HỆ THỐNG HÓA KIẾN THỨC VẬT LÝ 12 NÂNG CAO Chương 6 SÓNG ÁNH SÁNG  I/. Tán sắc ánh sáng 1. Thí nghiệm về tán sắc ánh sáng (do Niu-tơn thực hiện lần đầu tiên năm 1672) + Bố trí thí nghiệm như hình 35.1 + Kết quả: Chùm ánh sáng trắng của Mặt Tời, sau khi qua lăng kính, đã bị phân tách thành một dải sáng liên tục nhiều màu. Trong đó có bảy màu chính: đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím. Chùm sáng màu đỏ bị lệch ít nhất, chùm sáng màu tím bị lệch nhiều nhất. Dải màu này gọi là quang phổ của ánh sáng Mặt Trời. Hiện tượng này gọi là sự tán sắc ánh sáng. 2. Ánh sáng trắng và ánh sáng đơn sắc a) Ánh sáng đơn sắc + Bố trí thí nghiệm như hình 35.2 (Thí nghiệm của Niu-tơn về ánh sáng đơn sắc) + Kết quả: Chùm sáng có màu xác định, gọi là chùm sáng đơn sắc, khi đi qua lăng kính vẫn giữ nguyên màu, không bị tán sắc. Góc lệch của các chùm tia có màu khác nhau khi truyền qua lăng kính là khác nhau. + Ánh sáng đơn sắc là ánh sáng không bị tán sắc mà chỉ bị lệch khi đi qua lăng kính. b) Ánh sáng trắng Ánh sáng trắng (ánh sáng Mặt Trời, ánh sáng hồ quang điện, ánh sáng đèn điện dây tóc,…) là hỗn hợp của nhiều ánh sáng đơn sắc, có màu từ đỏ đến tím. Ánh sáng trắng là một trường hợp của ánh sáng phức tạp, hay ánh sáng đa sắc. 3. Giải thích hiện tượng tán sắc ánh sáng + Ta biết rằng, ánh sáng trắng là hỗn hợp của nhiều ánh sáng đơn sắc, có màu từ đỏ đến tím. Ngoài ra, chiết suất của chất làm lăng kính đối với các ánh sáng đơn sắc khác nhau là khác nhau, nhỏ nhất đối với ánh sáng đỏ và lớn nhất đối với ánh sáng tím. Chiết suất của lăng kính càng lớn thì góc lệch của tia sáng qua lăng kính càng lớn. Nên khi các chùm sáng đơn sắc có màu khác nhau trong chùm ánh sáng trắng, sau khi khúc xạ qua lăng kính, bị lệch với các góc lệch khác nhau. Kết quả là, chùm ánh sáng trắng ló ra khỏi lăng kính bị trải rộng ra thành nhiều chùm đơn sắc, tạo thành quang phổ của ánh sáng trắng. + Sự tán sắc ánh sáng là sự phân tách một chùm ánh sáng phức tạp thành các chùm ánh sáng đơn sắc khác nhau. 4. Ứng dụng sự tán sắc ánh sáng + Ứng dụng trong máy quang phổ để phân tích một chùm ánh sáng đa sắc thành các thành phần đơn sắc. + Giải thích nhiều hiện tượng quang học như cầu vồng, đó là do sự tán sắc ánh sáng tạo nên. II/. Nhiễu xạ ánh sáng. Giao thoa ánh sáng 1. Nhiễu xạ ánh sáng + Nhiễu xạ ánh sáng là hiện tượng ánh sáng không tuân theo định luật truyền thẳng. Hiện tượng này quan sát được khi ánh sáng truyền qua lỗ nhỏ hoặc gần mép những vật trong suốt hoặc không trong suốt. + Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng chứng tỏ ánh sáng có tính chất sóng, lỗ nhỏ hoặc khe nhỏ được chiếu sáng có vai trò như một nguồn phát sóng ánh sáng. + Mỗi chùm sáng đơn sắc có một bước sóng và tần số xác định. Trong chân không bước sóng của ánh sáng đơn sắc được tính theo công thức c f λ = . Trong môi trường có chiết suất n thì v c ' f nf n λ λ = = = . 2. Giao thoa ánh sáng a) Thí nghiệm: Bố trí như hình 36.3 b) Kết quả thí nghiệm: Khi chiếu vào khe S ánh sáng đơn sắc đỏ thì trên màn E ta thấy một vùng sáng hẹp trong đó xuất hiện những vạch sáng màu đỏ và các vạch tối, xen kẽ nhau, song song với khe S. Khi chiếu vào khe S ánh sáng trắng thì trên màn E ta thấy có một vạch sáng trắng ở chính giữa, hai bên có những dải màu như cầu vồng, tím ở trong, đỏ ở ngoài. (Hình 37.2) c) Giải thích: (Hình 36.4) Ánh sáng từ đèn Đ qua kính lọc sắt F chiếu sáng khe S làm cho khe S trở thành nguồn phát sóng ánh sáng, truyền đến hai khe 1 2 S ,S (được gọi là khe Y-âng). Hai khe 1 2 S ,S được chiếu sáng bởi cùng một nguồn sáng S, nên trở thành hai nguồn kết hợp có cùng tần số. Hai sóng do 1 2 S ,S phát ra là hai sóng kết hợp có cùng bước sóng và có độ lệch pha không đổi, nên trong vùng không gian hai sóng gặp nhau sẽ giao thoa với nhau. + Các vạch sáng gọi là vân sáng ứng với cực đại giao thoa. + Các vạch tối gọi là vân tối ứng với cực tiểu giao thoa. d) Điều kiện để xảy ra hiện tượng giao thoa ánh sáng là hai chùm sáng giao nhau phải là hai chùm sáng kết hợp. e) Hiện tượng giao thoa ánh sáng là một bằng chứng thực nghiệm quan trọng khẳng định ánh sáng có tính chất sóng. 3. Vị trí các vân giao thoa + Vị trí vân sáng: ( ) D x k k 0, 1, 2, . a λ = = ± ± k gọi là bậc của vân sáng. x = 0 ta có vân sáng ứng với k = 0, gọi là vân sáng trung tâm hay vân sáng chính giữa. k 1= ± vân sáng bậc 1; k 2= ± vân sáng bậc 2;… + Vị trí vân tối: ( ) 1 D x k k 0, 1, 2, . 2 a λ   = + = ± ±  ÷   Xen giữa hai vân sáng cạnh nhau là một vân tối, các vân sáng và các vân tối cách đều nhau. 4. Khoảng vân. Khoảng cách giữa hai vân sáng cạnh nhau hoặc hai vân tối cạnh nhau gọi là khoảng vân. Kí hiệu i. k 1 k i x x + = − Hay D i a λ = Trong đó: a là khoảng cách giữa hai khe sáng (mm). D là khoảng cách từ hai khe đến màn quan sát (m). λ là bước sóng ánh sáng dùng trong thí nghiệm ( ) mµ . i (mm) và x (mm). 5. Đo bước sóng ánh sáng bằng phương pháp giao thoa Từ công thức D i a λ = suy ra ia D λ = Nếu đo chính xác D, a và i thì ta xác định được bước sóng ánh sáng λ . Đó là nguyên tắc của phép đo bước sóng ánh sáng bằng phương pháp giao thoa. 6. Bước sóng và màu sắc ánh sáng + Mỗi ánh sáng đơn sắc có một bước sóng (tần số) xác định. + Trong chân không (trong không khí) ánh sáng nhìn thấy có bước sóng từ 0,38 mµ (ánh sáng tím) đến 0,76 mµ (ánh sáng đỏ). + Bước sóng của ánh sáng nhìn thấy trong chân không: Màu ánh sáng Bước sóng λ ( ) mµ Màu ánh sáng Bước sóng λ ( ) mµ Đỏ 0,640 ÷ 0,760 Lam 0,450 ÷ 0,510 Cam 0,590 ÷ 0,650 Chàm 0,430 ÷ 0,460 Vàng 0,570 ÷ 0,600 Tím 0,380 ÷ 0,440 Lục 0,500 ÷ 0,575 7. Chiết suất của môi trường và bước sóng ánh sáng Chiết suất của môi trường trong suốt có giá trị phụ thuộc tần số và bước sóng của ánh sáng. Đối với một môi trường trong suốt nhất định, chiết suất ứng với ánh sáng có bước sóng càng dài thì có giá trị càng nhỏ hơn so với chiết suất ứng với ánh sáng có bước sóng ngắn. III/. Máy quang phổ. Các loại quang phổ 1. Máy quang phổ lăng kính a) Máy quang phổ là dụng cụ dùng để phân tích chùm sáng phức tạp thành những thành phần đơn sắc khác nhau. Nói khác đi, nó dùng để nhận biết các thành phần cấu tạo của một chùm sáng phức tạp do một nguồn sáng phát ra. b) Cấu tạo: Máy quang phổ lăng kính có ba bộ phận chính (Hình 39.1) + Ống chuẩn trực có dạng một cái ống tạo ra chùm tia sáng song song, Nó có một khe hẹp F nằm ở tiêu diện của một thấu kính hội tụ 1 L . + Hệ tán sắc gồm một hoặc vài lăng kính P, có tác dụng phân tích chùm tia song song từ 1 L chiếu tới thành nhiều chùm tia đơn sắc song song. + Buồng tối hay buồng ảnh là một hộp kín có một thấu kính hội tụ 2 L và một tấm kính ảnh hoặc một tấm kính mờ đặt tại tiêu diện của 2 L . c) Nguyên tắc hoạt động dựa trên hiện tượng tán sắc ánh sáng. Ánh sáng từ nguồn S rọi vào khe F, khi ló ra khỏi ống chuẩn trực nó trở thành chùm sáng song song. Chùm sáng này qua lăng kính bị phân tách thành nhiều chùm đơn sắc song song. Mỗi chùm sáng đơn sắc ấy được thấu kính 2 L của buồng ảnh làm hội tụ thành một vạch màu đơn sắc trên tấm kính ảnh. Tập hợp các vạch màu đó tạo thành quang phổ của nguồn S. 2. Quang phổ liên tục Quang phổ gồm nhiều dải màu từ đỏ đến tím, nối liền nhau một cách liên tục gọi là quang phổ liên tục. + Nguồn phát: Các chất rắn, chất lỏng và những chất khí ở áp suất lớn khi bị nung nóng phát ra quang phổ liên tục. + Tính chất: không phụ thuộc bản chất của vật phát sáng, mà chỉ phụ thuộc nhiệt độ của vật. Khi nhiệt độ của vật tăng dần thì cường độ bức xạ càng mạnh dần và miền quang phổ lan dần về phía bức xạ có bước sóng ngắn. 3. Quang phổ vạch phát xạ Quang phổ gồm các vạch màu riêng lẻ, ngăn cách nhau bằng những khoảng tối, được gọi là quang phổ vạch phát xạ. + Nguồn phát: Do các chất khí, hay hơi ở áp suất thấp phát ra khi bị kích thích. + Tính chất: Mỗi nguyên tố hóa học khi bị kích thích, phát ra các bức xạ có bước sóng xác định và cho một quang phổ vạch phát xạ riêng, đặc trưng cho nguyên tố ấy. Các nguyên tố khác nhau, phát ra các quang phổ vạch khác hẳn nhau về số lượng vạch, về màu sắc, bước sóng (tức là về vị trí) của các vạch và về cường độ sáng của các vạch đó. 4. Quang phổ vạch hấp thụ a) Quang phổ hấp thụ của chất khí hoặc hơi Quang phổ liên tục thiếu một số vạch màu do bị chất khí (hay hơi kim loại) hấp thụ được gọi là quang phổ vạch hấp thụ của khí (hay hơi) đó. + Điều kiện để thu dược quang phổ hấp thụ là nhiệt độ của đám khí hay hơi hấp thụ phải thấp hơn nhiệt độ của nguồn sáng phát ra quang phổ liên tục. b) Sự đảo vạch quang phổ: Những vạch màu trong quang phổ phát xạ đã trở thành vạch tối trong quang phổ hấp thụ, hiện tượng đó được gọi là sự đảo vạch quang phổ. + Như vậy, mỗi nguyên tố hóa học chỉ hấp thụ những bức xạ nào mà nó có khả năng phát xạ, và ngược lại, nó chỉ phát bức xạ nào mà nó có khả năng hấp thụ. c) Quang phổ vạch hấp thụ của mỗi nguyên tố có tính chất đặc trưng cho nguyên tố đó. Vì vậy, cũng có thể căn cứ vào quang phổ vạch hấp thụ để nhận biết sự có mặt của nguyên tố trong các hỗn hợp hay hợp chất. 5. Phân tích quang phổ Phân tích quang phổ là phương pháp vật lí dùng để xác định thành phần hóa học của một chất (hay hợp chất), dựa vào việc nghiên cứu quang phổ của ánh sáng do chất ấy phát ra hoặc hấp thụ. + Phép phân tích định tính cho kết quả nhanh, và có thể cùng một lúc xác định được sự có mặt của nhiều nguyên tố. + Phép phân tích định lượng rất nhạy, phát hiện được một hàm lượng rất nhỏ của chất trong mẫu. IV/. Tia hồng ngoại. Tia tử ngoại. Tia X 1. Tia hồng ngoại Bức xạ không nhìn thấy có bước sóng dài hơn 0,76μm đến khoảng vài milimét (lớn hơn bước sóng của ánh sáng đỏ) gọi là bức xạ hồng ngoại hay tia hồng ngoại. a) Nguồn phát tia hồng ngoại Mọi vật, dù ở nhiệt độ thấp, đều phát ra tia hồng ngoại. Cơ thể người phát ra tia hồng ngoại có bước sóng ở vùng 9 mµ . Mặt Trời, lò than, đèn điện dây tóc, … là nguồn phát tia hồng ngoại rất mạnh. b) Tính chất + Tính chất nổi bật là tác dụng nhiệt. Vật hấp thụ tia hồng ngoại sẽ nóng lên. + Có khả năng gây ra một số phản ứng hóa học, tác dụng lên một số loại phim ảnh. + Có thể biến điệu được như sóng điện từ cao tần. + Có thể gây ra hiện tượng quang điện trong, ở một số chất bán dẫn. c) Ứng dụng + Dùng để sấy khô, sưởi ấm. + Sử dụng trong các bộ điều khiển từ xa. + Chụp ảnh bề mặt của Trái Đất từ vệ tinh. + Ứng dụng đa dạng trong quân sự: như tên lửa tự động dò tìm mục tiêu nhờ vào tia hồng ngoại do mục tiêu phát ra; camera hồng ngoại, ống nhòm hồng ngoại, …hoạt động được trong đêm tối. 2. Tia tử ngoại Bức xạ không nhìn thấy có bước sóng ngắn hơn 0,38 mµ đến cỡ 9 10 m − (ngắn hơn bước sóng của ánh sáng tím) gọi là bức xạ tử ngoại hay tia tử ngoại. a) Nguồn phát tia tử ngoại + Vật có nhiệt độ cao trên o 2000 C đều phát tia tử ngoại. + Mặt Trời, hồ quang điện, đèn hơi thủy ngân, …phát ra tia tử ngoại mạnh. b) Tính chất + Tác dụng mạnh lên phim ảnh, làm ion hóa không khí và nhiều chất khí khác. + Kích thích sự phát quang của nhiều chất, gây ra một số phản ứng quang hóa và phản ứng hóa học. + Bị thủy tinh, nước, … hấp thụ rất mạnh. Những tia có bước sóng từ 0,18 mµ đến 0,4 mµ truyền qua được thạch anh. + Có một số tác dụng sinh lý: hủy diệt tế bào da, làm da rám nắng, làm hại mắt, diệt khuẩn, diệt nấm mốc, … + Có thể gây ra hiện tượng quang điện. c) Ứng dụng + Tia tử ngoại được dùng để khử trùng nước uống, thực phẩm và dụng cụ y tế. + Dùng chữa bệnh còi xương. + Dùng để tìm vết nứt trên bề mặt kim loại, … 3. Tia X (tia Rơn-ghen) Bức xạ có bước sóng từ 8 10 m − đến 11 10 m − (ngắn hơn bước sóng của tia tử ngoại) được gọi là tia X (hay tia Rơn-ghen). Tia X cứng có bước sóng rất ngắn, tia X mềm có bước sóng dài hơn. a) Cách tạo tia X Khi cho chùm tia catốt (chùm êlectrôn có vận tốc lớn) đập vào một miếng kim loại có nguyên tử lượng lớn, từ đó phát ra bức xạ không nhìn thấy được, đó là tia X. Ống phát ra tia X gọi là ống tia X (hình 41.1). b) Tính chất + Tính đâm xuyên. Tia X đi xuyên qua được giấy, vải, gỗ, …Tia X dễ dàng đi xuyên qua tấm nhôm dày vài xentimét, nhưng lại bị lớp chì dày vài milimét chặn lại. Chì được dùng làm màn chắn tia X. Tia X có bước sóng càng ngắn thì khả năng đâm xuyên càng sâu. + Tác dụng mạnh lên phim ảnh, làm ion hóa không khí. + Làm phát quang nhiều chất. + Gây ra hiện tượng quang điện. + Có tác dụng sinh lý mạnh: hủy diệt tế bào, diệt vi khuẩn, … c) Công dụng của tia X: + Dùng để chiếu điện, chụp điện, chữa ung thư. + Dùng để kiểm tra chất lượng các vật đúc, tìm các vết nứt, các bọt khí bên trong các vật bằng kim loại. + Dùng để kiểm tra hành lý của hành khách đi máy bay. + Dùng để nghiên cứu cấu trúc vật rắn, … VI/. Thuyết điện từ ánh sáng. Thang sóng điện từ 1. Thuyết điện từ ánh sáng Phát triển thuyết sóng ánh sáng của Huy-ghen và Fren-nen, năm 1860, Mắc-xoen đã nêu ra giả thuyết mới về bản chất ánh sáng: Ánh sáng là sóng điện từ có bước sóng rất ngắn (so với sóng vô tuyến điện), lan truyền trong không gian. + Mối liên hệ giữa tính chất điện từ và tính chất quang của môi trường: c n v = = εµ Trong đó c là tốc độ ánh sáng trong chân không; v là tốc độ ánh sáng trong môi trường có hằng số điện môi là ε , độ từ thẩm μ và chiết suất n. Hằng số điện môi ε còn phụ thuộc vào tần số của ánh sáng. 2. Nhìn tổng quát về sóng điện từ. Thang sóng điện từ a) Các sóng vô tuyến điện, tia hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy, tia tử ngoại, tia X và tia gamma đều là sóng điện từ. Vì chúng có tần số và bước sóng khác nhau nên tính chất rất khác nhau. + Các tia có bước sóng càng ngắn thì tính đâm xuyên càng mạnh, dễ tác dụng lên kính ảnh, dễ làm phát quang các chất và dễ ion hóa không khí. + Các tia có bước sóng dài, ta dễ quan sát hiện tượng giao thoa. b) Thang sóng điện từ (Bước sóng trong chân không 8 c 3.10 f f λ = = ) Miền sóng điện từ Bước sóng (m) Tần số (Hz) Sóng vô tuyến điện 4 4 3.10 10 − ÷ 4 12 10 3.10÷: Tia hồng ngoại 3 7 10 7,6.10 − − ÷ 11 14 3.10 4.10÷ Ánh sáng nhìn thấy 7 7 7,6.10 3,8.10 − − ÷ 14 14 4.10 8.10÷ Tia tử ngoại 7 9 3,8.10 10 − − ÷ 14 17 8.10 3.10÷ Tia X 8 11 10 10 − − ÷ 16 19 3.10 3.10÷ Tia gamma ( ) γ Dưới 11 10 − Trên 19 3.10 . thích: (Hình 36. 4) Ánh sáng từ đèn Đ qua kính lọc sắt F chiếu sáng khe S làm cho khe S trở thành nguồn phát sóng ánh sáng, truyền đến hai khe 1 2 S ,S (được. ánh sáng Bước sóng λ ( ) mµ Đỏ 0 ,64 0 ÷ 0, 760 Lam 0,450 ÷ 0,510 Cam 0,590 ÷ 0 ,65 0 Chàm 0,430 ÷ 0, 460 Vàng 0,570 ÷ 0 ,60 0 Tím 0,380 ÷ 0,440 Lục 0,500 ÷ 0,575