Tài liệu: Sự khúc xạ ánh sáng

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

Thêm vào BST

Báo xấu

73
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Hiện tượng này được minh họa tỉ mỉ bởi ảo giác, tạo ra bằng hiệu ứng khúc xạ, về chiều sâu thực sự của một con cá nằm trong nước nông khi nhìn từ bờ hồ hoặc bể cá (hình 6).

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tài liệu: Sự khúc xạ ánh sáng

Sự khúc xạ ánh sáng Hiện tượng này được minh họa tỉ mỉ bởi ảo giác, tạo ra bằng hiệu ứng khúc xạ, về chiều sâu thực sự của một con cá nằm trong nước nông khi nhìn từ bờ hồ hoặc bể cá (hình 6). Khi chúng ta nhìn xuyên qua nước để quan sát cá lội xung quanh bể, chúng hình như ở gần mặt nước hơn so với thực tế. Mặt khác, từ điểm nhìn của con cá, thế giới xuất hiện bị méo mó và bị nén lại phía trên mặt nước do ảnh ảo tạo ra bởi sự khúc xạ của ánh sáng phản xạ và truyền qua đi tới mắt cá. Trong thực tế, vì khúc xạ nên người đi câu ở trên bờ hồ trông sẽ xa hơn so với cá (từ điểm nhìn của cá) so với khoảng cách thực tế.
Hiện tượng này có thể dùng để xác định chiết suất của chất lỏng bằng kính hiển vi quang học. Một lỗ phẳng có khả năng giữ chất lỏng có đánh dấu (hoặc chia độ) đặt trên bề mặt thủy tinh bên trong được chế tạo (hoặc mua) dùng cho thí nghiệm này. Một trong các thị kính của kính hiển vi phải có mặt kẻ ô đánh dấu nằm giữa mặt phẳng ảnh chính dùng để đo bề rộng đường đánh dấu trong lỗ phẳng. Trước khi cho chất lỏng có chiết suất chưa biết vào trong lỗ, kính hiển vi tập trung vào chỗ đánh dấu tại đáy lỗ và đo vị trí đánh dấu trên mặt kẻ ô được lưu ý. Tiếp theo, cho một lượng nhỏ chất lỏng vào lỗ và kính hiển vi tập trung vào nơi đánh dấu (qua chất lỏng) và tiến hành một phép đo mới. Sau cùng, kính hiển vi tập trung lên mặt chất lỏng, và đọc giá trị thứ ba bằng cách đo vị trí điểm đánh dấu trên mặt kẻ ô. Chiết suất của chất lỏng chưa biết có thể được tính bằng phương trình sau: chiết suất (n) = D (đo được) / D (biểu kiến)
trong đó D(đo được) là chiều sâu đo được (từ bề mặt chất lỏng tới vị trí đánh dấu trên lỗ trống, không chất lỏng) bằng kính hiển vi, và D(khả kiến) là chiều sâu đo khi có và không có chất lỏng. Mặc dù nói chung thì ánh sáng truyền từ một chất này sang chất khác phải chịu sự khúc xạ, nhưng có những tình huống mà những nhiễu loạn, như gradient nhiệt, có thể tạo ra sự dao động đủ lớn về chiết suất trong một môi trường để phát sinh hiệu ứng khúc xạ. Nếu chúng có nhiệt độ chênh lệch đáng kể, thì các lớp không khí chồng chất trong khí quyển là nguyên nhân gây ra cái thường được gọi là ảo ảnh, hiện tượng trong đó ảnh ảo của một vật được nhìn thấy nằm phía trên hoặc phía dưới của vật thật. Sự phân thành lớp không khí nóng và lạnh đặc biệt phổ biến ở khu vực sa mạc, đại dương, và mặt đường trải nhựa. Hiệu ứng ảo ảnh thực tế được mường tượng phụ thuộc vào lớp không khí lạnh nằm trên lớp không khí nóng, hoặc ngược lại (hình 7a). Một loại ảo ảnh xuất hiện dưới dạng ảnh ảo lộn ngược nằm ngay phía dưới vật thật và xảy ra khi lớp không khí nóng ở gần mặt đất hoặc mặt nước bị chặn lại bởi lớp không khí lạnh, đậm đặc hơn nằm phía trên. Ánh sáng từ vật truyền xuống lớp không khí nóng gần kề mặt đất (hoặc mặt nước) bị khúc xạ trở lên phía đường chân trời. Tại một số điểm, ánh sáng đạt tới góc tới hạn đối với không khí nóng, và bị bẻ cong trở lên bởi sự phản xạ nội toàn phần, kết quả là ảnh ảo xuất hiện phía bên dưới vật.
Một dạng ảo ảnh khác, gọi là bóng mờ, xảy ra khi không khí nóng nằm trên lớp không khí lạnh, và thường xuất hiện với những đối tượng kích thước lớn trên mặt nước có thể vẫn còn tương đối lạnh khi không khí phía trên nước bị nung nóng vào ban ngày (hình 7b). Các tia sáng đi từ vật, như con tàu trên mặt nước, truyền lên trên qua không khí lạnh đi vào không khí nóng bị khúc xạ trở xuống hướng về ngang tầm nhìn của người quan sát. Khi đó các tia có vẻ xuất phát từ một vật ở phía trên và hình như “nổi lờ mờ” phía trên vị trí thực của nó. Thường thì những con tàu trên biển ở gần đường chân trời nhìn có vẻ trôi nổi phía trên mặt nước. Sự tán sắc của ánh sáng khả kiến Mặc dù thường được xem là chuẩn và có giá trị không đổi, nhưng những phép đo cẩn thận cho thấy chiết suất của một chất biến thiên theo tần số (và bước
sóng) của bức xạ, hoặc màu sắc của ánh sáng nhìn thấy. Nói cách khác, một chất có nhiều chiết suất có thể khác nhau nhiều, hay ở mức độ đáng kể, khi màu sắc hoặc bước sóng của ánh sáng thay đổi. Sự biến thiên này xảy ra với hầu hết các môi trường trong suốt và được gọi là sự tán sắc. Mức độ tán sắc biểu hiện bởi một chất nhất định phụ thuộc vào mức độ thay đổi theo bước sóng của chiết suất. Với một chất bất kì, khi bước sóng ánh sáng tăng thì chiết suất (hay sự bẻ cong ánh sáng) giảm. Nói cách khác, ánh sáng màu xanh dương, gồm vùng bước sóng ngắn nhất trong ánh sáng khả kiến, bị khúc xạ ở góc lớn hơn đáng kể so với ánh sáng màu đỏ, loại ánh sáng có bước sóng dài nhất. Sự tán sắc ánh sáng bởi thủy tinh thường là nguyên nhân gây ra sự tách ánh sáng thành các thành phần màu của nó bởi lăng kính. Vào cuối thế kỉ 17, Isaac Newton đã tiến hành một loạt thí nghiệm đưa tới khám phá của ông về phổ ánh sáng khả kiến, và chứng minh được rằng ánh sáng trắng là hỗn hợp của một dải màu sắc có trật tự bắt đầu với màu lam ở một phía, và tiến triển qua màu lục, vàng, và cam, cuối cùng kết thúc với ánh sáng đỏ ở đầu bên kia. Làm việc trong phòng tối, Newton đã đặt một lăng kính thủy tinh trước một chùm tia sáng Mặt Trời ló ra từ lỗ khoan trên màn chắn cửa sổ. Khi ánh sáng Mặt Trời truyền qua lăng kính, phổ màu sắc có trật tự được chiếu lên màn hứng đặt phía sau lăng kính. Từ thí nghiệm này, Newton kết luận rằng ánh sáng trắng tạo ra từ hỗn hợp nhiều màu sắc, và lăng kính làm trải ra hoặc làm “tán sắc” ánh sáng trắng bằng việc khúc xạ mỗi màu sắc ở góc khác nhau sao cho chúng tách ra dễ dàng (hình 8). Newton không thể nào chia nhỏ hơn nữa từng màu riêng rẽ, mặc dù ông đã cho truyền một màu của ánh sáng tán sắc qua một lăng kính thứ hai. Tuy nhiên, khi ông đặt một lăng kính thứ hai rất gần với cái thứ nhất, sao cho tất cả ánh sáng tán sắc đi vào lăng kính thứ hai, Newton nhận thấy màu sắc kết hợp lại tạo ra ánh sáng trắng trở lại. Kết quả này mang đến bằng chứng thuyết phục cho thấy ánh sáng trắng là hỗn hợp phổ màu sắc có thể dễ dàng tách ra và hợp nhất trở lại.
Hiện tượng tán sắc ánh sáng đóng vai trò quan trọng trong nhiều quan trắc đa dạng. Cầu vồng xuất hiện khi ánh sáng Mặt Trời bị khúc xạ bởi các giọt nước mưa đang rơi qua bầu khí quyển, tạo ra sự hiển thị đẹp ngoạn mục của phổ màu sắc, nhại lại giống hệt điều đã chứng minh với lăng kính. Ngoài ra, màu sắc lấp lánh tạo ra bởi những viên đá quý được gia công sắc sảo, ví dụ như kim cương, là do ánh sáng trắng bị khúc xạ và tán sắc bởi các mặt có góc định vị chính xác. Khi đo chiết suất của một chất trong suốt, bước sóng nhất định sử dụng trong phép đo phải đơn nhất. Vì sự tán sắc là hiện tượng phụ thuộc bước sóng, và chiết suất đo được sẽ phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng dùng để đo. Bảng 2 phân loại sự tán sắc của ánh sáng khả kiến trong những môi trường khác nhau, như đã được chỉ rõ bởi sự biến thiên chiết suất đối với ba bước sóng (ba màu) ánh sáng khác nhau.
Bước sóng được sử dụng phổ biến nhất để đo giá trị chiết suất được phát ra bởi đèn natri, đặt thành một cặp rất gần nhau, có bước sóng trung bình 589,3nm. Ánh sáng này được gọi là phổ vạch D, và đại diện cho ánh sáng màu vàng liệt kê trong bảng 2. Tương tự như vậy, phổ vạch F và vạch C tương ứng với bước sóng ánh sáng xanh dương và đỏ (trong bảng 2) phát ra bởi hydrogen. Đối với các giá trị cho trong bảng, rõ ràng là việc tăng bước sóng ánh sáng từ 486,1nm (màu xanh hoặc vạch F) lên 656,3nm (màu đỏ, hay vạch C) tạo ra sự giảm chiết suất của môi trường nhất định. Độ tán sắc có thể định nghĩa một cách định lượng, bằng ba bước sóng ánh sáng vàng, xanh dương, và đỏ, như sau: Độ tán sắc = n = (n(D) – 1)/(n(F) – n(C)) trong đó n là chiết suất của chất tại bước sóng nhất định xác định bởi D, F và C, biểu thị các vạch phổ natri và hydrogen như đã nói ở trên (xem bảng 2). Nhiều yếu tố giữ vai trò then chốt trong giá trị tán sắc của các chất liệu khác nhau, bao gồm thành phần cơ bản và phân tử, và hình thái học mạng tinh thể. Một số chất rắn vô cơ có độ tán sắc cao khác thường, gồm các hợp chất cromate, dicromate, cyanide, vanadate, và halide. Các chất hữu cơ cũng có thể đóng góp cho giá trị độ tán sắc cao khi được hợp nhất vào những chất liệu nhất định. Tán sắc cũng là nguyên nhân gây ra sự sắc sai, hiện tượng phát sinh từ sự thay đổi chiết suất theo bước sóng. Khi ánh sáng trắng truyền qua một thấu kính lồi đơn lẻ, một vài tiêu điểm phát sinh ở rất gần nhau, ứng với sự chênh lệch chiết suất không lớn lắm của các bước sóng thành phần. Hiệu ứng này có xu hướng tạo ra quầng màu (đỏ hoặc xanh, phụ thuộc vào tiêu điểm) bao quanh ảnh của vật. Việc
hiệu chỉnh hiện tượng sắc sai này được thực hiện bằng việc kết hợp hai hoặc nhiều thành phần thấu kính cấu tạo từ loại vật liệu có tính chất tán sắc khác nhau. Một thí dụ tốt là hệ thấu kính kép tiêu sắc chế tạo từ hai thành phần riêng rẽ bằng cả thủy tinh crown và thủy tinh flint. Góc phản xạ tới hạn Một khái niệm quan trọng trong kính hiển vi quang học là góc phản xạ tới hạn, yếu tố cần thiết để xem xét khi nào thì chọn dùng vật kính khô, khi nào thì chọn dùng vật kính ngâm trong dầu, để quan sát mẫu vật ở độ phóng đại cao. Lúc truyền qua môi trường có chiết suất cao đi vào môi trường có chiết suất thấp, đường đi của sóng ánh sáng được xác định bởi góc tới so với ranh giới giữa hai môi trường. Nếu góc tới tăng vượt quá một giá trị nào đó (phụ thuộc vào chiết suất của hai môi trường), nó sẽ đạt tới một điểm mà ở đó góc là đủ lớn sao cho không có ánh sáng nào bị khúc xạ vào môi trường có chiết suất thấp, như minh họa trong hình 9. Trong hình này, từng tia sáng được biểu diễn bằng mũi tên màu đỏ hoặc màu vàng đi từ môi trường có chiết suất cao (n2) sang môi trường có chiết suất thấp (n1). Góc tới đối với từng tia sáng được kí hiệu là i, và góc khúc xạ được kí hiệu là r. Bốn tia sáng màu vàng có góc tới (i) đủ nhỏ nên cho phép chúng truyền qua mặt phân giới giữa hai môi trường. Tuy nhiên, hai tia sáng màu đỏ có góc tới vượt quá góc phản xạ tới hạn (khoảng 41 độ, đối với ví dụ nước và không khí) và bị phản xạ hoặc theo ranh giới giữa hai môi trường hoặc quay trở lại môi trường có chiết suất cao. Hiện tượng góc tới hạn xảy ra khi góc khúc xạ (góc r trong hình 9) trở nên bằng 90 độ và định luật Snell suy biến thành sin(q) = n1/n2 trong đó q bây giờ gọi là góc tới hạn (trong hình kí hiệu là c). Nếu như môi trường có chiết suất thấp là không khí (n = 1,00) thì phương trình suy biến thành sin c = 1/n2
Khi góc tới hạn bị vượt quá đối với một sóng ánh sáng nhất định, nó biểu hiện sự phản xạ nội toàn phần trở lại môi trường đó. Thông thường thì môi trường chiết suất cao được xem là môi trường bên trong, vì không khí (có chiết suất bằng 1,0) trong đa số trường hợp là môi trường bao xung quanh, hay môi trường bên ngoài. Khái niệm này đặc biệt quan trọng đối với kính hiển vi quang học khi cố gắng tạo ảnh mẫu vật với môi trường không phải không khí nằm giữa kính bọc ngoài và vật kính phía trước. Môi trường ngâm thông dụng nhất (ngoài không khí) là loại dầu chuyên dụng có chiết suất bằng với chiết suất của thủy tinh dùng làm vật kính và kính bao ngoài. Các quang cụ khác nhau, từ kính hiển vi, kính thiên văn, cho tới camera, dụng cụ tích điện kép, máy chiếu video, và cả mắt người, đều hoạt động dựa trên cơ sở là ánh sáng có thể bị hội tụ, khúc xạ và phản xạ. Sự khúc xạ ánh sáng tạo ra nhiều hiện tượng đa dạng, như ảo ảnh, cầu vồng, và những sự chiếu sáng kì lạ như làm cho con cá có vẻ như đang bơi trong nước cạn hơn trong thực tế. Sự khúc xạ cũng làm cho miệng chai bia thành mỏng trông có vẻ đầy hơn thực tế, và dối gạt chúng ta thấy rằng Mặt Trời lặn muộn hơn một vài phút so với thực tế nó đã lặn. Hàng triệu con người đã và đang sử dụng hệ số khúc xạ để hiệu chỉnh thị lực khiếm khuyết bằng kính keo mắt và kính tiếp xúc, cho phép họ nhìn thấy thế giới rõ ràng hơn. Bằng việc tìm hiểu những tính chất này của ánh sáng, và cách thức điều khiển chúng, chúng ta có thể quan sát được những chi tiết không thể nhìn thấy bằng mắt
trần, cho dù là chúng được đặt trên bàn soi hiển vi hay trên một thiên hà xa xôi nào đó.