intTypePromotion=1
ADSENSE

Sự phân cực ánh sáng

Chia sẻ: Nguyen Trung Quan | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:24

388
lượt xem
62
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Ánh sáng Mặt Trời và hầu như mọi dạng nguồn chiếu sáng tự nhiên và nhân tạo khác đều tạo ra sóng ánh sáng có vectơ điện trường dao động trong mọi mặt phẳng vuông góc với hướng truyền sóng. Nếu như vectơ điện trường hạn chế dao động trong một mặt phẳng bởi sự lọc chùm tia với những chất liệu đặc biệt, thì ánh sáng được xem là phân cực phẳng, hay phân cực thẳng đối với hướng truyền, và tất cả sóng dao động trong một mặt phẳng được gọi là mặt phẳng song song, hay mặt phẳng phân cực....

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Sự phân cực ánh sáng

  1. Sự phân cực ánh sáng  Bầu chọn của người dùng:  / 0  Nghèo nànTốt nhất  Người viết: hiepkhachquay     Ánh sáng Mặt Trời và hầu như mọi dạng nguồn chiếu sáng tự nhiên và nhân tạo khác đều tạo ra  sóng ánh sáng có vectơ điện trường dao động trong mọi mặt phẳng vuông góc với hướng truyền  sóng. Nếu như vectơ điện trường hạn chế dao động trong một mặt phẳng bởi sự lọc chùm tia với  những chất liệu đặc biệt, thì ánh sáng được xem là phân cực phẳng, hay phân cực thẳng đối với  hướng truyền, và tất cả sóng dao động trong một mặt phẳng được gọi là mặt phẳng song song,  hay mặt phẳng phân cực.    Hình 1. Sự phân cực của sóng ánh sáng   Mắt người không có  khả  năng phân biệt giữa ánh sáng  định hướng ngẫu nhiên và  ánh sáng phân  cực, và   ánh sáng phân cực phẳng chỉ  có  thể  phát hiện qua cường  độ  hoặc hiệu  ứng màu, ví  dụ   như  sự  giảm  độ  chói khi mang kính râm. Trong thực tế, con người không thể  nào phân biệt giữa   ánh sáng thực  độ  tương phản cao nhìn thấy trong kính hiển vi  ánh sáng phân cực và  hình  ảnh  tương tự của cùng mẫu vật ghi bằng kĩ thuật số (hoặc trên phim) và rồi chiếu lên màn hứng với ánh   sáng không phân cực. Ý niệm cơ bản của sự phân cực ánh sáng được minh họa trên hình 1 đối với   một chùm  ánh sáng không phân cực  đi tới hai bản phân cực thẳng. Vectơ   điện trường vẽ  trong  chùm  ánh sáng tới dưới dạng sóng sin dao  động theo mọi hướng (360  độ, mặc dù chỉ  có 6 sóng,   cách nhau 60 độ được vẽ trong hình). Trong thực tế, vectơ điện trường của ánh sáng tới dao động   vuông góc với hướng truyền với sự  phân bố   đều trong mọi mặt phẳng trước khi chạm phải bản   phân cực thứ nhất.  
  2. Các bản phân cực minh họa trong hình 1 thực ra là những bộ lọc gồm các phân tử  polymer chuỗi  dài  định theo một hướng. Chỉ  có   ánh sáng tới dao  động trong cùng mặt phẳng với các phân tử  polymer  định hướng bị  hấp thụ, còn  ánh sáng dao  động vuông góc với mặt phẳng polymer thì   truyền qua bộ  lọc phân cực thứ  nhất. Hướng phân cực của bản phân cực thứ  nhất là  thẳng  đứng   nên chùm tia tới sẽ chỉ truyền qua được những sóng có vectơ điện trường thẳng đứng. Sóng truyền  qua bản phân cực thứ nhất sau đó bị chặn lại bởi bản phân cực thứ hai, do bản phân cực này định  hướng ngang  đối với vectơ   điện trường trong sóng  ánh sáng.  Ý  tưởng sử  dụng hai bản phân cực   định hướng vuông góc với nhau thường  được gọi là  sự  phân cực chéo và  là  cơ  sở  cho  ý  tưởng về   kính hiển vi ánh sáng phân cực.   Manh mối  đầu tiên cho sự  tồn tại của  ánh sáng phân cực xuất hiện vào khoảng năm 1669 khi   Erasmus Bartholin phát hiện thấy tinh thể  khoáng chất spar Iceland (loại chất canxit trong suốt,   không màu) tạo ra một  ảnh kép khi các vật  được nhìn qua tinh thể  trong  ánh sáng truyền qua.   Trong thí nghiệm của ông, Bartholin cũng quan sát thấy một hiện tượng khá lạ thường. Khi tinh thể  canxit quay xung quanh một trục nhất định, một trong hai ảnh cũng chuyển động tròn xung quanh  ảnh kia, mang lại bằng chứng mạnh mẽ  cho thấy tinh thể  bằng cách nào  đó   đã  tách  ánh sáng   thành hai chùm tia khác nhau.      Hình 2. Sự khúc xạ kép trong tinh thể canxit   Hơn một thế kỉ sau  đó, nhà vật lí người Pháp Etienne Malus  đã  xác định  được  ảnh tạo ra với ánh   sáng phản xạ qua tinh thể canxit và lưu ý rằng, dưới những điều kiện nhất định, một trong các ảnh  sẽ  biến mất.  Ông  đã  nhận  định không chính xác rằng  ánh sáng ban ngày thông thường gồm hai   dạng  ánh sáng khác nhau truyền qua tinh thể  canxit theo các  đường  đi  độc lập nhau. Sau  đó,  người ta xác định được sự khác biệt xảy ra do sự phân cực của ánh sáng truyền qua tinh thể. Ánh   sáng ban ngày gồm những  ánh sáng dao động trong mọi mặt phẳng, trong khi  ánh sáng phản xạ 
  3. thường giới hạn trong một mặt phẳng song song với bề mặt mà từ đó ánh sáng bị phản xạ.   Ánh sáng phân cực có thể được tạo ra từ những quá trình vật lí phổ biến làm lệch hướng chùm tia   sáng, như sự hấp thụ, khúc xạ, phản xạ, nhiễu xạ (hoặc tán xạ) và quá trình gọi là lưỡng chiết (đặc   điểm của sự khúc xạ kép). Ánh sáng phản xạ từ bề mặt phẳng của một chất lưỡng cực điện (hoặc   cách điện) thường bị phân cực một phần, với vectơ điện của ánh sáng phản xạ dao động trong mặt   phẳng song song vói bề  mặt của vật liệu. Ví  dụ  thường gặp về  những bề  mặt phản xạ   ánh sáng   phân cực là  mặt nước yên tĩnh, thủy tinh, bản plastic, và   đường xa lộ. Trong những thí  dụ  này,   sóng  ánh sáng có  vectơ   điện trường song song với bề  mặt chất bị phản xạ   ở  mức  độ  cao hơn so   với sóng ánh sáng có những định hướng khác. Tính chất quang học của bề mặt cách điện xác định   lượng chính xác  ánh sáng phản xạ  bị phân cực. Những chiếc gương không phải là  bản phân cực  tốt, mặc dù  nhiều chất liệu trong suốt trong vai trò  bản phân cực rất tốt, nhưng chỉ  khi góc  ánh   sáng tới nằm trong một giới hạn nhất  định nào  đó. Một tính chất quan trọng của  ánh sáng phân  cực phản xạ  là   độ  phân cực phụ  thuộc vào góc tới của  ánh sáng, với lượng phân cực tăng  được   quan sát thấy khi góc tới giảm.   Khi xét sự  tác  động của  ánh sáng không phân cực lên một bề  mặt cách  điện phẳng, có  một góc   duy nhất mà  tại  đó  sóng  ánh sáng phản xạ  bị  phân cực hoàn toàn vào một mặt phẳng. Góc này  thường được gọi là góc Brewster, và có thể dễ dàng tính được bằng phương trình sau đối với chùm  ánh sáng truyền qua không khí:   n = sin(θ i)/sin(θ r) = sin(θ i)/sin(θ 90­i) = tan(θ i)    trong đó n là chiết suất của môi trường mà từ đó ánh sáng bị phản xạ, θ(i) là góc tới, θ(r) là góc  khúc xạ. Bằng việc giải phương trình, người ta có thể thấy rõ rằng chiết suất của một chất chưa  biết có thể xác định được từ góc Brewster. Đặc điểm này đặc biệt hữu ích trong trường hợp chất  mờ đục có hệ số hấp thụ cao đối với ánh sáng truyền qua, không thể áp dụng được công thức của  định luật Snew quen thuộc. Việc xác định lượng phân cực bằng kĩ thuật phản xạ cũng làm dịu đi  cuộc tìm kiếm trục phân cực trên bản phim phân cực không được đánh dấu.       
  4. Hình 3. Góc Brewster    Nguyên lí  của góc Brewster  được minh họa trong hình 3  đối với một tia sáng phản xạ  từ  một bề  mặt phẳng của một môi trường trong suốt có  chiết suất lớn hơn không khí. Tia tới được vẽ  với chỉ   hai mặt phẳng dao  động vectơ   điện, nhưng nó dùng  để  miêu tả   ánh sáng có  các dao  động trong   mọi   mặt   phẳng   vuông   góc   với   hướng   truyền.   Khi   chùm   tia   đi   tới   bề   mặt   ở   góc   tới   hạn   (góc  Brewster, kí hiệu θ trong hình 3), thì độ phân cực của tia phản xạ là 100%, với sự định hướng của   các vectơ điện nằm vuông góc với mặt phẳng tới và song song với bề mặt phản xạ. Mặt phẳng tới   được định nghĩa bởi sóng tới, sóng khúc xạ, và sóng phản xạ. Tia khúc xạ hợp một góc 90  độ với   tia phản xạ và chỉ bị phân cực một phần.    Đối với nước (chiết suất 1,333), thủy tinh (chiết suất 1,515) và kim cương (chiết suất 2,417), góc tới   hạn (Brewster) tương  ứng là  53, 57 và  67,5  độ.  Ánh sáng phản xạ  từ  bề  mặt  đường xa lộ   ở  góc   Brewster thường tạo ra  ánh chói khó  chịu và  làm người lái xe xao lãng, có  thể  chứng minh một  cách khá  dễ  dàng bằng cách quan sát phần  ở  xa của xa lộ  hoặc mặt nước hồ  bơi vào một ngày  nắng nóng. Các laser hiện đại thường khai thác lợi thế của góc Brewster để tạo ra ánh sáng phân  cực thẳng từ sự phản xạ ở các bề mặt gương đặt ở hai đầu hộp laser.    Như đã nói ở phần trên, sự phản xạ rực rỡ xuất phát từ những bề mặt nằm ngang, ví dụ như xa lộ   hoặc nước trong hồ, bị  phân cực một phần với các vectơ   điện trường dao  động theo một hướng   song song với mặt  đất.  Ánh sáng này có thể bị chặn lại bởi các bộ lọc phân cực định theo hướng   thẳng đứng, như minh họa trong hình 4, với cặp kính râm phân cực. Các thấu kính của cặp kính có   những bộ  lọc phân cực  định theo hướng thẳng  đứng  đối với cấu trúc kính. Trong hình, sóng  ánh 
  5. sáng màu xanh có vectơ điện trường của chúng định theo cùng hướng như các thấu kính phân cực   và, vì  vậy,  được truyền qua. Trái lại, sóng  ánh sáng màu  đỏ   định hướng dao  động vuông góc với   định hướng của bộ lọc và bị chặn lại bởi thấu kính. Kính râm phân cực rất có ích khi lái xe dưới cái   nắng chói chang hoặc  đi  ở  bờ  biển khi  ánh sáng Mặt Trời bị  phản xạ  từ  bề  mặt  đường hoặc mặt   nước, dẫn tới ánh chói có thể làm ta gần như không thấy gì nữa. Các bộ lọc phân cực cũng khá có  ích trong nhiếp  ảnh, chúng có thể  được gắn  ở phía trước thấu kính camera  để làm giảm  ánh chói  và làm tăng độ tương phản ảnh toàn thể trong hình chụp hoặc ảnh kĩ thuật số. Các bản phân cực   dùng trên camera thường được thiết kế có một vòng lắp cho phép chúng quay khi sử dụng  để thu   được hiệu ứng mong đợi dưới những điều kiện chiếu sáng khác nhau.      Hình 4. Hoạt động của kính râm phân cực    Một trong những bộ lọc phân cực đầu tiên được chế tạo vào đầu thế kỉ 19 bởi nhà khoa học người   Pháp Francis Arago, nhà nghiên cứu tích cực tìm hiểu bản chất của ánh sáng phân cực. Arago đã   nghiên cứu sự  phân cực của  ánh sáng phát ra từ những nguồn khác nhau trên bầu trời và  nêu ra   một lí thuyết tiên đoán rằng vận tốc ánh sáng phải giảm khi nó truyền vào một môi trường đậm đặc   hơn. Ông cũng làm việc với Augustin Fresnel nghiên cứu sự giao thoa trong ánh sáng phân cực và   phát hiện thấy hai chùm  ánh sáng phân cực với sự   định hướng dao  động của chúng vuông góc   nhau sẽ  không chịu sự  giao thoa. Các bộ lọc phân cực của Arago,  được thiết kế  và  chế tạo trong   năm 1812, chế tạo từ nhiều bản thủy tinh ép sát vào nhau.    Đa phần chất phân cực được sử  dụng ngày nay có  nguồn gốc từ  những màng tổng hợp do tiến sĩ  Erwin H.Land phát minh ra năm 1932, sớm vượt qua tất cả  các chất khác làm môi trường  được  chọn   dùng   để   tạo   ra   ánh   sáng   phân   cực   phẳng.   Để   chế   tạo   những   màng   này,   các   tinh   thể  
  6. iodoquinine sulfate nhỏ  xíu,  định theo cùng một hướng,  được gắn vào một màng trùng hợp trong  suốt  để  ngăn chặn sự  di trú  và   định hướng lại của tinh thể. Land  đã  chế  tạo các bản chứa màng  phân cực được thương mại hóa dưới cái tên Polaroid (tên thương phẩm đã được đăng kí), trở thành  một thuật ngữ  được chấp nhận rộng rãi đối với các bản này. Bất cứ  dụng cụ  nào có  khả năng lọc  ánh sáng phân cực phẳng từ ánh sáng trắng tự nhiên (không phân cực) ngày nay đều được gọi là   bản phân cực, cái tên được đưa ra lần đầu tiên vào năm 1948 bởi A.F. Hallimond. Vì những bộ lọc   này có khả năng truyền chọn lọc các tia sáng, phụ thuộc vào sự định hướng của chúng đối với trục   bản phân cực, nên chúng biểu hiện một dạng lưỡng sắc, và thường được gọi là bộ lọc lưỡng sắc.    Kính hiển vi ánh sáng phân cực lần đầu tiên được nêu ra vào thế kỉ 19, nhưng thay vì sử dụng chất  phân cực truyền qua, ánh sáng được phân cực bằng sự phản xạ từ một chồng đĩa thủy tinh đặt hợp   một góc 57 độ so với mặt phẳng tới. Sau đó, những thiết bị tiên tiến hơn dựa trên tinh thể chất khúc  xạ kép (như canxit) cắt theo kiểu đặc biệt và hàn với nhau tạo thành lăng kính. Một chùm ánh sáng  trắng không phân cực  đi vào tinh thể  loại này bị tách thành hai thành phần phân cực theo hướng   vuông góc với nhau (trực giao).    Một trong hai tia sáng ló ra khỏi tinh thể lưỡng chiết được gọi là tia thường, còn tia kia gọi là tia bất   thường. Tia thường bị khúc xạ ở mức độ cao hơn bởi lực tĩnh điện trong tinh thể và chạm tới bề mặt   hàn ở góc tới hạn của sự phản xạ nội toàn phần. Kết quả là tia này bị phản xạ ra khỏi lăng kính và   bị  loại trừ  bởi sự  hấp thụ   ở  mép thiết bị. Tia bất thường truyền qua lăng kính và  ló  ra dưới dạng   chùm ánh sáng phân cực thẳng truyền thẳng tới tụ sáng hoặc mẫu vật (đặt trên bàn soi hiển vi).    Một số  mẫu dụng cụ phân cực trên cơ  sở lăng kính  được bày bán rộng rãi và chúng thường  được   đặt theo tên nhà chế tạo ra chúng. Lăng kính phân cực phổ biến nhất (minh họa trong hình 5) đặt   theo tên William Nicol, người  đầu tiên chẻ  và  hàn hai tinh thể  spar Iceland với nhau bằng nhựa  Canada vào năm 1829. Lăng kính Nicol lần  đầu tiên  được sử  dụng  để   đo góc phân cực của hỗn  hợp lưỡng chiết, mang  đến những phát triển mới trong việc tìm hiểu sự  tương tác giữa  ánh sáng   phân cực và các chất kết tinh.     
  7. Hình 5. Lăng kính phân cực Nicol    Hình 5 minh họa cấu trúc của một lăng kính Nicol điển hình. Một tinh thể chất khúc xạ kép (lưỡng  chiết), thường là canxit, được cắt dọc theo mặt phẳng  đánh dấu a­b­c­d và hai nửa sau  đó hàn lại   với nhau, tạo ra hình dạng tinh thể ban đầu. Một chùm ánh sáng trắng không phân cực đi vào tinh  thể từ phía bên trái và tách thành hai thành phần bị phân cực theo hướng vuông góc với nhau. Một   trong hai chùm này (gọi là tia thường) bị khúc xạ ở mức độ lớn hơn và chạm tới ranh giới hàn ở một   góc mà  kết quả  là  bị phản xạ  toàn bộ  khỏi lăng kính qua mặt tinh thể   ở  trên cùng. Còn chùm kia   (tia bất thường) bị  khúc xạ   ở  mức  độ   ít hơn và  truyền qua lăng kính,  đi ra ngoài dưới dạng chùm  ánh sáng phân cực phẳng.    Những cơ cấu lăng kính khác được đề xuất và chế tạo trong thế kỉ 19 và đầu thế kỉ 20, nhưng hiện   nay chúng không còn được sử dụng để tạo ra ánh sáng phân cực trong những ứng dụng hiện đại.   Lăng kính Nicol rất  đắt và  kềnh càng, và  có  khẩu  độ  rất hạn chế, nên công dụng của chúng giới   hạn  ở  những sự  phóng  đại cao. Thay vì  vậy, ngày nay  ánh sáng phân cực  được tạo ra phổ  biến   nhất bằng sự hấp thụ   ánh sáng có  tập hợp hướng dao  động nhất  định trong môi trường lọc (ví  dụ  như  bản phân cực), trong  đó  trục truyền của bộ  lọc vuông góc với sự   định hướng của polymer   tuyến tính và tinh thể có chứa chất phân cực.    Trong những bản phân cực hiện  đại, các sóng  ánh sáng tới có  dao  động vectơ   điện trường song  song với trục tinh thể của bản phân cực bị hấp thụ. Nhiều sóng trong số các sóng tới sẽ có sự định   hướng vectơ  xiên góc, nhưng không vuông góc với trục tinh thể, và  sẽ  chỉ  bị  hấp thụ  một phần.   Mức  độ hấp thụ  đối với các sóng  ánh sáng xiên phụ thuộc vào góc dao  động mà  chúng chạm tới   bản phân cực. Những tia nào có góc đó gần song song với trục tinh thể sẽ bị hấp thụ nhiều hơn so 
  8. với những tia có góc gần vuông góc. Các bộ lọc Palaroid phổ biến nhất (gọi là  sêri H) truyền qua   chỉ khoảng 25% chùm ánh sáng tới, nhưng mức độ phân cực của tia truyền qua vượt trên 99%.    Một số   ứng dụng, nhất là  kính hiển vi  ánh sáng phân cực, dựa trên các bản phân cực vuông góc   để  xác  định chất khúc xạ  kép hoặc lưỡng chiết. Khi hai bản phân cực  đặt vuông góc nhau, trục  truyền của chúng  định hướng vuông góc nhau và   ánh sáng truyền qua bản phân cực thứ  nhất   hoàn toàn bị dập tắt, hoặc bị hấp thụ, bởi bản phân cực thứ  hai, bản này thường  được gọi là  bản   phân tích. Lượng  ánh sáng hấp thụ  của bộ lọc phân cực lưỡng sắc xác  định chính xác bao nhiêu  ánh sáng ngẫu nhiên bị  dập tắt khi bản phân cực  được dùng trong bản cặp bắt chéo, và  thường   được gọi là hệ số dập tắt của bản phân cực. Về mặt định lượng, hệ số dập tắt được xác định bởi tỉ   số của ánh sáng truyền qua bởi cặp phân cực khi trục truyền của chúng định hướng song song và  lượng ánh sáng truyền qua khi đặt chúng vuông góc với nhau. Nói chung, hệ số dập tắt từ 10.000   đến 100.000  để  tạo ra nền  đen thẳm và  mẫu vật lưỡng chiết dễ  quan sát nhất (và  tương phản)   trong kính hiển vi quang học phân cực.      Hình 6. Sự truyền ánh sáng phân cực qua bản phân tích    Lượng  ánh sáng truyền qua cặp bản phân cực chất lượng cao bắt chéo  được xác  định bằng sự   định hướng của bản phân tích đối với bản phân cực. Khi các bản phân cực định hướng vuông góc  nhau, chúng biểu hiện một mức dập tắt cực đại. Tuy nhiên, ở những góc khác, mức độ dập tắt thay  
  9. đổi như  minh họa bởi biểu  đồ  vectơ  trong hình 6. Bản phân tích  được dùng  để   điểu chỉnh lượng   ánh sáng truyền qua cặp bắt chéo, và  có  thể  quay trong  đường  đi tia sáng  để  cho các biên  độ   khác nhau của ánh sáng phân cực truyền qua. Trong hình 6a, bản phân cực và  bản phân tích có  trục truyền song song nhau và vectơ điện của ánh sáng truyền qua bản phân cực và bản phân tích   có độ lớn bằng nhau và song song với nhau.    Quay trục truyển bản phân tích đi 30 độ so với trục truyền của bản phân cực làm giảm biên độ của   sóng ánh sáng truyền qua cặp bản, như minh họa trong hình 6b. Trong trường hợp này, ánh sáng   phân cực truyền qua bản phân cực có thể phân tích thành những thành phần nằm ngang và thẳng   đứng bằng toán học vectơ để xác định biên độ của ánh sáng phân cực có thể truyền qua bản phân  tích. Biên  độ  của tia truyền qua bản phân tích bằng với thành phần vectơ   đứng (minh họa là  mũi  tên màu vàng trong hình 6b).    Tiếp tục quay trục truyền bản phân tích đến góc 60 so với trục truyền bản phân cực, làm giảm hơn   nữa biên  độ  của thành phần vectơ  truyền qua bản phân tích (hình 6c). Khi bản phân tích và  bản   phân cực hoàn toàn chéo góc (góc 90 độ) thì thành phần thẳng đứng trở nên không đáng kể (hình   6d) và các bản phân cực thu được giá trị dập tắt cực đại của chúng.    Lượng  ánh sáng truyền qua cặp bản phân cực có  thể   được mô  tả   định lượng bằng cách  áp dụng   định luật bình phương cosin Malus, là hàm của góc giữa các trục truyền bản phân cực:   I = I (o) cos2 θ trong đó I là cường độ ánh sáng truyền qua bản phân tích (và toàn bộ lượng ánh sáng truyền qua  cặp bản phân cực chéo góc), I(o) là cường độ ánh sáng tới trên bản phân cực, và θ là góc giữa trục  truyền của bản phân cực và bản phân tích. Bằng việc giải phương trình, có thể xác định khi hai  bản phân cực chéo góc (θ = 90 độ) thì cường độ bằng không. Trong trường hợp này, ánh sáng  truyền qua bởi bản phân cực bị dập tắt hoàn toàn bởi bản phân tích. Khi các bản phân cực xiên  góc 30 và 60 độ, ánh sáng truyền qua bởi bản phân tích giảm đi tương ứng là 25% và 75%.     Sự phân cực của ánh sáng tán xạ  
  10. Các phân tử  chất khí  và  nước trong bầu khí  quyển làm tán xạ   ánh sáng từ  Mặt Trời theo mọi  hướng, hiệu ứng gây ra bầu trời xanh, những đám mây trắng, hoàng hôn đỏ rực, và hiện tượng gọi  là  sự  phân cực khí  quyển. Lượng  ánh sáng tán xạ  (gọi là  tán xạ  Rayleigh) phụ  thuộc vào kích  thước của các phân tử (hydrogen, oxygen, nước) và bước sóng ánh sáng, như đã được chứng minh   bởi huân tước Rayleigh hồi năm 1871. Những bước sóng dài, như   đỏ, cam, vàng không bị  tán xạ   nhiều như các bước sóng ngắn, như tím và xanh dương.      Hình 7. Sự phân cực của ánh sáng Mặt Trời tán xạ    Sự phân cực khí quyển là kết quả trực tiếp của sự tán xạ Rayleigh của ánh sáng Mặt Trời bởi các  phân tử trong khí quyển. Lúc va chạm giữa photon đến từ Mặt Trời và phân tử chất khí, điện trường  từ photon giảm dao  động và rồi tái bức xạ ánh sáng phân cực từ phân tử đó (minh họa trong hình  7).  Ánh sáng phát xạ  bị tán xạ  theo hướng vuông góc với hướng truyền  ánh sáng Mặt Trời, và  bị  phân cực hoặc dọc, hoặc ngang, phụ thuộc vào hướng tán xạ. Đa phần ánh sáng phân cực chạm   đến Trái Đất bị phân cực ngang (trên 50%), một sự thật có thể xác nhận bằng cách quan sát bầu   trời qua một bộ lọc Polaroid.    Có những bản báo cáo cho biết một số loài côn trùng và động vật nhất định có khả năng phát hiện   ánh sáng phân cực, gồm các loài kiến, ruồi, và một số loài cá, danh sách các loài thật ra còn dài  hơn nhiều. Ví  dụ, một số  loài côn trùng (chủ  yếu là  ong mật)  được cho là   đã  sử  dụng  ánh sáng   phân cực để định vị mục tiêu của chúng. Nhiều người cũng tin rằng có một số cá  nhân nhạy cảm  
  11. với ánh sáng phân cực và có  thể quan sát thấy một  đường chân trời màu vàng chồng lên nền trời  xanh khi nhìn chằm chằm theo hướng vuông góc với hướng của Mặt Trời (một hiện tượng gọi là   chổi Haidinger). Các protein sắc tố  vàng, gọi là  macula lutea, là  những tinh thể  lưỡng sắc cư  trú   trong hố mắt người, được biết là cho phép người ta nhìn thấy ánh sáng phân cực.   Ánh sáng phân cực elip và phân cực tròn   Trong  ánh sáng phân cực thẳng, vectơ   điện trường dao  động theo hướng vuông góc với hướng   truyền sáng, như   đã  nói  ở  trên. Các nguồn sáng tự  nhiên, như   ánh sáng Mặt Trời, và  các nguồn  sáng nhân tạo, gồm ánh sáng đèn nóng sáng và đèn huỳnh quang, đều phát ra ánh sáng có vectơ   điện  định hướng ngẫu nhiên trong không gian và  thời gian.  Ánh sáng thuộc loại này gọi là  không   phân cực. Ngoài ra, cũng tồn tại một vài trạng thái  ánh sáng phân cực elip nằm giữa phân cực  thẳng và  không phân cực, trong  đó  vectơ   điện trường có  hình dạng elip trong mọi mặt phẳng   vuông góc với hướng truyền sóng ánh sáng.    Sự  phân cực elip, không giống như   ánh sáng phân cực phẳng và  không phân cực, có  “cảm giác”   quay theo hướng quay vectơ điện xung quanh trục truyền (tới) của chùm tia sáng. Khi nhìn từ phía  sau lại, hướng phân cực có  thể  là  xoay sang trái hoặc xoay sang phải, một tính chất gọi là   độc   khuynh của sự  phân cực elip. Sự  quét vectơ  xoay theo chiều kim  đồng hồ   được cho là  phân cực  phải (thuận), và sự quét vectơ xoay ngược chiều kim đồng hồ là phân cực trái (nghịch).    Trong trường hợp mà trục chính và trục vectơ phụ của elip phân cực bằng nhau, thì sóng ánh sáng   rơi vào loại ánh sáng phân cực tròn, và có thể phân cực trái hoặc phải. Một trường hợp nữa thường   xảy ra trong đó trục chính của thành phần vectơ điện trong ánh sáng phân cực elip tiến tới không,  và   ánh sáng trở  nên phân cực thẳng. Mặc dù  mỗi kiểu phân cực có  thể  thu  được trong phòng thí  nghiệm với thiết bị quang học thích hợp, chúng cũng xảy ra trong  ánh sáng tự  nhiên không phân   cực.    Sóng ánh sáng thường và bất thường phát ra khi chùm ánh sáng truyền qua tinh thể lưỡng chiết có   vectơ điện phân cực phẳng vuông góc với nhau. Ngoài ra, do sự giao thoa trong tương tác điện tử   mà mỗi thành phần trải qua trong hành trình của nó đi qua tinh thể, thường xuất hiện một sự lệch   pha giữa hai sóng. Mặc dù sóng thường và sóng bất thường đi theo quỹ đạo độc lập nhau và tách  
  12. xa nhau trong tihn thể canxit đã mô tả ở phần trên, nhưng  đây không phải là trường hợp phổ biến   đối với những chất kết tinh có một trục quang vuông góc với mặt phẳng chiếu sáng tới.      Hình 8. Sóng ánh sáng phân cực elip và phân cực tròn    Một loại chất  đặc biệt, gọi là   đĩa bù  hoặc  đĩa trễ, khá  có   ích trong việc tạo ra ánh sáng phân cực  elip và  phân cực tròn cho một số   ứng dụng, như  kính hiển vi quang học phân cực. Những chất  lưỡng chiết này được chọn bởi vì, khi trục quang của chúng đặt vuông góc với chùm tia sáng tới, thì  các tia sáng thường và  bất thường  đi theo quỹ   đạo giống hệt nhau và  biểu hiện sự  lệch pha phụ  thuộc vào mức độ lưỡng chiết. Vì cặp sóng trực giao bị chồng chất, nên có thể xem là một sóng có   các thành phần vectơ điện vuông góc với nhau cách nhau bởi một sự chênh lệch nhỏ về pha. Khi   các vectơ kết hợp bằng cách cộng lại đơn giản trong không gian ba chiều, sóng thu được trở thành  bị phân cực elip.    Ý tưởng này được minh họa trong hình 8, trong  đó vectơ điện tổng hợp không dao động trong một  mặt phẳng, mà  quay dần xung quanh trục truyền sóng  ánh sáng, quét thành quỹ   đạo elip xuất  hiện dưới dạng đường xoắn ốc khi sóng được nhìn từ một góc nào đó. Độ lớn của sự lệch pha giữa   sóng thường và sóng bất thường (có  cùng biên độ) xác định vectơ quét thành elip hay  đường tròn  khi sóng  được nhìn từ  phía sau của hướng truyền sóng. Nếu  độ  lệch pha là  1/4 hoặc 3/4 bước   sóng, thì  vectơ  tổng hợp vẽ  nên xoắn  ốc tròn. Tuy nhiên,  độ  lệch pha là  1/2 hoặc nguyên bước   sóng thì tạo ra ánh sáng phân cực thẳng, và  tất cả những độ lệch pha khác quét nên những hình   dáng khác nhau của elip.   
  13. Khi sóng thường và  sóng bất thường  đi ra khỏi tinh thể  lưỡng chiết, chúng dao  động trong những   mặt phẳng vuông góc nhau có cường độ tổng hợp bằng tổng cường độ thành phần của chúng. Do   sóng phân cực có  vectơ   điện dao  động trong những mặt phẳng vuông góc, nên các sóng có  khả   năng chịu sự  giao thoa. Thực tế  này có  hệ  quả  là  khả  năng sử  dụng chất lưỡng chiết tạo ra hình   ảnh. Giao thoa chỉ có thể xảy ra khi vectơ điện của hai sóng dao động trong cùng mặt phẳng trong  suốt quá trình giao nhau để tạo ra sự thay đổi biên độ của sóng tổng hợp (một yêu cầu đối với sự  tạo ảnh). Do đó, các vật trong suốt lưỡng chiết vẫn không nhìn thấy  được, trừ khi chúng  được xác   định giữa các bản phân cực chéo nhau, chỉ truyền qua các thành phần sóng phân cực elip và phân   cực tròn song song với bản phân cực gần người quan sát nhất. Những thành phần này có thể tạo   ra các dao  động biên  độ  gây ra  độ  tương phản và  ló  ra khỏi bản phân cực dưới dạng  ánh sáng   phân cực thẳng.      Ứng dụng của ánh sáng phân cực    Một trong những ứng dụng thông dụng và thực tế nhất của sự phân cực là sự hiển thị tinh thể lỏng   (LCD) dùng trong hàng loạt dụng cụ  như  đồng hồ   đeo tay, màn hình máy tính,  đồng hồ  bấm giờ,   đồng hồ  treo tường và  nhiều vật dụng khác. Các hệ  hiển thị  này dựa trên sự  tương tác của các   phân tử kết tinh chất lỏng dạng que với điện trường và sóng ánh sáng phân cực. Pha tinh thể lỏng   tồn tại  ở  trạng thái cơ  bản  được gọi là  cholesteric, trong  đó  các phân tử   định hướng thành lớp, và   mỗi lớp kế  tiếp thì  hơi xoắn một chút  để  tạo ra hình dạng xoắn  ốc (hình 9). Khi sóng  ánh sáng   phân cực tương tác với pha tinh thể lỏng, sóng đó bị “xoắn lại” một góc gần 90 độ so với sóng tới.  Độ  lớn chính xác của góc này là  hàm mũ  của pha tinh thể  lỏng cholesteric, nó  phụ  thuộc vào   thành phần hóa học của các phân tử  (có  thể   được  điều chỉnh tinh tế  bằng sự  thay  đổi nhỏ  trong   cấu trúc phân tử).     
  14. Hình 9. Hiển thị tinh thể lỏng 7 đoạn (LCD)    Một ví dụ lí thú về ứng dụng cơ bản của tinh thể lỏng với các dụng cụ hiển thị có thể tìm thấy trong   sự hiển thị số tinh thể lỏng 7 đoạn (minh họa trong hình 9). Ở đây, pha tinh thể lỏng nằm kẹp giữa  hai đĩa thủy tinh có gắn điện cực, tương tự như miêu tả trong hình. Trong hình 9, các đĩa thủy tinh   định hình với 7 điện cực màu đen có thể tích điện riêng rẽ (những điện cực này là trong suốt đối với  ánh sáng trong dụng cụ  thực). Ánh sáng truyền qua bản phân cực 1 bị phân cực theo chiều  đứng  và, khi không có dòng điện áp vào các điện cực, pha tinh thể lỏng gây ra góc “xoắn” 90 độ của ánh  sáng cho phép nó truyền qua bản phân cực thứ 2, bản 2 bị phân cực ngang và định hướng vuông   góc với bản phân cực 1. Ánh sáng này khi đó có thể tạo nên một trong bảy đoạn trên màn hiển thị.    Khi dòng điện được áp vào các điện cực, pha tinh thể lỏng sắp thẳng hàng với dòng điện và mất đi   đặc trưng xoắn  ốc cholesteric.  Ánh sáng truyền qua một  điện cực tích  điện không bị  xoắn và  bị   chặn lại bởi bản phân cực 2. Bằng cách phối hợp  điện thế  trên bảy  điện cực dương và   âm, màn  hiển thị  có  khả  năng biểu diễn các số  từ  0  đến 9. Trong ví  dụ  này, các  điện cực  ở  phía trên bên  phải và phía dưới bên trái được tích điện và chặn ánh sáng truyền qua chúng, cho phép tạo ra số  “2” trên màn hiển thị (nhìn ngược lại trong hình 9).    Hiện tượng hoạt tính quang học trong những chất nhất  định có  nguyên nhân từ  khả  năng của  chúng làm quay mặt phẳng của  ánh sáng phân cực. Thuộc loại này là  nhiều loại  đường, amino  acid, các sản phẩm hữu cơ tự nhiên, các tinh thể nhất  định và  một số  chất dùng làm thuốc uống.   Độ quay được đo bằng cách đặt một dung dịch hóa chất mục tiêu giữa hai bản phân cực bắt chéo  
  15. trong thiết bị có  tên là  máy nghiệm phân cực.  Được quan sát thấy lần  đầu tiên vào năm 1811 bởi   nhà  vật lí  người Pháp Dominique Arago, hoạt tính quang học  đóng vai trò  quan trọng trong nhiều  quá  trình sinh hóa  đa dạng, trong  đó  hình học cấu trúc của phân tử  chi phối sự  tương tác của   chúng. Các hóa chất làm quay mặt phẳng dao  động của ánh sáng phân cực theo chiều kim  đồng   hồ   được gọi là  dextrorotatory levorotatory. Hai hóa chất có  cùng công thức phân tử  nhưng khác  nhau về  tính chất quang học  được gọi là   đồng phân quang học, chúng làm quay mặt phẳng của  ánh sáng phân cực theo những hướng khác nhau.    Các tinh thể không đối xứng có thể được dùng để tạo ra ánh sáng phân cực khi áp điện trường vào   bề mặt đó. Một dụng cụ phổ biến sử dụng ý tưởng này có tên là tế bào Pockels, có thể dùng chung   với ánh sáng phân cực làm thay đổi hướng phân cực đi 90 độ. Tế bào Pockels có thể bật và tắt rất  nhanh bằng dòng điện và thường được dùng làm cửa chắn nhanh cho phép ánh sáng đi qua trong  khoảng thời gian rất ngắn (cỡ  nano giây). Hình 10 biểu diễn sự  truyền  ánh sáng phân cực qua tế   bào Pockels (sóng màu vàng). Ánh sáng sin màu xanh và đỏ phát ra từ vùng giữa của tế bào biểu   diễn cho  ánh sáng phân cực  đứng hoặc ngang. Khi tế  bào tắt,  ánh sáng phân cực không  ảnh   hưởng gì khi nó truyền qua (sóng màu xanh), nhưng khi tế bào hoạt động hoặc mở, vectơ điện của   chùm ánh sáng lệch đi 90 độ (sóng màu đỏ). Trong trường hợp có điện trường cực lớn, các phân tử   của chất lỏng và chất khí nhất định có thể xử sự như tinh thể dị hướng và sắp thẳng hàng theo kiểu   tương tự. Tế  bào Kerr, thiết kế  dùng chất lỏng và  chất khí  gia dụng thay cho các tinh thể, cũng   hoạt động trên cơ sở làm thay đổi góc ánh sáng phân cực.      Hình 10. Cấu trúc của tế bào Pockels    Những  ứng dụng khác của  ánh sáng phân cực bao gồm những chiếc kính râm Polaroid  đã  nói  ở 
  16. trên, cũng như việc sử dụng các bộ lọc phân cực đặc biệt dùng cho thấu kính camera. Nhiều thiết   bị khoa học  đa dạng sử  dụng  ánh sáng phân cực, hoặc phát ra bởi laser, hoặc qua sự  phân cực   của các nguồn nóng sáng và  huỳnh quang bằng nhiều kĩ  thuật khác nhau. Các bản phân cực đôi  khi được sử dụng trong phòng và chiếu sáng sân khấu để làm giảm ánh chói và tăng độ rọi sáng,   và  mang kính  để  cảm nhận chiều sâu với những bộ  phim ba chiều. Các bản phân cực bắt chéo   còn được dùng trong bộ quần áo du hành vũ trụ để làm giảm đột ngột khả năng ánh sáng phát ra   từ Mặt Trời đi vào mắt của nhà du hành vũ trụ trong lúc ngủ.    Sự  phân cực  ánh sáng rất có   ích trong nhiều mặt của kính hiển vi quang học. Kính hiển vi  ánh   sáng phân cực  được thiết kế  dành cho quan sát và  chụp ảnh các vật  nhìn thấy  được chủ  yếu do  đặc trưng bất đẳng hướng về mặt quang học của chúng. Các chất dị hướng có tính chất quang học  thay đổi theo hướng truyền của ánh sáng đi qua chúng. Để hoàn thành công việc này, kính hiển vi   phải  được trang bị cả  bản phân cực,  đặt trong  đường  đi của tia sáng trước mẫu vật, và  bản phân  tích (bản phân cực thứ hai), đặt trong quang trình giữa lỗ sau vật kính và ống quan sát hoặc cổng   camera.    Sự  tương phản  ảnh tăng lên do sự  tương tác của  ánh sáng phân cực phẳng với chất lưỡng chiết   (hoặc khúc xạ  kép), tạo ra hai thành phần sóng riêng rẽ  phân cực trong những mặt phẳng vuông   góc với nhau. Vận tốc của các thành phần này khác nhau và thay đổi theo hướng truyền ánh sáng  qua vật. Sau khi ra khỏi vật, các thành phần  ánh sáng lệch pha nhau và  quét nên một hình elip   vuông góc với hướng truyền, nhưng kết hợp lại qua sự giao thoa tăng cường và triệt tiêu khi chúng  truyền qua bản phân tích. Kính hiển vi ánh sáng phân cực là kĩ thuật nâng cao độ tương phản cải   thiện chất lượng  ảnh thu  được với chất lưỡng chiết khi so với những kĩ  thuật khác như  sự  chiếu  sáng trường tối và trường sáng, tương phản giao thoa vi sai, tương phản pha, tương phản điều biến   Hoffman, và sự  huỳnh quang. Ngoài ra, việc sử dụng phân cực cũng cho phép đo đạc những tính  chất quang học của khoáng vật và  các chất tương tự  và  có  thể  giúp phân loại và  nhận dạng các  chất chưa biết.   Tác giả: Douglas B. Murphy, Kenneth R. Spring, Micheal W. Davidson (     davidson@magnet.fsu.edu    )  Trong chuyên luận năm 1704 của ông về lí thuyết của các hiện tượng quang học, Isaac Newton đã  viết: “ánh sáng không bao giờ đi theo đường quanh co hoặc bẻ cong thành bóng đổ”. Ông giải  thích quan trắc này bằng việc mô tả các hạt ánh sáng luôn luôn đi theo đường thẳng như thế nào, 
  17. và các vật nằm trong đường đi của các hạt ánh sáng tạo ra bóng đổ như thế nào do các hạt không  thể trải ra phía sau vật.    Hình 1. Nhiễu xạ ánh sáng đỏ bởi cách tử   Ở  quy mô  lớn, giả  thuyết này  được củng cố  bởi các cạnh có  vẻ  sắc nhọn của bóng  đổ  gây ra bởi  các tia sáng Mặt Trời. Tuy nhiên,  ở  quy mô  nhỏ  hơn nhiều, khi ánh sáng truyền qua gần một rào   chắn, chúng có xu hướng uốn cong xung quanh rào chắn và trải ra theo góc xiên. Hiện tượng này   gọi là  sự  nhiễu xạ   ánh sáng, và  xảy ra khi sóng  ánh sáng truyền rất gần mép của một vật hoặc  qua một lỗ nhỏ, ví dụ một khe hoặc một lỗ nhỏ. Ánh sáng truyền qua lỗ một phần là do tương tác   với các mép của vật. Một ví dụ nhiễu xạ ánh sáng biểu thị trong hình 1 cho ánh sáng laser đỏ kết   hợp truyền qua một cách tử  vạch rất nhỏ  gồm một dải vạch trên mặt kính hiển vi thủy tinh. Các  vạch làm nhiễu xạ ánh sáng laser thành các chùm sáng chói cách nhau đều đặn có thể nhìn thấy  trên hình. Nhiễu xạ là hiện tượng tương tự với tán sắc, nhưng không liên quan đến sự biến đổi bước   sóng ánh sáng.   Những dải sáng thường nhìn thấy nằm trong mép của bóng hình học là  kết quả  của sự  nhiễu xạ.  Khi sóng ánh sáng truyền từ một điểm sáng ở xa chạm phải một vật không trong suốt, chúng có xu   hướng uốn cong xung quanh các mép, uốn cong cả vào vùng bóng đổ và quay trở lại qua đường đi  của  ánh sáng khác xuất phát từ cùng nguồn. Các sóng uốn cong ra phía sau vật tạo ra một vạch  sáng, nơi bóng đổ thông thường bắt đầu, nhưng sóng cũng nảy trở lại vào đường đi của sóng ánh   sáng chồng chất phát ra từ cùng nguồn, tạo ra hình ảnh giao thoa ánh sáng và dải tối xung quanh   mép của vật (xem hình 2). Nhiễu xạ  thường  được giải thích bằng nguyên lí  Huygens, phát biểu   rằng mỗi điểm trên mặt đầu sóng có thể xem là một nguồn phát sóng mới.   Phụ  thuộc vào trường hợp xảy ra hiện tượng, nhiễu xạ  có  thể   được nhận thấy  ở  nhiều kiểu khác 
  18. nhau. Các nhà khoa học đã khéo léo sử dụng sự nhiễu xạ của neutron và tia X để làm sáng tỏ sự  sắp xếp của các nguyên tử  bên trong những tinh thể  ion nhỏ, các phân tử, và  cả  những cấu trúc  phân tử vĩ mô lớn như thế, như protein và acid nucleic. Nhiễu xạ electron thường được sử dụng để   xác  định các cấu trúc tuần tự  của virus, màng, và  những cơ  thể  sinh vật khác, cũng như  các vật   liệu có sẵn trong tự nhiên và vật liệu tổng hợp nhân tạo. Không có loại ống kính có sẵn nào sẽ hội   tụ  neutron và  tia X thành hình  ảnh, nên các nhà  nghiên cứu phải khôi phục hình  ảnh phân tử  và   protein từ   đặc trưng nhiễu xạ  bằng phép phân tích toán học phức tạp. May thay, thấu kính từ  có  khả  năng hội tụ  electron nhiễu xạ  trong kính hiển vi  điện tử, và  thấu kính thủy tinh rất có   ích cho   việc tập trung ánh sáng nhiễu xạ tạo thành hình ảnh quang học có thể dễ dàng nhìn thấy.   Một minh chứng rất  đơn giản của sự  nhiễu xạ   ánh sáng có  thể  kiểm tra bằng cách  đưa một cánh   tay ra phía trước một nguồn sáng mạnh và từ từ khép hai ngón tay lại gần nhau trong khi quan sát   ánh sáng truyền qua giữa chúng. Khi các ngón tay tiến tới gần nhau  ở  rất sít nhau (gần như  tiếp  xúc), người ta có thể bắt đầu nhìn thấy một dải vạch tối song song với các ngón tay. Các vạch tối   song song cùng với khu vực sáng  ở  giữa chúng thật ra là  hình  ảnh nhiễu xạ. Hiệu  ứng này  được   chứng minh rõ ràng trong hình 2, cho các vòng nhiễu xạ xuất hiện xung quanh các mép sắc nhọn  của một lưỡi dao cạo khi nó được chiếu sáng với nguồn ánh sáng xanh mạnh phát ra từ một nguồn   laser.      Hình 2. Sự nhiễu xạ ánh sáng bởi lưỡi dao cạo   Một ví  dụ đơn giản khác, những rất phổ biến, của sự  nhiễu xạ  xảy ra khi  ánh sáng tán xạ  hoặc bị  bẻ cong bởi các hạt nhỏ có kích thước vật lí cùng bậc độ lớn với bước sóng ánh sáng. Một ví dụ tốt  là sự trải rộng ra của chùm ánh sáng đèn pha ô tô bởi sương mù hoặc các hạt bụi mịn. Lượng tán  
  19. xạ và góc mở rộng của chùm sáng phụ thuộc vào kích thước và mật độ các hạt gây ra sự nhiễu xạ.   Sự tán xạ ánh sáng, một hình thức nhiễu xạ, cũng là nguyên nhân tạo ra màu xanh của bầu trời và   cảnh bình minh và hoàng hôn thường rực rỡ có thể thấy ở phía chân trời. Nếu như Trái Đất không   có bầu khí quyển (không có không khí, nước, bụi và các mảnh vụn) thì bầu trời sẽ có màu đen, kể   cả  vào ban ngày. Khi  ánh sáng từ  Mặt Trời truyền qua bầu khí  quyển của Trái  Đất, những khối   phân tử  không khí  riêng biệt có  mật  độ  biến thiên, do các dao  động nhiệt và  sự  có  mặt của hơi   nước, sẽ  làm tán xạ   ánh sáng. Những bước sóng ngắn nhất (tím và  xanh dương) bị  tán xạ  nhiều  nhất, làm cho bầu trời có màu xanh thẩm. Khi có một lượng đáng kể bụi hoặc hơi ẩm trong không   khí, thì các bước sóng dài (chủ yếu là màu đỏ) cũng bị tán xạ cùng với bước sóng xanh dương, làm  cho bầu trời xanh trong có vẻ trắng hơn.   Khi Mặt Trời ở trên cao (khoảng giữa trưa) trong bầu khí quyển khô, trong trẻo, đa số ánh sáng khả  kiến truyền qua bầu khí quyển không bị tán xạ đáng kể, và Mặt Trời có vẻ như trắng trên nền trời   xanh thẩm. Khi Mặt Trời bắt đầu lặn, sóng ánh sáng phải truyền qua lượng nhiều hơn của bầu khí  quyển, thường chứa một số  lượng lớn các hạt bụi lơ  lửng và  hơi  ẩm. Dưới những  điều kiện này,  những bước sóng dài hơn của ánh sáng trở  nên bị tán xạ và  những màu khác bắt đầu lấn  át màu   của Mặt Trời, biến  đổi từ  vàng sang cam, cuối cùng chuyển sang  đỏ  trước khi nó  lặn khuất dưới  đường chân trời.   Chúng ta có  thể  thường thấy những sắc thái xanh dương, hồng, tía và  xanh lá   ở  các  đám mây,  phát sinh bởi sự kết hợp của các hiệu ứng khi ánh sáng bị khúc xạ và nhiễu xạ từ những giọt nước   trong các đám mây đó. Lượng nhiễu xạ phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng, bước sóng càng ngắn   bị  nhiễu xạ   ở  góc càng lớn so với bước sóng dài (trong thực tế,  ánh sáng xanh dương và  tím bị  nhiễu xạ ở góc lớn hơn so với ánh sáng đỏ). Thuật ngữ nhiễu xạ và tán xạ cũng thường được dùng   hoán đổi nhau và có  thể  xem gần như  là tương đương trong nhiều trường hợp. Sự nhiễu xạ  mô tả   một trường hợp đặc biệt của sự tán xạ ánh sáng trong đó một vật có các đặc trưng lặp lại đều đặn   (ví dụ như vật tuần hoàn hoặc cách tử nhiễu xạ) tạo ra hình ảnh nhiễu xạ có trật tự. Trong thế giới   thực, đa số  các vật có  hình dạng rất phức tạp và  phải  được xem là gồm nhiều đặc trưng nhiễu xạ  riêng rẽ có thể cùng tạo ra một sự tán xạ ánh sáng ngẫu nhiên.   Trong kính hiển vi, sự tán xạ hoặc nhiễu xạ ánh sáng có thể xảy ra tại mặt phẳng đặt mẫu vật do   tương tác của ánh sáng với các hạt hoặc đặc trưng nhỏ, và lại ở rìa của vật kính hoặc tại mép của   lỗ tròn ở trong hoặc ở gần phía sau vật kính. Sự nhiễu xạ, hay sự trải rộng ánh sáng này cho phép  
  20. người ta quan sát  được hình  ảnh phóng to của mẫu vật trong kính hiển vi, tuy nhiên, sự  nhiễu xạ   cũng giới hạn kích thước của vật thể có thể phân giải được. Nếu ánh sáng truyền qua một mẫu vật   và  nó không bị hấp thụ  hoặc nhiễu xạ thì  mẫu vật sẽ không nhìn thấy  được khi xem qua thị kính.   Cách thức ảnh được tạo ra trong kính hiển vi phụ thuộc sự nhiễu xạ ánh sáng thành các sóng phân  kì, rồi chúng tái kết hợp thành hình ảnh phóng đại qua sự giao thoa tăng cường và triệt tiêu.   Khi chúng ta quan sát mẫu vật, trực tiếp hoặc với kính hiển vi, kính thiên văn, hay thiết bị  quang   nào khác, hình ảnh chúng ta nhìn thấy gồm vô số điểm sáng chồng chất tỏa ra từ bể mặt của mẫu   vật đó. Do đó, sự xuất hiện và tính toàn vẹn của hình ảnh từ một điểm sáng nào đó giữ một vai trò  quan trọng  đối với sự  tạo  ảnh toàn thể. Do các tia sáng tạo  ảnh bị  nhiễu xạ, nên một  điểm sáng   thật sự  chưa bao giờ   được thấy là  một  điểm trong kính hiển vi, mà  là  một hình  ảnh nhiễu xạ  gồm  một đĩa hoặc một đốm sáng ở giữa có đường kính hạn chế và bao quanh là các vòng nhạt dần. Hệ   quả là  ảnh của mẫu vật chưa bao giờ là  hiện thân chính xác của mẫu vật, và  đặt ra giới hạn dưới  về  những chi tiết nhỏ nhất trong mẫu vật có  thể  được phân giải. Năng suất phân giải là  khả năng   của một thiết bị quang học tạo ra hình ảnh tách biệt nhau rõ rệt của hai điểm ở gần kề nhau. Tính   đến  điểm mà   ở   đó  sự  nhiễu xạ  làm cho  độ  phân giải bị giới hạn, thì  chất lượng của thấu kính và   gương trong thiết bị, cũng như tính chất của môi trường xung quanh (thường là không khí) xác định   độ phân giải cuối cùng.   Một vài thí  nghiệm cổ   điển và  cơ  bản nhất giúp giải thích sự  nhiễu xạ   ánh sáng  được nêu ra lần   đầu tiên giữa cuối thế kỉ 17 và đầu thế kỉ 19 bởi nhà khoa học người Italia Francesco Grimaldi, nhà   khoa học người Pháp Augustin Fresnel,  nhà  vật  lí  người  Anh Thomas Young,  và   một  vài  nhà  nghiên cứu khác. Những thí  nghiệm này bao hàm sự  truyền sóng  ánh sáng qua một khe (lỗ) rất   nhỏ, và  chứng minh rằng khi  ánh sáng truyền qua khe, kích thước vật lí  của khe xác  định cách   thức khe tương tác với  ánh sáng. Nếu bước sóng  ánh sáng nhỏ hơn nhiều so với bề  rộng lỗ hoặc   khe, thì sóng ánh sáng đơn giản là truyền tới trước theo đường thẳng sau khi đi qua như thể không   có lỗ ở đó (như biểu diễn trong hình 3). Tuy nhiên, khi bước sóng vượt quá kích thước của khe, sự  nhiễu  ánh sáng xuất hiện, làm hình thành hình ảnh nhiễu xạ  gồm một phần sáng ở  giữa (cực đại   chính), bao quanh  ở  hai phía là  dải cực  đại thứ  cấp cách nhau bởi những vùng tối (cực tiểu, xem  hình 4). Cực  đại và  cực tiểu  được tạo ra bởi sự  giao thoa của sóng  ánh sáng nhiễu xạ. Mỗi dải   sáng kế tiếp trở nên kém sáng hơn dải phía trước, tính từ cực  đại trung tâm ra. Độ rộng của phần   sáng trung tâm và  khoảng cách giữa các dải sáng tương  ứng, phụ  thuộc vào kích thước của lỗ   (khe) và  bước sóng  ánh sáng. Mối quan hệ  này có  thể  mô  tả  bằng toán học và  chứng minh  độ  
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2