Ánh sáng trong các môi trường

Khi một chùm sáng truyền qua một môi trường vật chất như chất rắn, chất lỏng hoặc khí, nó bị ảnh hưởng theo 2 cách chính: Một là cường độ của nó bao giờ cũng bị giảm trong quá trình đi qua môi trường. Hai là, vận tốc truyền trong môi trường nhỏ hơn trong chân không. Cường độ sáng giảm do chủ yếu do ánh sáng bị hấp thụ và trong một số trường hợp còn do hiện tượng tán xạ ánh sáng. Aính hưởng của môi trường đến vận tốc truyền được thể hiện ở hiện tượng tán sắc.

doc20 trang | Chia sẻ: aloso | Ngày: 22/08/2013 | Lượt xem: 1249 | Lượt tải: 0download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Ánh sáng trong các môi trường, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
CHƯƠNG 19 :     ÁNH SÁNG TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG SỰ HẤP THỤ ÁNH SÁNG Hiện tượng hấp thụ ánh sáng. Giải thích theo quan niệm cổ điển. Ðịnh luật Bouguer về sự hấp thụ ánh sáng. Hệ số hấp thụ Màu sắc của các vật.  SỰ TÁN XẠ ÁNH SÁNG Sự tán xạ ánh sáng bởi các hạt nhỏ. Sự tán xạ phân tử. Sự tán xạ tổ hợp ánh sáng - Tán xa Raman. SỰ TÁN SẮC ÁNH SÁNG Hiện tượng tán sắc ánh sáng. Ðộ tán sắc và đường cong tán sắc. Tán sắc thường và tán sắc vị thường. Phương pháp quan sát hiện tượng tán sắc.  Ứng dụng hiện tượng tán sắc. SỰ PHÂN CỰC ÁNH SÁNG Tính chất ngang của sóng ánh sáng. Sự phân cực do phản xạ. Hiện tượng lưỡng chiết. Các dụng cụ phân cực ánh sáng. Khi một chùm sáng truyền qua một môi trường vật chất như chất rắn, chất lỏng hoặc khí, nó bị ảnh hưởng theo 2 cách chính: Một là cường độ của nó bao giờ cũng bị giảm trong quá trình đi qua môi trường. Hai là, vận tốc truyền trong môi trường nhỏ hơn trong chân không. Cường độ sáng giảm do chủ yếu do ánh sáng bị hấp thụ và trong một số trường hợp còn do hiện tượng tán xạ ánh sáng. Aính hưởng của môi trường đến vận tốc truyền được thể hiện ở hiện tượng tán sắc. I. SỰ HẤP THỤ ÁNH SÁNG             1 Hiện tượng hấp thụ ánh sáng TOP             2. Giải thích theo quan niệm cổ điển TOP Sự hấp thụ ánh sáng làì kết qủa của sự tương tác của sóng điện từ (sóng ánh sáng) với chất. Dưới tác dụng của điện trường của sóng ánh sáng có tần số (, các electron của nguyên tử và phân tử dịch chuyển đối với hạt nhân tích điện dương và thực hiện dao động điều hòa với tần số (. Electron dao động trở thành nguồn phát sóng thứ cấp. Do sự giao thoa của sóng tới và sóng thứ cấp mà trong môi trường xuất hiện sóng có biên độ khác với biên độ của sóng tới. Do đó, cường độ của ánh sáng sau khi qua môi trường cũng thay đổi: không phải toàn bộ năng lượng bị hấp thụû bởi các nguyên tử và phân tử được giải phóng dưới dạng bức xạ mà có sự hao hụt do sự hấp thụ ánh sáng. Năng lượng bị hấp thụ có thể chuyển thành các dạng năng lượng khác, ví dụ năng lượng nhiệt, khi đó vật sẽ bị nóng lên.             3. Ðịnh luật Bouguer về sự hấp thụ ánh sáng TOP Ðịnh luật nầy do Bouguer thiết lập năm 1729 nên được gọi là định luật Bouguer Ở đây ( là hệ số, đặc trưng cho độ giảm của cường độ ánh sáng khi đi qua môi trường, được gọi là hệ số hấp thụû của môi trường. Nó không phụ thuộc vào cường độ của ánh sáng. Như vậy, cường độ ánh sáng truyền qua môi trường hấp thụû giảm theo hàm số mũ.             4. Hệ số hấp thụ TOP Quan sát hình 19.2 ta thấy có các vạch hấp thụû rất mạnh. Các cực đại ứng với tần số cộng hưởng của electron trong nguyên tử. Ðối với các khí đa nguyên tử, ta quan sát được các vạch hấp thụû nằm sát nhau tạo thành dãy hấp thụû. Cấu trúc của những dãy hấp thụû phụ thuộc vào thành phần và cấu tạo của các phân tử. Vì thế nghiên cứu quang phổ hấp thụû ta có thể biết cấu tạo phân tử. Ðó là nội dung của phương pháp phân tích quang phổ hấp thụû. Các chất rắn, lỏng và khí ở áp suất cao cho ta các đám hấp thụû rất rộng (hình19.3). Khi tăng áp suất của chất khí, các vạch hấp thụû rộng ra và khi áp suất rất cao thì phổ hấp thụ của chất khí rất giống với phổ hấp thụ của nó ở trạng thái lỏng. Ðiều đó cho thấy sự mở rộng các vạch quang phổ là biểu hiện của sự tương tác giữa các phân tử.             5. Màu sắc của các vật TOP Nếu một chất có hệ số hấp thụ nhỏ với mọi bức xạ khả kiến ví dụ như không khí hay thủy tinh, thì vật sẽ không có màu sắc. Ngược lại, nếu vật hấp thụû hòan toàn mọi ánh sáng thấy được thì vật có màu đen . Màu sắc của các dung dịch màu và các kính lọc sắc được giải thích bằng sự hấp thụû có chọn lựa. Ví dụ kính lọc sắc đỏ thì ít hấp thụ ánh sáng đỏ và màu da cam nhưng đồng thời lại hấp thụ các bức xạ thấy được còn lại. Trong trường hợp phản xạ,û màu sắc của các vật phản xạ ánh sáng được giải thích bằng sự phản xạ chọn lọc ánh sáng trên bề mặt của chúng. Lưu ý : màu sắc của các vật không phụ thuộc vào tính chất quang học của bề mặt (thí dụ như màu sơn quét trên nó) mà phụ thuộc vào thành phần quang phổ của ánh sáng tới, như khi vật được quét sơn đỏ sẽ có màu đen khi chiếu nó bằng ánh sáng màu lục.  II. SỰ TÁN XẠ ÁNH SÁNG TOP Chúng ta thường giả thiết rằng ánh sáng truyền trong môi trường đồng tính trong thực tế lại không có môi trường nào hoàn toàn đồng tính, mà bao giờ cũng xuất hiện độ chênh lệch của mật độ, nhiệt độ do chuyển động nhiệt của các nguyên tử, phân tử cấu tạo nên môi trường. Trong môi trường như thế ánh sáng không những truyền thẳng mà còn theo các phương khác, tức là bị tán xạ. Ðó là sự tán xạ thường được gọi là tán xạ phân tử. Một số môi trường còn có thể có các hạt lạ, mà chiết suất và hệ số hấp thụû của chúng khác với chiết suất và hệ số hấp thụû của các nguyên tử và phân tử cấu tạo nên môi trường. Môi trường chứa các hạt lạ như vậy được gọi là môi trường vẫn đục và nó tán xạ ánh sáng theo mọi phương gọi là tán xạ bởi các hạt nhỏ hay là tán xạ Tyndall. Các hạt lạ đó có thể là các hạt rắn trong không khí như khói, bụi, các hạt nước trong sương mù, các hạt keo trong dung dịch keo...Vậy nguyên nhân làm tán xạ ánh sáng trong cả hai trường hợp trên đều là sự không đồng tính quang học của môi trường. Ngoài hai loại tán xạ nói trên, Raman còn phát hiện ra một hiện tượng tán xạ mới được gọi là tán xạ tổ hợp ánh sáng.             1. Sự tán xạ ánh sáng bởi các hạt nhỏ TOP a) Thí nghiệm Nếu quan sát theo phương OA (phương của chùm tia tới) sẽ thấy có ánh sáng; còn theo phương khác, chẳn hạn phương OB vuông góc với phương ánh sáng tới sẽ không nhìn thấy chùm tia sáng trong ống. Nước tinh khiết là môi trường đồng tính quang học, nên nó không tán xạ ánh sáng. Bây giờ nhỏ vài giọt sữa vào ống và lắc đều. Nhìn vào ống theo phương OB ta sẽ nhìn thấy ánh sáng trong ống. Vậy chất lỏng trong ống bây giờ là một môi trường vẫn đục, tán xạ ánh sáng đi qua nó. Hình 19.5 Ðường cong (Hình 19.5) biểu diễn công thức (19.4) được gọi là giản đồ chỉ thị tán xạ. Nó có tính đối xứng đối với phương của tia tới và phương vuông góc với nó b) Lý thuyết tán xạ của Rayleigh Hiện tượng tán xạ Tyndan luôn luôn xảy ra trong dung dịch có các hạt lơ lửng, đặc biệt là dung dịch keo, trong bầu khí quyển, trong nhiều đồ uống v.v... Do đó, nghiên cứu màu sắc của ánh sáng tán xạ có thể đoán nhận được kích thước của các hạt có mặt trong dung dịch nghiên cứu. Ðo cường độ của ánh sáng tán xạ có thể xác định một cách định lượng những chất lơ lửng trong dung dịch, độ trong suốt của khí quyển v.v...             2. Sự tán xạ phân tử TOP Hiện tượng tán xạ còn quan sát được cả trong các môi trường tinh khiết, nghĩa là môi trường không chứa một hạt lạ nào như không khí, nước tinh khiết v.v... Thực nghiệm cho thấy rằng, cường độ ánh sáng tán xạ càng lớn nếu nhiệt độ càng cao. Như vậy hiện tượng tán xạ này xảy ra do chuyển động nhiệt của các phân tử cấu tạo nên môi trường, nên người ta gọi nó là tán xạ phân tử. Cường độ của ánh sáng tán xạ phân tử bé hơn nhiều so với tán xạ Tyndall. Tuy vậy ta vẫn quan sát được nó trong khí quyển, trong nước biển. Sự thăng giáng mật độ xảy ra mạnh nhất trong các chất khí ở trạng thái tới hạn, tức là ở trạng thái mà chất khí về tính chất trở nên đồng nhất với chất lỏng. Khi đó ánh sáng bị tán xạ rất mạnh.             3. Sự tán xạ tổ hợp ánh sáng - Tán xa Raman. TOP Năm 1928, độc lập với nhau, hai nhà vật lý Manderstam và Raman đã phát hiện một dạng tán xạ đặc biệt trong chất lỏng và chất khí. Manderstam và Raman nhận thấy rằng, trong các thành phần quang phổ của ánh sáng tán xạ, ngoài các vạch có tần số bằng tần số của ánh sáng kích thích, ở hai bên của mỗi vạch mạnh còn xuất hiện một vạch yếu hơn gọi là vạch tùy tùng, có tần số bằng tổ hợp của tần số ánh sáng kích thích và tần số dao động riêng của nguyên tử, đặc trưng cho chất tán xạ. Vì vậy, hiện tượng tán xạ này được gọi là tán xạ tổ hợp ánh sáng. Tán xạ tổ hợp ánh sáng có những quy luật sau đây: 1.Mỗi vạch quang phổ của ánh sáng kích thích đều có vạch tùy tùng. 4.Khi tăng nhiệt đô, cường độ của các vạch tùy tùng "tím" tăng nhanh; còn cường độ của các vạch tùy tùng "đỏ" giảm đi. Hình 19.6 Vạch tùy tùng "đỏ" còn gọi là vạch Stock, và vạch tùy tùng "tím" gọi làü vạch đối Stock. Sự xuất hiện các vạch Stock và đối Stock trong quang phổ tán xạ ánh sáng có thể giải thích được theo lý thuyết cổ điển, nhưng không giải thích được sự phân bổ cường độ của chúng. Chẳng hạn, từ lý thuyết cổ điển sẽ suy ra được cường độ của vạch Stock và đối Stock bằng nhau. Ðó là điều trái với thực nghiệm. Các hiện tượng tán xạ tổ hợp ánh sáng cho ta một phương pháp quan trọng để nghiên cứu cấu tạo phân tử, đặc biệt là phân tử các chất hữu cơ. Tần số hấp thụû hồng ngoại của một chất chính là tần số dao động riêng của các nguyên tử trong phân tử của chất đó. Nhờ hiện tượng tán xạ tổ hợp ánh sáng nên ta có thể thay thế việc nghiên cứu phổ hấp thụû hồng ngoại khó khăn và phức tạp bằng phổ tán xạ tổ hợp ánh sáng đơn giản hơn. Nhờ quang phổ tán xạ tổ hợp ánh sáng, ta có thể xác định nhanh chóng tần số dao động riêng của nguyên tử trong phân tử, từ đó có thể đóan nhận tính chất đối xứng của phân tử, về lực nội phân tử và sự tương tác giữa các phân tử. Với phổ tán xạ tổ hợp ánh sáng, có thể phân tích các hỗn hợp phân tử phức tạp mà các phép phân tích hóa học tiến hành rất khó khăn, đôi khi không thể làm được. Ngoài hiện tượng tán xạ tổ hợp ánh sáng nói trên gọi là sự tán xạ tổ hợp tự phát, còn có sự tán xạ tổ hợp cưỡng bức xảy ra do kích thích chất nghiên cứu bằng tia Laser công suất lớn.  III. SỰ TÁN SẮC ÁNH SÁNG             1. Hiện tượng tán sắc ánh sáng TOP Năm 1672, Newton đã nghiên cứu thực nghiệm thấy rằng một chùm ánh sáng trắng đi qua lăng kính thủy tinh bị phân tích thành một dải nhiều màu trên màn quan sát đặt sau lăng kính. Các màu xếp theo thứ tự :đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím. Dải nhiều màu đó được gọi là quang phổ liên tục và hiện tượng đó được gọi là hiện tượüng tán sắc ánh sáng. Quan sát kỹ ta thấy chùm tia đỏ bị lệch ít nhất, trái lại chùm tia tím bị lệch nhiều nhất, chứng tỏ chiết suất của chất làm lăng kính phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng (hình 19.7). Tóm lại : chiết suất của chất làm lăng kính phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng hay chiết suất là mộüt hàm số của bước sóng             2. Ðộ tán sắc và đường cong tán sắc TOP Ðại lượng trên cho biết tốc độ và chiều biến thiên của chiết suất theo bước sóng tại bước sóng đã cho .             3.Tán sắc thường và tán sắc vị thường TOP Sự phụ thuộc của chiết suất vào bước sóng trong vùng phổ ánh sáng là rất phức tạp. Ðối với những chất ít hấp thụ ánh sáng qua nó thì sự phụ thuộc của chiết suất vào bước sóng gần như tuân theo công thức Cauchy Ðối với các chất có sự hấp thụ ánh sáng đáng kể, thì ở vùng phổ hấp thụ ta thấy: Chiết suất tăng khi bước sóng tăng. Chiết suất biến thiên theo bước sóng nhanh hơn theo công thức Cauchy. Hiện tượng đó được gọi là tán sắc dị thường. Hiện tượng tán sắc dị thường không những có ở chất khí mà còn quan sát ở các chất lỏng, chất rắn nhưng, nói chung ở chất khí là mạnh hơn cả. Tóm lại, hiện tượng tán sắc dị thường chỉ xảy ra với những chất có độ hấp thụ ánh sáng mạnh. Các chất trong suốt như thủy tinh, thạch anh không gây ra tán sắc dị thường trong miền bước sóng khả kiến.             4. Phương pháp quan sát hiện tượng tán sắc TOP a) Tán sắc thường Phương pháp đầu tiên do Newton nghiên cứu là dùng lăng kính bắt chéo. Nó cho phép quan sát hiện tượng tán sắc thường và dị thường. Aïnh sáng phát ra từ khe S qua thấu kính L1 biến thành chùm tia song song đập vào lăng kính thứ nhất p1, cho quang phổ I1 trên màn E. Nếu đặt thêm lăng kính P2 sao cho cạnh của nó là vuông góc với cạnh của lăng kính P1, ta thấy quang phổ lúc đo ï sẽ có dạng bị uốn cong, càng đi về phía tia tím độ cong càng tăng chứng tỏ chiết suất càng tăng khi bước sóng giảm, đó là hiện tượng tán sắc thường Hình 19.4 b) Tán sắc dị thường             5. Ứng dụng hiện tượng tán sắc TOP Hiện tượng tán sắc ánh sáng được ứng dụng trong các máy quang phổ lăng kính để phân tích thành phần quang phổ của nguồn sáng. Cấu tạo máy quang phổ lăng kính được vẽ ở hình 19.11 cấu tạo giống như máy quang phổ cách tử, chỉ khác ở bộ phận tán sắc dùng lăng kính P thay cho cách tử nhiễu xạ. Giảì sử nguồn S phát ra ánh sáng gồm nhiều ánh sáng đơn sắc có bước sóng khác nhau. Lăng kính P sẽ phân tích ánh sáng nầy thành các chùm tia sáng đơn sắc song song. Mỗi chùm ứng với một bước sóng xác định. Các chùm đơn sắc nầy sau khi qua thấu kính L3 sẽ hội tụ tại các điểm khác nhau trên tiêu diện của thấu kính L3. Như vậy trên kính ảnh M ta thụ được một dải vạch S1, S2, S3... nằm rời rạc. Mỗi vạch là ảnh của khe S với ánh sáng có bước sóng tương ứng. Dải vạch đó được gọi là quang phổ vạch. Sự phân bố các vạch trong quang phổ tuân theo một qui luật nhất định. Mỗi quang phổ vạch đặc trưng cho một nguyên tố hóa học. Nghiên cứu quang phổ vạch phát xạ của một chất, cụ thể là xác định vị trí bước sóng và cường độ các vạch trong quang phổ, ta có thể đoán nhận được các nguyên tố hóa học có mặt trong chất đó cũng như hàm lượng của chúng. Ðó là phép phân tích quang phổ phát xạ, nó được dùng rộng rãi trong các ngành luyện kim, địa chất, chế tạo cơ khí ...để phân tích thành phần hóa học của nguyên liệu và thành phẩm.  IV SỰ PHÂN CỰC ÁNH SÁNG             1 Tính chất ngang của sóng ánh sáng TOP a)      Thí nghiệm: b) Ðịnh luật Maluyt c) Ánh sáng tự nhiên và ánh sáng phân cực Ta biết bản tinh thể tuamalin chỉ cho truyền qua những ánh sáng có dao động của véctơ điện trường cùng phương với trục quang học của nó và giữ lại hòan toàn những sóng ánh sáng có véctơ dao động điện trường vuông góc với trục quang học. Như vậy khi ánh sáng qua bản tinh thể T1 véctơ cường độ điện trường theo những phương khác nhau sẽ có độ lớn khác nhau. Gía trị cực đại là theo phương của trục quang học 001. Ta gọi ánh sáng có dao động của véctơ cường độ điện trường thực hiện theo mọi phương với xác suất như nhau là ánh sáng không phân cực. Phần lớn ánh sáng đó được phát ra từ các nguồn sáng thông thường nên còn được gọi là ánh sáng tự nhiên. d) Biểu diễn Người ta biểu diễn ánh sáng tự nhiên bằng cách vẽ rất nhiều véctơĠ cùng độ dài theo bán kính của đường tròn nằm trong mặt phẳng vuông góc với tia sáng (hình 19.15a). Nếu ta chọn hệ tọa độ vuông góc bất kỳ trong mặt phẳng vuông góc tia sáng tới rồi chiếu tất cả véctơ điện trường lên phương 0x và 0y tương ứng thì ta luôn có tổng điện trường theo phương OX bằng tổng điện trường theo phương OY cũng có thể xem đó là định nghiã của ánh sáng tự nhiên. Nếu cho hai chùm tia sáng tự nhiên và phân cực phẳng thì ta sẽ được chùm tia sáng hỗn hợp là ánh sáng phân cực một phần khi đó độ lớn của véctơ cường độ điện trường không đều theo các phương. Khi biểu diễn ta vẽ nhiều véctơ có độ dài khác nhau trong mặt phẳng phân cực và đầu mút của các véctơ đó tạo thành một đường elíp. Ánh sáng phân cực một phần là dạng phân cực phổ biến nhất. Nó được đặt trưng bởi một đại lựơng gọi là độ phân cực P             2. Sự phân cực do phản xạ TOP a)      Thí nghiệm Brewster Chiếu một chùm ánh sáng tự nhiên vào mặt phân giới của hai chất điện môi (chẳng hạn không khí và thủy tinh), một phần ánh sáng sẽ bị phản xạ phần còn lại khúc xạ vào môi trường thứ hai. Ðể khảo sát sự phân cực của tia phản xạ và khúc xạ, ta đặt dụng cụ phân tích T (bản tuamalin) trên đường truyền của chúng và quay bản quanh tia sáng, ta thấy: Cường độ của tia phản xạ và cả tia khúc xạ tăng giảm một cách tuần hoàn, tuy nhiên gía trị cực tiểu của cường độ sáng khác không. Như vậy, ta kết luận rằng tia phản xạ và tia khúc xạ là những tia phân cực một phần, còn véctơ điện trường dao động ưu tiên theo một phương trong mặt phẳng vuông góc với tia sáng. Ðịnh luật Brewter không được nghiệm đúng khi ánh sáng phản xạ trên bề mặt vật dẫn, kim loại chẳng hạn, vì khi đó trạng thái phân cực của chùm tia phản xạ phụ thuộc một cách phức tạp vào chiết suất của kim loại. Thí nghiệm cũng chứng tỏ, khi tia phản xạ bị phân cực hoàn toàn thì độ phân cực P của tia khúc xạ đạt đến giá trị cực đại nhưng nó vẫn là tia phân cực một phần. Véctơ cường độ điện trường của nó dao động ưu tiên trong mặt phẳng tới. Muốn cho chùm tia khúc xạ phân cực hòan toàn phải cho nó đi qua một loạt các bản điện môi liên tiếp (từ 8 đến 10 bản điện môi) thì tia khúc xạ mới bị phân cực hoàn toàn. Lưu ý khi đó véctơ cường độ điện trường trong ánh sáng khúc xạ và phản xạ dao động theo hai phương vuông góc nhau.  b)     Giải thích: Tại điểm I, có sự tương tác giữa ánh sáng và môi trường làm cho các điện tử của môi trường dao động và phát ra sóng thứ cấp, sóng thứ cấp giao thoa với nhau cho sóng phản xạ và khúc xạ.             3. Hiện tượng lưỡng chiết TOP a) Thí nghiệm: khi cho một tia sáng truyền qua tinh thể băng lan  ta thấy tia sáng bị tách thành 2 tia khi ra khỏi tinh thể. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng lưỡng chiết. Thí nghiệm cũng cho thấy 2 tia ra khỏi tinh thể song song với nhau và song song với tia tới (Hình 19.19). Cả hai tia đều là tia phân cực phẳng nhưng trong hai mặt phẳng vuông góc nhau và có cường độ như nhau. Một trong hai tia tuân theo định luật khúc xạ ánh sáng thông thương nên gọi là tia thường và được ký hiệu bằng chữ 0. Tia thứ hai không tuân theo định luật khúc xạ ánh sáng nên gọi là tia bất thường và được ký hiệu bằng chữ e. Không phải chỉ có băng lan mà hầu như các tinh thể đều có tính lưỡng chiết, ngoại trừ tinh thể thuộc hệ lập phương. Có những tinh thể bên trong nó có đến hai phương mà chiếu ánh sáng dọc theo nó sẽ không xảy ra hiện tượng lưỡng chiết. Tinh thể đó gọi là tinh thể lưỡng trục. Ðối với tinh thể lưỡng trục cả hai tia xuất hiện do hiện do hiện tượng lưỡng chiết đều là tia bất thường. Ở đây ta sẽ không xét đến tinh thể lưỡng trục. Trong tinh thể đơn trục mặt phẳng chứa tia tới và trục quang học của tinh thể gọi là mặt phẳng chính hay tiết diện chính của tinh thể. Trên hình 19.19 đó là mặt chéo ACA1C1 và thường được dùng để biểu diễn tia sáng. b) Tia thường và tia bất thường  Mặt khác do tia bất thường phân cực trong mặt phẳng chính Ee có cả hai thành phần song song và vuông góc với quang trục. Do đó, vận tốc truyền của nó khác nhau theo các phương khác nhau: ne phụ thuộc vào chiều truyền của tia bất thường. Nếu đặt thêm trên đường truyền của tia thường và tia bất thường một tinh thể lưỡng chiết nữa thì mỗi tia lại tách thành một tia thường và một tia bất thường. Ðiều đó chứng tỏ hiện tượng lưỡng chiết xẩy ra khi chiếu vào tinh thể bằng ánh sáng tự nhiên hoặc bằng ánh sáng phân cực (Hình 19.20). Nhưng nếu dùng ánh sáng tự nhiên thì cường độ của hai tia bằng nhau. Còn nếu dùng ánh sáng phân cực thì cường độ không bằng nhau mà phụ thuộc vào góc giữa mặt phẳng dao động của ánh sáng phân cực phẳng tới tinh thể và mặt phẳng chính của nó. Hệ thức 19.16 được thực nghiệm hoàn tòan xác nhận. Thật vậy, đặt một màn M vuông góc với tia thường và tia bất thường và quan sát vệt sáng của chúng trên đó (Hình19.22). Khi quay tinh thể quanh phương của tia thường thì vệt sáng của tia thường không di chuyển, còn vệt sáng của tia bất thường quay xung quanh 0 vạch nên một vòng tròn tâm 0 đồng thời tỉ số cường độ của các vệt sáng nầy thay đổi phù hợp với hệ thức (19.16)             4. Các dụng cụ phân cực ánh sáng TOP Khi dùng hiện tượng phản xạ và khúc xạ để có ánh sáng phân cực phẳng thông thường cườìng độ ánh sáng thụ được sẽ rất yếu, vì vậy trong thực tế, người ta không tạo ra ánh sáng phân cực phẳng bằòng phương pháp trên. Có thể dùng hiện tượng lưỡng chiết để cho ra ánh sáng phân cực phẳng nhưng các tinh thể lưỡng chiết lại có kích thước bé cho nên ngay cả tinh thể băng lan là tinh thể có hiện tượüng lưỡng chiết mạnh nhất cũng không cho tia thường và tia bất thường tách xa nhau. Ðể tạo ra ánh sáng phân cực phẳng người ta dùng những lăng kính phân cực dựa vào tính lưỡng chiết của tinh thể làm lăng kính, hoặc dùng các bản phân cực dựa vào tính lưỡng sắc tức là sự hấp thụû khác nhau của tinh thể đối với tia thường và tia bất thường. Lăng kính phân cực thường là một tổ hợp lăng kính bằng tinh thể và được chia ra làm hai loại là lăng kính chỉ cho một tia phân cực phẳng và lăng kính cho hai tia phân cực phẳng, phân cực trong hai mặt phẳng vuông góc nhau. Chúng ta hãy khảo sát vài dạng dụng cụ phân cực khác nhau trong các loại nói trên. a Lăng kính Nicol: Khẩu độ lớn nhất của chùm tia tới mà lăng kính Nicol còn cho ánh sáng phân cực phẳng là 29 độ. Lăng kính Nicol không vùng được cho dùng tử ngoại vì nhựa Canada hấp thụû tia tử ngoại. b Lăng kính lưỡng chiết cho hai chùm tia Các bản phân cực dùng tính lưỡng sắc Mọi tinh thể lưỡng chiết đều hấp thụ ánh sánh ở mức độ khác nhau. Hệ số hấp thụ phụ thuộc vào sự định hướng của véctơ điện trường E của sóng ánh sáng truyền qua tinh thể. Hiện tượng đó gọi là tính lưỡng sắc của tinh thể. Sau đây ta giới thiệu vài bản phân cực dựa vào tính lưỡng sắc thường được dùng. a) Bản Tuamalin: Tuamalin là tinh thể lưỡng chiết có tính lưỡng sắc rất mạnh đối với tia sáng thấy được. Cụ thể làì tia thường bị hấp thụû mạnh hơn tia bất thường rất nhiều. Vì vậy khi hai tia ra khỏi bản tuamalin có cường độ rất khác nhau và ánh sáng ra khỏi bản là ánh sáng phân cực một phần. Nhưng nếu với bản tuamalin dày chừng 1 mm thì thực tế tia thường bị hấp thụ hoàn toàn và ánh sáng ra khỏi bản là ánh sáng phân cực phẳng (Hình 19.28). Hệ số hấp thụ của bản Tuamalin đối với tia bất thường phụ thuộc vào tần số ánh sáng. Vì vậy, khi rọi vào bản tuamalin bằng ánh sáng trắng, thì ánh sáng truyền qua có màu lục vàng. Ðây là nhược điểm lớn nhất của bản tuamalin khi dùng nó làm dụng cụ phân cực, nhưng mặc khác khẩu độ cho phép của chùm tia tới lại rất lớn, điều nầy cũng rất quan trọng. b) Polaroid. Tính lưỡng sắc còn thể hiện mạnh hơn ở các tinh thể Herapatit với độ dày chừng 0.1mm chúng hấp thụ hoàn toàn tia thường. Kích thước của tinh thể Herapatit rất bé, vì vậy muốn có kính phân cực với diện tích lớn ngưới ta dùng bản xenluloit trên đó có phủ một lớp những tinh thể herapatit định hướng giống nhau. Bản như thế được gọi là bản Polaroid. Ngày nay, ngoài tinh thể Herapatit người ta còn dùng một số hợp chất khác để làm Polaroid. Các bản lưỡng sắc thường kém trong suốt hơn so với lăng kính đá băng lan. Hơn nữa lại có tính hấp thụû chọn lọc nghiã là hệ sô ú hấp thụ phụ thuộc vào tần số làm cho ánh sáng tím và ánh sáng đỏ ra khỏi bản chỉ là ánh sáng phân cực một phần. Mặc dù có những nhược điểm nói trên, trong thực tế bản polaroid vẫn được sử dụng rộng rãi vì nó là loại máy phân cực rẻ tiền có khẩu độ lớn và diện tích lớn. TRỌNG TÂM ÔN TẬP ***&&&*** 1.      Sự hấp thụ ánh sáng - Ðịnh lý Bouguer- Ðặc điểm của hệ số hấp thụ - Màu sắc. 2.      Sự tán xạ ánh sáng - Phân loại - Ðặc điểm từng loại. 3.      Sự tán sắc ánh sáng - Phân loại - Tính chất. 4.      Sự phân cực ánh sáng - Phân loại - Phân cực của tia phản xạ và khúc xạ. CÂU HỎI ĐIỀN THÊM ***&&&*** 1.      Hệ số hấp thụ phụ thuộc vào..... 2.      Cường độ ánh sáng truyền qua môi trường hấp thụ giảm theo hàm..... 3.      Tán xạ phân tử xảy ra do sự không đồng đều..... 4.      Nhiệt độ càng cao thì sự tán xạ..... càng lớn. 5.      Tia sáng phản xạ và khúc xạ qua mặt nước là..... 6.      Ánh sáng phân cực khác ánh sáng tự nhiên vì..... 7.      Sự tán sắc ánh sáng có tính chất là tia đỏ...... BÀI TẬP ***&&&*** 1- Người ta thả các hạt thủy tinh không có hình thù đồng nhất vào hỗn hợp Benzen và Cacbon têtraclorua. Bằng cách thay đổi tỉ lệ của hai chất trên trong hỗn hợp có thể làm thay đôiø chiết suất của hỗn hợp. Khi chiết suất của hỗn hợp là 1,6 người ta không còn nhìn thấy các hạt thủy tinh nữa. Giải thích hiện tượng và cho biết chiết suất của các hạt thuỷ tinh? 2- Giả sử ánh sáng trắng truyền trong sương mù tạo bởi các hạt nước đường kính nhỏ hơn 0,1.10- 6m. Tính tỉ lệ độ giảm cường độ của ánh sáng đỏ (700 nm) so với ánh sáng tím (450 nm). Giải thích tại sao người ta dùng đèn đỏ để báo hiệu xe dừng? 3- Cho một tia sáng truyền từ không khí đến mặt của môi trường có chiết suất là n. Chứng minh rằng khi tia phản xạ phân cực hoàn toàn thì khi đó tia phản xạ là vuông góc với tia khúc xa. Nếu tia phản xạ bị phân cực hoàn toàn khi mà góc khúc xạ bằng 30 0 thì chiết suất n bằng bao nhiêu? 4- Một chùm tia sáng phân cực phẳng có bước sóng trong chân không là 589 nm chiếu vuông góc vào trục quang học của tinh thể đá băng lan. Tính bước sóng của tia thường và tia bất thường biết rằng chiết suất của tinh thể đối với hai tia ấy là n0 =1,66 và ne = 1,49. PHÂN TÍCH NHỮNG CÂU PHÁT BIỂU ĐÚNG SAI ***@@@*** 1.      Môi trường càng dày thì hệ số hấp thụ càng lớn. 2.      Sự hấp thụ là sự giao thoa của sóng tới và sóng thứ cấp của Electron trong nguyên tử của chất hấp thụ. 3.      Ánh sáng đỏ tán xạ mạnh nhất. 4.      Tán xạ phân từ có cường độ sáng nhỏ hơn nhiều so với tán xạ do các hạt nhỏ. 5.      Trong hiện tượng tán sắc thường, khi bước sóng tăng thì chiết suất tăng. 6.      Cường độ sáng qua hai bản polaroid giảm khi góc của hai trục quang học của hai bản tăng. CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM ***&&&*** 1. Cường độ sáng I qua một lớp nước độ dày 10cm giảm 10% vậy cường độ sáng I qua một lớp nước độ dày 5cm. a) Giảm 5% b) Giảm 20% c) Giảm ít hơn 10% d) Tăng 5% e) Tăng 10% 2. Ánh sáng phân cực không được tạo ra do: a) Sự phản xạ b) Bản polaroit c) Sự khúc xạ d) Sự hấp thụ có chọn lọc 3. Ánh sáng màu đỏ sẽ có màu đen khi chiếu nó bằng ánh sáng: a) Màu vàng b) Màu xanh lục c) Màu xanh lam d) Màu tím e) Màu cam 4. Chất nào có sự hấp thụ nhiều bước sóng nhất: a) Thủy tinh b) Nước nguyên chất c) Không khí d) Ðất e) Dầu hỏa 5. Cường độ tán xạ phân tử thay đổi thế nào khi tăng bước sóng lên 1,5 lần. a) Giảm đi 3 lần b) Giảm gần 6 lần c) Tăng gần 6 lần d) Tăng 3 lần e) Giảm gần 5 lần 6. Bầu trời có màu xanh dương là do: a) Các phân tử của bầu khí quyển có màu xanh dương. b) Hệ số hấp thu của mắt đối với ánh áng xanh dương là cao nhất. c) Sự tán xạ của ánh sáng mặt trời càng mạnh khi bước sóng ánh sáng nhỏ. d) Sự tán xạ của ánh sáng mặt trời càng mạnh khi bước sóng ánh sáng lớn. 7. Tia sáng phản xạ trên mặt thủy tinh: a) Luôn luôn là tia phân cực. b) nằm trong mặt phẳng tới. c) Có quang trình tăng nửa bước sóng. d) Tia phân cực và nằm trong mặt phẳng tới. e) Tia phân cực, nằm trong mặt phẳng tới và quang trình tăng nửa bước sóng. 8. Dụng cụ nào cho ta quan sát hiện tượng giao thoa ánh sáng: a) Hai khe lớn gần nhau đặt trước một nguồn sáng lớn. b) Một khe sáng nhỏ đặt trước một lăng kính. c) Một khe sáng nhỏ đặt trước hai lăng kính ghép sát. d) Một nguồn sáng đặt trước một dung dịch chất lỏng. 9. Ánh sáng có phân bố theo mọi phương nhưng độ lớn theo các phương khác nhau là: a) Phân cực phẳng. b) Tự nhiên. c) Laser. d) Phân cực một phần. e) Phân cực phẳng và tự nhiên.

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • docÁnh sáng trong các môi trường.doc
Tài liệu liên quan