1)   nếu  $p\ge 0,5$

                       

- Số vân tối : Nt = 2k             nếu  $p