Sự Nhiễu Xạ ánh Sáng Potx - Tài Liệu Text - 123doc

Có thể bạn quan tâm

Tải bản đầy đủ (.pdf) (9 trang)

Trang chủ

Khoa Học Tự Nhiên

Vật lý

Sự nhiễu xạ ánh sáng potx

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (189.83 KB, 9 trang )

Sự nhiễu xạ ánh sángTrongchuyên luận năm 1704của ông về lí thuyết củacác hiệntượngquanghọc, Isaac Newtonđã viết: “ánh sáng không bao giờ đi theo đườngquanh co hoặcbẻ cong thành bóng đổ”.Ônggiải thích quantrắcnày bằng việcmô tả các hạt ánhsáng luôn luônđi theođườngthẳng như thế nào, và các vật nằm trongđườngđicủa cáchạt ánh sáng tạo rabóngđổ như thế nào do cáchạt không thể trải ra phíasau vật.Ở quy mô lớn, giả thuyết này được củngcố bởi các cạnhcó vẻ sắc nhọn củabóng đổ gây ra bởi cáctia sáng Mặt Trời. Tuynhiên, ở quy mônhỏ hơn nhiều, khiánh sáng truyền quagần một ràochắn,chúng có xu hướnguốn cong xungquanhrào chắn và trải ra theo góc xiên.Hiện tượng này gọi là sự nhiễu xạ ánh sáng, vàxảy ra khisóngánhsáng truyền rấtgầnmép của một vậthoặcqua một lỗ nhỏ, vídụ một khehoặc mộtlỗ nhỏ.Ánh sángtruyền qua lỗ một phầnlà do tương tácvớicác mép của vật. Mộtví dụ nhiễu xạ ánhsángbiểu thị trong hình 1 choánhsáng laser đỏ kết hợp truyền quamột cách tử vạch rất nhỏ gồm một dải vạch trênmặtkính hiển vithủy tinh.Các vạchlàmnhiễu xạ ánh sánglaser thành các chùmsáng chói cách nhau đều đặn có thể nhìn thấy trên hình. Nhiễu xạ là hiện tượngtương tự với tán sắc, nhưng khôngliên quanđếnsự biến đổi bướcsóng ánh sáng.Những dải sángthườngnhìnthấynằm trong mép củabóng hìnhhọc làkếtquả của sự nhiễu xạ. Khi sóngánh sáng truyền từ một điểm sáng ở xachạmphảimột vật khôngtrong suốt, chúngcó xu hướng uốncong xung quanhcác mép, uốncong cả vàovùngbóng đổ và quay trở lại qua đườngđi của ánh sáng khác xuấtpháttừ cùngnguồn.Cácsóng uốn cong raphía sau vật tạo ra một vạchsáng,nơibóng đổ thông thường bắtđầu, nhưng sóngcũng nảy trở lại vào đườngđi của sóngánh sáng chồng chấtphátra từ cùng nguồn, tạo rahình ảnh giao thoa ánh sáng vàdải tốixung quanh mép của vật(xem hình2). Nhiễu xạ thường được giải thíchbằngnguyênlí Huygens,phát biểu rằng mỗi điểmtrênmặt đầusóng cóthể xem làmột nguồn phát sóngmới.Phụ thuộc vàotrườnghợpxảy ra hiện tượng,nhiễu xạ có thể được nhậnthấyở nhiềukiểu khác nhau.Các nhà khoa học đã khéoléo sử dụng sự nhiễu xạcủa neutronvà tia Xđể làm sáng tỏ sự sắp xếpcủa cácnguyên tử bên trong nhữngtinh thể ion nhỏ, cácphân tử, và cả những cấu trúc phân tử vĩ mô lớn như thế, nhưprotein và acidnucleic.Nhiễu xạ electron thường đượcsử dụngđể xác địnhcáccấu trúctuầntự của virus,màng, vànhững cơ thể sinh vật khác, cũngnhư các vậtliệu có sẵn trong tự nhiên vàvật liệu tổng hợp nhân tạo. Khôngcó loạiốngkính cósẵn nào sẽ hội tụ neutron và tiaX thànhhình ảnh, nên các nhà nghiêncứu phảikhôi phục hình ảnh phân tử và proteintừ đặc trưng nhiễu xạ bằng phép phân tíchtoánhọc phứctạp. Maythay, thấu kính từ có khả năng hội tụ electronnhiễu xạtrong kính hiểnvi điện tử, và thấu kính thủy tinhrất cóích cho việc tập trungánhsáng nhiễu xạ tạo thành hìnhảnh quanghọc có thể dễ dàng nhìn thấy.Một minhchứng rất đơngiản của sự nhiễu xạ ánh sáng có thể kiểm trabằngcách đưa một cánh tay ra phíatrướcmộtnguồnsáng mạnhvàtừ từ khép haingóntay lại gầnnhau trong khiquan sátánh sángtruyền qua giữa chúng. Khicác ngóntay tiến tới gần nhauở rất sít nhau(gần như tiếp xúc),người ta có thể bắtđầu nhìnthấymột dải vạch tốisong songvới các ngón tay.Các vạch tối songsongcùng vớikhu vực sángở giữa chúngthật ra là hình ảnh nhiễu xạ. Hiệu ứngnày được chứngminh rõ ràng trong hình2, chocácvòng nhiễu xạ xuất hiệnxungquanhcácmépsắc nhọn của một lưỡi dao cạo khi nó đượcchiếu sáng với nguồnánhsáng xanhmạnhphát ratừ một nguồnlaser.Một ví dụ đơn giảnkhác, những rấtphổ biến, củasự nhiễu xạ xảy ra khiánhsáng tán xạ hoặc bị bẻ cong bởi cáchạt nhỏ có kích thước vật lí cùng bậc độ lớn vớibướcsóng ánh sáng.Một ví dụ tốt là sự trải rộng racủa chùmánh sáng đènpha ôtô bởi sương mù hoặc cáchạt bụi mịn. Lượng tánxạ và góc mở rộng của chùmsáng phụ thuộc vàokích thước và mật độ các hạt gây rasự nhiễu xạ. Sự tán xạ ánhsáng,một hìnhthứcnhiễu xạ, cũnglà nguyên nhân tạo ra màuxanh của bầutrời vàcảnh bình minhvà hoàng hôn thườngrực rỡ có thể thấy ở phía chân trời.NếunhưTrái Đấtkhôngcó bầukhí quyển (không cókhôngkhí, nước, bụi và các mảnhvụn)thì bầu trời sẽ có màu đen, kể cả vào banngày. Khi ánhsángtừ Mặt Trời truyềnqua bầu khíquyển của Trái Đất, nhữngkhối phân tử không khí riêngbiệt có mậtđộ biến thiên, docác daođộngnhiệt và sự có mặt của hơi nước, sẽ làm tán xạ ánhsáng.Những bước sóng ngắn nhất (tím vàxanh dương) bị tán xạ nhiều nhất, làmcho bầu trời có màu xanh thẩm. Khi có một lượng đángkể bụi hoặc hơi ẩm trongkhôngkhí, thì cácbước sóngdài (chủ yếu là màuđỏ) cũng bị tán xạ cùng với bướcsóng xanhdương,làm chobầu trời xanh trong cóvẻ trắng hơn.Khi Mặt Trời ở trêncao (khoảnggiữa trưa)trong bầukhí quyểnkhô, trongtrẻo, đasố ánh sáng khả kiến truyền qua bầu khí quyểnkhôngbị tán xạ đáng kể, vàMặtTrời có vẻ như trắng trênnền trời xanhthẩm. Khi Mặt Trời bắt đầulặn, sóngánh sáng phảitruyền qua lượng nhiều hơn của bầu khí quyển, thường chứa một sốlượng lớncác hạtbụi lơ lửng vàhơi ẩm.Dưới nhữngđiều kiệnnày, những bướcsóng dài hơncủa ánh sángtrở nên bị tán xạ và những màu khác bắt đầu lấn át màucủa Mặt Trời, biến đổi từ vàng sangcam, cuối cùng chuyển sang đỏ trước khi nólặn khuất dưới đường chân trời.Chúng tacó thể thường thấy nhữngsắc thái xanhdương, hồng,tía vàxanh láở các đámmây, phát sinhbởi sự kết hợp của cáchiệuứng khi ánh sáng bị khúc xạvà nhiễu xạ từ những giọtnước trong cácđám mây đó. Lượng nhiễuxạ phụ thuộcvào bước sóngánh sáng, bước sóngcàng ngắn bị nhiễu xạ ở góc cànglớn sovớibướcsóng dài (trong thực tế, ánh sáng xanhdương vàtím bị nhiễuxạ ở góc lớnhơnso với ánhsángđỏ). Thuật ngữ nhiễu xạ và tán xạ cũng thường được dùnghoán đổi nhauvà có thể xemgần như là tương đương trong nhiều trường hợp. Sựnhiễu xạ mô tả một trườnghợp đặcbiệt của sự tán xạ ánh sáng trong đó mộtvật cócác đặc trưnglặp lạiđều đặn(ví dụ như vật tuần hoàn hoặc cách tử nhiễuxạ) tạora hình ảnhnhiễu xạ có trậttự. Trongthế giới thực, đa số các vật có hìnhdạng rấtphức tạp vàphải được xem là gồm nhiều đặc trưng nhiễu xạ riêng rẽ có thể cùngtạo ra một sự tán xạ ánh sáng ngẫu nhiên.Trongkính hiển vi, sự tán xạ hoặc nhiễu xạ ánhsáng cóthể xảy ra tạimặtphẳng đặt mẫu vật do tươngtáccủa ánhsángvới các hạthoặc đặc trưng nhỏ, và lạiở rìa của vật kínhhoặc tại mép củalỗ tròn ở trong hoặc ở gần phía sauvật kính. Sựnhiễu xạ, haysự trải rộng ánhsángnày cho phép người ta quansát được hình ảnhphóngto củamẫu vật trong kínhhiển vi, tuynhiên, sự nhiễu xạ cũnggiới hạnkíchthướccủa vật thể có thể phângiảiđược.Nếu ánhsángtruyền quamộtmẫuvật vànó khôngbị hấp thụ hoặc nhiễu xạ thì mẫu vật sẽ không nhìnthấy được khi xemqua thị kính.Cách thức ảnhđược tạo ra trongkính hiển viphụ thuộc sự nhiễu xạánh sáng thànhcácsóng phân kì, rồi chúng tái kết hợpthành hìnhảnhphóng đạiqua sự giao thoa tăngcường và triệt tiêu.Khichúngtaquansátmẫuvật,trựctiếp hoặc vớikính hiểnvi,kính thiênvăn,hay thiết bị quang nào khác, hìnhảnh chúng ta nhìn thấy gồm vô số điểm sángchồng chất tỏa ra từ bể mặt củamẫu vật đó. Dođó, sự xuấthiện và tínhtoànvẹncủa hình ảnh từ một điểmsáng nào đó giữ một vaitrò quantrọng đốivới sự tạoảnh toàn thể. Do các tia sángtạo ảnh bị nhiễu xạ,nênmột điểm sángthật sự chưabao giờ được thấy là một điểm trongkínhhiển vi,mà làmột hìnhảnhnhiễu xạgồm một đĩa hoặc một đốm sáng ở giữa cóđường kính hạn chế và bao quanhlà cácvòng nhạt dần.Hệ quả là ảnh của mẫu vật chưa bao giờ là hiện thân chính xác củamẫu vật, và đặt ra giới hạn dưới về nhữngchi tiết nhỏ nhất trongmẫu vật có thểđược phân giải. Năngsuất phân giải là khả năngcủa mộtthiết bị quang họctạo rahình ảnhtách biệt nhaurõ rệt củahai điểm ở gần kề nhau.Tínhđến điểm mà ở đósự nhiễu xạ làm chođộ phân giải bị giới hạn, thìchất lượng củathấu kính và gươngtrong thiết bị, cũng như tính chấtcủa môi trườngxungquanh(thườnglà khôngkhí) xác địnhđộ phân giải cuối cùng.Một vài thí nghiệmcổ điển và cơ bản nhất giúp giải thích sự nhiễu xạ ánhsáng đượcnêu ralần đầu tiên giữacuốithế kỉ 17 và đầu thế kỉ 19 bởi nhà khoahọcngười Italia Francesco Grimaldi,nhàkhoahọcngười Pháp AugustinFresnel,nhàvật lí người AnhThomasYoung, và một vài nhà nghiêncứu khác. Những thínghiệmnày bao hàm sự truyền sóng ánh sáng qua một khe(lỗ) rất nhỏ, và chứngminh rằng khiánh sángtruyền quakhe,kích thướcvật lí củakhe xácđịnh cáchthức khetươngtác vớiánh sáng. Nếu bước sóng ánh sáng nhỏ hơn nhiều sovới bềrộng lỗ hoặc khe,thì sóng ánh sáng đơn giản là truyền tới trướctheo đường thẳngsau khi đi qua như thể không có lỗ ở đó (như biểu diễntrong hình3). Tuynhiên,khi bước sóng vượt quá kíchthướccủa khe,sự nhiễu ánhsángxuất hiện,làm hìnhthành hìnhảnhnhiễu xạ gồm một phần sángở giữa (cựcđại chính), bao quanhởhai phíalà dải cực đại thứ cấp cáchnhau bởi những vùng tối (cựctiểu, xemhình 4).Cực đại và cựctiểu được tạora bởi sự giao thoa của sóng ánh sáng nhiễu xạ. Mỗidải sángkế tiếp trở nên kémsánghơn dảiphía trước, tính từ cực đạitrung tâm ra.Độ rộng của phần sáng trungtâm và khoảng cách giữa các dảisángtương ứng, phụthuộcvào kíchthướccủa lỗ (khe) và bướcsóng ánhsáng. Mối quanhệ này có thểmô tả bằng toán học và chứngminhđộ rộng củacực đại trung tâm giảmkhibướcsóng giảm vàchiễu rộng lỗ tăng, nhưng cóthể chưa baogiờ giảm đếnkích thướccủa nguồn sáng điểm.Sự phân bố cườngđộ ánh sáng nhiễu xạ bởi thí nghiệm kheđơnđược biểudiễn trên hình 3và 4. Giả sử cả hai chùmánh sángtrong hình3 là gồm các sóngánh sáng kếthợp, đơnsắcphát ratừ một nguồn điểm cách khe đủ xa để cácmặtđầu sóngcóthể xem là những đườngthẳng song song nhau.Ánhsáng truyềnqualỗ d trong phần bên phải củahìnhcó bướcsóng lớn hơnlỗ và bị nhiễu xạ với chùmsáng tới chủ yếu tạiđiểm P vàcực đại thứ cấp đầu tiênxuất hiện tại điểm Q.Nhưđã chỉ rõ trong phần bên trái củahình 3,khi bước sóng nhỏ hơnnhiều sovới bềrộng lỗ (d) thì sóng truyền đơn giản qua lỗ theo đường thẳngnhư thể một hạt hoặckhôngcó lỗ ở đó. Tuynhiên, khi bước sóngvượtquá kích thướccủa lỗ, nó bị nhiễuxạ,tạo ra cựcđại trungtâm chứa đasố cường độ ánh sáng,cùng với cựcđạithứcấp bậc caovà cực tiểu cường độ chi phối theophươngtrìnhsin (θ)= mλ/dtrong đó θ là góc giữa hướng truyền tới trung tâmvàcực tiểuđầu tiên củahình ảnhnhiễuxạ, vàm biểu thị dãy số cực đại bậc cao. Cường độ ánhsángcực đạitại q bằng0 độ, vàgiảm đếncực tiểu (cườngđộ bằng 0)tại góc chi phối bởiphươngtrìnhở trên. Thí nghiệm tạo ra một cực đại sángtrungtâm, baoquanhởhai phíalà cáccực đại thứ cấp, với cường độ của mỗi cựcđại thứ cấp giảm khikhoảng cách tính từ trung tâm tănglên. Hình 4 minh họanguyên lí nàyvới đồ thịcường độ chùm đối với bán kính nhiễu xạ. Lưu ýrằngcác cực tiểu xuấthiện giữacác cực đại thứ cấp nằm ở vị tríbội củapi (p).Cả haithí nghiệm môtả ở trên, và chứng minhsự nhiễu xạ bằng ánhsángtruyền giữa các ngóntay, đều sử dụng khehẹp hoặclỗ nhỏ để tạo ra hình ảnhnhiễu xạ. Tất cả các thiết bị quang học, kể cả kính hiểnvi, đều sử dụngcác thấukính trònvà lỗ nhỏ, giống như cấutạo của mắt con ngườivậy. Lỗ tròn tạo ra hiệntượng nhiễuxạ tương tự, mặc dù cósự đối xứng tâm (thayvì hình họctuyến tính,như trường hợp các khe). Vì vậy, hình ảnh nhiễu xạ của một nguồn sángđiểm,nếuphóngđại, sẽ được thấy là gồm một đĩa sáng trungtâmbao quanh bởi dải vòngnhiễu xạ (cực đại thứ cấp và cực tiểu). Khi một thấu kính, như vật kínhcủa kínhhiển vi,là hoàntoàn hội tụ, thìcườngđộ sóng tại cực tiểu giữa các vòngsáng tronghình ảnhnhiễuxạ là bằng không.Bất kể mức độ hoàn hảo củathấu kính, cực đạinhiễu xạ thứ cấp khôngthể bị loại trừ cũng như không thể làm giảm đốmsángtrung tâmthành mộtđiểm sóng(trừ khithấu kínhđượcchế tạo có đườngkính vôhạn).Đốm hayđĩa nhiễu xạ trung tâm được gọi là đĩa Airy, đặt theo tên GeorgeAiry, ngườiđã mô tả nhiều khía cạnh củakhái niệm nhiễu xạ trong thế kỉ 19.Hìnhảnh đĩa Airy (minh họa tronghình 5) là kết quả trực tiếp của sự nhiễu xạ, và chứngminh sự biếnđổi cácđiểm sáng tạonên hình ảnh bằng thiết bị quang, như kínhhiển vichẳng hạn. Theocách tươngtự như sự nhiễu xạ bởi mộtkhe,kích thướccủa đĩa trung tâm tạorabởi thấu kính trònliên quantới bước sóng củaánhsángvà đườngkínhhoặc khẩu độ của thấu kính.Trongtrường hợp camera hoặc kínhviễn vọng, thấukínhnhận ánhsáng từ một vật ở khoảngcách xa (vô hạn) nênkhẩuđộ phụ thuộc vào tỉ số tiêu f/D, trongđó D là đường kính của thấu kính,và f làtiêucự. Tỉ số tiêuthường được nhắc tớitrong nhiếpảnh là số f củathấu kính.Khẩu độcó thể được xemlà đường kính góccủa thấu kính,đo từ một điểm thamchiếu tại lỗthấu kínhđến một điểm trong mặt phẳngảnh đặtcách thấu kínhmộtkhoảng bằngtiêu cực (f). Bán kínhcủa đĩa nhiễu xạ (d) cho bởi công thức sau:d = 1,22. λ (f/D)Với vật kính dùng trong kính hiển vi,khái niệm khẩu độ số (NA)đượcdùngthaycho khẩu độ góc. Địnhnghĩa khẩu độ số bao gồmchiết suấtcủa môi trườngnằm giữa phía trướccủa thấu kính và bànkính đặt mẫu vật của kínhhiển vi, vànửa gócmà thấu kính có thể thu nhận ánhsángtừ mẫuvật ở gần đặttại khoảngcách tiêu. Sử dụng biến n chỉ chiết suất, và q là nửa khẩu độ góc, khẩu độ số của vậtkính kínhhiển vi đượcđịnhnghĩa làNA = n . sin(θ)Bán kínhcủa đốm nhiễu xạ (r) đối với một điểmsáng trongmặt phẳng ảnh(xem hình 4)cho bởir = 1,22. λ (2NA)Hình ảnhđĩaAiry, cùng với các hàm rải điểm, ở ba độ phân giải giả thuyết,biểudiễn tronghình 5.Hàm rải điểm là một biểu diễn bachiều củahìnhảnhnhiễuxạ xuấthiện dọc theo trục quangcủa kính hiểnvi. Khi độ phângiải tăng,kích thướcđĩa Airygiảmvà hàmrải điểm tương ứng thuhẹp lại. Điều này cóthể chứngminhkhi quansát hìnhbằngcách so sánh đĩa Airyvà hàm rải điểm ở hình (a),biểu diễnđộ phân giải thấp nhất, với hình (c), có độ phân giải cao nhất trong nhóm. Về mặtthực nghiệm, cóthể làm tăng độ phân giải bằng cách giảm bướcsóng ánh sáng sửdụngđể tạo ảnh mẫu vật (ví dụ, từ ánh sáng trắngsang ánh sáng xanh dương),hoặc tăngkhẩu độ số của vật kính và sự kết hợp tụ sáng.Dưới đa số trườnghợp,việc chọn một vật kínhcó khẩu độ số cao để làm tăng độ phân giải ảnhtạo bởi kínhhiển vithì dễ dàng và thực tế hơn nhiều.Cho dù ảnh được tạo bởi kínhhiển vihoặcbất cứ thiết bị quangnào khác, thìkíchthước củađốm sáng nhiễu xạ trở nên nhỏ hơn khi bước sóng giảm hoặc khẩuđộ số tăng, nhưng luôn luôncònlại một cái đĩa lớn hơn điểm sáng phát ra từ mẫuvật (hoặc đối tượng khác)được ghi ảnh. Trong việc đánhgiá độ phân giải khả dĩvới kínhhiển vi, nếunhư kích thướccủa từng đốm sánglà nhântố giới hạn (chứkhôngphải sự quang saicủa thấukính haycácbiến khác), thì ảnh thu được đượcgọi là nhiễuxạ giới hạn. Vì vậy, đối với bất kì thiếtbị quang nào, khả năng tậptrung ánh sángđược giữ cố định bởigócmở hay khẩu độ số, và độ phân giải thuđược được điềukhiển bởi sự thay đổi những giá trị này và bướcsóng của ánhsángdùngcho việc ghi ảnh để thuđược kích thướcđĩa nhiễuxạ nhỏ nhấtcó thể có vớithiết bị đó. Chỉ khi nào những chi tiết củamẫuvật nhìn trongảnhlớnhơn kíchthướcđĩa giới hạn này, thì ngườita mới cóthể kết luậnvề kích thước, hìnhdạng,và sự sắp xếp đặc trưngcủa chúng.