Bài giảng quang học benjamin crowell

BÀI GIẢNG

QUANG HỌC
BENJAMIN CROWELL










BenjaminCrowell: Quanghọc
- Phần 1
CHƯƠNG 1
MÔ HÌNH TIA SÁNG
Mẫu quảng cáocho mộtdòng máy tính Macintosh khoekhoangrằng nó có
thể làm một phép tínhsố học trong thời gian ngắn hơn thời gian cần thiết để ánh
sáng đi từ màn hìnhđến mắt củabạn. Chúng ta thấy quảng cáo này ấntượng vì sự
tương phản giữa tốc độ của ánh sáng vàtốc độ chúng tatươngtác với những đối
tượng vật chấttrong môitrườngxung quanh. Cólẽ chẳng có gì bất ngờ đối với
chúng ta khimà Newtonđã thành công mĩ mãn trong việc giải thích sự chuyển

độngcủa các vật, nhưng ôngkhông thành công cholắmvới sự nghiên cứu ánh
sáng.
Tập sách này thuộc loạt sách có tên gọi chung là Vật chất và Ánh sáng, nhưng
phải đến lúc này, ở tập thứ năm trong sáu tập, chúngta mới sẵn sàng tập trungtìm
hiểu về ánh sáng. Nếubạn đọc cáctậpsách theothứ tự, thì ắt hẳn bạn đã biết rằng
đỉnh điểm củasự nghiên cứu của chúng ta về điện học và từ học là sự khám phára
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
rằng ánhsánglà sóng điện từ. Tuynhiên, biết được như vậy thì khônggiống như
việc biết mọi thứ về mắt và kínhthiênvăn. Thậtra, sự mô tả trọn vẹn củaánhsáng
dướidạng sóngcó thể khá cồng kềnh. Thayvì thế, trong tập sách này, chúng ta sẽ
khai thác một mô hìnhđơn giản hơncủa ánh sáng, mô hình sử dụng tiện lợi trong
đa số những trường hợpthựctế. Khôngnhữngthế, chúngta cũngsẽ lùi lại một
chútvà bắt đầu thảoluận nhữngý tưởngcơ bản về ánh sáng vàtầm nhìn đã thấy
trướcsự khámphára sóng điện từ.
1.1 Bản chất của ánh sáng
Mối liên hệ nhân quả trong sự nhìn
Mặcdù có tiêu đề như vậy, nhưng chươngnàycòn cách rất xa sự hiểubiết sơ
đẳng của bạn về ánh sáng.Sự hiểu biếtcó vẻ như là lợi thế, nhưngđa số mọingười
chưa baogiờ suy nghĩ thận trọngvề ánh sáng và sự nhìn. Ngaycả người thông
minh đã suynghĩ kĩ về sự nhìn cũng đi tới nhữngquanniệm không đúng. Người Hi
Lạp, ArabvàTrung Hoa cổ đại đã cónhững líthuyết về ánh sáng vàsự nhìn, toàn
bộ những lí thuyết đó đa phầnlà sai lầm,và toàn bộ những líthuyết đó đã được
chấpnhận trong hàng nghìn năm trời.
Có mộtđiều mànhữngngười cổ đại đã nhận thức đúnglà có mộtsự khác
biệt giữanhữngvậtphát ra ánhsángvà nhữngvật không phátra ánh sáng. Khi bạn
nhìn thấy một chiếc lá trongrừng cây,đó là vì bavật khác nhau đang thựcthi công
việc củachúng:chiếc lá, đôi mắt,và mặt trời. Nhưng nhữngvật tỏa sáng như mặt
trời, ngọn lửa haydây tóc bóng đèn điện có thể nhìn thấy bằng mắtmà không cần
sự có mặt củamột vật thứ ba.Sự phát xạ ánhsángthường, chứ không phải luôn
luôn, đi kèm với nhiệt. Trongthời đại ngày nay,chúng ta đã quenthuộc với rất

nhiều vật tỏa sáng màkhôngbị nungnóng, thí dụ như bóngđèn huỳnh quang và
đồ chơi phát quang trongđêm.
Làm thế nào chúng ta nhìn thấynhững vật tỏa sáng? Cáctriết gia Hi Lạp
Pythagoras (khoảng 560tCN) vàEmpedocles xứ Acragas (khoảng 492tCN), thật
khôngmay là lại rất có sức thuyết phục, khẳng địnhrằngkhi bạn nhìn vào một
ngọnlửa nến,thì ngọn lửa vàmắt bạn cùng phát ra một loại vật chất bí ẩn, và khi
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
vật chất của mắt bạn vachạmvới vậtchất củangọn nến,thì ngọn nến sẽ trở nên
hiển hiện trước tầm nhìn của bạn.
“Lí thuyết vật chất va chạm” kiểu Hi Lạp như thế trông thật kì quái, nhưng nó
có hai điểm tốt.Nó lí giải vì saocả ngọn nến lẫnmắt bạnđều phải có mặt trong sự
nhìn củabạn. Lí thuyết trên cũngcó thể dễ dàng mở rộng để giải thích làm thế nào
chúng ta nhìnthấy nhữngvật không phát sáng.Chẳng hạn, nếu một chiếc lá có mặt
tại chỗ va chạm giữa vậtchấtcủa mắt bạn và vật chất củangọnnến, thì chiếc lá sẽ
bị kích thích để hiển hiện bản chất màu lục của nó, cho phép bạncảm nhậnnó có
màu lục.
Ngườithời hiện đại cóthể cảm thấy không hàilòngvới líthuyết này, vì nó
cho rằngtính lục chỉ tồn tại chochúng ta tiện nhìn, hàm ýrằng con người có quyền
ưu tiên cao hơnhiện tượng tự nhiên. Ngày nay, người ta muốn thấy mối liên hệ
nhânquả trong sự nhìnnằm ở chỗ khác, vớichiếc lá đang làmcái gì đó vớimắt
chúng ta thay vìmắt chúng tađang làm gì vớichiếc lá.Nhưng bạn có thể nói như
thế nào chứ? Cách phổ biến nhất để phân biệt nguyên nhânvới hệ quả là xác định
cái gì xảy ratrước, nhưngquá trình nhìn dườngnhư xảy ra quánhanh để mà xác
định trậttự mọi thứ đã diễn ra. Chắc chắn không có sự trễ thời gianrõ ràngnào
giữathời khắc khibạn cử độngđầu củamình và thời khắc khi ảnh phảnxạ của bạn
ở trong gương dichuyển.
Ngày nay,kĩ thuật nhiếp ảnh mang lại bằng chứng thựcnghiệm đơn giản
nhất rằngkhôngcó cái gì phátra từ mắt bạnvà đi tới chiếc lá để làm cho nó “có
màu lục”. Mộtcamera có thể chụp ảnh củachiếclá trongkhi chẳng có con mắt nào
ở gần đó cả.Vì chiếc lá hiển hiện màu lục cho dù nó đangđược cảm nhận bởi

camera,mắt của bạn, haymắtcôn trùng,cho nên điều cóý nghĩa hơn là nên nói
tính lục của chiếc lá là nguyênnhân, và cái gì đó xảy ratrong camera hay trong mắt
là hệ quả.
Ánh sáng là một thực thể, và nó truyền từ điểm này sang điểm khác
Một vấn đề nữa mà một số người đã xemxétlà ngọnlửa nếnảnh hưởng đến
mắtcủa bạnmột cách trực tiếp,hay nó phát raánh sáng đi vào trongmắt của bạn.
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
Một lầnnữa, tính nhanh chóngcủa hiệu ứng khiến người ta khó nói rõ cái gì đang
xảy ra. Nếu mộtai đó ném mộthòn đá vào ngườibạn, bạn cóthể nhìn thấy hòn đá
trên đườngđi của nóđến cơ thể bạn, và bạn có thể nói rằng người đó tấn công bạn
bằngcách gửi vật chất đến đườngđi của bạn, thay vì trựctiếp “xử” bạn bằng tay
chân,cái đó được gọi là “tác dụng xa”. Thật chẳng dễ dàng gì thựchiện một quan
sát tươngtự để xét xemcó “vật chất”nào truyền từ ngọn nến đến mắtbạn hay
không,hay đó là trường hợp tác dụngtừ xa.
a/Ánhsángphát ratừ ngọn nếntất nhiênbị chạm trúng bởi miếngthủytinh.
Việc đưa miếngthủy tinhvào chặn giữa làm cho vị trí biểu kiến của ngọn nến bị
dời chỗ.Hiệu ứngtươngtự có thế thấy được khibạn tháo kính đeo mắt xuống và
hãy nhìn vào cái bạn trông thấyở gần rìa của thấu kính, nhưng một miếngthủy
tinh phẳng sẽ hoạt độnggiống hệt như thấu kính trong mục đíchnày.
Vật lí họcNewton baohàm cả tác dụng xa(thí dụ lực hấp dẫn củatrái đất tác
dụnglên mộtvật đang rơi) và lựctiếpxúc như lực pháptuyến,chỉ cho phép những
vật ở xa tác dụnglực lên nhau bằng cách bắnra một chất nào đó băngqua không
gian giữa chúng(thí dụ lực vòi tưới vườn phun nước tác dụng lên bụi cây).
Một bằng chứngrằng ngọnnến phát ra vật chấttruyền đến mắtbạn là như
trên hìnha/,một chấttrong suốt chèn vào giữađường đi làmcho ngọn nến trông
như ở vị trí không đúng, cho thấy ánh sáng là cái gì đó tất nhiên có thể bị chạm
trúng. Tuynhiên, nhiềungười sẽ bácbỏ loại quansát này là ảogiác. (Một số hiệu
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
ứng quanghọc là nhữnghiệu ứng thầnkinh hoặc tâm líthuần túy, mặcdù một số
hiệu ứng khác, như hiệu ứng này, hóa racó nguyên nhânlà do hành trạngcủa ánh

sáng).
Một cách thuyết phục hơnđể xác địnhánh sáng thuộc loại gì là tìm hiểuxem
nó mấtthời gian bao lâu để đi từ ngọn nến đến mắt củabạn; trongvật lí học
Newton, tác dụng xađược cholà tức thời. Thựctế hàngngày chúng ta haynói “tốc
độ ánh sáng” hàm ý rằngtại một thời điểm nàođó trong lịch sử,một ai đó đã thành
công trong việc chứng tỏ rằng ánh sáng không truyền đi nhanh vô hạn.galileođã
thử, vàthất bại, nhằmphát hiệntốc độ hữu hạn đối với ánh sáng, bằng cách bố trí
một người đứng tại một tòa thápở xa dùng đèn lồng phát đi tínhiệu tới
lui. galileomở đèn của ôngra,và khi người kia nhìn thấy ánh sáng, anh ta mở đèn
của mình. Galileo không thể đo thấy bấtkì sự trễ thời gian đángkể nào so với
những giới hạn phản xạ của con người.
Ngườiđầu tiên chứng minh rằng tốc độ ánh sánglà hữu hạn, và xác định nó
bằngsố, là Ole Roemer, trong một loạt phép đo tiến hành trong năm 1675.Roemer
đã quan sát Io, một trongnhững vệ tinh của Mộc tinh, trong khoảng thời gianvài
năm. Vì Io đượcgiả địnhlà mất một lượng thời gian như nhau để quay trọn một
vòng quanhMộctinh, nên nó có thể được xem là một chiếc đồng hồ ở rất xa, rất
chínhxác. Một đồng hồ quả lắc thực tế và chính xác mới được phát minh ratrước
đó không lâu,nên Roemer có thể kiểm tra tỉ số chu kì của haichiếcđồng hồ,
khoảng 42,5giờ trên1 vòng quỹ đạo, vẫn giữ không đổi hoặc thayđổi chútít. Nếu
quá trìnhngắm vệ tinh xa xôi trên là tứcthời,thì sẽ không cósự lí giải nào chohai
kết quả lệch nhau. Cho dùtốc độ ánh sáng là hữu hạn, thì bạn có thể trông đợi kết
quả cũng sẽ khớp với nhau.Tuy nhiên, trái đất chúng takhôngở một khoảng cách
cố địnhđối với Mộc tinh và vệ tinhcủa nó. Vì khoảng cách đó thay đổidầndần do
chuyển động quỹ đạo của hai hành tinh,cho nênmột tốc độ hữuhạn của ánh sáng
sẽ làm cho “đồnghồ Io” dườngnhư chạy nhanhhơnkhi các hành tinh chuyển động
đến gầnnhau, và chạy chậm hơnkhi khoảng cáchgiữachúng tănglên. Roemer thật
sự tìm thấy một sự biếnthiên tốcđộ biểu kiến củaquỹ đạo củaIo, cái làmcho sự
che khuất Io bởi Mộc tinh (thời khắc khi Iođi quaphía trước hoặc phía sauMộc
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
tinh) xảyra sớmkhoảng 7 phútkhi Trái đất ở gần Mộctinh nhất,và muộn 7 phút

khi nó ở xanhất. Dựa trên nhữngphép đo này, Roemer ướctính tốc độ ánh sáng
xấp xỉ 2 x 10
8
m/s, giá trị khá gần với số đo hiện đại 3x 10
8
m/s. (Tôi khôngrõ sai
số thực nghiệm khá lớn như thế chủ yếu là do kiến thức không chính xác về bán
kính quỹ đạo củaTráiđất hay là donhững hạn chế về độ tin cậy của đồnghồ quả
lắc).
b/Ảnh chụp Mộc tinhvà vệ tinh củanó (trái) dophi thuyềnCassinicungcấp.
c/ Trái đất đangchuyển động về phía Mộctinh và Io. Vì khoảng cách đang
rút ngắn, nêntốn ít thời gian hơnchoánh sáng đi từ Io đến chúng ta, vàIo dường
như quay xung quanhMộc tinh nhanh hơn bình thường.Sáu thángsau đó, Trái đất
sẽ nằm phía bênkia của Mặt trời và lùi raxa Mộc tinh vàIo, cho nên Io dường sẽ
quay xungquanhMộctinh chậm hơn.
Ánh sáng có thể truyền trong chân không
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
Nhiều người cảm thấylúng túngtrướcmối liên hệ giữa âm thanhvà ánh
sáng.Mặc dùchúng ta sử dụng nhữngcơ quankhác nhau để cảm nhận chúng,
nhưng có một số tươngđồng.Chẳng hạn, cả ánh sáng lẫn âm thanh đềuthường lan
tỏa ra mọi hướngtừ nguồn phát củachúng. Cácnhạc sĩ thậm chí còn sử dụng
những phép ẩndụ thị giác như “tông màu”, hay“âm sắctươi vui”để mô tả âm
thanh.Một cáchnhìn nhận chúngrõ rànglà nhữnghiệntượng khác nhaulà lưu ý
đến vận tốc rấtkhác nhau của chúng.Chắc chắn, cả hai giá trị vậntốc đều nhanhso
với một mũi tênđang bay hay một con ngựa đangphinước đại,nhưng như chúng
ta thấy, tốc độ ánh sánglớn đến mức gần như là tức thờitrong đa số tình huống.
Tuy nhiên, tốc độ của âm thanhthì có thể dễ dàng quan sátđược bằng cách dõi
theo một đám trẻ ở xa vài trămmét khichúng vỗ tay hát đồngca. Có một sự trễ
thời gian rõ rànggiữa lúcbạnnhìn thấy bàn taycủa chúngvỗ với nhau và lúc bạn
nghe thấy tiếngvỗ tay.

Sự khác biệt cơ bản giữa âm thanh vàánh sánglà ở chỗ âm thanhlà một dao
độngáp suấtkhôngkhí, cho nên nó cần không khí(hay một môi trườngkhác như
nước) để truyềnđi. Ngày nay, chúng ta biết rằng không gianvũ trụ bên ngoài là
chân không, cho nên thực tế chúng ta thuđược ánh sáng từ mặt trời, mặt trăngvà
các vì saorõràng cho thấy khôngkhí làkhôngcần thiết đối với sự truyềnánh sáng.
Câu hỏi thảo luận
A. Nếu bạnquan sát sấm sét,bạncó thể nói cơn giôngbãoở xabao nhiêu.
Bạn có cần biếttốc độ của âm thanh, củaánhsáng, hay của cả hai hay không?
B. Khi những hiện tượngnhư tia X và tia vũ trụ lần đầu được khám phá ra,
hãy đề xuất một cách mà người ta có thể kiểm tra để biết xem chúnglànhững dạng
ánh sáng hay không.
C. Tại sao Roemerchỉ cần biết bánkính của quỹ đạo Trái đất,chứ không
cần bán kính của quỹ đạo Mộc tinh, để tìm ra tốc độ ánh sáng?
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
BenjaminCrowell: Quanghọc
- Phần 2
1.2 Tương tác của ánh sáng với vật chất
Sự hấp thụ ánh sáng
Lí domặt trời gây cảm giác ấm áptrênda bạn là vì ánhsángmặt trời đangbị
hấp thụ, và năng lượng ánh sángđang biến đổi thành nănglượngnhiệt. Điều tương
tự xảy ra vớiánh sáng nhân tạo,cho nên kết quả chungcủa việc bật đènsánglà
làm nóngcăn phòng. Cho dù nguồn sángcó nóng,như mặt trời, ngọn lửa,haybóng
đèn nóng sáng,hoặc lạnh,như bóng đèn huỳnh quang. (Nếu nhàcủa bạncó lò sưởi
điện, thì tuyệtđối đừng bao giờ tắt hết đèn trong mùađông; bóngđèn giúp sưởi
ấm căn phòng với chi phí ngang bằng lòsưởi điện đấy).
Quátrình nónglên bởi sự hấp thụ như thế này hoàn toàn khácvới sự nóng
lên dodẫn nhiệt, như khi bếp điện làmnóng món sốt spaghetti trong chão.Nhiệt
chỉ cóthể dẫnquavậtchất, nhưngcó khoảngchânkhônggiữa chúngtavàmặt trời,
hoặc giữa chúng ta và dây tóc củamộtbóng đèn nóng sáng.Đồng thời, sự dẫn nhiệt
chỉ có thể truyền năng lượngtừ vật nóng hơn sang vật lạnh hơn, nhưng một bóng

Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
đèn huỳnh quang nguội hoàn toàn có khả nănglàm nóngbất cứ cái gì vốn bắt đầu
đã nóng hơn bản thân bóng đèn.
Làm thế nào chúng ta nhìn thấy những vật không phát sáng
Không phải toànbộ ánh sángđi tới mộtvật đềubị biến đổi thành nhiệt. Một
phần ánhsáng bị phảnxạ, và điều này đưa chúngta đến câu hỏi làm thế nào chúng
ta nhìn thấy những vậtkhông phát sáng?Nếu bạn hỏi một ngườibình thường làm
thế nào chúng ta nhìnthấy một cái bóngđèn, câu trả lời có khả năng nhấtlà “Bóng
đèn phát ra ánh sáng, và ánh sángđi tớimắt chúng ta”.Nhưng nếu bạn hỏi làm thế
nào chúng ta nhìn thấy một quyển sách, họ cókhả năngsẽ nói “Bóngđèn thắp sáng
căn phòng,và ánh sángđó cho phép chúngta nhìn thấyquyển sách”. Toàn bộ vấn
đề ánhsángđi vào mắt chúng tađã biến mấtmột cáchbí ẩn.
Đa số mọi ngườisẽ khôngtán thành nếu bạn bảo họ rằng ánh sáng bị phản
xạ từ quyển sáchđi tới mắt, vì họ nghĩ sự phản xạ là cái gì đó xảy ra với cái gương,
chứ không phải với mộtthứ như quyển sách. Họ hình dungsự phản xạ đi cùngvới
sự tạo thành ảnh phảnxạ, mà ảnh đó khôngcó vẻ sẽ xuất hiệntrên mộttờ giấy.
Hãy tưởng tượngbạn đangnhìn vào ảnh phảnxạ của bạn trên một lá nhôm
phẳng, bóng, không có gấp nếpnào. Bạn nhận thấy gương mặt, chứ không phảimột
miếng kimloại. Có lẽ bạn cũngnhìn thấyảnhphản xạ sáng rỡ của mộtbóng đèn
trên vaiphía saubạn. Giờ thì hãy tưởngtượng lá nhômđó hơi kém nhẵnđi một
chút.Những phần khác nhaucủa ảnh giờ bắt đầu hơi lệch hàng vớinhau.Nãocủa
bạn có thể vẫn nhận ragương mặt vàcái bóng đèn, nhưng nó hơi bị nhòe, giống
như tranh Picassovậy. Giờ giả sử bạn dùng một lánhômđã từngcuộn gấp và đã
dát phẳng ra trở lại. Nhữngphần của ảnh nhòeđến mức bạn không thể nhận ra
ảnh nữa. Thayvào đó, não củabạn mách bảo rằng bạn đangnhìnvào một bề mặt
gồ ghề có ánhbạc.
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
d/ Hai bức chân dung tự chụp của tác giả, mộtchụp tronggương và một
chụp với một lá nhôm.
Sự phản xạ kiểu gương ở một góc nhấtđịnh được gọi là phảnxạ phản chiếu,

còn sự phản xạ ngẫu nhiên theo nhiềuhướngkhác nhauđượcgọi là phản xạ
khuếch tán. Phản xạ khuếch tán là cách chúng ta nhìn thấynhữngvậtkhông phát
sáng.Phản xạ phản chiếu chỉ cho phépchúng ta nhìn thấy ảnh của nhữngvật khác
ngoài vật đang phản xạ. Trong phần trêncủa hìnhd, hãy tưởng tượng các tia sáng
đang phát ra từ mặt trời. Nếu bạn nhìn xuốngmột bề mặt phản chiếu,thì khôngcó
cách nào chohệ mắt-nãocủa bạn bảo rằngcác tia sáng đó thật sự không phát ra từ
mặttrời nằm ở bên dưới chỗ bạn.
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
e/ Phản xạ phản chiếuvà phản xạ khuếch tán
Hình f thể hiệnmột thídụ khác của cách chúngta khôngthể tránh đượckết
luận rằngánhsáng phản xạ khỏi nhữngvật khác ngoàicác loạigương ra.Đèn ống
là cái tôi có trong nhà mình.Nócó một bóng sáng,đặt trongmộttấm chắn kim loại
hình lòng chão hoàn toànmờ đục. Con đường duynhất ánhsángcó thể đi ra khỏi
đèn ống là đi quaphầntrên của lòng chão. Thựctế tôi có thể đọc một quyển sáchở
tư thế như trong hình có nghĩa là ánh sángphải phản xạ khỏi trần nhà,sau đó phản
xạ khỏi quyển sách, rồi cuối cùng đi vào mắt của tôi.
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
f/ Ánh sáng phản xạ khỏi trần nhà, sau đó phảnxạ khỏiquyển sách
Đây làchỗ nhữngthiếu sót của lí thuyết Hi Lạp về sự nhìn trở nên rõ ràng
hiển nhiên. Theolí thuyết Hi Lạp,ánh sáng phát ra từ bóngđèn và“các tiamắt” bí
ẩn của tôi đềuđược cholà đi tới quyển sách, tạiđó chúng va chạm nhau, cho phép
tôi nhìn thấy quyển sách. Nhưnglúc này chúng ta có tổngcộng bốnvật: bóng đèn,
mắt,quyển sáchvà trầnnhà.Vậy thìtrần nhànằm ở chỗ nào? Nó có gửi ranhững
“tia trần nhà” bí ẩn của riêng nó, gópphần vàomột va chạm tayba tại quyển sách
hay không? Điều đó đúng là quákì quái để mà tin!
Sự khác biệt giữa màutrắng,màu đen,và những bóngxám khác nằm ở chỗ
bao nhiêu phần trăm ánhsángmà chúng hấp thụ và bao nhiêu phần trămánhsáng
mà chúng phảnxạ. Đó là lí do vì saovải vóc màu sángthông dễ nhìn hơn vào mùa
hè, và màn thảm màu sáng trong xehơi trông mát mẻ hơn màn thảm màu đen.
Số đo cường độ sáng

Chúng tavừa thấy rằngcảm giác sinhlí của tiếng ồn có liên quan đến cường
độ âm thanh (công suất trên đơn vị diện tích), nhưng khôngtỉ lệ thuận với nó. Nếu
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
âm A có cườngđộ 1 nW/m
2
, âm B có cườngđộ 10 nW/m
2
, và âm C là 100nW/m
2
,
thì sự tăng mức cường độ từ B lên C được cảm nhận ngang bằngvới sự tăng từ A
lên B, chứ khôngphải lớn hơn 10 lần. Nghĩa làcảm giác mức cường độ âm là hàm
logarithm.
Điều tươngtự đúngvới cường độ sáng.Độ sáng liên hệ với công suất trên
đơn vị diện tích, nhưngmối liên hệ sinh lí là hàm logarithmthaycho hàmtỉ lệ
thuận. Trên phươngdiện vậtlí, chúng ta quan tâm đếncông suấttrênđơn vị diện
tích.Đơn vị liên quan là W/m
2
. Một cách xác định cườngđộ sáng làđo độ tăng
nhiệt độ của một vật đenđặttrước ánh sáng đó. Năng lượng ánh sáng bị biến đổi
thành năng lượngnhiệt, và phầnnăng lượng nhiệt bị hấp thụ trong mộtthời gian
cho trước có thể liên hệ với côngsuất hấp thụ, sử dụng nhiệt dungđã biết của vật.
Những dụng cụ đo cường độ ánhsáng thực tế hơn, thí dụ như những máy đo ánh
sáng chế tạo trong một số camera,hoạtđộng dựa trên sự biến đổi ánh sángthành
năng lượngđiện, nhưngnhữngmáy đonày phải đượcchế tạo để khắc phục những
số đo nhiệt.
Câu hỏi thảo luận
A. Màn cửa trong một căn phòng nọ đã kéo xuống, nhưngcó một khe nhỏ
cho phép ánh sáng đi qua,chiếu một đốm sáng lêntrên sàn nhà. Người ta có thể
hoặc cũngkhôngcó thể nhìn thấy chùmánh sáng mặt trời đi xuyênqua phòng, tùy

thuộcvào điều kiện nhìn. Cái gì diễn ra tiếp sau đó?
B. Các chùm laser là ánh sáng. Trongphim khoahọcviễn tưởng,các
chùmlaser thườngđượcthể hiện lànhững đường sáng bắn từ súng laserlên trên
phi thuyền vũ trụ. Tại saosự mô tả như thế là không đúngvề mặt khoahọc?
C. Một nhà làm phimtư liệu đã đến lễ tốt nghiệp năm 1987của trường
Harvardvà phỏngvấnsinh viên tốt nghiệp,trước camera,yêu cầu giải thích các
mùa trong năm.Chỉ có 2 trong số 23 người có thể cho lời giải thích đúng, nhưng
giờ thì bạn đã có mọi thông tincần thiết để tự mình trả lời, giả sử bạn chưabiếtgì
hết. Hìnhbêndưới thể hiện trái đất ở vị trí mùa đôngvà mùa hè so với mặt trời.
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
Gợi ý: Xét những đơn vị dùng để đo cường độ ánh sáng, vànhớ rằng mặt trời trong
mùa đôngthì hơi thấp, nên cáctia sángcủa nó chiếu xiên một gócnông hơn.
g/ Câu hỏi thảoluận C
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
BenjaminCrowell: Quang học -
Phần 3
1.3 Mô hình tia sáng
Các mô hình ánh sáng
Hãy lưu ý cách thức tôi đã miêu tả không chính thức sự chuyển độngcủaánh
sáng với hình ảnh thể hiện ánhsáng có dạng đường thẳngtrên tranggiấy.Chính
thức hơn thì đây đượcgọi là môhình tia sáng. Mô hình tiacủa ánhsángcó vẻ tự
nhiênmột khichúng ta tự thuyết phục bản thânmình rằng ánhsáng truyền đi
trong không gian, và quan sát những hiện tượngnhư nhữngchùm tia sáng mặt
trời chiếu xuyên qua khetrốngtrên những đám mây. Đã từng nêura khái niệm
ánh sáng là một sóng điện từ, bạn biếtrằng ánh sáng khôngphải làsự thật tốihậu
về ánhsáng,nhưng môhình tia sáng thì đơn giản hơn, và trong mọi trường hợp,
khoa họcluôn xử lí nhữngmô hìnhcủa thực tại, chứ không xử lí bản chất tối hậu
của thực tại. Bảngdưới đây tómtắt bamô hìnhánh sáng.
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
h/ Ba mô hình ánh sáng

Mô hình tia sáng là mộtmô hìnhthông dụng. Bằngcách sử dụng nó, chúng ta
có thể nói về đường đi của ánhsáng mà không bận tâmtới bất kì sự mô tả đặc biệt
nào của cái gì đang chuyển động dọc theo đường đi đó. Chúng ta sẽ sử dụngmô
hình tia đơn giản,xinhđẹp ấytrong đa phần tập sách này, và với nó chúng ta có
thể phân tích rất nhiều dụng cụ và hiệntượng.Cho đếnchương cuối thì chúngta
mớibàn về quang họcsóng, mặc dù trong nhữngchương giữa, thỉnhthoảng tôi sẽ
phân tíchcùng một hiệntượngvới môhình tia lẫn mô hìnhsóng.
Lưu ý rằng những phátbiểu về khả năng áp dụng của những môhình khác
nhau chỉ là nhữngchỉ dẫn thô. Chẳng hạn, những hiệuứng giao thoasóng thường
là cóthể pháthiện ra, nếu nhỏ,khi ánhsángđi qua một vật chắn hơi lớn hơnbước
sóng một chút. Đồng thời, điều kiện khi chúngta cần môhình hạt thật ra cónhiều
cái phảilàm với thang năng lượng hơn làthang khoảngcách, mặcdùcả haiđều có
liên quan.
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
Độc giả thận trọngcó thể để ý thấy mô hình sóng làcần thiết ở những thang
đo nhỏ hơn bước sóng của ánhsáng (vào cỡ 1 micromet đốivới ánhsáng nhìn
thấy),và mô hìnhhạt là cần thiết ở thang nguyên tử hoặc nhỏ hơn (mộtnguyêntử
tiêu biểu có kíchcỡ chừng 1 nanomet hoặc tương đương).Điều này gợiý rằng ở
những thang bậc nhỏ nhất, chúngta cần cả mô hình sóngvà môhình hạt.Chúng có
vẻ không tương thích với nhau, vậy làm thế nào chúngta có thể sử dụngchúng
đồngthời? Câu trả lời làchúngkhônghẳn là không tương thích như thoạt trông
như thế. Ánh sáng vừa là sóng vừa là hạt, nhưng sự hiểu rõ trọn vẹncủa phát biểu
rõ ràngphi trực giác nàylà mộtchủ đề chotậptiếp theotrongbộ sáchnày.
i/ Các thí dụ của sơ đồ tia sáng
Sơ đồ tia sáng
Cho dù không biết làm thế nào sử dụng mô hình tiasángđể tính toán mọi
thứ bằng số,nhưng chúng ta cóthể học được rất nhiều thứ bằng cách vẽ rasơ đồ
tia sáng.Chẳng hạn, nếu bạn muốnhiểu làm thế nào kínhmắt giúp bạnnhìn rõ nét,
thì mộtsơ đồ tia sáng là nơi thích hợp để bắt đầu. Nhiều họcsinhsợ sử dụng sơ đồ
tia sángtrong quang họcvà thayvàođó chỉ hamhọc thuộc lòng haythaysố vào

công thức. Vấnđề xảy ravới chuyện học thuộc lòngvà thay số là chúng có thể làm
lu mờ cái thật sự đangdiễn ra,và dễ đưa tớisai lầm. Thường thìcách tốt nhất làvẽ
một sơ đồ tia sáng trước, sauđó tính toán bằng số, và kiểm tra lại kết quả số của
bạn xemcó phùhợp với cái bạn thu được từ sơ đồ tia sáng hay không.
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
j/ 1. Đúng. 2. Sai: hàm ý rằng sự phản xạ khuếch tán chỉ cho một tia từ mỗi
điểm phản xạ. 3. Đúng: nhưng phức tạp đến mức không cần thiết.
Hình j trình bàymột số chỉ dẫnsử dụng sơ đồ tia sáng sao cho hiệu quả. Các
tia sángbẻ cong khi chúng đi ra khỏi bề mặt của nước (một hiện tượng chúng ta sẽ
thảo luận chi tiết hơnở phần sau).Cáctia sángcó vẻ như xuất phát từ một điểm
phía trênvị trí thật sự của con cá vàng,một hiệu ứng quenthuộc với những ai đã
từng đi câu cá.
 Một dòng ánhsáng thật ra không bị hạn chế với một số lượng hữu hạn
những đường hẹp. Chúngta chỉ vẽ nó như thế thôi. Tronghình j/1,cần chọn một
số hữu hạn tiasángđể vẽ (5 tia),chứ không vẽ số lượng vô hạn tia như lí thuyết sẽ
đi ra từ điểm đó.
 Có mộtxu hướng không đúnglà hìnhdung các tia sáng như nhữngvật
thể. TrongquyểnQuang học của ông, Newtonđã nêu ra cảnh giácvới độc giả về sự
nhầmlẫn này, ông nói rằng một số người “xem sự khúc xạ của các tia sáng là sự
bẻ cong hay phân tách chúng khichúng đitừ môi trường này ra môi trường khác”.
Một tia sáng là một sự ghi lại đường đi mà ánh sáng đã truyền qua,chứ khôngphải
một đối tượngvật chất có thể bị bẻ conghay phân tách.

Trênlí thuyết, các tia sáng cóthể tiếp tục kéodài vô hạnvề quá khứ hoặc
tương lai,nhưng chúng ta nênvẽ các đường cóchiều dài hữu hạn.Tronghình j/1,
một lựachọn đúngđắnđó là nơi bắtđầu và kếtthúccác tia sáng. Khôngcó điểm
nào trong phần kéo dài của những tia sáng ngoài phần hình vẽ, vì chẳng có cái gì
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
mớimẻ và hấp dẫn xảy ravới chúnghết. Còn có một lí do hợp lí nữa để bắt đầu
chúng sớmhơn, trước khibị phản xạ bởi con cá, vì hướng của các tia phảnxạ

khuếch tán là ngẫu nhiên và khôngcó liên quantới hướngcủanhững tia tới ban
đầu.
 Khi biểu diễn sự phản xạ khuếch tán trong sơ đồ tia sáng, nhiềuhọc trò
có suy nghĩ tránh vẽ quá nhiều tia tỏara từ cùng một điểm. Thông thường, như
trong thí dụ j/2,cái bị hiểu lầm là ánhsángchỉ cóthể phản xạ từ hướng này sang
hướngkhác.
Một khó khăn nữa đi cùng với sự phản xạ khuếch tán,thí dụ j/3, là xuhướng
nghĩ rằng ngoài việc vẽ nhiều tia tỏa ratừ mộtđiểm, chúngta cũng nên vẽ nhiều
tia đến từ nhiều điểm. Trong hìnhj/1, việcvẽ nhiều tia tỏa ratừ một điểm manglại
thông tin hữu ích, chochúng ta biết rằng,chẳnghạn, con cá được nhìn từ bất kì góc
nào. Việc vẽ nhiều tập hợp tia,như tronghình j/3,khôngcung cấp thêm cho chúng
ta thôngtin hữu ích gì nữa, và chỉ làm cho bức tranh trongthí dụ này rốirắm thêm
mà thôi. Lí do duynhấtđể vẽ tập hợp nhiều tia sángtỏara từ nhiều hơn một điểm
là nếu có nhữngcái khác nhau đang xảy ravới những tập hợp tiakhácnhau đó.
Câu hỏi thảo luận
A. Giả sử một con cá sử dụng một công cụ thông minhđể săn người.Hãy
vẽ sơ đồ tia sáng thể hiện con cá phảihiệu chỉnh mục tiêu của nó như thế nào. Lưu
ý rằng mặc dù các tia sáng lúcnày đi từ không khí vàonước, nhưng quytắc áp
dụngvẫn như cũ: tia sáng ở gần pháp tuyến với bề mặt hơn khichúng ở trong
nước, và những tia sáng đi tớiranh giớikhông khí-nướcvới góc thấp là bị bẻ cong
nhiều nhất.
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
Benjamin Crowell: Quang học
- Phần 4
1.4 Cơ sở hình học của sự phản xạ phản chiếu
Để làm thay đổi chuyển độngcủa một vật, chúngta sử dụng lực. Có cách nào
tác dụnglực lên một chùm ánhsáng hay không?Các thí nghiệm chothấy điện
trường và từ trường không làm lệch hướng chùm ánh sáng,cho nên rõ ràng ánh
sáng không có điện tích. Ánh sángcũng không cókhối lượng, vì thế cho đến thế kỉ
20 người ta tinrằng nócũng miễn dịchvới trườnghấpdẫn. Einstein dự đoán rằng

những chùm ánhsángsẽ bị lệchchút ít bởi trường hấpdẫn mạnh,và người ta đã
chứng minhông đúngvới những quan sát ánhsángsao đi quagần mặttrời, nhưng
rõ ràngđó chẳng phải là cái làmchogương vàthấu kính hoạtđộng!
Nếu chúngta nghiên cứu ánhsáng bị lệch như thế nào bởimột cáigương,
chúng ta sẽ nhận thấy quá trình đó phức tạp khủngkhiếp, nhưngkết quả cuối cùng
thì đơngiảnđến bất ngờ. Cái thật sự xảy ra là ánh sángcấu thànhtừ điện trường
và từ trường, vànhững trường này làm gia tốc các electrontronggương.Năng
lượng của chùm ánh sáng ngay tức thời biến đổi thành độngnăng của cácelectron,
nhưng vì cácelectron đang tăngtốc nên chúngtái phátxạ ánh sáng, biến đổiđộng
năng của chúng trở lại thành nănglượng ánh sáng. Chúng ta trôngđợi điều này
mang lạimộttình huốngrất lộn xộn,nhưng đủ bất ngờ, các electronchuyểnđộng
với nhauđể tạo ra mộtchùm ánh sáng mới, phản xạ, tuân theohai quy luật đơn
giản:
 Góc củatia phản xạ bằng với góc của tiatới.
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
 Tia phản xạ nằm trong mặt phẳngchứa tia tới và pháp tuyến(vuông góc).
Mặtphẳng này đượcgọi là mặtphẳng tới.
k/ Cơ sở hình học củasự phản xạ phản chiếu
Góc phản xạ và góc tới có thể xác định sovới pháptuyến, như góc B và C trên
hình, hoặc so với mặt phản xạ, như góc A và gócD. Có mộtquy ướcđã tồn tại hàng
trămnăm rằngngười ta đo góc so vớipháp tuyến, nhưng quytắchai gócbằng
nhau ở trên có phát biểulà B =C hoặc A= D đềuhợp lí.
Hiện tượng phảnxạ chỉ xảy ra tại ranh giớigiữa hai môi trường,giống như
sự thay đổi tốc độ ánhsáng khi đi từ môi trườngnày sang môi trườngkhác. Như
chúngta đã thấy trongtập 3 của bộ sách này,đâylà cách màmọi loạisóng hànhxử.
Đa số mọi ngườithấy bất ngờ trước thực tế rằng ánhsáng có thể bị phản xạ
ngược từ một môi trường kémđặc hơn. Chẳng hạn, nếu bạn lặn xuống và nhìn
ngược lên mặtnước, bạn sẽ nhìn thấy ảnhphảnxạ của chính bạn.
Tự kiểm tra
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -

Từng sơ đồ dưới đây biểu diễn haitia khác nhau đang bị phảnxạ từ cùng
một điểm trên mặt gương. Sơ đồ nào đúng,và sơ đồ nào không đúng?
Tính thuận nghịch của chiều truyền tia sáng
Thựctế sự phản xạ phản chiếu biểu hiện những góc tới và góc phản xạ bằn
nhau cónghĩa là có mộtsự đối xứng: nếu tronghình trên, tia sáng đi từ phải sang
thayvì từ trái sang, thì các góc sẽ trôngy hệt như vậy. Đây khônghẳnlà một chi
tiết vô nghĩa về sự phảnxạ phảnchiếu. Nó là một biểu hiện của một thực tế rất sâu
sắc và quan trọng về tự nhiên, đó là các định luậtvật lí không phân biệt giữa quá
khứ và tương lai. Đạn đại bác vàcác hành tinh có quỹ đạo thuậnnghịch tự nhiên
như nhau, và các tia sángcũngthế. Loại đối xứng này được gọi làđối xứngnghịch
đảo thời gian.
Thôngthường, đối xứngnghịchđảo thời gianlà một đặc trưng củabất kìquá
trìnhnào khôngliên quanđếnnhiệt. Thí dụ, các hành tinh không chịu ma sát khi
chúng chuyểnđộng trongkhông gian trống rỗng,nên không có sự nóng lên do ma
sát. Vì thế, chúng ta trông đợi nhữngphiên bản nghịch đảo thời giancủa quỹ đạo
của chúngtuân theocác địnhluật vật lí, và đúng như thế. Trái lại, một quyển sách
trượttrên bàn thật sự phát sinhnhiệt doma sát vì nó chuyển động chậmdần, và
do đó, không cógì bấtngờ khi loại chuyển độngnày không có vẻ tuân theo đối
xứngnghịch đảo thời gian. Mộtquyển sách nằmyên trên một cái bàn bằngphẳng
khôngbao giờ tự độngbắt đầu trượt, nhận vào nănglượng nhiệt và biến đổi nó
thành độngnăng.
Tương tự, tình huống duynhấtchúng ta quan sát thấy từ trước đến nay,
trong đó ánh sáng khôngtuântheo đối xứng nghịch đảo thời gian là sự hấp thụ,
quá trìnhliên quan đến nhiệt. Da của bạn hấp thụ ánh sáng nhìn thấy từ mặt trời
đến vànóng lên, nhưngchúng ta chưabao giờ quan sátthấyda của người nào phát
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
sáng,biến đổi năng lượng nhiệtthànhánh sáng nhìn thấy. Da người thật sự phát
ánh sáng trongvùng hồng ngoại,nhưng điều đó không cónghĩa rằng tìnhhuống đó
là đối xứng. Chodù da của bạn hấp thụ tia hồngngoại,nhưng bạnkhôngphát ra
ánh sáng nhìn thấy, vì dacủa bạn khôngđủ nóng để phát xạ trong vùngphổ nhìn

thấy.
Những sự bất đối xứnghiển nhiên liênquan đến nhiệt này không phải là
những sự bấtđối xứngthật sự trong cácđịnh luật vật lí. Độc giả quantâmcó thể
thamkhảo thêm về vấn đề này trongchương tự chọn nhiệt độnglực học ở tập 2
của bộ sách này.
Ví dụ 1. Lần theo tia sáng trên máy vi tính
Người ta có thể sử dụng một số kĩ thuật để tạo ra những khung nhìn nhân tạo
trong đồ họa máy tính. Hình l thể hiện một khung cảnh như vậy, tạo bằng kĩ thuật
xây dựng những sơ đồ tia sáng rất chi tiết trên máy vi tính. Kĩ thuật này yêu cầu rất
nhiều phép tính toán, và do đó quá chậm để dùng cho video game và phim động trên
máy tính. Một thủ thuật tăng tốc tính toán là khai thác tính thuận nghịch của chiều
truyền tia sáng. Nếu người ta lần theo mỗi tia sáng phát ra bởi mỗi bề mặt phản xạ,
thì chỉ một phần nhỏ trong số đó thật sự đi vào “camera” ảo, và do đó gần như toàn
bộ nỗ lực tính toán sẽ bị lãng phí. Thay vào đó, người ta có thể bắt đầu một tia từ
camera, lần theo nó ngược thời gian, và nhìn xem nó đi từ đâu tới. Với kĩ thuật này,
không có sự lãng phí công sức nữa.
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
l/ bức ảnh được tạo rahoàn toàn bằng máy tính,bằng cách tính toán mộtsơ
đồ tia sáng phức tạp.
Câu hỏi thảo luận
m/ Câu hỏi thảoluậnB
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -