Tài liệu: Lược sử hình thành các quan điểm về bản chất ánh sáng

Chia sẻ: Ha Quynh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:10

Thêm vào BST

Báo xấu

70
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Newton quan niệm ánh sáng có tính chất hạt. Ánh sáng được coi như những dòng hạt đặc biệt nhỏ bé được phát ra từ các vật phát sáng và bay theo đường thẳng trong môi trường đồng chất.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tài liệu: Lược sử hình thành các quan điểm về bản chất ánh sáng

Lược sử hình thành các quan điểm về bản chất ánh sáng Newton quan niệm ánh sáng có tính chất hạt. Ánh sáng được coi như những dòng hạt đặc biệt nhỏ bé được phát ra từ các vật phát sáng và bay theo đường thẳng trong môi trường đồng chất. Ông bác bỏ giả thuyết sóng ánh sáng vì nếu ánh sáng có bản chất sóng, như âm thanh, thì trong những điều kiện như nhau, chúng ta sẽ phải nhìn thấy ánh sáng giống như nghe thấy âm thanh. * Từ cơ sở đó, ông giải thích các hiện tượng như sau: · Nguyên nhân tạo ra màu sắc: do kích thước của các hạt. Các hạt nhỏ nhất tạo ra cảm giác tím, các hạt lớn hơn gây ra cảm giác về màu chàm, và cứ tiếp tục như vậy hạt màu đỏ sẽ là lớn nhất. Bởi vì tồn tại bảy màu cơ bản, nên các hạt phải có bảy
loại kích thước khác nhau. Như vậy sự tổng giác của chúng ta về các màu là biểu thị chủ quan của một hiện thực khách quan được quy định bởi kích thước của các hạt. Giải thích các định luật phản xạ, khúc xạ và nhiễu xạ, Newton đã đưa vào các lực hút và đẩy giữa các hạt ánh sáng, những hạt mà nếu để tự do chúng sẽ truyền theo đường thẳng. · Hiện tượng phản xạ: do sự phản xạ của các quả cầu đàn hồi trong chùm sáng khi va chạm và các hạt bị nảy lên từ những điểm khác nhau, nên trật tự của chúng trong chùm sáng bị đảo ngược lại tạo ra một hình đảo ngược (hình vẽ). Nếu bề mặt quá gồ ghề thì các hạt bị nảy lên ở nhiều góc khác nhau, kết quả là làm tán xạ ánh sáng. · Hiện tượng khúc xạ: do tác dụng của mặt phân giới lên hạt ánh sáng làm cho hạt đó thay đổi hướng truyền và bị gãy khúc ở mặt phân cách giữa hai môi trường. Vì ánh sáng đi vào môi trường đậm đặc hơn sẽ bị các phân tử môi trường đó hút và vận tốc sẽ tăng lên dẫn đến vận tốc ánh sáng trong môi trường nước hay thủy tinh lại lớn hơn vận tốc ánh sáng trong môi trường khí.
· Tán sắc ánh sáng qua lăng kính: ông đưa ra giả thuyết cho rằng trên bề mặt của một vật trong suốt (như lăng kính, chẳng hạn) tồn tại một vùng rất mỏng ở đó có một lực tác dụng để kéo các tia sáng vào bên trong nó. Vì vậy, các hạt màu tím, do chúng nhỏ hơn, sẽ bị hút bởi một môi trường đặc hơn không khí (như thủy tinh, chẳng hạn) mạnh hơn so với các hạt lớn hơn có màu đỏ, tức các hạt màu tím bị lệch khỏi đường đi ban đầu của nó nhiều hơn các hạt màu đỏ. Như vậy, Newton đã giải thích được tại sao các chùm đơn sắc khác nhau lại bị lệch hướng khác nhau bởi cùng một môi trường, và tại sao một chùm đơn sắc bị lệch hướng khác nhau trong các môi trường trong suốt khác nhau. · Hiện tượng nhiễu xạ: ông giải thích là do có một lực đẩy có tác dụng đẩy các hạt ánh sáng vào trong bóng tối hình học của một vật. Tuy thuyết hạt của Newton đã được sự chấp nhận rộng rãi, nhưng một thí nghiệm đặc biệt, cũng do chính ông thực hiện đã khi ến chúng ta phải suy nghĩ. Khi Newton đặt một thấu kính phẳng lồi lên trên một tấm thủy tinh (với mặt phẳng ngửa lên trên) và chiếu sáng tất cả bằng ánh sáng đơn sắc, ông đã phát hiện ra một hiện tượng quang học mới rất lạ. Nhiều vòng tròn đồng tâm (ngày nay được gọi là các “vân tròn Newton”) xuất hiện, đan xen giữa vân đen và vân màu. Hoàn toàn tự nhiên, Newton giải thích các vân đen là vùng ở đó ánh sáng bị thấu kính phản xạ, và các vân màu là các vùng ở đó ánh sáng được truyền qua. Nhưng làm thế nào có thể giải thích được một hạt ánh sáng, khi đến bề mặt của thấu kính, lúc thì phản xạ lúc thì được truyền qua? Và do đó ông lại đặt ra một giả thuyết mới, ông cho rằng mỗi hạt ánh sáng có một tính chất gọi là “accès”. Hạt có “accès” truyền qua thì dễ dàng truyền qua còn hạt có “accès” phản xạ thì dễ phản xạ.
Rõ ràng, giả thuyết này của Newton đưa ra lại làm nảy sinh thêm vấn đề khi cần phỉa có thêm một lí thuyết mới nữa để giải thích cái tính chất gọi là “accès” này. Như vậy thì lí thuyết hạt của Newton có hoàn toàn hợp lí hay không? Sự hồi sinh của lý thuyết sóng ánh sáng: * Sau khi quyển “Optiks” của Newton được xuất bản năm 1704, suốt thế kỷ XVIII đã diễn ra cuộc tranh luận về bản chất của ánh sáng với hai quan điểm trái ngược nhau: quan điểm cho rằng bản chất ánh sáng là sóng và quan điểm cho rằng bản chất ánh sáng là hạt. Suốt thế kỷ này, lý thuyết hạt ánh sáng của Newton đã lấn át tuyệt đối lý thuyết sóng ánh sáng mà Huygens đề xuất. Lý thuyết sóng ánh sáng hầu như không được đề cập tới bởi uy tín quá lớn của Newton và những hạn chế của lý thuyết sóng ánh sáng mà Huygens đưa ra không giải thích được hiện tượng giao thoa và nhiễu xạ ánh sáng. Do đó lý thuyết hạt đã được tuyệt đại đa số các nhà vật lý trong thế kỷ này chấp nhận. Tuy nhiên, vẫn có một (và duy nhất) tiếng nói chống lại quan điểm hạt của Newton trong thế kỷ XVIII, một điều bất ngờ vì tiếng nói này không phải do một nhà vật lý theo quan điểm sóng cất lên mà là của một nhà toán học người Thụy Sĩ, Leonhard Euler. Leonhard Euler (1707 – 1783) nhà toán học Thụy Sĩ, sinh ở Bâle. Năm 1746, Euler xuất bản tác phẩm “Một lý thuyết mới về ánh sáng và màu sắc”. Qua cuốn sách này, Euler đã phát triển quan
niệm cho rằng ánh sáng là sóng bằng cách dựa vào sự tương tự giữa ánh sáng và âm thanh, đặc biệt là về phương thức lan truyền của chúng. Qua đó, ông đã tiến đến việc tương tự hóa giữa ánh sáng và âm thanh “có một sự hài hòa tương tự giữa các nguyên nhân và các tính chất khác của âm thanh và ánh sáng, và như vậy lý thuyết âm thanh chắc chắn sẽ làm sáng tỏ rất nhiều lý thuyết ánh sáng”. Một trong những điểm tiến bộ trong quan niệm sóng của Euler là ông cho rằng: mỗi một màu của ánh sáng được đặc trưng bởi một bước sóng nhất định, tức là khoảng cách giữa hai đỉnh hoặc hai hõm liên tiếp của sóng hình sin và bởi một tần số nhất định. Như vậy, Euler là người đầu tiên gắn kết các khái niệm bước sóng và tần số với màu sắc. * Thế kỷ XVIII khép lại, quan niệm ánh sáng là sóng vẫn chìm nổi với chỉ một tiếng nói bảo vệ thuyết sóng của Euler. Tuy chưa đầy đủ nhưng luận điểm của Euler đã thể hiện sự tiến bộ so với các tiền bối bởi ông đã đưa ra một cách giải thích chấp nhận được về nguồn gốc các màu sắc mà trước đó cả Newton lẫn Huygens đều không thể có một cách giải thích đúng đắn. Bước sang thế kỷ XIX, chúng ta sẽ được chứng kiến sự hồi sinh và phát triển vượt bậc của lý thuyết sóng ánh sáng. Ở nửa đầu thế kỷ này đã diễn ra một cuộc cách mạng trong lĩnh vực quang học tương tự như cuộc cách mạng của Copernic và Galilée trước đó gần ba thế kỷ. Hai nhân vật có vai trò to lớn cho cuộc cách mạng trong quang học là Thomas Young và Augustin Fresnel. Thomas Young (1773 – 1829), người Anh.
-1779, ông bắt đầu bước lên sân khấu của câu chuyện truyền kỳ về ánh sáng. Trong quá trình đi giải quyết hiện tượng nhiễu xạ ông đã tìm ra hiện tượng giao thoa ánh sáng, và cũng chính ông là người đầu tiên sử dụng thuật ngữ “giao thoa” trong khoa học. -1801, ông đã giới thiệu một thí nghiệm cơ bản về ánh sáng thường được gọi là thí nghiệm hai khe. Thí nghiệm này của ông đã gây một sự ngạc nhiên lớn bởi lần đầu tiên người ta nhận thấy khi thêm ánh sáng vào ánh sáng thì sẽ cho ra bóng tối, đây chính là hiện tượng giao thoa ánh sáng.
-1802, ông đã tìm ra một định luật đơn giản và tổng quát của hiện tưọng giao thoa là: Khi ánh sáng của cùng một nguồn sáng truyền đến mắt ta bằng hai con đường khác nhau, ánh sáng sẽ mạnh nhất tại những điểm mà hiệu đường đi bằng bội số nguyên của một “độ dài nào đó”. Lý thuyết của Young mặc dù đã giải thích được hiện tượng giao thoa ánh sáng nhưng đã không được nhiều người chú ý. Ngoài ra thuyết sóng ánh sáng của Young cũng vấp phải một khó khăn khi không thể giải thích được hiện tượng phân cực ánh sáng do Malus tìm ra năm 1808. Young công nhận sự bất lực của thuyết sóng ánh sáng trong vấn đề này, song ông nói rằng: “khi phát triển một lý thuyết khoa học, đôi khi cứ phải tiến lên và gạt sang một bên vài vấn đề chưa được giải quyết, với hy vọng rằng chúng sẽ được giải quyết trong những nghiên cứu sau này”. Augustin Fresnel (1788 – 1827), người Pháp. Ông là sinh viên trường Đại học Bách khoa Paris, sau khi học xong trường Bách khoa, Fresnel chuyển sang học trường kỹ sư Cầu đường. Mặc dù vậy, ánh sáng mới là niềm đam mê thực sự của Fresnel, ông đã dùng những lúc rảnh rỗi để giải mã các bí mật của ánh sáng. Fresnel đã công nhận bản chất sóng của ánh sáng qua thí nghiệm về giao thoa mà ông đã tự bố trí (dùng hai gương phẳng đặt lệch nhau một góc gần bằng 180o, thường được gọi là hai gương Fresnel).
-1817, Viện hàn lâm Khoa học Paris phát động cuộc thi giải thích hiện tượng nhiễu xạ với hy vọng một ai đó sẽ giải thích được hiện tượng bằng lý thuyết hạt. Tuy nhiên đến năm 1818, họ đã nhận được công trình của Fresnel trong đó giải thích một cách chính xác và chi tiết hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng dựa trên giả thiết rằng ánh sáng là một sóng trong ête và tuân theo nguyên lý giao thoa. Mặc dù bảo vệ lý thuyết sóng ánh sáng nhưng Fresnel đã xuất sắc giành chiến thắng trong cuộc thi. - Fresnel cũng là người đầu tiên theo trường phái sóng ánh sáng đã giải thích thành công hiện tượng phân cực ánh sáng đã khiến cho những người bảo vệ lý thuyết sóng phải rất đau đầu ngay cả Thomas Young. Bởi nếu coi ánh sáng là sóng giống như âm thanh thì cả hai phải có cùng các hiệu ứng, trong khi không thể tìm ra hiện tượng phân cực ở sóng âm. Để giải thích hiện tượng này, Fresnel đã đưa ra một lời giải mang tính cách mạng: mặc dù cả âm thanh và ánh sáng đều có bản chất sóng, nhưng chúng khác nhau về mặt phẳng dao động. Nói cách khác, Fresnel là người đầu tiên cho rằng ánh sáng là sóng ngang chứ không phải sóng dọc. Nhờ đứng trên quan điểm mới này, Fresnel đã xây dựng được lý thuyết về sự phân cực ánh sáng trong môi trường lưỡng chiết. Những công trình của Young và Fresnel đã giúp cho lý thuyết sóng hồi sinh và trở nên áp đảo lý thuyết hạt vốn đứng vững bởi uy tín của Newton. Ngoài ra, những bằng chứng thực nghiệm được thực hiện sau khi hai ông mất đã khẳng định sự đúng đắn của lý thuyết sóng ánh sáng. Thí nghiệm của Hamilton năm 1832 kiểm chứng lại lý thuyết của Fresnel. Thí nghiệm của Fizeau vào năm 1849 và thí nghiệm của Foucault vào năm 1850 về đo vận tốc ánh sáng trong nước. Những kết quả thực nghiệm này đã góp phần quan trọng cho sự thắng lợi của lý thuyết sóng ánh sáng.
- Năm 1849 Fizeau thực hiện phép đo vận tốc ánh sáng ngay trên mặt đất vào bằng phương pháp răng cưa: Kết quả là : C=312.000 km/s. - Năm 1850, Foucault dùng dụng cụ gương quay: Đường đi của ánh sáng trong dụng cụ của Foucault đủ ngắn để dùng trong các phép đo tốc độ ánh sáng trong các môi trường khác ngoài không khí. Ông phát hiện thấy tốc độ ánh sáng trong nước hoặc trong thủy tinh chỉ khoảng 2/3 giá trị của nó trong không khí. Như vậy ,kết quả của 2 thí nghiệm trên cho thấy trái ngược với kết quả của Newton cho rằng Vận tốc ánh sáng trong không khí lớn hơn vận tốc ánh sáng trong môi trường nước
Những thí nghiệm của Young và Fresnel đã chứng tỏ bản chất sóng của ánh sáng. Đặc biệt, Fresnel đã khẳng định một cách chắc nịch rằng ánh sáng là sóng ngang. Trong lý thuyết của ông đã đề cập đến việc tồn tại hai phương dao động của sóng ánh sáng (ông so sánh với dao động của dây đàn violin – vốn cũng là sóng ngang – có thể dao động từ dưới lên trên hoặc từ trái sang phải) tương ứng với hai phân cực của ánh sáng: một phân cực theo phương ngang và một phân cực theo phương thẳng đứng. Tuy nhiên để có thể đưa ra được mô hình sóng ánh sáng một cách đầy đủ, gọn gàng thì chúng ta phải rẽ sang lĩnh vực điện từ gắn liền với tên tuổi của James Clerk Maxwell (1831 – 1879), nhà vật lý người Anh, ông là người đầu tiên phát hiện ra “ánh sáng chính là cuộc hôn pối giữa điện và từ”.