Bài giảng Vật lý II (Phần 1: Quang học sóng): Chương 5 - TS. TS. Ngô Văn Thanh

TS. Ngô Văn Thanh, Viện Vật lý.

Chuyên ngành : Điện tử -Viễn thông , Công nghệ thông tin, Điện -Điện tử

Chương 5: Tán sắc, hấp thụ và tán xạ ánh sáng.

5.1 Hiện tượng tán sắc ánh sáng. 5.2 Hiện tượng hấp thụ ánh sáng. 5.3 Hiện tượng tán xạ ánh sáng.

@2009, Ngô Văn Thanh -Viện Vật Lý

Khái niệm chung:

 Khi một chùm sáng truyền qua một môi trường vật chất như chất rắn, chất

 Cường độ sáng giảm: hiện tượng hấp thụ ánh sáng hoặc tán xạ ánh sáng.  Vận tốc truyền của sóng ánh sáng bé hơn so với vận tốc truyền trong chân

lỏng hoặc khí, có hai kiểu ảnh hưởng lên sóng ánh sáng:

không: hiện tượng tán sắc ánh sáng.

5.1 Hiện tượng tán sắc ánh sáng.  Năm 1672, Newton đã nghiên cứu thực nghiệm chiếu ánh sáng trắng qua một

 Chùm ánh sáng trắng bị tách thành một dải sáng có nhiều màu.  Các màu xếp theo thứ tự : đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím.  Dải nhiều màu đó được gọi là quang phổ liên tục và hiện tượng đó được gọi

lăng kính.

 Độ lệch của các chùm tia là khác nhau, chùm tia đỏ bị lệch ít nhất, trái lại

là hiện tượng tán sắc ánh sáng.

@2009, Ngô Văn Thanh -Viện Vật Lý

chùm tia tím bị lệch nhiều nhất, chứng tỏ chiết suất của chất làm lăng kính phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng.

@2009, Ngô Văn Thanh -Viện Vật Lý

Ðộ tán sắc và đường cong tán sắc:

 Độ tán sắc trung bình:

 Xét môi trường tán sắc ánh sáng có chiết suất là tương ứng với

 Đường cong tán sắc:

@2009, Ngô Văn Thanh -Viện Vật Lý

hai bước sóng . Độ tán sắc trung bình được xác định bởi công thức

Tán sắc thường và tán sắc dị thường :

 Tán sắc thường: những chất chất có hệ số hấp thụ ánh sáng thấp.

 Biểu thức gần đúng (Cauchy) cho chiết suất của môi trường vật chất:

 Trong đó a, b và c là các hệ số được xác định bằng thực nghiệm.  Chiết suất giảm khi bước sóng tăng.  Độ tán sắc thường:

 Tán sắc dị thường: những chất có hệ số hấp thụ ánh sáng lớn.

 Chiết suất tăng khi bước sóng tăng.  Tán sắc dị thường xảy ra trong chất lỏng, chất rắn và mạnh nhất đối với

 Các chất trong suốt như thủy tinh, thạch anh không gây ra tán sắc dị

các chất khí.

@2009, Ngô Văn Thanh -Viện Vật Lý

thường trong miền bước sóng khả kiến.

Phương pháp quan sát hiện tượng tán sắc:

 Các thấu kính: L1 và L2.  Các lăng kính P1 và P2; hai lăng kính được đặt vuông góc với nhau.  Quang phổ của ánh sáng tán sắc có dạng bị uốn cong, độ cong tăng nhanh

 Chúng ta quan sát được hiện tượng tán sắc thường.

 Thay lăng kính P2 bằng một lăng kính khác chứa đầy khí Na.

 Phổ tán sắc là các đường cong đứt đoạn.  Chúng ta quan sát được hiện tượng tán sắc dị thường.

@2009, Ngô Văn Thanh -Viện Vật Lý

về vùng ánh sáng tím, tức là chiết suất tăng khi bước sóng giảm.

Ứng dụng hiện tượng tán sắc :

 Ứng dụng trong các máy quang phổ lăng kính để phân tích thành phần hóa học của nguyên liệu và thành phẩm của nguồn sáng trong các ngành luyện kim, địa chất, chế tạo cơ khí …

 Nguồn S phát ra ánh sáng gồm nhiều ánh sáng đơn sắc có bước sóng khác

 Lăng kính P sẽ phân tích ánh sáng thành chùm tia sáng đơn sắc song song

nhau.

 Trên màn ảnh thu được các dải vạch S1, S2, S3... nằm rời rạc.

với bước sóng xác định.

 Mỗi một vạch phổ đặc trưng cho

Các vạch phổ phân bố theo một quy luật nhất định.

 Cường độ vạch phổ tương ứng với

một nguyên tố hóa học.

@2009, Ngô Văn Thanh -Viện Vật Lý

hàm lượng của mỗi chất trong hỗn hợp.

5.2 Hiện tượng hấp thụ ánh sáng.  Hấp thụ ánh sáng là hiện tượng cường độ sáng của sóng ánh sáng bị giảm khi

 Giải thích hiện tượng theo quan niệm cổ điển:

 Dưới tác dụng của thành phần điện trường của sóng ánh sáng, các điện tử

đi qua môi trường vật chất.

 Các điện tử trở thành nguồn phát sóng thứ cấp.  Sự giao thoa của sóng tới (ánh sáng) và sóng thứ cấp làm cho biên độ của

chuyển động quanh hạt nhân và thực hiện dao động điều hòa.

 Phần năng lượng bị hấp thụ có thể chuyển hóa thành nhiệt năng, kết quả là

môi trường bị nóng lên khi ánh sáng chiếu vào nó.

 Hấp thụ toàn phần: Một chất được gọi là hấp thụ toàn phần nếu như cường độ sáng bị giảm cùng một lượng đối với tất cả các bước sóng của ánh sáng tới. Các chất đó thường là chất có màu xám.

 Hấp thụ chọn lọc: Các chất chỉ làm giảm cường độ sáng đối với một số bước

sóng tới bị thay đổi.

@2009, Ngô Văn Thanh -Viện Vật Lý

sóng ánh sáng. Các chất hấp thụ một phần đều là các chất có màu.  Các chất có hệ số phản xạ càng cao thì hấp thụ càng yếu, và ngược lại.

Ðịnh luật Bouguer (1729)

 Xét chùm sáng đơn sắc song song có cường độ sáng chiếu vuông góc với

vật có chiều dày L. Hai mặt của vật song song với nhau.  Chia mẫu vật thành vô số các lớp mỏng có độ dày là dx.  Độ giảm cường độ sáng trên một đơn vị bề dày dx:

 Lấy tích phân biểu thức trên:

 Cuối cùng ta tính được:

@2009, Ngô Văn Thanh -Viện Vật Lý

trong đó là hệ số tỷ lệ (hệ số hấp thụ), nó phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng.

5.3 Hiện tượng tán xạ ánh sáng.  Hiện tượng tán xạ ánh sáng là hiện tượng ánh sáng bị lệch khỏi phương ban

 Môi trường không đồng tính do có sự khác nhau về mật độ chất, khác nhau về nhiệt độ do sự chuyển động nhiệt của các nguyên tử, phân tử. Khi ánh sáng truyền qua môi trường không đồng tính, một phần ánh sáng truyền thẳng, một phần truyền theo các phương khác. Tán xạ Tyndall:

 Môi trường pha tạp: trong môi trường có các hạt lạ mà chiết suất và hệ số

hấp thụ khác với chiết suất và hệ số hấp thụ của các nguyên tử, phân tử tạo nên môi trường.

 Ánh sáng truyền qua môi trường pha tạp bị tán xạ theo mọi phương bởi các

đầu khi truyền qua môi trường không đồng tính. Tán xạ thường (tán xạ phân tử):

 Các hạt tạp chất có thể là bụi trong không khí, các hạt nước trong sương mù,

hạt tạp chất được gọi là tán xạ Tyndall.

@2009, Ngô Văn Thanh -Viện Vật Lý

các hạt keo trong dung dịch keo… Tán xạ Raman: Do sự tổng hợp dao động của các nguyên tử và dao động sóng ánh sáng kích thích: Tán xạ này được gọi là tán xạ tổ hợp ánh sáng.

Sự tán xạ ánh sáng bởi các hạt nhỏ:

 Hiện tượng tán xạ ánh sáng trong môi trường pha tạp lần đầu tiên được

 Ban đầu ống thủy tinh chứa nước tinh khiết (môi trường đồng tính): không có ánh sáng theo phương OB mà chỉ có ánh sáng theo phương OA. Không có hiện tượng tán xạ áng sáng.

 Trường hợp nước bị pha vài giọt sữa, môi trường nước trở thành môi trường

nghiên cứu bởi Tyndall năm 1869.

 Quan sát thấy ánh sáng trong ống theo phương OB. Như vậy, đã có hiện

pha tạp.

@2009, Ngô Văn Thanh -Viện Vật Lý

tượng tán xạ ánh sáng bởi các hạt sữa nhỏ trong nước.

 Các định luật Tyndall:



Nếu chùm sáng tới là ánh sáng trắng, thì ánh sáng tán xạ theo phương hợp với chùm tia tới một góc  0 sẽ ngả về màu xanh lam (blue). Nghĩa là ánh sáng có bước sóng ngắn trong vùng quang phổ thấy được sẽ bị tán xạ mạnh nhất.





Nếu ánh sáng là ánh sáng tự nhiên thì ánh sáng tán xạ bị phân cực một phần khi nó hợp với phương của chùm tia tới một góc 0 << 90o. Ánh sáng tán xạ bị phân cực toàn phần khi nó vuông góc với chùm tia tới.



Nếu ánh sáng là ánh sáng tự nhiên thì cường độ sáng của ánh sáng tán xạ theo góc được xác định bởi công thức:

Vector cường độ điện trường của sóng ánh sáng vuông góc với mặt phẳng chứa tia tới và phương quan sát.

là cường độ sáng của ánh sáng tán xạ ứng với

@2009, Ngô Văn Thanh -Viện Vật Lý

trong đó góc và

 Lý thuyết tán xạ của Rayleigh (1889):





Rayleigh nghiên cứu hiện tượng tán xạ trên các hạt hình cầu có kích thước bé hơn nhiều so với bước sóng của ánh sáng tới và có hằng số điện môi khác với hằng số điện môi của môi trường liên tục . Cường độ sáng của ánh sáng tán xạ:



trong đó V là thể tích của hạt, N là tổng số hạt trên 1cm3, r là khoảng cách từ hạt đến điểm quan sát và là góc tán xạ. Trong trường hợp hạt có kích thước vào cỡ bước sóng thì cường độ sáng của ánh sáng tán xạ sẽ tỷ lệ nghich với bình phương bước sóng:



@2009, Ngô Văn Thanh -Viện Vật Lý

Ứng dụng: nghiên cứu kích thước của các hạt tạp chất hoặc kiểm tra độ tinh khiết của dùng dịch.

@2009, Ngô Văn Thanh -Viện Vật Lý

Sự tán xạ phân tử:











Tán xạ trong môi trường tinh khiết, không pha tạp. Nhiệt độ môi trường càng cao thì cường độ ánh sáng tán xạ càng lớn. Tán xạ phân tử là tán xạ do sự chuyển động nhiệt của các phân tử cấu tạo nên môi trường vật chất. Nguyên nhân: Quá trình chuyển động nhiệt của các phân tử dẫn đến sự phân bố không đều các phân tử trong môi trường, tức là có sự thăng giáng về mật độ phân tử. Môi trường trở nên không đồng nhất đối với ánh sáng. Thực nghiệm chứng minh được cường độ ánh sáng tán xạ phân tử cũng tuân theo định luật Rayleigh.

@2009, Ngô Văn Thanh -Viện Vật Lý

Ánh sáng tán xạ từ ánh sáng tự nhiên sẽ giàu màu xanh lam hơn vì nó có bước sóng bé hơn các sóng ánh sáng khác: bầu trời có màu xanh lam. Cường độ của ánh sáng tán xạ phân tử bé hơn nhiều so với tán xạ Tyndall. Ánh sáng bị tán xạ khi sự thăng giáng mật độ xảy ra mạnh nhất trong các chất khí ở trạng thái tới hạn, trạng thái tới hạn là trạng thái gần điểm chuyển pha, ví dụ như sự chuyển pha từ pha khí sang pha lỏng.

Sự tán xạ tổ hợp ánh sáng - Tán xạ Raman:



Năm 1928, Manderstam và Raman đã phát hiện một dạng tán xạ đặc biệt trong chất lỏng và chất khí.









Vạch có cường độ sáng mạnh (vạch chính) trong quang phổ của ánh sáng tán xạ có tấn số bằng tần số của ánh sáng kích thích. Vạch có cường độ sáng yếu hơn (vạch phụ) nằm hai bên vạch chính có tần số là tổ hợp của tần số ánh sáng kích thích và tần số dao động riêng của nguyên tử. Hiện tượng tán xạ này được gọi là tán xạ tổ hợp ánh sáng.





Mỗi vạch chính của ánh sáng tán xạ đều có hai vạch phụ nằm đối xứng hai bên vạch chính. Tần số dao động riêng của nguyên tử bằng hiệu tần số của vạch chính và tần số vạch phụ.





Các quy luật của tán xạ tổ hợp:

@2009, Ngô Văn Thanh -Viện Vật Lý

Vạch phụ có tần số thấp (bước sóng dài) gọi là vạch phụ đỏ. Vạch phụ có tần số cao (bước sóng ngắn) gọi là vạch phụ tím.

















Vạch chính

Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của tán xạ tổ hợp: Khi nhiệt độ tăng lên, cường độ của vạch phụ tím tăng lên, trong khi đó cường độ của vạch phụ đỏ giảm đi. Vạch phụ đỏ được gọi là vạch Stock. Vạch phụ tím được gọi là vạch đối Stock. Ứng dụng: Ứng dụng trong nghiên cứu cấu trúc phân tử, đặc biệt là trong nghiên cứu cấu trúc phân tử các chất hữu cơ. Dễ dàng xác định được tần số dao động riêng của các nguyên tử trong phân tử, từ đó đoán nhận được tính chất đối xứng của phân tử. Nghiên cứu sự tương tác giữa các phân tử.

@2009, Ngô Văn Thanh -Viện Vật Lý

Vạch phụ tím Vạch phụ đỏ

5.1 Hiện tượng tán sắc ánh sáng.  Năm 1672, Newton đã nghiên cứu thực nghiệm chiếu ánh sáng trắng qua một

 Chùm ánh sáng trắng bị tách thành một dải sáng có nhiều màu.  Chiết suất của chất làm lăng kính phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng.

 Công thức Cauchy

 Tán sắc thường: những chất chất có hệ số hấp thụ ánh sáng thấp, chiết suất

lăng kính.

 Tán sắc dị thường: những chất có hệ số hấp thụ ánh sáng lớn, chiết suất tăng

giảm khi bước sóng tăng.

@2009, Ngô Văn Thanh -Viện Vật Lý

khi bước sóng tăng.

Ứng dụng hiện tượng tán sắc :

 Ứng dụng trong các máy quang phổ lăng kính để phân tích thành phần hóa học của nguyên liệu và thành phẩm của nguồn sáng trong các ngành luyện kim, địa chất, chế tạo cơ khí … 5.2 Hiện tượng hấp thụ ánh sáng.  Hấp thụ ánh sáng là hiện tượng cường độ sáng của sóng ánh sáng bị giảm khi

 Sự giao thoa của sóng tới (ánh sáng) và sóng thứ cấp làm cho biên độ của

đi qua môi trường vật chất.

 Hấp thụ toàn phần: Một chất được gọi là hấp thụ toàn phần nếu như cường độ sáng bị giảm cùng một lượng đối với tất cả các bước sóng của ánh sáng tới. Các chất đó thường là chất có màu xám.

 Hấp thụ chọn lọc: Các chất chỉ làm giảm cường độ sáng đối với một số bước

sóng tới bị thay đổi.

@2009, Ngô Văn Thanh -Viện Vật Lý

sóng ánh sáng. Các chất hấp thụ một phần đều là các chất có màu.  Các chất có hệ số phản xạ càng cao thì hấp thụ càng yếu, và ngược lại.  Ðịnh luật Bouguer (1729)

5.3 Hiện tượng tán xạ ánh sáng.  Hiện tượng tán xạ ánh sáng là hiện tượng ánh sáng bị lệch khỏi phương ban

 Lý thuyết tán xạ của Rayleigh (1889):

 Hạt có kích thước bé hơn bước sóng :

 Hạt có kích thước vào cỡ bước sóng :

Sự tán xạ phân tử:  Cường độ ánh sáng tán xạ phân tử cũng tuân theo định luật Rayleigh.

@2009, Ngô Văn Thanh -Viện Vật Lý

đầu khi truyền qua môi trường không đồng tính. Sự tán xạ ánh sáng bởi các hạt nhỏ:  Các định luật Tyndall:

Sự tán xạ tổ hợp ánh sáng - Tán xạ Raman:



Các quy luật của tán xạ tổ hợp:









Mỗi vạch chính của ánh sáng tán xạ đều có hai vạch phụ nằm đối xứng hai bên vạch chính. Tần số dao động riêng của nguyên tử bằng hiệu tần số của vạch chính và tần số vạch phụ.



Vạch phụ có tần số thấp (bước sóng dài) gọi là vạch phụ đỏ. Vạch phụ có tần số cao (bước sóng ngắn) gọi là vạch phụ tím.





Vạch phụ đỏ được gọi là vạch Stock. Vạch phụ tím được gọi là vạch đối Stock.



Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của tán xạ tổ hợp:



Úng dụng

@2009, Ngô Văn Thanh -Viện Vật Lý

Ứng dụng trong nghiên cứu cấu trúc phân tử, đặc biệt là trong nghiên cứu cấu trúc phân tử các chất hữu cơ.