Sự khúc xạ ánh sáng

Chia sẻ: Quynh Nguyen | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:9

Thêm vào BST

Báo xấu

83
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Khi bức xạ điện từ, dưới dạng ánh sáng khả kiến, truyền từ một chất hoặc môi trường này sang môi trường khác, sóng ánh sáng có thể trải qua một hiện tượng gọi là khúc xạ, biểu lộ bởi sự bẻ cong hoặc thay đổi hướng truyền ánh sáng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Sự khúc xạ ánh sáng

Sự khúc xạ ánh sáng Khi bức xạ điện từ, dưới dạng ánh sáng khả kiến, truyền từ một chất hoặc môi trường này sang môi trường khác, sóng ánh sáng có thể trải qua một hiện tượng gọi là khúc xạ, biểu lộ bởi sự bẻ cong hoặc thay đổi hướng truyền ánh sáng. Khúc xạ xảy ra khi ánh sáng đi từ môi trường này sang môi trường khác chỉ khi nào có sự chênh lệch chiết suất giữa hai chất đó. Hiệu ứng khúc xạ là nguyên nhân gây ra nhiều hiện tượng quen thuộc đa dạng, như sự uốn cong rõ ràng của một vật chìm một phần trong nước và ảo ảnh nhìn thấy trên sa mạc cát, nóng bỏng. Sự khúc xạ sóng ánh sáng khả kiến cũng là một đặc trưng quan trọng của thấu kính, cho phép chúng hội tụ chùm tia sáng vào một điểm.
Hồi đầu thế kỉ 19, những người thợ thêu đã sử dụng những bình cầu thủy tinh chứa nước để hội tụ hoặc tập trung ánh sáng ngọn nến lên khu vực làm việc nhỏ của họ, giúp họ nhìn thấy những chi tiết tinh tế rõ ràng hơn. Hình 1 minh họa cái tụ sáng của người thợ thêu hồi những năm 1800, gồm một vài bình cầu thủy tinh sắp xếp thành hình tròn xung quanh một ngọn nến dựng đứng, cho phép ánh sáng phát ra từ ngọn nến hội tụ hoặc tập trung vào một vài đốm sáng. Bề mặt cong của bình cầu thủy tinh đóng vai trò làm bề mặt thu thập các tia sáng, sau đó chúng khúc xạ về phía một tiêu điểm chính theo kiểu tương tự như thấu kính lồi. Thấu kính hội tụ hoặc tập trung cũng được sử dụng trong kính hiển vi hiện đại và những quang cụ khác để tập trung ánh sáng, dựa trên nguyên lí khúc xạ giống như hoạt động của cái tụ sáng của những người thợ thêu buổi đầu. Khi ánh sáng truyền từ chất này sang chất khác, nó sẽ truyền thẳng đi mà không có sự thay đổi hướng khi nó trực giao với ranh giới giữa hai chất (tức là vuông góc, góc tới 90 độ). Tuy nhiên, nếu ánh sáng chạm tới ranh giới này ở những góc khác, nó sẽ bị bẻ cong, hoặc khúc xạ, với độ khúc xạ càng tăng khi chùm tia nghiêng một góc càng lớn so với mặt phân giới. Thí dụ, một chùm ánh sáng chạm tới mặt nước theo phương thẳng đứng sẽ không bị khúc xạ, nhưng nếu chùm tia đi vào nước ở một góc nhỏ, nó sẽ bị khúc xạ ở mức độ nhỏ. Nếu góc của chùm tia tăng lên thì ánh sáng sẽ khúc xạ với góc lớn hơn. Các nhà khoa học đã sớm nhận thấy
rằng tỉ số giữa góc mà ánh sáng cắt qua mặt phân giới môi trường và góc tạo ra sau khi khúc xạ là một đặc trưng rất chính xác của chất liệu tạo ra hiệu ứng khúc xạ. Trong nhiều thế kỉ, người ta đã lưu ý tới một sự thật khá kì quặc, nhưng lại hiển nhiên. Khi một thanh hoặc một que thẳng ngập một phần trong nước, thanh không còn thẳng nữa, mà nghiêng đi một góc hoặc một hướng khác (xem hình 2 minh họa hiện tượng này với ống hút dựng trong một ly nước). Ánh sáng bị khúc xạ khi nó đi ra khỏi nước, mang lại ảo giác là các vật trong nước hình như vừa méo mó vừa trông gần hơn so với thực tế. Ống hút trong hình 2 trông to hơn và hơi bị méo do sự khúc xạ của sóng ánh sáng phản xạ từ bề mặt ống hút. Trước tiên sóng phải truyền qua nước, rồi truyền qua mặt phân giới thủy tinh-nước và cuối cùng truyền vào không khí. Sóng ánh sáng đến từ các mặt (trước và sau) của ống bị lệch ở mức độ nhiều hơn so với sóng đến từ chính giữa ống, khiến nó trông có vẻ lớn hơn thực tế. Ngay từ thế kỉ thứ nhất (sau Công nguyên), nhà thiên văn và địa lí Hy Lạp cổ đại Ptolemy đã cố gắng giải thích bằng toán học lượng bẻ cong (kh úc xạ) xảy ra, nhưng quy luật mà ông đề xuất sau này được xác định là không xác thực. Trong những năm 1600, nhà toán học người Hà Lan Willebrord Snell đã thành công trong việc phát triển một quy luật định nghĩa một giá trị liên hệ với tỉ số của góc tới và góc khúc xạ, sau này được gọi là sức bẻ cong hay chiết suất của chất. Trong thực tế, một chất càng có khả năng bẻ cong hay làm khúc xạ ánh sáng, người ta nói nó có chiết suất càng lớn. Cái que trong nước trông có vẻ bị bẻ cong vì các tia sáng xuất phát từ que bị bẻ cong đột ngột tại mặt phân giới nước-không khí trước khi đi tới mắt chúng ta. Với tâm trạng chán ngán, Snell chưa bao giờ phát hiện được nguyên nhân cho hiệu ứng khúc xạ này.
Năm 1678, một nhà khoa học người Hà Lan, Christian Huygens, đã nêu ra một mối quan hệ toán học để giải thích các quan trắc của Snell và cho rằng chiết suất của một chất liên quan tới tốc độ của ánh sáng truyền qua chất đó. Huygens xác định được tỉ số liên hệ giữa góc của các đường đi ánh sáng trong hai chất có chiết suất khác nhau phải bằng với tỉ số vận tốc ánh sáng khi truyền qua mỗi chất đó. Như vậy, ông cho rằng ánh sáng truyền đi chậm hơn trong chất có chiết suất lớn hơn. Phát biểu cách khác, vận tốc ánh sáng qua một môi trường tỉ lệ nghịch với chiết suất của nó. Mặc dù quan điểm này đã được xác nhận bằng thực nghiệm kể từ thời đó, nhưng nó không hiển nhiên ngay đối với đa số các nhà nghiên cứu thế kỉ 17 và 18, những người không có đủ phương tiện đo vận tốc ánh sáng. Đối với những nhà khoa học này, ánh sáng hình như truyền đi ở cùng một tốc độ, không kể vật chất mà nó truyền trong đó là gì. Hơn 150 năm sau khi Huygens qua đời, tốc độ ánh sáng mới được đo chính xác để khẳng định lí thuyết của ông là đúng.
Mở rộng những ý tưởng có trước đây, chiết suất của một chất hoặc một vật liệu trong suốt được định nghĩa là tương quan tốc độ ánh sáng truyền qua chất đó so với tốc độ của nó trong chân không. Bằng quy ước, người ta định nghĩa chiết suất của chân không có giá trị 1, đóng vai trò là một giá trị tham chiếu được chấp nhận rộng rãi. Chiết suất của những vật liệu trong suốt khác, thường được kí hiệu là n, được định nghĩa qua phương trình: n = c/v trong đó c là tốc độ ánh sáng trong chân không, v là vận tốc ánh sáng trong chất liệu. Do chiết suất của chân không được định nghĩa là 1 và ánh sáng đạt được tốc độ cực đại của nó trong chân không (một điều không xảy ra trong bất cứ chất liệu nào khác), nên chiết suất của tất cả các chất liệu trong suốt khác đều lớn hơn 1 và có thể được đo bằng một số kĩ thuật. Trong đa số mục đích thực tế nhất, chiết suất của không khí (1,0003) gần với chiết suất của chân không, nên nó có thể được dùng để tính chiết suất của những chất liệu chưa biết. Chiết suất đo được của một vài chất liệu trong suốt phổ biến được cho trong bảng 1. Các chất có chiết suất cao làm chậm ánh sáng nhiều hơn so với những chất có chiết suất thấp. Trong thực tế, người ta nói những chất này có tính khúc xạ hơn, và chúng biểu lộ một góc khúc xạ lớn hơn đối với các tia sáng tới truyền qua mặt phân giới không khí.
Khi sóng ánh sáng truyền từ một môi trường khúc xạ kém (như không khí) sang môi trường khúc xạ hơn (như nước), vận tốc sóng giảm đi. Ngược lại, khi ánh sáng truyền từ môi trường khúc xạ hơn (nước) sang môi trường khúc xạ kém (không khí), vận tốc sóng tăng lên. Pháp tuyến được định nghĩa là đường thẳng vuông góc với ranh giới, hay mặt phân giới, giữa hai chất. Góc tới trong môi trường thứ nhất, so với pháp tuyến, và góc khúc xạ trong môi trường thứ hai (cũng so với pháp tuyến) sẽ khác nhau theo tỉ lệ với sự chênh lệch chiết suất giữa hai chất. Nếu ánh sáng truyền từ môi trường chiết suất thấp sang môi trường chiết suất cao, nó bị bẻ cong về phía pháp tuyến. Tuy nhiên, nếu sóng truyền từ môi trường chiết suất cao sang môi trường chiết suất thấp, nó bị bẻ cong ra xa pháp tuyến. Định luật Snell mô tả mối quan hệ giữa góc của hai sóng ánh sáng và chiết suất của hai chất liệu có dạng: n1 x sin(θ1) = n2 x sin(θ2)
Trong phương trình Snell, n1 là chiết suất của môi trường mà tia sáng tới, còn n2 là chiết suất của môi trường mà tia khúc xạ truyền. θ1 là góc (so với pháp tuyến) mà tia tới chạm mặt phân cách, θ2là góc tia khúc xạ đi ra. Có một số điểm quan trọng có thể thu được từ phương trình Snell. Khi n1 < n2 thì góc khúc xạ luôn luôn nhỏ hơn góc tới (bẻ cong về phía pháp tuyến). Ngược lại, khi n2 < n1 thì góc khúc xạ luôn luôn lớn hơn góc tới (bẻ cong ra xa pháp tuyến). Khi hai chiết suất bằng nhau (n1 = n2) thì hai góc cũng phải bằng nhau, cho phép ánh sáng truyền qua mà không khúc xạ. Hình 3 minh họa hai trường hợp n1 > n2 và n1 < n2 với góc tới tùy ý bằng 45 độ. Môi trường gồm không khí và nước lần lượt có chiết suất là 1,000 và 1,333. Ở bên trái hình 3, sóng ánh sáng truyền qua không khí tới mặt nước ở góc 45 độ, và bị khúc xạ vào nước ở góc 32 độ so với pháp tuyến. Khi tình huống đảo ngược lại, tia sáng có cùng góc tới trong nước bị khúc xạ ở góc 70 độ khi truyền qua không khí. Sắp xếp lại theo một dạng khác, định luật Snell chứng tỏ tỉ số của sin góc tới và sin góc kh úc xạ bằng một hằng số, n, là tỉ số của vận tốc ánh sáng (hay chiết suất) trong hai môi trường. Tỉ số này, n2/n1 được gọi là chiết suất tỉ đối của hai chất:
chiết suất tỉ đối = sin(θ1)/sin(θ2) = nr = n2/n1 Một khía cạnh khác của khái niệm chiết suất được minh họa bên dưới (hình 4) cho trường hợp chùm tia sáng truyền từ không khí qua cả thủy tinh và nước và ló ra trở lại vào không khí. Chú ý rằng cả hai chùm tia đi vào chất khúc xạ hơn qua góc tới như nhau so với pháp tuyến (60 độ), sự khúc xạ trong thủy tinh lớn hơn chừng 6 độ so với trong nước do thủy tinh có chiết suất cao hơn. Chùm tia bị khúc xạ lúc đi vào, và lại khúc xạ lúc đi ra khỏi chất chiết suất cao, khúc xạ theo hướng ngược lại với hướng đi vào. Cả hai chùm ánh sáng đều đi ra với cùng góc như khi chúng đi vào, nhưng điểm đi ra lệch nhau dọc theo mặt phân giới vì góc truyền của hai chùm tia khác nhau khi mỗi tia truyền trong chất liệu có chiết suất cao. Hiệu ứng khúc xạ này rất quan trọng trong việc chế tạo thấu kính dùng điều khiển điểm hội tụ chính xác của các tia sáng tạo ảnh. Khúc xạ ánh sáng là một đặc điểm vật lí quan trọng của thấu kính, đặc biệt liên quan tới việc chế tạo một thấu kính đơn lẻ hoặc một hệ thấu kính. Ở một thấu kính lồi đơn giản, sóng ánh sáng phản xạ từ vật thể được thu gom bởi thấu kính và khúc xạ về phía trục chính để hội tụ vào tiêu điểm phía sau (hình 5). Vị trí tương
đối của vật so với tiêu điểm phía trước của thấu kính xác định cách vật được tạo ảnh. Nếu vật nằm phía ngoài khoảng cách hai lần tiêu cự tính từ thấu kính ra thì nó trông nhỏ hơn và bị lộn ngược và phải được tạo ảnh bằng một thấu kính nữa để phóng to kích thước. Tuy nhiên, khi vật ở gần thấu kính hơn so với tiêu điểm phía trước, thì ảnh xuất hiện thẳng đứng và lớn hơn, như có thể dễ dàng chứng minh bằng một cái kính lúp đơn giản. Một số hiện tượng có nguyên nhân từ sự khúc xạ ánh sáng thường gặp trong cuộc sống hàng ngày. Một trong những hiện tượng phổ biến nhất là kinh nghiệm mà nhiều người đã từng trải qua khi cố gắng tiến sát tới và chạm tay vào một vật gì đó chìm trong nước. Vật nằm trong nước luôn trông có vẻ có chiều sâu khác với chiều sâu thật sự của nó, do sự khúc xạ ánh sáng khi chúng truyền từ nước vào không khí. Mắt và não người lần theo các tia sáng trở lại nước như thể chúng không bị khúc xạ, mà truyền đến từ một vật nằm trên đường thẳng, tạo ra ảnh ảo của vật nằm ở chiều sâu cạn hơn.