TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ

--------o0o--------

NGUYỄN THỊ HUẾ

NGHIÊN CỨU SỰ PHÁT XẠ VÀ BẢN CHẤT
ÁNH SÁNG

TÓM TẮT KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

HÀ NỘI, 2012

1


LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành khóa luận này, tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ nhiệt
tình của các thầy cô.
Đầu tiên tôi muốn gửi lời cảm ơn tới ThS. Phan Thị Thanh Hồng là
người đã chỉ dẫn tận tình, tạo điều kiện tố nhất giúp đỡ tôi hoàn thành khóa
luận này.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong khoa Vật lý Trường
ĐHSP Hà Nội 2 những người đã giúp đỡ để tôi hoàn thành khóa luận này.
Trong quá trình hoàn thành khóa luận, tôi không tránh khỏi những thiếu
sót, rất mong được sự góp ý kiến của các thầy cô để khóa luận được đầy đủ
hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!


1. Lý do chọn đề tài .................................................................................. 1
2. Mục đích nghiên cứu ............................................................................ 1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...................................................... 1
4. Nhiệm vụ nghiên cứu ............................................................................ 1
5. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................... 1
6. Cấu trúc khóa luận ................................................................................ 2
NỘI DUNG
Chƣơng 1. Một số khái niệm của quang lý ................................................. 3
1.1 Khái niệm về vận tốc ánh sáng ........................................................... 3
1.2 Sự giao thoa. Nguyên lý chồng chất ................................................... 5
1.3 Tính đơn sắc........................................................................................ 6
1.4 Tính kết hợp ........................................................................................ 7
1.5 Bức xạ cảm ứng. máy phát lượng tử quang học ................................ 10
1.6 Các loại giao thoa. Thăng giáng lượng tử ......................................... 13
1.6.1 Quan sát bằng mắt những hiện tượng thăng giáng ................. 14

4


1.6.2 Sự thăng giáng của những chùm tia kết hợp .......................... 16
1.6.3 Sự thăng giáng trong trường giao thoa ................................... 16
1.7 Sự nhiễu xạ. Điều kiện để quan sát nhiễu xạ ...................................... 17
1.7.1 Sự nhiễu xạ ............................................................................ 17
1.7.2 Điều kiện để quan sát nhiễu xạ ............................................... 19
1.8 Kết luận chương 1 .............................................................................. 20
Chƣơng 2. Bản chất ánh sáng. ..................................................................... 21
2.1 Bản chất điện từ của ánh sáng.
Hình ảnh cổ điển của sự phát xạ ......................................................... 21
2.2 Các mức năng lượng gián đoạn của nguyên tử ................................. 23
2.2.1 Thí nghiệm Phrang và Hec ......................................................... 23

KẾT LUẬN .................................................................................................... 46
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 47

6


MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài.
Quang lý là một trong những nội dung quan trọng trong vật lí. Nó chứa
đựng mọi kiến thức về bản chất của ánh sáng, tác dụng của ánh sáng và ứng
dụng của quang lý trong đời sống và trong kĩ thuật.
Vật lý hiện đại trưởng thành lên nhờ sự nghiên cứu về cấu tạo của các
nguyên tử của các chất và sự nghiên cứu về ánh sáng. Ánh sáng được tìm hiểu
về mọi mặt như: sự giao thoa, sự truyền ánh sáng, bản chất điện từ hay những
dạng khác nhau của bức xạ điện từ. Sự phát xạ của ánh sáng được ứng dụng
rộng rãi như: trong các dụng cụ quang điện, sự thắp sáng bằng huỳnh quang,
ứng dụng của quang học trong kĩ thuật đo lường, ….. Mặt khác, trên thực tế ta
còn gặp rất nhiều ứng dụng khác về sự phát xạ nhờ ánh sáng. Vì vậy việc
“nghiên cứu về sự phát xạ và bản chất ánh sáng” là vấn đề cần thiết.
Xuất phát từ quan điểm trên và sự yêu thích môn quang học của bản
thân, là những lí do khiến tôi chọn đề tài nghiện cứu là: “Nghiên cứu sự phát
xạ và bản chất ánh sáng ” nhằm nâng cao sự hiểu biết của riêng tôi, đồng thời
có thể làm tài liệu tham khảo cho các bạn sinh viên khác.
2. Mục đích nghiên cứu.
- Nghiên cứu một số vấn đề thuộc quang lý.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu.
- Đối tượng nghiên cứu là ánh sáng.
- Phạm vi nghiên cứu: sự phát xạ và bản chất của ánh sáng.
4. Nhiệm vụ nghiên cứu.
- Tìm hiểu bản chất ánh sáng.

c
c
một chất được biểu diễn theo nó ( n  ), năng lượng (   h ), khối lượng
v

(m 

hv
) và xung lượng của photon ( p  mc ). Vận tốc ánh sáng có trong
c2

công thức biểu diễn sự phụ thuộc của khối lượng một vật vào vận tốc chuyển
động của nó ( m 

m0
1   2 / c2

), trong định luật liên hệ tương hỗ giữa khối

lượng và năng lượng ( E  mc2 ), trong phương trình biểu diễn mối liện hệ
giữa các hằng số điện và từ (  0  0 

1
) và các hệ thức khác. Vận tốc ánh sáng
c2

xác định hệ thức giữa các đơn vị điện từ và đơn vị tĩnh điện của các đại lượng
vật lí. Một trong những vấn đề này cũng như cách xác định vận tốc ánh sáng

9

luôn dịch chuyển phụ thuộc vào vị trí tương hỗ của các sóng đơn sắc. Vận tốc
truyền pha của các sóng đơn sắc được gọi là vận tốc pha; còn vận tốc truyền
một điểm của nhóm các sóng đơn sắc, gần nhau về tần số gọi là vận tốc nhóm.
Năng lượng ánh sáng truyền đi với vận tốc nhóm.
Vận tốc pha và vận tốc nhóm trong chân không là như nhau, còn trong
môi trường tán sắc là khác nhau. Trong miền tán sắc nào đó chiết suất có thể
bé hơn đơn vị; nghĩa là n 

c



 1. Điều đó có nghĩa là vận tốc pha   c .

Tuy nhiên vận tốc nhóm – vận tốc truyền năng lượng ánh sáng – trong trường
họp này không lớn hơn vận tốc ánh sáng trong chân không.
1.2 Sự giao thoa. Nguyên lý chồng chất
Sự giao thoa xảy ra khi hai hay một số sóng kết hợp gặp nhau. Hiện
tượng giao thoa xảy ra đối với các sóng có bản chất vật lý bất kì, tuân theo
điều kiện nhất định là các sóng phải kết hợp. Ý nghĩa của hiện tượng giao
thoa đối với vật lý có thể được đánh giá theo hai quan điểm.
Thứ nhất, sự truyền thẳng, sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng trong các
chất được mô tả theo nguyên lý Huyghen – Fresnel là sự giao thoa của sóng
thứ cấp. Nghiên cứu các hiện tượng giao thoa cho ta phương pháp đơn giản để
tính toán sự truyền ánh sáng.

11


Thứ hai, sự giao thoa là biểu hiện của nguyên lý chồng chất. Theo

gian giới nội. Bức xạ như thế, ngay cả có biên độ và tần số không đổi nhưng
bị giới hạn trong thời gian cũng sẽ không đơn sắc. Như ta đã biết, có thể biểu
diễn bức xạ này dưới dạng một tập hợp các dao động sin (đơn sắc) kéo dài vô
hạn với những tần số là bội số của một tần số nào đó.
Nguyên nhân gây ra sự không đơn sắc của bức xạ là do trong nguồn
sáng chứa một số rất lớn vật phát xạ và chúng ở trong trạng thái chuyển động
nhiệt. Bức xạ tới đập vào lăng kính hay cách tử nhiễu xạ là do những nguyên
tử khác nhau của vật phát xạ. Sự biến thiên năng lượng của những nguyên tử
khác nhau trong một lần phát xạ có thể là không giống nhau. Vì vậy bức xạ
toàn phần có thành phần phức tạp. Nhưng, nếu như ngay cả tần số bức xạ của
các nguyên tử trong vật như nhau thì người quan sát vẫn thu được bức xạ có
tần số khác nhau.
Đó là vì hiệu ứng Dople, do có sự chuyển động hỗn loạn của các hạt
mà vận tốc của một số vật phát xạ này hướng về người quan sát, còn của số
kia – theo chiều ngược lại. Cuối cùng vận tốc chuyển động nhiệt của các hạt
được phân bố theo định luật Maxwell.
1.4 Tính kết hợp
Ta hiểu các nguồn sáng kết hợp là những nguồn sáng thực hiện những
dao động có tần số như nhau và có hiệu số pha không đổi theo thời gian. Hiệu
số này có thể có những giá trị khác nhau nhưng không thay đổi theo thời gian.
Những dao động của một điểm trong môi trường được đặc trưng bởi ba đại
lượng: biên độ, tần số và pha. Trong định nghĩa về sự kết hợp chỉ có hai đại
lượng cuối cùng. Độ rõ nét của hình ảnh giao thoa phụ thuộc vào hiệu số biên
độ. Hiệu số các biên độ phải sao cho theo cường độ dao động có thể phân biệt
được các cực đại với các cực tiểu. Nếu không thì hình ảnh giao thoa bị mờ.
Trong những nguồn kết hợp khi có tần số như nhau, hiệu số pha có thể
có các giá trị không chỉ từ 0 đến 2 mà cả đến 2n , trong đó n là số
nguyên. Trường hợp sau này thực tế xảy ra khi nguồn dao động chuyển đi
13


đó. Hãy xét thí dụ sau đây:
Giả sử một nguyên tử phát ra ánh sáng vàng với bước sóng   600 nm .
Tần số dao động sẽ được xác định như sau:

v

c



; v

3.103 m / s
 5.1014 s 1
9
600.10 m

Ngoài ra nếu biết rằng sự phát xạ kéo dài   108 s , có thể xác định số
sóng trong đoàn sóng:

n  v
n  5.1014 s 1.108 s  5.106
Có thể tính được dễ dàng cả độ dài của đoàn sóng:

L  v
L  5.1014 s 1.600.109 m  3 m .

Nếu những đoàn sóng như thế tiếp đuôi nhau cái này sau cái kia, thì các
lần phát xạ của chúng độc lập với nhau vì vậy các pha ban đầu thay đổi một
cách tùy ý, có nghĩa là những sóng này không kết hợp.

Trong điều kiện về cực đại:
x2  x1  n .

(1.3)

Đại lượng n không thể vượt quá chiều dài L . Bởi vì,

n  v ,

(1.4)

trong đó  là thời gian kéo dài của sự phát xạ bởi nguyên tử thì

x2  x1  v  v

c
c .
v

(1.5)

Do đó, hiệu quang trình lớn nhất còn có thể xảy ra giao thoa phụ thuộc
vào thời gian kéo dài của sự phát xạ bởi nguyên tử.
Như vậy các sóng kết hợp là các sóng có cùng tần số và có hiệu số pha không
đổi theo thời gian.
1.5 Bức xạ cảm ứng. Máy phát lƣợng tử quang học
Cùng với việc chế tạo ra các máy lượng tử quang học – các lade, đã
xuất hiện những khả năng mới để thực hiện sự kết hợp và điều khiển nó.
Bức xạ cảm ứng (bức xạ cưỡng bức) là bức xạ của vật (của hệ lượng tử
gồm nguyên tử và phân tử) được tạo nên do trường điện từ ngoài truyền qua

v

E2  E1
.
h

(1.6)

Photon này mang đi năng lượng hấp thụ lúc trước. Tuy nhiên có những
chất trong đó các nguyên tử bị giữ ở trạng thái kích thích. Khi đó hệ bị kích
thích ở trạng thái tương đối bền vững, trong một thời gian tương đối lâu.
Trạng thái như thế của hệ bị kích thích được gọi là trạng thái nửa bền.
Khi chiếu một chất bằng dòng ánh sáng mạnh, có thể đưa lên trạng thái
nửa bền một số nguyên tử lớn hơn nhiều so với số nguyên tử ở mức năng
lượng cơ bản. Trong trường hợp này mật độ định xứ các nguyên tử ở hai mức
năng lượng là đảo lại mật độ định xứ ở trạng thái bình thường (hình 1.4).
Trong trường hợp này người ta nói xảy ra sự định sứ đảo của các nguyên tử.
Lần đầu tiên (vào năm 1939) nhà bác học Xô Viết Fabrican đã nêu lên
rằng: có khả năng tạo được một môi trường trong đó tỉ số giữa số nguyên tử ở
trạng thái kích thích cao hơn với số nguyên tử ở trạng thái kích thích thấp
hơn, lớn hơn đơn vị.
Người ta đã chế tạo được các máy phát và máy khuếch đại lượng tử.

Hình1.5: Nguyên tắc khuếch đại ánh sáng
Trên hình 1.5 diễn tả nguyên tắc khuếch đại ánh sáng. Sự đinh xứ đảo
của các nguyên tử trong lade ba mức được trình bày trên hình 1.6. Khi chiếu
18


sáng một vật (chẳng hạn như rubin, hơi xêdi...) các nguyên tử chuyển từ trạng

Trong trường hợp thứ nhất hình ảnh giao thoa sẽ biến mất khi nguồn sáng có
kích thước lớn (chẳng hạn, ánh sáng tán xạ của bầu trời), trong trường hợp
thứ hai hình ảnh giao thoa cũng sẽ biến mất khi bề dày của bản lớn. Cách giải
thích hiện tượng giao thoa loại Newton phức tạp hơn giao thoa Fresnel. Nó
đòi hỏi phải tính đến sự mất nửa sóng khi phản xạ, phải khảo sát về vân cùng
độ nghiêng và cùng độ dày.
Khi nghiên cứu hiện tượng giao thoa ánh sáng cần phải nghiên cứu cả
về thăng giáng lượng tử.
Với vật lí tất cả các đại lượng thống kê là mật độ, áp suất, nhiệt độ,
cường độ dòng điện, mật độ bức xạ, v.v.... đều chịu sự sai lệch ngẫu nhiên của
một đại lượng vật lí khỏi giá trị trung bình của nó (sự thăng giáng).
Sự thăng giáng của các đại lượng thống kê là hiện tượng chung. Thăng
giáng lượng tử là một trong những trường hợp riêng của sự thăng giáng.
Ta đã biết ba thí nghiệm của Vavilôp về thăng giáng lượng tử. Dưới
đây sẽ mô tả những thí nghiệm này.
1.6.1 Quan sát bằng mắt những hiện tƣợng thăng giáng
Từ nguồn sáng 1 (hình1.7) ánh sáng được chiếu vào kính lọc sắc xanh
lá cây 2 và ống chuẩn trực 3 (bộ phận quang học để tạo các tia song song) đi
vào mắt của người quan sát 4. Trước nguồn sáng có đặt một đĩa 5, trên đó có
khoét một lỗ tròn và quay được nhờ động cơ điện 6 với tần số quay là 1 vg/s.

20


Lỗ trên đĩa làm cho ánh sáng từ nguồn đến người quan sát đi qua trong
khoảng thời gian 0,1s và ánh sáng đi qua trong khoảng 0,9s.

Hình 1.7: Sơ đồ thiết bị để đo thăng giáng lượng tử
Ở bên cạnh ta đặt một nguồn sáng khác 7 được che bởi kính lọc sắc đỏ
và mắt nhìn trên đó. Trong suốt thời gian làm thí nghiệm nhãn cầu của mặt

của mắt người quan sát. Giữa hai khe và thấu kính ta đặt một màn có hai lỗ
tròn sao cho những lỗ này rơi vào hai vân giao thoa kề nhau nằm ngang – một
vân là vân sáng, còn vân kia là vân tối. Như vậy người quan sát có thể nhìn
thấy một vân sáng và một vân tối khác. Hình ảnh này vẫn giữ khi cường độ
ánh sáng lớn. Nếu nguồn sáng được che một cách tuần hoàn bởi đĩa quay thì
vết sáng cũng xuất hiện một cách đều đặn và tuần hoàn, còn vết tối bao giờ
cũng là tối. Nếu làm cho cường độ ánh sáng yếu đi đến ngưỡng nhìn thấy, thì
vết tối vẫn là tối, còn vết sáng xuất hiện không đều đặn, không đúng nhịp với
sự ngắt quãng ánh sáng.
Điều đó có thể giải thích rằng ánh sáng là một dòng photon (lượng tử
ánh sáng) mà số lượng tử photon trong một đơn vị thể tích dần dần bị thay
đổi. Tại ngưỡng nhìn thấy lượng photon n có thể bé hơn ngưỡng n0 . Khi đó

22


vết sáng giao thoa sẽ không nhìn thấy và đối với người quan sát nó hình như
là tối. Khi n  n0 lại nhìn thấy vết sáng.
Như vậy hình ảnh giao thoa được bảo toàn vì vết tối bao giờ cũng tối,
và được giải thích bằng tính chất sóng của ánh sáng; còn sự không đều đặn
của vết sáng là do tính chất lượng tử của ánh sáng và được giải thích bằng sự
thăng giáng.
Thí nghiệm đầu tiên trong ba thí nghiệm đã nói trên chứng minh sự tồn
tại của các thăng giáng lượng tử và vẫn giữ nguyên ý nghĩa về tính chất sóng
của ánh sáng. Thí nghiệm thứ hai chứng tỏ rằng có sự thăng giáng lượng tử
trong các chùm tia kết hợp. Thí nghiệm thứ ba chứng tỏ lưỡng tính sóng hạt
của quá trình.
Sự tồn tại của các thăng giáng lượng tử xác nhận rằng mật độ của dòng
photon thay đổi một cách ngẫu nhiên, chịu sự thăng giáng.
1.7 Sự nhiễu xạ. Điều kiện để quan sát nhiễu xạ

Hình1.8: Nhiễu xạ Fraunhofer
Trong các máy cách tử nhiễu xạ có dùng thấu kính (nhiễu xạ
Fraunhofer). Thấu kính được dùng để phân loại các chùm tia sáng song song.
24


Nó dùng làm “máy tách” các chùm tia song song. Vì vậy khi nghiên cứu cách
tử nhiễu xạ cần chỉ rõ rằng thấu kính không làm tăng thêm một hiệu quang
trình nào giữa các tia. Khi quan sát bằng mắt thì hệ quang học của mắt đóng
vai trò của thấu kính, còn võng mô của mắt là màn quan sát, trên đó hình ảnh
nhiễu xạ được tạo nên.
1.7.2 Điều kiện để quan sát nhiễu xạ
Trong thực tế khi nghiên cứu sự nhiễu xạ người ta cho rằng nếu bề rộng
của khe hay của màn D có thể so sánh được với bước sóng, thì hiện tượng
nhiễu xạ xuất hiện. Nếu như D   , thì không có hiện tượng nhiễu xạ và khi
đó các định luật quang học được thực hiện.
Nhưng sự nhiễu xạ luôn luôn xảy ra khi có vật cản trên đường truyền
của ánh sáng, không phụ thuộc vào kích thước của vật cản. Tuy nhiên hiệu
ứng nhiễu xạ quan sát được lại phụ thuộc vào hệ thức của ba đại lượng : kích
thước của vật cản D, khoảng cách của nó tới chỗ quan sát R và bước sóng ánh
sáng  ; nghĩa là phụ thuộc vào hệ thức của ba đại lượng

R
.
D

Ta hãy xét một số trường hợp sau:
Thứ nhất, tại bờ mép của một khe có bề rộng D bất kì bao giờ cũng xảy
ra nhiễu xạ. Với khe rộng, thỏa mãn hệ thức D  R , hình ảnh nhiễu xạ
chiếm một phần khe hẹp trên màn đối diện với chỗ trống trong vật cản (khe).