1

LỜI MỞ ĐẦU
Bài viết này trình bày một mô hình vật lý chứng minh ánh sáng có tính chất
sóng. Mô hình này được xây dựng trên cơ sở một hộp tối kết nối với máy vi tính,
cho phép ghi lại các hiệu ứng chứng minh tính chất sóng của ánh sáng. Các dữ liệu
thu được là những hình ảnh cho biết sự phân bố cường độ sáng và khoảng cách giữa
các vân sáng khi xảy ra hiện tượng nhiễu xạ, giao thoa sóng ánh sáng.
Sự phân bố cường độ củ
a các vân sáng có thể được điều khiển bởi các thông số
như: khoảng cách từ màn chứa vật nhiễu đến màn quan sát, bước sóng của nguồn
sáng chiếu tới màn chứa vật nhiễu, hình dạng vật nhiễu (lỗ kim, đĩa tròn, khe,
vạch,…), số lượng các vật nhiễu.
Sản phẩm của đề tài này là một mô hình vật lý chứng minh ánh sáng có tính chất
sóng trên cơ sở ghi lại các hiệu ứng nhiễu xạ, giao thoa sóng ánh sáng. Chúng góp
phần làm rõ một phần bản chất của ánh sáng trong lĩnh vực vật lý quang học; bên
cạnh đó, dữ liệu lấy từ mô hình này còn minh họa một phần cho môn học vật lý đại
cương trong phần quang học sóng, nhằm phục vụ sự nghiệp giáo dục và đào tạo của
trường đại học Lạc Hồng.
2

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN
1.1. Lịch sử phát triển lý thuyết sóng ánh sáng
Để thấy được toàn cảnh quá trình hình thành, phát triển cũng như nhiều chiến
thắng và lắm thất bại của thuyết sóng ánh sáng, tôi xin giới thiệu bài viết của các tác
giả Kenneth R. Spring, Michael W. Davidson
[3]
:
Bản chất vừa giống sóng vừa giống hạt của ánh sáng khiến cho giới vật lý chia rẻ
sâu sắc trong nhiều thế kỉ, thậm chí có lúc cuộc chiến đi đến chỗ gần như một mất
một còn. Bài viết trình bài tường tận mọi chi tiết về hai cách hiểu: sóng và hạt đối

xem là bằng chứng cho thấy ánh sáng truyền đi dưới dạng một trận mưa hạt, mỗi
hạt đi theo đường thẳng cho tới khi nó bị khúc xạ, hấp thụ, phản xạ, nhiễu xạ theo
một số kiểu khác. Mặc dù chính Newton hình như cũng có một số
nghi ngờ với
thuyết tiểu thể của ông về bản chất ánh sáng, nhưng uy tín của ông trong cộng đồng
khoa học có sức nặng quá lớn nên những kẻ ủng hộ ông đã bỏ qua tất cả những
bằng chứng khác trong cuộc chiến đấu khốc liệt của mình.
Lý thuyết khúc xạ ánh sáng của Huygens, dựa trên khái niệm bản chất giống như
sóng của ánh sáng, cho rằng vận tốc ánh sáng trong mộ
t chất bất kì tỉ lệ nghịch với
chiết suất của nó. Nói cách khác, Huygens cho rằng ánh sáng càng bị bẻ cong, hay
khúc xạ, khi đi vào một chất, thì nó càng chậm khi truyền qua chất đó. Những người
ủng hộ ông kết luận rằng nếu ánh sáng là một dòng hạt, thì sẽ xảy ra kết quả ngược
lại, vì ánh sáng đi vào môi trường đậm đặc hơn sẽ bị các phân tử môi trường đó hút
và vận tố
c sẽ tăng lên, chứ không giảm xuống. Mặc dù lời hòa giải cho cuộc cãi vã
này là đo vận tốc ánh sáng trong các chất khác nhau, không khí và thủy tinh chẳng
hạn, nhưng trong thời kì đó, dụng cụ dùng để làm việc này chưa ra đời. Thêm nữa,
ánh sáng hình như chuyển động với cùng một vận tốc, bất chấp môi trường mà nó
đi qua. Phải hơn 150 năm sau, vận tốc của ánh sáng mới được đo với độ chính xác
cao
để chứng minh thuyết Huygens là đúng.
4 Hình 1.2. Những nhà tiên phong trong ngành vật lý nghiên cứu ánh sáng khả kiến.
Bất chấp danh cao vọng trọng của ngài Isaac Newton, số nhà khoa học có danh
tiếng vào đầu những năm 1700 không tán thành thuyết tiểu thể của ông. Một số
người tranh luận rằng nếu ánh sáng là các hạt, thì khi hai chùm sáng cắt ngang
nhau, một số hạt sẽ va chạm lên nhau gây ra sự chệch hướng trong chùm sáng. Rõ

h
ơi khó giải thích tại sao các hạt ánh sáng phải đổi hướng khi chúng truyền từ môi
trường này sang môi trường khác. Những người đề xướng thuyết hạt cho rằng một
lực đặc biệt, hướng vuông góc với mặt phân giới, tác động đến sự thay đổi vận tốc
của các hạt khi chúng đi vào môi trường thứ hai. Bản chất đích thực của lực này
không được nghiên cứu và không có bằng chứng nào được thu thập để chứng minh
cho lý thuyết.

Hình 1.3. Sự khúc xạ của hạt và sóng.
Một so sánh thú vị khác của hai lý thuyết liên quan tới những khác biệt xảy ra khi
ánh sáng bị phản xạ từ một bề mặt nhẵn, lung linh, như mặt gương chẳng hạn.
Thuyết sóng xem nguồn sáng phát ra các sóng ánh sáng trải ra theo mọi hướng. Khi
chạm lên gương, các sóng bị phản xạ theo góc tới, nhưng với mỗi sóng phản hồi trở
6

lại tạo ra một ảnh đảo ngược (hình 1.4). Hình dạng của sóng tới phụ thuộc nhiều
vào khoảng cách từ nguồn sáng tới gương. Ánh sáng phát ra từ một nguồn ở gần
vẫn giữ được mặt sóng hình cầu, có độ cong cao, còn ánh sáng phát ra từ một nguồn
ở xa sẽ trải rộng hơn và các mặt sóng gần như là phẳng.

Hình 1.4. Hạt và sóng phản xạ bởi gương.
Trường hợp bản chất hạt của ánh sáng đối với hiện tượng phản xạ có sức thuyết
phục hơn nhiều so với hiện tượng khúc xạ. Ánh sáng phát ra từ một nguồn, dù ở gần
hay ở xa, đi tới bề mặt gương dưới dạng một dòng hạt, chúng bị nảy lên, hay là bị
phản xạ bởi bề
mặt nhẵn mịn. Do các hạt rất nhỏ, và có một lượng rất lớn hạt trong
chùm ánh sáng lan truyền, nên chúng sẽ chuyển động sát cánh với nhau. Khi chạm
lên mặt gương, 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, như được minh họa
trên hình 1.4. Cả thuyết hạt và thuyết sóng đều giải thích thỏa đáng s

hợp (gồ
m các sóng truyền cùng pha với nhau) từ nguồn ánh sáng Mặt Trời. Khi các
tia sáng Mặt Trời chạm tới khe, chúng trải rộng ra, hay nhiễu xạ, tạo ra một mặt
sóng. Nếu như mặt sóng này được cho rọi tới một màn thứ hai có hai khe đặt rất gần
nhau, thì hai nguồn ánh sáng kết hợp nữa, hoàn toàn đồng bộ với nhau, được tạo ra
(hình 1.6). Ánh sáng từ mỗi khe truyền tới một điểm nằm giữa hai khe phải hoàn
toàn đồ
ng bộ với nhau. Tuy nhiên, nếu xét một điểm nào đó nằm về một phía so với
8

điểm chính giữa, thì ánh sáng từ một khe sẽ truyền tới điểm đó qua một đoạn đường
dài hơn so với ánh sáng truyền từ khe phía bên kia. Ánh sáng từ khe gần hơn sẽ
truyền tới điểm thứ hai này trước so với ánh sáng từ khe ở xa, nên hai sóng không
còn đồng bộ với nhau, và có thể hủy nhau tạo nên bóng tối.
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 đồ
ng 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.

thứ nhất sẽ truyền qua được kính thứ hai. Kết quả này dễ dàng giải thích được với
thuyết sóng, còn việc vận dụng thuyết hạt không thể giải thích được ánh sáng bị
chặn lại như thế nào bởi kính thứ hai. Thật vậy, thuyết hạt cũng không thể giải thích
10

thỏa đáng hiện tượng giao thoa và nhiễu xạ, những hiệu ứng mà sau này người ta
xem là thuộc cùng một hiện tượng.
Kết quả quan sát với ánh sáng phân cực đủ để phát triển khái niệm ánh sáng gồm
các sóng ngang có các thành phần vuông góc với hướng truyền sóng. Mỗi thành
phần ngang phải có một định hướng đặc biệt cho phép nó truyền qua hoặc là bị chặn
lại bởi một kính phân cực. Chỉ những sóng có thành phần ngang song song vớ
i bộ
lọc phân cực mới truyền qua được, còn những sóng khác đều bị chặn lại.

Hình 1.7. Hạt và sóng đi qua các kính phân cực đặt vuông góc.
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 lý người Anh
James Clerk Maxwell khi ông phát hiện thấy tất cả các dạng bức xạ điện từ đều có
ph
ổ liên tục và truyền qua chân không với cùng một tốc độ là 186000 dặm một giây.
Khám phá của Maxwell thật sự đã đóng đinh quan tài cho thuyết hạt, và vào buổi
bình minh của thế kỉ 20, hình như những câu hỏi cơ bản về ánh sáng và lý thuyết
quang học cuối cùng đã được trả lời.
11

Một tai họa lớn ập đến với thuyết sóng vào cuối thập niên 1880, khi các nhà khoa
học lần đầu tiên phát hiện thấy, dưới những điều kiện nhất định, ánh sáng có thể
đánh đuổi các electron ra khỏi nguyên tử của một vài kim loại (hình 1.8). Mặc dù
lúc đầu chỉ là một hiện tượng hiếu kì và không giải thích nổi, nhưng người ta nhanh

không được hiểu rõ vào lúc ấy.
Năm 1905, Albert Einstein đề xuất rằng ánh sáng thực ra có một số đặc trưng hạt,
bất chấp những bằng chứng tràn ngậ
p cho bản chất giống sóng của ánh sáng. Trong
khi phát triển thuyết lượng tử của ông, Einstein đề xuất về mặt toán học rằng các
electron gắn liền với các nguyên tử trong kim loại có thể hấp thụ một số lượng ánh
sáng nhất định (ban đầu đặt tên là lượng tử, nhưng về sau đổi tên là photon), và như
thế nó có năng lượng để thoát ra ngoài. Ông cũng cho rằng nếu năng lượng của
photon tỉ lệ
nghịch với bước sóng thì các bước sóng càng ngắn sẽ tạo ra những
electron có năng lượng càng lớn, một giả thuyết được hình thành trên cơ sở những
kết quả nghiên cứu của Lenard.
Lý thuyết của Einstein được củng cố trong thập niên 1920 bởi các thí nghiệm của
nhà vật lý người Mĩ Arthur H. Compton, người chứng minh được photon có xung
lượng, một yêu cầu cần thiết để củng cố lý thuyết vật chấ
t và năng lượng có thể
hoán đổi cho nhau. Cũng vào khoảng thời gian đó, nhà khoa học người Pháp Louis
Victor-de Broglie cho rằng tất cả vật chất và bức xạ đều có những tính chất vừa
giống sóng vừa giống hạt. Dưới sự chỉ dẫn của Max Planck, de Broglie đã ngoại suy
công thức nổi tiếng của Einstein liên hệ khối lượng với năng lượng chứa luôn hằng
số Planck:
E = mc
2

= hν
13

trong đó E là năng lượng của hạt, m là khối lượng, c là vận tốc ánh sáng, h là hằng
số Planck và ν là tần số. Công trình của de Broglie, liên hệ tần số của một sóng với
năng lượng và khối lượng của một hạt, mang tính cơ sở trong sự phát triển của một

ờn
g
tru
y
ền
Hình 1.9. Sự truyền của
một sóng phẳng (a),
một sóng cầu (b) trong
chân không được hình
dung theo nguyên lý
Huygens.
14

Lý thuyết sóng ánh sáng có thể được chấp nhận khi giải thích thỏa đáng các hiện
tượng như: nhiễu xạ, giao thoa sóng ánh sáng. Sau đây, giới thiệu về hai thí nghiệm
kinh điển minh họa cho tính chất sóng của ánh sáng:
1.2.1. Thí nghiệm giao thoa ánh sáng qua khe đôi được thực hiện bởi Thomas
Young vào năm 1801
[3]

Một trong số những người tiên phong của nền vật lý buổi đầu là nhà khoa học người
Anh hồi thế kỉ 19 tên là Thomas Young, người đã chứng minh được hết sức thuyết
phục bản chất giống sóng của ánh sáng qua hiện tượng giao thoa bằng kỹ thuật
nhiễu xạ. Thí nghiệm của Young cho bằng chứng trái ngược với quan điểm khoa
học phổ biến lúc bấy giờ, xây dựng trên thuyế
t tiểu thể (hạt) của Newton về bản
chất ánh sáng. Thêm nữa, ông cũng là người kết luận rằng màu sắc khác nhau của
ánh sáng là do các sóng có chiều dài khác nhau, và bất cứ màu nào cũng có thể thu
được từ việc pha trộn các đại lượng khác nhau của ánh sáng từ ba màu cơ sở: đỏ,
lục và lam.

trên màn chắn thứ hai. Màn hứng đặt trong vùng phía sau các khe để thu lấy các tia
sáng chồng chất truyền qua khe kép, và hình ảnh của dải vân giao thoa đỏ sáng và
t
ối có thể nhìn thấy trên màn hứng. Vấn đề chủ yếu với loại thí nghiệm này là sự kết
hợp lẫn nhau của ánh sáng nhiễu xạ từ hai khe trên màn chắn. Mặc dù Young đã thu
được sự kết hợp này qua sự nhiễu xạ của ánh sáng Mặt Trời từ khe thứ nhất, nhưng
bất kì nguồn sáng kết hợp nào (laser chẳng hạn) đều có thể thay thế cho ánh sáng
truyền qua một khe đơn.
Á
Á
n
n
h
h
s
s
á
á
n
n
g
g
c
c
ó
ó
b
b
ư
ư

h
h
ắ
ắ
n
nc
c
ó
óm
m
ộ
ộ
t
t
k
k
h
h
e
e
M
M
à
à

h
h
e
e
c
c
á
á
c
c
h
hn
n
h
h
a
a
u
ua
a
M
M
ặ
ặ

k
k
ế
ế
t
th
h
ợ
ợ
p
pH
H
ư
ư
ớ
ớ
n
n
g
gs
s
p
p
h
h
a
aH
H
ư
ư
ớ
ớ
n
n
g
gs
s
ó
ó
n
n
g
g

h
h
ứ
ứ
n
n
g
gV
V
â
â
n
n
t
t
ố
ố
i
i
V
V
â
â
n
n
s
s

a
aD
D16

Mặt đầu sóng kết hợp của ánh sáng chạm tới khe đôi thì tách thành hai mặt đầu
sóng mới hoàn toàn đồng bộ với nhau. Sóng ánh sáng từ mỗi khe phải truyền đi
quãng đường bằng nhau để chạm tới điểm A trên màn hứng như minh họa trong
hình 1.10, và phải chạm tới điểm đó đồng bộ hoặc có cùng độ lệch pha. Do hai sóng
ánh sáng chạm tới điểm A thỏa mãn yêu cầu cầ
n thiết đối với sự giao thoa tăng
cường, nên chúng cộng gộp với nhau tạo ra vân giao thoa đỏ sáng trên màn hứng.
Trái lại, cả hai điểm B trên màn hứng đặt ở khoảng cách không bằng nhau tính từ
hai khe, nên ánh sáng từ khe này phải truyền đi quãng đường xa hơn so với ánh
sáng truyền từ khe kia. Sóng ánh sáng phát ra từ khe gần điểm B hơn (ví dụ như với
các khe và điểm B phía bên trái của hình 1.10) không phải truyền đi quãng đường
xa để t
ới mục tiêu như sóng phát ra từ khe kia. Kết quả là sóng phát ra từ khe gần
hơn sẽ tới điểm B hơi sớm hơn sóng phát ra từ khe xa hơn. Do các sóng này không
tới điểm B đồng pha (hoặc đồng bộ với nhau) nên chúng sẽ chịu sự giao thoa triệt
tiêu tạo ra vùng tối (vân giao thoa) trên màn hứng. Hình ảnh vân giao thoa không
hạn chế với các thí nghiệm có cấu hình khe đôi mà còn có thể tạo ra với bất kì sự
kiện nào có kết quả là s
ự phân tách ánh sáng thành các sóng có thể hủy nhau hoặc
cộng gộp với nhau.

ẳng) thì sóng ánh sáng có thể kết hợp và chịu sự giao thoa. Nếu các vectơ đó
không nằm trong cùng mặt phẳng, và dao động ở một số góc từ 90 đến 180 độ đối
với nhau, thì sóng không thể giao thoa với nhau. Sóng ánh sáng minh họa trong
hình 1.11 đều được xem là có vectơ điện trường dao động trong mặt phẳng trang
giấy. Ngoài ra, các sóng này đều có cùng bước sóng, và là kết hợp, nhưng khác
nhau về biên độ. Các sóng trong phần bên phải hình 1.11 có độ lệch pha 180 độ đối
v
ới nhau.
Giả sử tất cả các tiêu chuẩn liệt kê ở trên đều có, thì sóng có thể giao thoa hoặc là
tăng cường, hoặc là triệt tiêu để tạo ra sóng tổng hợp có biên độ hoặc là tăng thêm
hoặc là giảm bớt. Nếu như cực đại của sóng mà trùng với cực đại của sóng kia thì
biên độ tổng hợp được xác định bằng cách lấy tổng số học biên độ hai sóng ban đầu.
Ví dụ, nếu biên
độ của hai sóng bằng nhau, thì biên độ tổng hợp tăng gấp đôi. Trong
hình 1.11, sóng ánh sáng A có thể giao thoa tăng cường với sóng ánh sáng B, vì hai
sóng kết hợp có cùng pha, chỉ khác nhau về biên độ. Lưu ý rẳng cường độ ánh sáng
biến thiên tỉ lệ với bình phương của biên độ. Như vậy, nếu biên độ tăng gấp đôi thì
18

cường độ tăng gấp bốn lần. Sự giao thoa cộng gộp như vậy được gọi là giao thoa
tăng cường và kết quả là một sóng mới có biên độ tăng lên.
Nếu như cực đại của sóng này trùng với cực tiểu của sóng kia (trong thực tế, các
sóng lệch pha nhau 180 độ, hoặc là nửa bước sóng) thì biên độ tổng hợp giảm bớt,
hoặc thậm chí bị triệt tiêu hoàn toàn, như minh h
ọa với sóng A và sóng C ở bên
phải hình 1.11. Đây là sự giao thoa triệt tiêu, và kết quả thường là sự giảm biên độ
(hoặc cường độ). Trong trường hợp biên độ bằng nhau, nhưng lệch pha nhau 180
độ, các sóng sẽ khử nhau, tạo ra sự thiếu hụt màu sắc, hay là một màu đen hoàn
toàn. Các ví dụ trong hình 1.11 đều miêu tả các sóng truyền cùng hướng, nhưng
trong nhiều trường hợp, các sóng ánh sáng truyền theo những hướng khác nhau có


B
B
i
i
ê
ê
n
nđ
đ
ộ
ộ
S
S
ó
ó
n
n
g
g
A
A
S
S
ó
ó
n

ộ
t
t
ă
ă
n
n
g
g
B
B
i
i
ê
ê
n
nđ
đ
ộ
ộg
g
i
i
ả

p
(
(
A
A
+
+
B
B
)
)
S
S
ó
ó
n
n
g
g
t
t
ổ
ổ
n
n
g
g
h
h
ợ

o
a
at
t
ă
ă
n
n
g
g
c
c
ư
ư
ờ
ờ
n
n
g
g
G
G
i
i
a
a
o

B
ư
ư
ớ
ớ
c
c
s
s
ó
ó
n
n
g
g
B
B
i
i
ê
ê
n
n
đ
đ
ộ
ộ
S
S
ó

, S
2
trên màn chắn và tổ hợp tại
một điểm P, một điểm trên màn hứng cách trục chính giữa một khoảng y. Góc
θ

dùng để định vị điểm P. Trên hình cho biết trị số y là vị trí của vân sáng thứ 1.
Như đã chỉ rõ trong hình 1.10 và hình 1.12, tại vân trung tâm phải là vân sáng (hay
cực đại), cùng với các vân sáng khác phân bố hai bên vân sáng trung tâm chi phối
theo phương trình
S
S
2
2

S
S
1
1

L
L
P
P
θ
θ
D
D
y
y

L
L
+
+
λ
λV
V
â
â
n
ns
s
á
á
n
n
g
gt
t
h
h

pd
d
ụ
ụ
n
n
g
gđ
đ
ị
ị
n
n
h
hl
l
ý
ýP

t
ì
ì
m
m
L
L
v
v
à
à
L
L
+
+
λ
λ
() ()
22
22
/2 /2Dya Dya
λ
+− += ++
Á
Á
n
n
h
h


ắ
n
nK
K
h
h
i
i
D
D
>
>
>
>
a
a
>
>
>
>
λ
λt
t
h

e
e
o
o
y
y
2
2

D
y
a
λ
≈
20

sinθ = mλ/a
trong đó λ là bước sóng ánh sáng, θ là góc giữa hướng truyền tới trung tâm và cực
đại thứ m của vân giao thoa, a là khoảng cách giữa hai khe. Dễ nhận ra khi m = 0
dẫn đến θ = 0, cho biết vân trung tâm là vân sáng.
1.2.2. Thí nghiệm nhiễu xạ khi chiếu ánh sáng qua vật nhiễu
[3]

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, 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 1.13. Nhiễu xạ ánh sáng đỏ bởi cách tử.

,
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 ph
ức 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
gầ
n 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
22

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 1.14, 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 1.14. 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. Lượ
ng tán 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

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 v
ật 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 c
ủa lỗ tròn ở trong hoặc ở gần phía sau vật kính. Sự nhiễu xạ,
hay sự trải rộng ánh sáng này cho phép 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
24

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 đ
ó 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.

Hình 1.15. Nhiễu xạ ánh sáng qua một khe (lỗ) nhỏ.
Sự phân bố cường độ ánh sáng nhiễu xạ bởi thí nghiệm khe đơn được biểu diễn trên
hình 1.15 và 16. Giả sử cả hai chùm ánh sáng trong hình 1.15 là gồm các sóng ánh
sáng kết hợp, đơn sắc phát ra từ một nguồn điểm cách khe đủ xa để các mặt đầu
sóng có thể xem là những đường thẳng song song nhau. Ánh sáng truyền qua khe bề
rộng d trong phần bên phải của hình có bước sóng
λ lớn hơn lỗ và bị nhiễu xạ với
chùm sáng tới chủ yếu tại điểm P và cực đại thứ cấp đầu tiên xuất hiện tại điểm Q.
Như đã chỉ rõ trong phần bên trái của hình 1.15, khi bước sóng nhỏ hơn nhiều so
với bề rộng khe thì sóng truyền đơn giản qua lỗ theo đường thẳng như thể một hạt
hoặc không có lỗ ở
đó. Tuy nhiên, khi bước sóng vượt quá kích thước của lỗ, nó bị