BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
---***---

TRẦN THỊ THU THỦY

TIẾN TRÌNH PHÁT TRIỂN
NHẬN THỨC CỦA CON NGƯỜI
VỀ BẢN CHẤT ÁNH SÁNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CHUYÊN NGÀNH QUANG HỌC

VINH, 2012

1


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
---***---

TRẦN THỊ THU THỦY

TIẾN TRÌNH PHÁT TRIỂN
NHẬN THỨC CỦA CON NGƯỜI
VỀ BẢN CHẤT ÁNH SÁNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CHUYÊN NGÀNH QUANG HỌC
Mã số:60 44 01 09


(1)Trường Đại học Điện lực
(2)Học viên chuyên ngành quang học Khoá 18, Đại học Vinh

LỜI CÁM ƠN

Khoá luận tốt nghiệp này là kết quả nghiên cứu trong nhiều tháng
nỗ lực của bản thân em dưới sự hướng dẫn, giúp đỡ của rất nhiều người.
Qua bản khoá luận này cho phép em bày tỏ lòng biết ơn chân thành,
sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Huy Công đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em
hoàn thành khoá luận tốt nghiệp.
Em cũng xin gửi lòng biết ơn sâu sắc đến các Thầy đã đào tạo cho
em không chỉ về kiến thức chuyên môn mà cả về kỹ năng sống, học tập và
làm việc.
Khoá luận này cũng là một lời cảm ơn tới những người thân của em
- những người luôn ở bên cạnh quan tâm em giúp đỡ em hoàn thành khoá
luận.

VINH, 15/07/2012
Học viên
Trần Thị Thu Thủy

4


MỤC LỤC
Trang
1
Trang giới thiệu
2

NHỮNG THÀNH TỰU KHOA HỌC
TRONG THẾ KỶ XX VỀ ÁNH SÁNG
2.1 Lý thuyết lượng tử năng lượng.
2.2 Lý thuyết lượng tử ánh sáng.
5

10
13
13
13
16
19
20
20
23
24
26
27

28
32


2.3 Bản chất lưỡng tính sóng, hạt của ánh sáng.
2.4 Lý thuyết lượng tử về trường ánh sáng.
Kết luận chương 2

Chương 3:

MỘT SỐ ỨNG DỤNG

58
60
60
60
61

KẾT LUẬN
65
TÀI LIỆU THAM KHẢO
66
PHỤ LỤC

6


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Trang
Chương I:

14

Hình 1.1: Ánh sáng là sóng
Hình 1.2: Sự phản xạ của sóng ánh sáng
Hình 1.3: Sự khúc xạ của sóng ánh sáng
Hình 1.4: Sự phản xạ của hạt ánh sáng
Hình 1.5: Sự khúc xạ của ánh sáng
Hình 1.6: Thí nghiệm hai khe Young
Hình 1.7: Hạt và sóng đi qua các kính phân cực đặt vuông góc
Hình 1.8: Sự truyền của sóng điện từ


Hình 3.8: Laser cường độ mạnh dùng vật liệu rất nhanh và chính
xác
7

41
41
47
50
51
52
54
55
55


Hình 3.9: Ứng dụng của laser trong phép đo khoảng cách
Đồ thị tổng quan về tiến trình phát triển ánh sáng

57
61

BẢNG CÁC KÝ HIỆU,
CÁC CHỮ VIẾT TẮT

E( hoặc W): năng lượng ánh sáng
−34
h: hằng số Planck, ( h = 6,626.10 J .s )

c: vận tốc ánh sáng trong chân không
ν : tần số của sóng điện từ

MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Như chúng ta đã biết, ánh sáng là đối tượng mà con người tiếp xúc
đầu tiên khi mở mắt chào đời và cũng là đối tượng tiếp xúc cuối cùng khi
con người vĩnh biệt thế giới này để đi về cõi vĩnh hằng.
Người bạn ánh sáng mang đến sự sống và song hành với chúng ta
trong cuộc sống hàng ngày được sinh ra từ đâu? Bản chất của ánh sáng là
như thế nào? Có vô vàn những câu hỏi và những thắc mắc mà con người
đã đặt ra cho ánh sáng. Tuy rằng ánh sáng được loài người say mê nghiên
cứu, nhưng dường như người bạn này lại rất thích chơi trò “đánh đố”.
Gần gũi với con người đến như vậy, nhưng việc hiểu bản chất thực sự của
“người bạn” này cũng như cách thức mô tả nó là cả một vấn đề khoa học
hết sức hóc búa và phức tạp.
Hết thế hệ này sang thế hệ khác, hết thế kỷ này sang thế kỷ kia, con
người vẫn cứ miệt mài tìm tòi về bản chất của nó. Có những giai đoạn
tưởng chừng như đã tìm ra, nhưng rồi các “gợi ý” mới về bản chất của
ánh sáng lại xuất hiện và con người lại cứ tiếp tục kiếm tìm. Có nhà khoa
học đã định nghĩa một cách rất độc đáo: “Ánh sáng là chỗ tối nhất của
khoa học”.
Vì vậy việc tìm hiểu và trình bày một cách tổng quan, đầy đủ về tiến
trình phát triển của lý thuyết về ánh sáng, theo chúng tôi suy nghĩ, là một
việc làm thiết thực và có ý nghĩa, giúp chúng ta có dịp nắm bắt một cách
toàn diện hơn về ánh sáng, đồng thời biết nâng niu và trân trọng hơn đối
với những thành tựu, những phát kiến vĩ đại của các nhà vật lý từ trước
cho đến nay. Đó là những nhà khoa học đã miệt mài làm việc để cho
chúng ta có những kiến thức quý báu về ánh sáng làm cơ sở để phát hiện
ra nhiều hiệu ứng mới, phái minh ra những thành tựu khoa học mới.
Với lý do trên, chúng tôi chọn đề tài:
TIẾN TRÌNH PHÁT TRIỂN NHẬN THỨC CỦA CON
NGƯỜI VỀ BẢN CHẤT ÁNH SÁNG

c. Sử dụng Laser trong đời sống
-Sử dụng Laser trong thông tin liên lạc, điều khiển
-Sử dụng Laser trong công nghiệp, cơ
-Sử dụng Laser trong đo lường tiêu chuẩn
-Sử dụng Laser trong y học
-Sử dụng Laser trong thiên văn, khí tượng
-Sử dụng Laser trong nghiên cứu vũ trụ
3.2 PHẠM VI NGHIÊN CỨU
-Từ lúc nền văn minh loài người bắt đầu xuất hiện cho đến nay.
-Tập trung nghiên cứu các quan điểm, các thuyết có tính chất nền tảng
trong sự phát triển Khoa học nói riêng và Vật lý nói chung.
10


-Nghiên cứu qua sách, báo khoa học, các trang kiến thức khoa học
trên internet, các tài liệu tham khảo khác.
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• Nghiên cứu lý thuyết:
- Tìm tài liệu.
- Đọc tài liệu.
- Phân tích tổng hợp và so sánh khái quát.
- Khảo sát các ứng dụng thực tế của ánh sáng.
• Thống kê số liệu: thống kê, xử lí, đánh giá kết quả thực tế đạt được.
5. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA ĐỀ TÀI:
*Xây dựng được bộ tư liệu tương đối đầy đủ về tiến trình phát
triển nhận thức của con người về ánh sáng.
* Luận văn có thể được xem như một bức tranh kiến thức cơ
bản khái quát về lược sử hình thành các quan điểm về bản chất ánh
sáng từ thời cổ đại cho đến nay. Qua bức tranh này chúng ta thấy,
mặc dầu ánh sáng là “người hàng xóm” gần gũi với con người song


1.1 ÁNH SÁNG TRONG CON MẮT CỦA NGƯỜI CỔ VÀ TRUNG ĐẠI
Empédocle (khoảng 490 - 435 TCN) là tác giả của lý thuyết về thị giác
xa xưa nhất . Liên quan đến ánh sáng, Empédocle cho rằng mắt truyền
các “tia thị giác” đến thế giới bên ngoài. Sở dĩ có lý thuyết về các tia thị
giác này một phần là do niềm tin dân gian cho rằng các con mắt có chứa
“lửa’’. Theo Empédocle, ánh sáng không đi theo một chiều từ mắt tới vật;
ánh sáng còn đi theo chiều ngược lại, từ vật đến mắt.
Leucippe (khoảng 460-370 TCN): Trái ngược với “lửa” trong mắt của
Empédocle thoát ra thế giới bên ngoài, Leuccipe cho rằng thế giới thị giác
đến với chúng ta, và do đó, về thực chất, thị giác là một trải nghiệm thụ
động[5]. Dưới tác động của ánh sáng, các hình ảnh về các vật quanh ta –
mà Leucippe đặt cho một tên riêng bằng tiếng Hy Lạp là các eidonlon có
nghĩa là các ảo ảnh – sẽ tách khỏi bề mặt của vật, như da của một con
rắn lột xác tách khỏi cơ thể, và đi đến mắt chúng ta.
Démocrite (460-370 TCN): Các quan điểm của Démocrite về ánh sáng
và thị giác đều dựa trên học thuyết nguyên tử. Ông chấp nhận bốn màu cơ
bản của Empédocle – đen, trắng, đỏ và vàng-xanh, nhưng thêm vào đó
các màu khác gọi là các màu thứ cấp, như lục và nâu. Khác với
Empédocle, Démocrite không gắn các màu cơ bản cho bốn nguyên tố, mà
gắn cho các nguyên tử có hình dạng khác nhau. Theo Démocrite, các màu
(và các đặc tính giác quan khác như mùi và vị) không hiện hữu trong bản
12


thân các vật.Platon (428-347 TCN): Ở Platon, ánh sáng thuộc vào hạng
siêu hình. Mặt Trời là con của cái Thiện, và mắt, nhạy cảm với ánh sáng,
là một cơ quan gắn chặt nhất với Mặt Trời.
Như vậy thị giác là kết quả của sự tổng hợp của ba quá trình bổ sung
cho nhau. Mắt phát ra lửa, lửa kết hợp với ánh sáng xung quanh để tạo

Claude Ptolémée (khoảng 100-178): Ptolémée cho rằng mắt đồng thời
vừa là máy phát vừa là máy thu: mắt phát ra các “tia thị giác” có cùng
bản chất với ánh sáng và màu sắc. Ptolémée cũng đưa ra tiên đề về “mặt
nón thị giác”, nhưng khác với Euclide, ông cho rằng mặt nón này không
13


chứa một tập hợp các “tia thị giác” tách biệt, mà chứa một continuum các
tia có mật độ lớn nhất ở trung tâm, tại đó mắt nhìn thấy rõ nhất, nhưng
giảm dần ở rìa mép nơi các chi tiết nhoè mờ hơn. Theo ông, “mặt nón thị
giác” bản thân nó không đủ; còn cần phải có thêm ánh sáng bên ngoài để
được khởi phát sự hoạt động của nó. Chẳng hạn, khi “mặt nón thị giác”
quét lên bề mặt của một vật, nó chỉ tương tác với vật ấy nếu có ánh sáng
xung quanh. Ánh sáng bên ngoài này càng mạnh thì tương tác càng mạnh.
Điều này giải thích tại sao chúng ta không nhìn được trong bóng tối[4].
Ptolémée cũng suy nghĩ về hành trạng của ánh sáng khi nó phản xạ trên
một bề mặt (định luật phản xạ) hay đổi hướng khi đi từ môi trường này
sang môi trường khác (định luật khúc xạ). Ông cũng là người đầu tiên
miêu tả các màu hòa trộn với nhau như thế nào trong mắt của con người.
Ông đã vẽ các màu khác nhau trên một bánh xe sau đó quay bánh xe thật
nhanh. Mắt không có đủ thời gian để phân biệt từng màu một, mà chỉ
nhìn thấy các màu này bị trộn vào nhau. Ngoài ra, ông còn nhận thấy sự
hòa trộn các màu còn có thể là kết quả của khoảng cách: Một bức tranh
ghép các màu sáng nhìn từ xa có thể cho ấn tượng về màu xám[4].
Claude Galien (130-200) cùng với Hippocrate là hai bác sỹ vĩ đại nhất
thời Cổ đại. Ông là một gương mặt lớn góp phần phát triển các ý tưởng
về ánh sáng. Galien đã lấy lại một số quan niệm của Aristolte: dưới ảnh
hưởng kết hợp của linh khí thị giác và ánh sáng, không khí bao quanh ta
chịu một biến đổi làm cho mắt nhìn thấy được. Các màu sắc cũng làm
cho không khí biến đổi. Theo Galien, trung tâm của thị giác là thủy tinh

ánh sáng xuất hiện rất sớm ngay từ lúc nền văn minh loài người bắt đầu
xuất hiện. Mặc dù có những hạn chế về nhiều mặt nhưng trong thời kỳ
này quá trình nhận thức về bản chất ánh sáng của loài người cũng đã có
những nét đáng lưu ý.
1.2. QUAN ĐIỂM VỀ BẢN CHẤT ÁNH SÁNG THẾ XVII ĐẾN XIX
1.2.1 Thế kỉ XVII- XVIII
1.2.1.1 Huygens: Cha đẻ lý thuyết sóng ánh sáng.

Christiaan Huygens (1629-1695) trong một gia đình ưu
tú ở Hà Lan, được coi là nhà toán học và vật lý học lớn
nhất thời kỳ giữa Galileo và Newton.

Theo Huygens, ánh sáng không thể bắt nguồn từ sự dịch chuyển các
hạt của vật sáng tới mắt. Theo ông, ánh sáng lan truyền trong không

15


gian cũng giống như sóng được sinh ra khi ta ném một viên đá xuống
ao, nó sẽ truyền trên khắp mặt nước.
*Ánh sáng theo quan điểm của Huygens:
Huygens dựa trên khái niệm ánh sáng là sóng: Sóng ánh sáng
truyền trong không gian qua trung gian ête, tồn tại như một thực thể vô
hình trong không khí và không gian nhờ vậy mà sóng ánh sáng có thể
truyền chuyển động không những cho tất cả những hạt khác tiếp xúc với
nó mà còn cho tất cả những hạt khác tiếp xúc với hạt đó và cản chuyển
động của nó.

Hình 1.1: Ánh sáng là sóng


nước.

n21 =

n2 ν 1
=
n1 ν 2

Hình 1.3: Sự khúc xạ của sóng ánh sáng

Khi một chùm ánh sáng truyền giữa hai môi trường có chiết
suất khác nhau thì chùm tia bị khúc xạ (đổi hướng). Một phần nhỏ của
mỗi đầu sóng góc phải chạm đến môi trường thứ hai trước khi phần còn
lại của đầu sóng tiến đến mặt phân giới. Phần này sẽ bắt đầu đi qua môi
trường thứ hai sẽ chuyển động chậm hơn do chiết suất của môi trường thứ
hai cao hơn, trong khi phần còn lại của sóng vẫn còn truyền trong môi
trường thứ nhất. Do mặt sóng lúc này truyền ở hai tốc độ khác nhau, nên
nó sẽ uốn cong vào môi trường thứ hai, do đó làm thay đổi hướng truyền.
17


Hiện tượng nhiễu xạ: Thuyết sóng của Huyghens chưa giải
thích được hiện tượng này.
1.2.1.2 Newton: Ánh sáng là hạt

*
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

sáng trong môi trường khí.

n21 =

n2 ν 1
=
n1 ν 2

Hình 1.5: Sự khúc xạ của hạt ánh sáng.
19


Tán sắc ánh sáng qua lăng kính: Ông đưa ra giả thuyết cho rằng
trên bề mặt của một vật trong suốt 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
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 khiến
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,

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.
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

21


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[6].
1.2.2 Thế kỉ XIX
1.2.2.1 Thomas Young (1773 – 1829), người Anh.

Đúng như ông nghi ngờ, Young phát hiện thấy khi các sóng ánh
sáng từ bộ khe thứ hai bị trải ra (hay nhiễu xạ), chúng gặp nhau và
chồng chập lên nhau. Trong một số trường hợp, sự chồng chập kết hợp
đồng bộ chính xác với nhau. Tuy nhiên, trong một số trường hợp khác,
các sóng ánh sáng kết hợp hoàn toàn không đồng bộ với nhau hoặc chỉ
đồng bộ một phần. Young nhận thấy khi các sóng gặp nhau đồng bộ,
chúng cộng gộp với nhau bằng một quá trình gọi là giao thoa tăng
cường. Các sóng gặp nhau không đồng bộ sẽ hủy lẫn nhau, hiện tượng
này gọi là giao thoa triệt tiêu. Ở giữa hai thái cực này, những mức độ
khác nhau của giao thoa tăng cường và triệt tiêu xảy ra làm tạo ra sóng
có phổ biên độ rộng. Young cũng có thể quan sát thấy các hiệu ứng giao
thoa trên màn hình đặt ở một khoảng cách nhất định phía sau hai khe.
Sau khi nhiễu xạ, ánh sáng tái kết hợp bằng giao thoa tạo ra dải vân
sáng và tối dọc theo chiều dài của màn hình.

Hình 1.6: Thí nghiệm hai khe Young.

Mặc dù có vẻ quan trọng, nhưng kết luận của Young không được
chấp nhận rộng rãi vào lúc đó, chủ yếu do bởi niềm tin quá mãnh liệt vào
thuyết hạt. Ngoài quan sát sự giao thoa ánh sáng, Young còn cho rằng
ánh sáng có các màu khác nhau gồm các sóng có chiều dài khác nhau,
một khái niệm cơ sở được công nhận rộng rãi hiện nay. Trái lại, thuyết
hạt chủ trương rằng màu sắc ánh sáng khác nhau là do các hạt có khối
lượng khác nhau hoặc truyền đi với vận tốc khác nhau.
Hiệu ứng giao thoa không chỉ giới hạn có ánh sáng. Các sóng tạo ra trên
mặt hồ, hoặc ao, sẽ trải ra theo mọi hướng và chịu sự hành xử tương tự.
Khi hai sóng gặp nhau đồng bộ, chúng sẽ cộng gộp với nhau tạo ra một
sóng hơn bằng giao thoa tăng cường. Các sóng chạm nhau không đồng
bộ sẽ hủy nhau qua giao thoa triệt tiêu và tạo ra bề mặt phẳng trên nước.
Thêm một bằng chứng nữa cho bản chất giống sóng của ánh sáng được

1.2.2.2 Augustin Fresnel (1788 – 1827), người Pháp.

24


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).

Augustin Fresnel (1788 – 1827)
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.
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.
Vào giữa những năm 1800, các nhà khoa học không ngừng bị
thuyết phục trước đặc trưng giống sóng của ánh sáng, nhưng vẫn còn
một chỗ hổng lớn chưa được lấp. Đó là ánh sáng thật ra là gì ? Một đột
phá được thực hiện bởi nhà vật lí người Anh James Clerk Maxwell khi
ông phát hiện thấy tất cả các dạng bức xạ điện từ đều có phổ liên tục và
truyền qua chân không với cùng một tốc độ: 186000 dặm một giây. Khám
phá của Maxwell thật sự đã đóng đinh quan tài cho thuyết hạt, và vào