§§7. GIẢI THÍCH HIỆN TƯỢNG TÁN XẠ TỔ HỢP BẰNG THUYẾT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG. Ta có thể giải thích hiện tượng tán xạ tổ hợp bằng sự trao đổi năng lượng giữa phân tử của chất tán xạ và photon của ánh sáng tới. Photon tới mang năng lượng h(o. Khi đụng với phân tử của môi trường tán xạ, chỉ một phần h(1 của năng lượng này bị phân tử hấp thụ để đi từ trạng thái căn bản Ec lên trạng thái kích thích Ek. Phần năng lượng còn lại h ((o - (1) phát xạ dưới hình thức photon của ánh sáng tán xạ có tần số (o - ν 1 . Đó là vạch stokes trong phổ Raman. Để giải thích vạch đối stokes, ta thừa nhận rằng trong môi trường tán xạ có những phân tử ở trạng thái kích thích Ek. Khi bị đụng bởi photon của ánh sáng tới, phân tử này phát ra năng lượng gồm năng lượng h(1 (mà phân tử nhận vào khi hấp thụ để đi từ trạng thái Ec tới trạng thái Ek) và năng lượng h(o của photon tới. Vậy năng lượng tổng cộng phát ra dới dạ ng photon tán xạ là h ((o + (1) ứng với tần số (o + (1. Phân tử trở về trạng thái căn bản Ec. Sự phát xạ các vạch Stocke và đối stokes được biểu diễn bởi hai sơ đồ 12a và 12b. Số phân tử ở trạng thái kích thích Ek, trong các trường hợp bình thường, bao giờ cũng nhỏ hơn số phân tử ở trạng thái căn bản Ec. Do đó, khả năng phát xạ vạch đối stokes kém hơn khả năng phát xạ v ạch stokes. Điều này giải thích tại sao cường độ vạch stokes lớn hơn cường độ vạch đối stokes. h ν o E c E k = E c + h ν 1 h (v o + v 1 ) hν o E c E k = E c + hν 1 h (ν o - ν 1 ) (a) (b) H .12 Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Chương VII ĐO VẬN TỐC ÁNH SÁNG §§1. PHƯƠNG PHÁP ROMER. Ánh sáng truyền đi tức thời hay có một vận tốc giới hạn ?. Đó là vấn đề mà từ xưa các nhà thơng thái đã đặt ra và khơng đồng ý với nhau. Aristote cho rằng vận tốc ánh sáng là vơ hạn. Ngược lại nhà khoa học Hồi giáo Avicenna lại cho rằng vận tốc ánh sáng mặc dầu rất lớn nhưng có một trị số xác định. Alhazen (nhà vật lý A - rập) và Boyle (Ái Nhĩ Lan) đồng ý với quan điểm này. M ột ố các nhà bác học nổi tiếng khác như Kepler, Descartes lài đồng ý với Aristote. Galiléc là người đầu tiên đưa ra một phương pháp đo vận tốc ánh sáng, nhưng khơng thành cơng vì phương pháp q đơn giản. Người thứ nhất đưa ra một phép đo có giá trị, mặc dù kết quả chưa được chính xác, là Romer - một nhà thiên văn người Đan Mạch. Thí nghiệm thực hiện vào năm 1676. Khi quan sát hộ tinh gần mộc tinh nhất, các nhà thiên văn thời bấ y giờ nhận thấy : trong một năm, nghĩa là trong thời gian trái đất quay được một vòng xung quanh mặt trời, thời gian T giữa hai lần liên tiếp hộ tinh trên đi vào vùng tối phía sau mộc tinh thì thay đổi, trong khi đáng nhẽ T phải là hằng số. Thời gian này càng tăng khi trái đất càng xa mộc tinh và giảm khi hai hành tinh này càng gần nhau. Thời gian sai biệt (T cực đại khi xét hai vị trí trái đất gần và xa mộc tinh nhất (vị trí A và vị trí B). Thời gian này, các nhà thiên văn thời bấy giờ đo được là 1320 giây. Thời gian sai biệt này làm các nhà thiên văn lúng túng, khơng giải thích được. Sự kiện này cho thấy hình như thời gian T, để hộ tinh trên quay được một vòng xung quanh mộc tinh, thay đổi theo vị trí của trái đất. Điều này khó có thể chấp nhận. Để giải thích thời gian (T = 1320 giây này, Romer chấp nhận thuyết cho rằng ánh sáng có một vận tốc giới hạn. Khi trái đất ở vị trí A, ánh sáng chỉ truyền đi trên qng đường M1A. Khi trái đất ở vị trí B, qng đường ánh sáng phải truyền đi là M2B. Và thời gian 1320 s là thời gian ánh sáng truyền đi trên qng đường chênh lệch M2B - M2A, coi như bằng đường kính AB của quĩ đạo của trái đất. 1 na ê m/vo ø n 42,5 g iờ /vòn g 12 năm/vòng Qu y õ đạo trái đất M 1 M 2 Quỹ đạo mộc tinh A B S Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Thời bấy giờ, người ta tính được AB = 293 x 106 km, do đó Romer tìm được vận tốc ánh sáng là : C ( 222.000 km / s Với các con số chính xác ngày nay : ((T)cực đại = 1002 s và AB = 299,5 x 106 km. Bằng phương pháp của Romer, ta tính lại được kết quả : C ( 298.000 km / s §§2. PHƯƠNG PHÁP DÙNG ĐĨA RĂNG CƯA. Phương pháp của Romer là một phương pháp thiên văn, người ta không thể kiểm soát được các dữ kiện của thí nghiệm, đồng thời nó đòi hỏi một thời gian dài để hoàn tất thí nghiệm. Do đ ó các nhà bác học không thỏa mãn với phương pháp này. Fizeau là người đầu tiên thực hiện phép đo vận tốc ánh sáng ngay trên mặt đất. Thí nghiệm của Fizeau được thực hiện vào năm 1849. Thí nghiệm được thiết trí như hình vẽ 4.2 Ánh sáng xuất phát từ nguồn S, đi qua thấu kính L, phản chiếu trên gương nửa trong suốt G. Chùm tia phản chiếu hội tụ tại điểm A. Thấu kính L1 biến chùm tia phân kỳ tới th ấu kính thành chùm tia song song. Ánh sáng truyền tới một vị trí thứ hai cách vị trí phát xuất nhiều cây số. Tại vị trí này, một thấu kính L2 hội tụ chùm tia sáng trên một gương M. Gương này phản chiếu chùm tia sáng trở lại. Chùm tia trở về đi qua gương G. Ta quan sát nhờ một thấu kính L’. Đĩa quay C là một đĩa răng cưa, bề rộng của khe và của răng bằng nhau. Nếu lúc đầu đĩa C đứng yên và điểm A ở giữa một khe của đĩa thì mắt sẽ nhìn thấy ảnh của nguồn sáng S. Cho đĩa C quay với vận tốc tăng dần khi vận tốc quay đủ lớn để thời gian đi về của ánh sáng (giữa hai trạm đi và đến) bằng thời gian để răng bên cạnh điểm A quay tới trước điểm A thì ánh sáng bị đĩa C chận lại : mắt không nhìn thấy ảnh của S nữ a. Gọi D là khoảng cách giữa hai trạm. Quãng đường đi về là 2D. Thời gian tương ứng là :Ġ  n = số vòng quay mỗi giây của đĩa C khi mắt thấy ánh sáng tắt.  P = số răng của đĩa C Vận tốc ánh sáng là : ĉ Fizeau đã dùng một đĩa có 720 răng và nhận thấy ánh sáng bị tắt khi đĩa C quay với vận tốc 12,5 vòng/s ứng với khoảng cách D là 8,69 km. Từ đó, suy ra trị số củ a vận tốc ánh sáng là C(312.000 km / s. Bằng phương pháp này, Cornu tìm được C ( 300.400 ( 300km/s (1876). Perrotin tìm được C ( 299.880 ( 50 km / s (1902). Traïm 2 L . Traïm 1 L1 G C O A M L2 L ’ S Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m §§3. PHƯƠNG PHÁP GƯƠNG QUAY. Phương pháp này thu ngắn khoảng cách D rất nhiều so với các thí nghiệm của Fizeau, Cornu và được thực hiện bởi Foucault vào năm 1862. Hình vẽ 3 trình bày cách thiết trí thí nghiệm của Foucault. Nếu gương quay M đứng yên hay có vận tốc quay nhỏ, ánh sáng đi về theo quĩ đạo SIJS1JIs. Ta có ảnh cuối cùng s. Nếu gương M quay với vận tốc lớn thì trong thời gian ánh sáng đi về trên quãng đường JS1, gương M đã quay được một góc (. Do đó trong lần về, tia phản chiếu trên gương M là JI’. Ta có ảnh cuối cùng là s’. Bằng một kính nhắm vi cấp, ta xác định được khoảng cách ss’. Từ đó suy ra vận tốc ánh sáng. Gọi S’1 là ảnh của S nếu không có gương M. Nhưng vì có gương M nên chùm tia sáng phản chiếu hội tụ tại một điểm S1 trên gương cầu lõm B.S1 và S’1 đối xứng qua gương M nên không tùy thuộc vị trí của gương này. Do đó khi M quay, S’1 cố định. Khi gương M quay một góc (, tia phản chiếu quay một góc ( = 2(, S’’1 là ảnh của S1 cho bởi gương M. Ta cóĠ Dùng kính nhắm vi cấp đo khoảng cách: ss’ = SS’ = (.d (d là khoảng cách từ nguồn sáng S tới gương quay). Thời gian ánh sáng từ gương M tới gương cầu lõm B và trở về là :ĉ Vậy ( = 2( = 4(N( (N = số vòng quay mỗi giây của gương M). Suy ra : C ND π β 8 = Foucault tính được vận tốc ánh sáng :Ġ Trong thí nghiệm của Foucault, khoảng cách D = 20m, N=800vòng / giây, vận tốc ánh sáng tính được là : C = 298.000 ± 500 km / s Newcomb năm 1882 thực hiện lại thí nghiệm của Foucault với D = 3700m, N = 210 vòng / giây, tìm được C = 299.860 ( 50 km / s. I’ M g öôn g q ua y α β = 2 α S’ 1 S” 1 Kính nhaém vi caáp I G S S’ D β B S 1 s s’ J H. 3 Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m §4. PHƯƠNG PHÁP MICHELSON. Michelson đã thực hiện nhiều thí nghiệm để đo vận tốc ánh sáng. Ở đây, ta chỉ đề cập tới các thí nghiệm sau cùng của Michelson được thực hiện trong khoảng thời gian 1924 – 1926. Khoảng cách ánh sáng đi về dài 35,4 km giữa hai ngọn núi Wilson và San Antonio. Thiết trí của thí nghiệm như hình vẽ H.4. P là một lăng kính phản xạ 8 mặt, có thể quay xung quanh trục O.M và M’ là hai gương cầu lõm. Lúc đầu, P đứ ng yên, ánh sáng từ khe sáng S tới mặt a của lăng kính P và lần lượt phản chiếu trên các gương : m1, m2, M, M’, m3, M’, M, m4, m5 tới mặt e (đối diện với mặt a) của lăng kính P, phản chiếu trên mặt này tới gương m6. Quan sát bằng một kính nhắm vi cấp, ta thấy ảnh cuối cùng S’ của khe sáng S. Sau khi đã điều chỉnh hệ thống như trên, người ta cho lăng kính P quay thì ảnh S’ biến mất. Ảnh này lại xuất hiện ở đúng vị trí cũ nếu trong thời gian ánh sáng đi về, mặt d của lăng kính P quay tới đúng vị trí ban đầu của mặt e, nghĩa là thời gian đi về ( của ánh sáng bằng thời gian t để lăng kính P quay được 1/8 vòng. Nếu N là số vòng quay mỗi giây tương ứng của lăng kính P, ta có :Ġ Vận tốc ánh sáng là : DN D C 16 2 == θ Trong thí nghiệm trên của Michelson, lăng kính P quay với vận tốc 528 vòng / giây. Thực ra, trong các thí nghiệm, hai thời gian ( và t khó thể điều chỉnh cho hoàn toàn bằng nhau. Do đó ta có ( = t ( (, nghĩa là mặt d khi tới thế chỗ mặt e, hợp với vị trí ban đầu của mặt e một góc (. Vì vậy, ta quan sát thấy một ánh sáng S’1 không trùng với vị trí ban đầu S’. Xác định khoảng cách S’S’1, ta có thể tính được (. Từ đó tính được số hạng hiệu chính cho vận tốc ánh sáng. Trong th ời gian từ năm 1924 tới đầu năm 1927, Michelson đã thực hiện phép đo nhiều lần. Kết quả trung bình của các thí nghiệm là 299.976 km/giây với sai số 4 km/giây. C = 299.976 ( 4 km/giây Năm 1930, Michelson với sự cộng tác của Pease và Pearson thực hiện phép đo vận tốc ánh sáng trong chân không. Để thực hiện thí nghiệm này, ông dùng một ống dài 1600m và hút không khí trong ống ra (áp suất chỉ còn 0,5 mmHg). Thiết trí của thí nghiệm như trong hình vẽ 5. S c M m 2 m 1 m 4 Khe ù m 3 m 5 m 6 Kính nhaém vi caáp M’ (P) . f e d b g h D = 35,4Km a H . 4 o Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m . GIẢI THÍCH HIỆN TƯỢNG TÁN XẠ TỔ HỢP BẰNG THUYẾT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG. Ta có thể giải thích hiện tượng tán xạ tổ hợp bằng sự trao đổi năng lượng giữa phân tử của chất tán xạ và photon của ánh sáng. tới. Photon tới mang năng lượng h(o. Khi đụng với phân tử của môi trường tán xạ, chỉ một phần h(1 của năng lượng này bị phân tử hấp thụ để đi từ trạng thái căn bản Ec lên trạng thái kích thích. đụng bởi photon của ánh sáng tới, phân tử này phát ra năng lượng gồm năng lượng h(1 (mà phân tử nhận vào khi hấp thụ để đi từ trạng thái Ec tới trạng thái Ek) và năng lượng h(o của photon tới.